МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ВОЛНОВОДНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ Российский патент 2000 года по МПК H01P5/18 H01Q3/26 

Предлагаемое техническое решение относится к радиотехнической промышленности средств связи и может использоваться в волноводной, СВЧ-измерительной и антенной технике как самостоятельно, так и в составе антенных решеток.

Известен многоканальный делитель с использованием направленного ответвителя на скрещенных волноводах [см. патент США N 3518576 НКИ 333-10 от 30.06.70 г., aвт. J.A.Algeo], состоящий из N направленных ответвителей, объединенных прямоугольным магистральным волноводом, и имеющий N ответвленных волноводных каналов квадратного сечения, расположенных со стороны одной из широких стенок магистрального волновода. Две узкие щели связи в каждом направленном ответвителе ориентированы параллельно ответвленному каналу и отстоят одна от другой на расстоянии λ_в/4 как в магистральном, так и в ответвленном волноводах. Ответвленные каналы ориентированы под углом 90^o к оси магистрального волновода.

Известен многоканальный делитель, используемый в составе системы двухстороннего последовательного возбуждения для антенной решетки [см. патент США N 3906502 НКИ 343-100SA от 16.09.75 г., авт. Т.Е. Connolly], состоящий из N направленных ответвителей, объединенных общим магистральным волноводом, и имеющий N ответвленных каналов, расположенных на одной из его широких стенок. Каналы направленных ответвителей пересекают друг друга под углом 90^o и имеют общую широкую стенку с крестообразными щелями связи в ней.

Известен малогабаритный многоплечий волноводный делитель мощности [см. патент США N 5196812 НКИ 333/113, 1994 г.], состоящий из волноводных секций, связанных друг с другом по общей широкой стенке через 2 удлиненных отверстия. Входная секция разветвляет СВЧ-энергию в несколько параллельных волноводных секций аналогичной конструкции.

Наиболее близким по своей технической сущности и конструкции к предлагаемому техническому решению является многоканальный волноводный делитель [см. "Антенны и устройства СВЧ", ред. Д.И. Воскресенский, 1972 г, г. Москва изд. "Сов.радио", стр. 52, 81], состоящий из N направленных ответвителей, объединенных единым магистральным волноводом, и имеющий N ответвленных каналов, расположенных на широкой стенке магистрального волновода. Ответвленные каналы пересекают магистральный волновод под углом 90^o и располагаются на одной из его широких стенок вплотную друг к другу. Элементами связи являются круглые или крестообразные отверстия. Делитель используется как самостоятельно, так и в составе коммутационной решетки с последовательным распределением мощности по отражательным фазовращателям.

Основными недостатками известного технического решения являются:
- особенности конструктивного исполнения, ограничивающие компоновочные возможности делителя и заключающиеся во взаимной ортогональности магистрального и ответвленных каналов, расположении всех направленных ответвителей только на одной из широких стенок магистрального волновода, одинаковой ориентации всех щелей и выходов ответвленных каналов;
- небольшое количество ответвленных каналов N, ограниченное длиной магистрального волновода и размерами широкой стенки ответвленного канала, малое количество щелей связи в направленных ответвителях, низкий КПД и нестабильное амплитудное распределение в диапазоне частот.

Технический результат предлагаемого решения заключается в улучшении компонуемости делителя в составе сложных систем, в повышении его технологичности, в увеличении количества ответвленных каналов до 2N практически без увеличения габаритов делителя, в снижении массы делителя в пересчете на один выходной канал, в увеличении КПД, в стабилизации амплитудного распределения в диапазоне частот и повышении электропрочности.

Широкие функциональные возможности обеспечиваются тем, что в многоканальном волноводном делителе, состоящем из N направленных ответвителей, объединенных единым магистральным волноводом, и имеющем N ответвленных волноводных каналов, ответвленные каналы ориентированы под углом к оси магистрального волновода, в том числе отличающемся от 0^o и 90^o, и расположены на его обеих широких стенках таким образом, что одна из широких стенок каждого ответвленного канала является общей с частью широкой стенки магистрального волновода, и в ней прорезаны наклонные щели в количестве больше двух, а ответвленные каналы, примыкающие к различным стенкам магистрального волновода, сдвинуты относительно друг друга вдоль его оси, при этом выходы ответвленных каналов ориентированы в одну и ту же сторону от продольной оси магистрального волновода для тех каналов, щели связи которых на обеих широких стенках магистрального волновода наклонены на угол 90^o > α > 0^o относительно его оси и ориентированы в противоположную сторону для тех каналов, щели связи которых наклонены на угол-90^o < α < 0^o.

