НАПРАВЛЕННЫЙ ОТВЕТВИТЕЛЬ СВЧ МОЩНОСТИ Российский патент 1998 года по МПК H01P5/18 

Изобретение относится к технике СВЧ и предназначено для ответвления из высокочастотного тракта части мощности одной из двух бегущих волн, распространяющихся по линии в противоположных направлениях.

Известные устройства для ответвления части мощности одной из двух бегущих волн, распространяющихся по линии в противоположных направлениях, содержат прямоугольный волновод, соединенный отверстиями связи с волноводной линией того же или иного типа с образованием четырех волноводных плеч, через которые устройство подключается к СВЧ цепям.

Ряд конструкций волноводных направленных ответвителей [И.В. Лебедев. Техника и приборы СВЧ./ Под ред. акад. Н.Д. Девяткова, Т.1, 1970, М.: Высшая школа. 8.8., Рис.8-40 - 8.44] содержат два отрезка волновода (основной и вспомогательный), связанных по узкой либо широкой стенкам через отверстия связи с образованием четырех волноводных плеч, одно из которых, во вспомогательном волноводе, нагружено на согласованную нагрузку, а противоположное плечо вспомогательного волновода предназначено для канализации ответвленной мощности одной из двух бегущих волн другого (основного) волновода. Другой волноводный направленный ответвитель [А.С. СССР N 1672538, кл. H 01 P 5/18, 23.08.91, N31], содержит два прямоугольных волновода, связанных по общей широкой стенке через щели связи, наклоненные в одну сторону и разнесенные вдоль широкой стенки, при этом наклон щелей и расстояние между ними выбираются.

Общими недостатками данных устройств являются недостаточная величина направленности и узкополосность относительно рабочей полосы частот волновода при малом числе отверстий связи. Улучшение направленности и расширение полосы рабочих частот ответвителей данного типа достигается за счет большого числа отверстий связи, однако одновременно увеличиваются габариты конструкции, усложняется технология при изготовлении, что ограничивает их применение в малогабаритной и дешевой аппаратуре.

Наиболее близкой к заявляемой является конструкция волноводно-коаксиального мостового устройства [А.с. СССР N 167550, кл. H 01 P 5/18, 1965]. Устройство выполнено в виде отрезка прямоугольного волновода, разделенного на две половины металлической пластиной, расположенной внутри волновода параллельно его широкой стенке. Один конец пластины плавно переходит во внутренний проводник коаксиальной линии, связанной с волноводом через отверстие в его узкой стенке.

Недостатком конструкции является наличие отрезка коаксиальной линии, имеющей большие и сильнее возрастающие с частотой, по сравнению с полыми волноводами, потери СВЧ мощности, что затрудняет применение устройства в миллиметровом диапазоне волн. Кроме того, в случае использования данной конструкции мостового устройства в качестве направленного ответвителя мощности, отрезок коаксиальной линии требует, для обеспечения широкополосности устройства, центрального расположения проводящей пластины внутри отрезка прямоугольного волновода с делением его на две половины, обеспечивающего равное деление СВЧ мощности волны прямоугольного волновода по плечам устройства, образованным стенками отрезка волновода и металлической пластиной. Такое расположение проводящей пластины не позволяет варьировать величиной переходного ослабления и уменьшить потери в основной линии ответвителя за счет минимизации потерь мощности в плече, нагруженном на согласованную нагрузку.

Задачей изобретения является разработка конструкции направленного ответвителя СВЧ мощности, состоящего из отрезков полых волноводов, обладающей возможностью перераспределения СВЧ мощности по волноводным плечам в необходимой пропорции, имеющей меньшие потери мощности в плече, выполненном на другом типе волновода, и пригодной для использования в качестве эффективного направленного ответвителя мощности в более коротком, вплоть до субмиллиметрового, диапазоне длин волн.

Один из технических результатов данного изобретения - применимость в более коротковолновом диапазоне длин волн достигается за счет использования отрезка волноводно-щелевой линии, связанной с отрезком прямоугольного волновода через отверстие в его узкой стенке. Расположением же металлической пластины относительно широкой стенки волновода и шириной выполненной в ней щели отрезка волноводно-щелевой линии достигается возможность изменения величины переходного ослабления и потерь мощности в основной линии предлагаемого устройства. В этом случае в одно из плеч, образованных стенками волновода и проводящей пластиной, установлена согласованная нагрузка и предлагаемое устройство представляет собой ответвитель мощности.

