ДВОЙНОЙ ВОЛНОВОДНЫЙ ТРОЙНИК Российский патент 1998 года по МПК H01P5/20 

Изобретение относится к области микроволновых гибридных устройств, в частности, к 8-полюсникам, известным как "магическое Т".

Волноводное гибридное соединение типа "магического Т" (см., например, Саусворт Дж. К. Принципы и применение волноводной передачи. М.: Советское радио, 1955) представляет собой 8- полюсник, имеющий два боковых плеча, образованных прямоугольным волноводом, и примыкающие к нему по узкой и широкой стенкам отрезки волноводов: соответственно H- и E-плечи. Оси волноводов, представляющих H- и E-плечи, лежат в одной плоскости, ортогональны оси волновода, образующего боковые плечи, и друг другу. Такой 8- полюсник при дополнительном согласовании его плеч обладает "магическими" свойствами, давшими название устройству. Эти свойства включают равное деление мощности, поступающей в любое плечо устройства, между двумя другими плечами и "развязку" оставшегося и возбуждаемого плеча. При возбуждении H -плеча входная мощность синфазно делится поровну между боковыми плечами. При возбуждении E- плеча мощность также делится поровну между боковыми плечами, но выходные сигналы оказываются в противофазе. И в том и в другом случае H- и E-плечи "развязаны" друг от друга. При возбуждении бокового плеча мощность делится поровну между H- и E-плечами. Если же сигналы поступают в оба боковых плеча, то в H-плечо поступает их векторная сумма, а в E-плечо - векторная разность. В отмеченной книге рассмотрены различные варианты согласования плеч двойного волноводного тройника, которые включают сочетание различного вида неоднородностей индуктивного и емкостного типов в виде штырей или диафрагм. Однако ввиду того, что согласуемые КСВН велики, устройства оказываются узкополосными. Известно, что для расширения полосы частот согласующие структуры следует размещать ближе к центру гибридного соединения.

Обычно согласующая структура для согласования импеданса со стороны H-плеча включает металлический обтекатель, расположенный вблизи центра соединения. Оптимальные размеры и положение обтекателя определяются экспериментально. Согласование E-плеча может достигаться введением в него индуктивного штыря.

В прототипе предлагаемого изобретения (Reeves et al. Hybrid Tee Waveguide Assembly, US, Patent No. 4 413 242, Nov.l,1983) обтекатель выполнен в виде стержня, расположенного на цилиндрическом "пьедестале", основание которого лежит на широкой стенке волновода, образующего боковые плечи соединения. Длина стержня такова, что он входит в E-плечо, образуя в нем отрезок коаксиальной линии передачи. Диаметр стержня выбирается в соответствии с соотношением, обеспечивающим максимальную электрическую прочность устройства.

Недостатком прототипа является ограничение, накладываемое снизу на длину E-плеча, связанное с наличием отрезка коаксиальной линии передачи в E-плече. В тех случаях, когда требуется, чтобы E-плечо представляло собой волновод пониженной высоты, прототип требует введения дополнительного волноводного трансформатора, который еще более увеличивает длину E-плеча, уменьшая при этом полосу частот устройства в целом.

Размеры E-плеча, которое перпендикулярно плоскости трех остальных плеч двойного тройника, могут определять важные характеристики прибора, в состав которого он входит: габариты, вес, технологичность, условия охлаждения и др.

Технический эффект предлагаемого изобретения заключается в улучшении массогабаритных, технологических и эксплуатационных характеристик системы, в которую входит заявляемое устройство, при обеспечении высоких уровней согласования по входам устройства, высоких "развязок" между "развязанными" плечами и низких потерь.

Этот технический эффект достигается за счет уменьшения длины и высоты E-плеча при введении следующих согласующих элементов: металлической симметричной диафрагмы в виде двух прямоугольных выступов по ширине волновода H-плеча в плоскости стыка его с волноводом, образующим боковые плечи, металлической прямоугольной пластины с вырезом, расположенной в плоскости симметрии устройства в волноводе, образующем пару боковых плеч, примыкающей к его узкой стенке, причем высота пластины равна высоте волновода, а вырез расположен в углу пластины и имеет форму прямоугольника, одной стороной примыкающего к узкой стенке волновода, другой - к плоскости стыка с E-плечом, которое выполнено в виде волновода пониженной высоты со скачком высоты вблизи плоскости стыка. При этом все согласующие элементы расположены максимально близко к центру гибридного соединения, обеспечивая его широкополосность. В предлагаемой конструкции E-плечо представляет собой волновод пониженной (по сравнению с остальными волноводами тройника) высоты, что можно использовать в ряде приложений, не прибегая к дополнительному трансформатору волновых сопротивлений.

Некоторые приложения требуют применения 6-полюсников, осуществляющих суммирование в H-плече синфазных мощностей, поступающих в боковые плечи, или синфазного деления мощности, подаваемой в H- плечо, между боковыми плечами с обязательным условием "развязки" друг от друга боковых плеч и минимальными размерами в направлении, перпендикулярном плоскости тройника. Для этих приложений необходимо применить двойной тройник, E-плечо которого нагружено на согласованную нагрузку и имеет вместе с ней минимальные размеры.

На фиг. 1 показана фронтальная проекция макета заявляемого двойного волноводного тройника со стороны H-плеча; на фиг. 2 - предлагаемое устройство со снятой крышкой, в которой выполнено "скрытое" E-плечо.