Возможность реализации предлагаемого технического решения обеспечивается тем, что
- количество ответвленных каналов (N) может быть увеличено до двух раз практически без возрастания общей длины делителя при незначительном увеличении поперечных габаритов только за счет установки ответвленных каналов со стороны обеих широких стенок магистрального волновода; при этом взаимодействие направленных ответвителей, расположенных на противоположных стенках, в том числе и при больших связях, может быть сведено к минимуму за счет смещения этих ответвителей относительно друг друга вдоль оси магистрального волновода ;
- система становится технологичнее, т.к. ориентация выходов ответвленных каналов может меняться в широких пределах без использования дополнительных волноводных уголков и изгибов, а только за счет изменения угла наклона узких (с соотношением длины и ширины не менее 1, 2) щелей связи в направленных ответвителях и взаимной ориентации магистрального и ответвленных каналов;
- перечисленное многообразие конструктивных изменений может быть одновременно использовано для улучшения электрических характеристик делителя; например, за счет изменения взаимной ориентации магистрального и ответвленных каналов (при одновременном соответствующем изменении наклона узких щелей) достигается стабилизация амплитудного распределения в диапазоне частот; благодаря увеличению количества направленных ответвителей и количества наклонных щелей в области связи каждого направленного ответвителя может быть повышен КПД делителя.

Кроме того обеспечивается повышенная устойчивость к воздействию высокого уровня мощности (электропрочность), обусловленная тем, что размещение ответвленных каналов на обеих широких стенках магистрального волновода позволяет практически без увеличения поперечных габаритов делителя поднять высоту магистрального волновода почти вдвое и тем самым повысить его электропрочность.

Сущность предлагаемого технического решения будет понятна из следующего описания и приложенного к нему графического материала.

На фиг. 1 приведены фрагменты многоканального волноводного делителя с различной ориентацией ответвленных каналов, которые иллюстрируют конструктивные особенности предлагаемого технического решения:
- смещение ответвленных каналов, примыкающих к противоположным широким стенкам магистрального волновода, вдоль его оси на величину Δ d (см. фиг. 1, а);
- наклон ответвленных каналов под произвольным углом β к оси магистрального волновода (см. фиг. 1,б);
- наклонные щелевые элементы связи, в количестве больше двух, и различная их ориентация в ответвленных каналах, выходы которых ориентированы в противоположные стороны (см. фиг. 1,б);
- расположение ответвленных каналов со стороны обеих широких стенок магистрального волновода (см. фиг. 1,а, б).

На фиг. 2 показаны амплитудное распределение и КПД предлагаемого многоканального делителя 1 и его прототипа 2 в диапазоне частот.

На фиг. 3 показан многоканальный волноводный делитель:
а) прототип;
б) одна из реализаций предлагаемого технического решения.

Многоканальный волноводный делитель содержит магистральный волновод 1, ответвленные каналы 2, элементы связи 3 и нагрузки 4.

Пример конкретной реализации предлагаемого технического решения.

Магистральный волновод 1 выполнен сечением a₁ x в₁ = 23 х 10 мм², а ответвленные каналы 2 (N=30) - сечением а₂ х в₂ = 23 х 5 мм² и расположены на его обеих широких стенках, при этом первый ответвленный канал 2 расположен под углом 90^o к оси магистрального волновода, а остальные ответвленные каналы (N= 2 - 30) ориентированы под углом 80^o. На общей широкой стенке каждого ответвленного и магистрального каналов расположены 6 наклонных щелевых элементов 3, а ответвленные каналы 2, примыкающие к различным широким стенкам магистрального волновода 1, сдвинуты относительно друг друга вдоль его оси на Δ d = 11.75 мм. Выходы ответвленных каналов 2 (N = 2 - 30) ориентированы в одну сторону от оси OO', а их щели связи 3 на обеих широких стенках параллельны друг другу и наклонены к оси магистрального волновода на угол +α = + 40^o, в то время как выход ответвленного первого канала 2 направлен в противоположную сторону, а наклон щелей связи 3 изменен на угол -α = -45^o.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