Для решения поставленной задачи разработанный направленный ответвитель мощности содержит, как и прототип, отрезок прямоугольного волновода, в котором параллельно широким стенкам установлена проводящая пластина, и отрезок линии другого типа, имеющий выход на узкой стенке отрезка прямоугольного волновода, при этом первое плечо образовано отрезком прямоугольного волновода, два других плеча образованы стенками отрезка прямоугольного волновода и проводящей пластиной, а четвертым плечом является отрезок линии другого типа.

Новым в разработанном направленном ответвителе является то, что отрезок линии другого типа представляет собой волноводно-щелевую линию, образованную щелью, выполненной в проводящей пластине, и стенками отрезка прямоугольного волновода, а одно из плеч, образованных стенками отрезка прямоугольного волновода и проводящей пластиной, нагружено на согласованную нагрузку.

В одном частном случае для достижения минимальной неравномерности переходного ослабления в рабочей полосе частот щель в проводящей пластине выполнена по одну сторону продольной плоскости отрезка прямоугольного волновода под углом меньшим, чем arctg 2a/λ к ней (а - ширина отрезка волновода, λ - - средняя длина волны в волноводе).

В другом частном случае проводящая пластина в отрезке прямоугольного волновода выполнена на диэлектрической подложке.

Выполнение в конструкции существенных признаков изобретения, указанных выше, обеспечивает ее применимость для использования в качестве эффективного направленного ответвителя мощности в более коротком, вплоть до субмиллиметрового, диапазоне длин волн.

На фиг. 1 показана конструкция ответвителя с разрезом верхней части по продольной плоскости волновода; на фиг. 2 - вид со стороны плеча, образованного отрезком волновода; на фиг. 3 - а), в) - разрез по плоскости узкой стенки волновода; на фиг. 4 а), в) показаны различные конфигурации щели, выполненной в проводящей пластине.

Ответвитель содержит отрезок 1 прямоугольного волновода (см. фиг.1, 2, 3), образованное им первое плечо 2 (см. фиг. 1, 3), проводящую пластину 3 (см. фиг. 1, 2, 3, 4), расположенную в отрезке 1 прямоугольного волновода (см. фиг. 1, 2, 3) параллельно его широким стенкам. Два других волноводных плеча, расположенных на противоположном конце отрезка прямоугольного волновода 1 (см. фиг. 1, 2, 3), образованы его стенками и проводящей пластиной 3 (см. фиг. 1, 2, 3, 4). Одно из этих плеч 4 (см. фиг. 1, 2, 3) образует с первым плечом 2 (см. фиг. 1, 3) основную линию ответвителя. Другое плечо нагружено на согласованную нагрузку 5 (см. фиг. 1, 2, 3, 4б). Плечо на другом типе линии представляет собой щель 6 (см. фиг. 1, 2, 3, 4), выполненную в проводящей пластине 3 (фиг. 1, 2, 3, 4) и образующую со стенками отрезка 1 прямоугольного волновода (см. фиг. 1, 2, 3) отрезок волноводно-щелевой линии, имеющей выход 7 (см. фиг. 1, 3, 4) на узкой стенке отрезка 1 волновода.

В частном случае выполнения ответвителя для достижения минимальной неравномерности переходного ослабления в рабочей полосе частот щель 6 в диафрагме 3 может быть выполнена под углом α к продольной (центральной) плоскости отрезка 1 волновода, таким, что α < arctg 2a/Ω. При этом согласованная нагрузка 8 (см. фиг. 1, 2, 3, 4б) волноводно-щелевой линии расположена на конце щели 6, противоположном выходу 7 (см. фиг. 1, 3, 4в), и служит для уменьшения неравномерности переходного ослабления, возникающей при возможном рассогласовании импеданса волноводно-щелевой линии с импедансом нагрузки, например, детекторным диодом, установленным на выходе 7 волноводно-щелевой линии.

Проводящая пластина 3 может быть выполнена на тонкой диэлектрической подложке 9 (см. фиг. 2) для придания пластине 3 большей механической прочности. К выходу 7 волноводно-щелевой линии может быть подсоединен волновод 10 (см. фиг. 4).