Макет заявляемого устройства имеет два боковых плеча 1 и 2 и примыкающие к ним соответственно по узкой и широкой стенкам H- и E- плечи 3 и 4. Макет выполнен разъемным на основание 5 и крышку 6. Волноводы (1, 2 и 3) и согласующие элементы: диафрагма в виде двух прямоугольных выступов 7 и фигурная пластина 8 выфрезерованы в общем основании 5, а волновод, образующий E-плечо 4 со скачком высоты сечения 9, выфрезерован в крышке 6, как показано на фиг. 1. В волноводе пониженной высоты, являющемся частью E-плеча 4, находится согласованная нагрузка 10. Данный макет был предназначен для отработки конструкции развязанного сумматора мощности на выходе усилителя спутниковой связи, работающего в диапазоне частот 13,9-14,6 ГГц при выходной мощности несколько десятков Ватт. Конструкция усилителя не допускала размеров E-плеча с согласованной нагрузкой более 0,4λ_B. . Двойной волноводный тройник с коротким согласованным E-плечом был выполнен на волноводах сечением 16•8 мм², E-плечо выполнено с переходом на волновод сечением 16•3 мм². Обозначения размеров основных элементов конструкции приведены на фиг.1, 2, а соответствующие численные значения (в мм) - табл. 1.

При испытаниях двойного волноводного тройника с согласованной нагрузкой в E-плече измерялись КСВН на входах H-плеча и двух боковых плеч, K₁, K₂ и K₃, развязка боковых плеч γ₀, , потери при делении сигнала, подаваемого в H-плечо, γ₁ и γ₂ . Соответствующие результаты приведены в табл. 2 (размерные величины даны в дБ), из которой видно, что КСВН по каждому из входов не превышает 1,1, а средняя развязка боковых плеч в рабочей полосе частот составляет около 30 дБ. Реальные потери деления были около 0,1 дБ и находились вблизи погрешности измерения. Частично они могли быть связаны с допуском на изготовление, приводящим к отклонению положения согласующей пластины от плоскости симметрии устройства. Все результаты получены при длине E-плеча вместе с согласованной нагрузкой, не превышающей 0,4λ_B . Минимально возможная длина E-плеча без нагрузки (расстояние от скачка сечения до стыка с волноводом, образующим боковые плечи) составляет 0,15λ_B . Это в пять раз меньше, чем у прототипа с E-плечом пониженной высоты. При этом следует учитывать, что полоса частот последнего должна быть уже, так как его согласующий трансформатор находится дальше от области связи.

Выполнение двойного волноводного тройника с E-плечом в виде волновода пониженной высоты и минимальной длины - практически узкая щель в крышке тройника - позволяет (при высоких электрических параметрах) улучшить массогабаритные, технологические и эксплуатационные характеристики системы, в состав которой он входит. Это позволяет применить его, например, в тех случаях, где ранее использовались компактные неразвязанные тройники, улучшив этим характеристики системы в целом. Заявляемое устройство более просто по конструкции и более технологично ввиду того, что все согласующие элементы выполнены фрезеровкой в общем корпусе. Кроме того, из-за малых размеров E-плеча улучшены условия охлаждения блока, в состав которого входит двойной тройник. Так в приведенном примере усилителя спутниковой связи, конструкция которого предусматривает соприкосновение плоскостей крышки тройника и радиатора воздушного охлаждения, теплоотвод зависит от толщины крышки, а следовательно от размеров E-плеча, выполненного в крышке.

Принципы, положенные в основу изобретения, могут быть использованы при конструировании устройств, работающих в других диапазонах частот, путем изменения шкалы размеров. Заявляемый двойной волноводный тройник может найти применение в различных системах связи, навигации и радиолокации.

Двойной волноводный тройник с Е-плечом в виде волновода пониженной высоты и минимальной длины, отличающийся от известных ранее конструкцией согласующих элементов, расположенных в области связи. Согласующие элементы выполнены в виде: симметричной диафрагмы из двух прямоугольных выступов, лежащих в плоскости стыка волновода Н-плеча и диафрагмирующих его по ширине, прямоугольной пластины с вырезом, расположенной в плоскости симметрии устройства и скачка высоты сечения Е-плеча вблизи плоскости стыка. Эта конструкция при уменьшении габаритов обеспечивает высокие уровни согласования по входам устройства, высокие развязки между боковыми плечами и низкие потери. Устройство является технологичным и может быть использовано в системах связи, навигации и радиолокации. 2 ил., 2 табл.

Двойной волноводный тройник, имеющий два боковых плеча, образованных прямоугольным волноводом, примыкающие к нему соответственно по узкой и широкой стенками Н- и Е-плечи и согласующие элементы, отличающийся тем, что согласующие элементы выполнены в виде симметричной диафрагмы из двух прямоугольных выступов, лежащих в плоскости стыка волновода Н-плеча и диафрагмирующих его по ширине, металлической прямоугольной пластины с вырезом, расположенной в плоскости симметрии устройства, в волноводе, образующем пару боковых плеч, примыкающей к его узкой стенке, причем высота пластины равна высоте волновода, а вырез расположен в углу пластины и имеет форму прямоугольника, одной стороной примыкающего к узкой стенке волновода, другой - к плоскости стыка с Е-плечом, которое выполнено в виде волновода пониженной высоты со скачком высоты вблизи плоскости стыка.