В примере конкретной реализации отрезок 1 прямоугольного волновода в диапазоне рабочих частот 50-80 ГГц имеет размеры: а=3,6 мм, b=1,8 мм, а длина ответвителя 28 мм. Толщина введенной в отрезок 1 проводящей пластины 3, выполненной из медной фольги, составляет 50 мкм. Щель 6 выполнена в пластине 3 под углом 10^o к продольной плоскости отрезка 1 волновода. Длина щели 6 равна 11 мм, а ее ширина < 0,1 мм. Направленность ответвителя превышала величину 30-35 dB в полосе рабочих частот отрезка 1 волновода и 45-50 dB при измерениях в отдельных частотных диапазонах (шириной 6 ГГц) полосы, в которых коэффициент стоячей волны нагрузки 5 не превосходил величины 1,1. Коэффициент переходного ослабления, составляющий порядка 10 dB, имел малую неравномерность порядка 1dB в полосе частот 50-80 ГГц.

Разработанный направленный ответвитель работает следующим образом.

Электромагнитная волна СВЧ диапазона моды H₁₀ поля прямоугольного волновода поступает на первое плечо 2, образованное отрезком 1 прямоугольного волновода. Ее мощность P+ делится проводящей пластиной 3, расположенной в отрезке 1 волновода параллельно его широким стенкам, по двум другим плечам, расположенным на противоположном конце отрезка 1 и образованным стенками волновода 1 и проводящей пластиной 3 в соотношении:


где
b - высота отрезка 1 волновода;
b'' - высота волноводного плеча, нагруженного на нагрузку 5;
b' - высота волноводного плеча 4.

Поскольку толщина пластины 3 много меньше высоты b отрезка 1 волновода, поэтому отражением волны от края пластины пренебрегаем. Токи с плотностями j' и j'' (см. фиг. 2), возбуждаемые двумя волнами с мощностями , противонаправлены друг другу в любой точке пластины 3 и равны по величине. Действительно, подставив в выражения [И.В. Лебедев. Техника и приборы СВЧ. Под. ред. акад. Н. Д. Девяткова, Т. 1, 1970, М.: Высшая школа, стр. 101, выр. (5.6), (5.7)] для компонент плотностей j_x, j_z токов волновода в его широких стенках приведенные выше пропорции для мощностей , получим:
,
,
где
K_x, K_z - коэффициенты, не зависящие от высоты волновода. Таким образом, в любой точке щели 6 и в любой момент времени токи смещения тождественно равны по величине j' ≡ j'', а в силу их противонаправленности, волна мощностью p₊ не может трансформироваться в моду поля отрезка волноводно-щелевой линии. Ответвляемая мощность на выходе 7 будет нулевой p_+отв=0. Это означает, что собственная направленность предлагаемого ответвителя может быть бесконечно большой.

Необходимо отметить, что мощность полностью поглощается нагрузкой 5 и вносит основной вклад в прямые потери ответвителя. Их минимизация производится выбором высот плеч b'' < b' b.

Отраженная волна мощностью p_-, поступающая в плечо 4, возбуждает в проводящей пластине 3 токи, соответствующие токам моды H₁₀ в широкой стенке прямоугольного волновода. При пересечении последними щели 6, в ней возбуждается волна волноводно-щелевого типа, E плоскость которой ортогональна E плоскости моды H₁₀. Ответвляемая мощность p'_-отв отраженной волны p_- поступает на выход 7 волноводно-щелевой линии, являющейся плечом ответвителя. Компонента мощности p''_-отв, возникающая на неоднородности волновода, созданной проводящей пластиной на ее кромке, также способна трансформироваться в моду поля волноводно-щелевой линии и влиять на величину неравномерности переходного ослабления. Однако ее вклад в ответвляемую мощность p_-отв невелик, так как при выполнении условия минимизации прямых потерь (b'' < b' b) импедансы волноводных плеч соотносятся как Z'' < Z' Z, в силу чего p''_-отв < p'_- <p_-.

При исполнении щели 6 по одну сторону продольной плоскости волновода 1, параллельно либо под малым углом к ней (см. фиг. 1), возбуждение волноводно-щелевой моды происходит в основном j_x компонентой тока в проводящей пластине, играющей роль широкой стенки волновода. j_z составляющая возбуждает волну в щели 6, выполненной в поперечной плоскости волновода 1 (см. фиг. 4).

Эксперименты показали, что при углах между щелью 6 и продольной плоскостью отрезка 1 волновода меньших, чем arctg2a/Ω выбором ширины щели 6 и расположения (b', b'') пластины 3 в отрезке 1 волновода возможно уравнять фазовые скорости волны H₁₀ прямоугольного волновода и моды волноводно-щелевого типа в полосе частот отрезка 1 волновода. Это дает возможность считать заявляемый ответвитель по способу связи линий близким к классу направленных ответвителей на связанных симметричных линиях в полосковом либо коаксиальном исполнении, обладающих идеальной направленностью и согласованием в неограниченной полосе частот (А. Л. Фельдштейн, Л.Р. Явич, В.П. Смирнов. Справочник по элементам волноводной техники. Государственное энергетическое издательство. Москва, Ленинград, 1963, стр. 343). Большое влияние на величину направленности заявляемой конструкции ответвителя оказывает возможная неплоскостность пластины 3 ввиду ее малой толщины. Это приводит к деформации щели 6, вследствие чего возможна трансформация волны мощностью P₊, поступающей через плечо 2, в волну моды волноводно-щелевой линии из-за невыполнимости тождества для токов в пластине 3 (j'≠j''). Поэтому весьма полезно для достижения идеальных параметров ответвителя изготовлять проводящую пластину 3 методами фотолитографии на тонкой, механически прочной диэлектрической подложке 9 с малым значением диэлектрической проницаемости.

Таким образом за счет того, что отрезок линии другого типа представляет собой волноводно-щелевую линию, образованную щелью 6, выполненной в проводящей пластине 3 и стенками отрезка 1 прямоугольного волновода, достигается уменьшение потерь мощности в более коротковолновом, вплоть до субмиллиметрового, диапазоне длин волн. Расположением проводящей пластины 3 относительно широкой стенки отрезка 1 прямоугольного волновода, а также изменением геометрии щели 6, достигается возможность изменять переходное ослабление и минимизировать потери в основной линии предлагаемого ответвителя мощности. Согласованная нагрузка 5, установленная в одном из плеч, образованных стенками отрезка 1 прямоугольного волновода и проводящей пластиной 3, поглощает отраженную мощность волны в этом плече, чем и достигается эффект направленности ответвителя.

Изобретение относится к технике СВЧ и предназначено для ответвления из высокочастотного тракта части мощности одной из двух бегущих волн, распространяющихся по линии в противоположных направлениях. Изобретение позволяет использовать направленный ответвитель в более коротковолновом, вплоть до субмиллиметрового, диапазоне длин волн при малых габаритах и простоте изготовления. Разработанный ответвитель содержит отрезок 1 прямоугольного волновода, в котором параллельно широким стенкам установлена проводящая пластина 3, формирующая три плеча волноводного типа. Первое плечо образовано отрезком 1 волновода. Два других плеча, расположенных на противоположном конце отрезка 1 волновода, образованы стенками волновода и проводящей пластиной 3. В одном из этих плеч установлена согласованная нагрузка 5. В проводящей пластине 3 выполнена щель 6, которая вместе со стенками волновода образует отрезок волноводно-щелевой линии, являющийся четвертым плечом няправленного ответвителя. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Направленный ответвитель СВЧ мощности, содержащий отрезок прямоугольного волновода, в котором параллельно широким стенкам установлена проводящая пластина, и отрезок линии другого типа, имеющий выход на узкой стенке отрезка прямоугольного волновода, при этом первое плечо образовано отрезком прямоугольного волновода, два других плеча образованы стенками прямоугольного волновода и проводящей пластиной, а четвертым плечом является отрезок линии другого типа, отличающийся тем, что отрезок линии другого типа представляет собой волноводно-щелевую линию, образованную щелью, выполненной в проводящей пластине, и стенками отрезка прямоугольного волновода, а одно из плеч, образованных стенками отрезка прямоугольного волновода и проводящей пластиной, нагружено на согласованную нагрузку. 2. Направленный ответвитель по п.1, отличающийся тем, что щель в металлической пластине выполнена по одну сторону продольной плоскости отрезка прямоугольного волновода под углом к ней, меньшим arctg 2a/λ, где λ- средняя длина волны в волноводе, a - ширина отрезка волновода, причем конец щели, противоположный выходу волноводно-щелевой линии на узкой стенке волновода, нагружен на согласованную нагрузку. 3. Направленный ответвитель по п.1, отличающийся тем, что металлическая пластина, расположенная в отрезке прямоугольного волновода, выполнена на диэлектрической подложке.