СВЧ-энергия, поступающая на вход магистрального волновода 1 поочередно, через каждые Δ d= d/2 ответвляется в N ответвленных каналов 2: сначала в ответвленный канал, примыкающий к одной широкой стенке, затем - к другой и т. д.; при этом взаимодействие между ближайшими направленными ответвителями, расположенными на противоположных стенках, при выбранном Δ d= 11,75 мм оказывается минимальным. Ответвление СВЧ-энергии из магистрального волновода 1 осуществляется через наклонные щели 3, расположенные на общих широких стенках магистрального (1) и ответвленного (2) каналов и ориентированные таким образом, что СВЧ-сигнал в 1-метровом ответвленном канале (N=1) канализируется в противоположную сторону относительно всех других ответвленных каналов 2 (N=2-30). Это в рассматриваемом случае связано с тем, что первый канал работает независимо от основного делителя, выходы которого образуют 29 ответвленных каналов (N=2-30), и трассирует СВЧ-энергию в радиолокационный канал, расположенный сзади делителя. При этом с точки зрения удобства компоновки необходимо повернуть выход 1-го ответвленного канала в противоположную относительно остальных каналов сторону и это достигается за счет изменения ориентации в нем наклонных щелей на "отрицательный" угол без применения уголков и изгибов.

В делителе (N=2-30) размеры щелей выбираются из условия обеспечения на выходах ответвленных каналов 2 постоянного амплитудного распределения на средней частоте при КПД не хуже 0.9. В 1-м ответвленном канале 2 размеры щелей определяются требуемым уровнем СВЧ-сигнала в нем.

Изменение амплитудного распределения и КПД делителя (см. фиг. 2) в диапазоне частот минимизировано за счет выбора оптимального наклона как щелей, так и самих ответвленных каналов ( β₁ = 80^o).

Технико-экономические преимущества предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом заключаются в минимизации массы в пересчете на один выходной канал, в повышении технологичности изготовления и компактности конструкции многоканального делителя, в возможном увеличении до двух раз числа выходных каналов (N) без заметного увеличения габаритов, в стабилизации амплитудного распределения на выходах в диапазоне частот и увеличении КПД, в возможности повышения устойчивости делителя к воздействию высокого уровня мощности за счет увеличения высоты магистрального канала и увеличения количества щелей в области связи направленных ответвителей.

Область применения: антенно-волноводная СВЧ-техника. Предлагается волноводный делитель, состоящий из N направленных ответвителей, объединенных единым магистральным волноводом, и имеющий N ответвленных каналов, ориентированных под углом к оси магистрального волновода и расположенных на обеих его широких стенках. Одна из широких стенок каждого ответвленного канала является общей с частью широкой стенки магистрального волновода и в ней прорезаны наклонные щели. Ответвленные каналы, примыкающие к различным стенкам магистрального волновода, сдвинуты относительно друг друга вдоль его оси. Выходы ответвленных каналов ориентированы в одну и ту же сторону от оси магистрального волновода, если наклонные щели в них наклонены к этой оси на угол 90^o > α > 0^o, и ориентированы в противоположную сторону, если наклон щелей изменен на "отрицательный" (-90^o < α < 0^o). Такая конструкция делителя компактна, технологична, имеет большее количество ответвленных каналов N по сравнению с односторонним широко известным вариантом и позволяет без использования уголков и изгибов менять направление ответвления СВЧ-энергии. Смещение ответвленных каналов, примыкающих к противоположным широким стенкам магистрального волновода, позволяет уменьшить взаимодействие этих каналов между собой, а изменение их угла наклона к оси магистрального волновода - стабилизировать КПД и амплитудное распределение в диапазоне частот. Благодаря размещению ответвленных каналов на обеих широких стенках магистрального волновода удается без заметного увеличения габаритов делителя не только увеличить количество каналов делителя N, но и поднять высоту магистрального волновода, одновременно улучшив электропрочность предлагаемого устройства, что является техническим результатом настоящего изобретения. 3 ил.

Многоканальный волноводный делитель, состоящий из N направленных ответвителей, объединенных единым магистральным волноводом, и имеющий N ответвленных волноводных каналов, отличающийся тем, что ответвленные каналы ориентированы под углом к оси магистрального волновода и расположены на его обеих широких стенках так, что одна из широких стенок каждого ответвленного канала является общей с частью широкой стенки магистрального волновода и в ней прорезаны наклонные щели в количестве больше двух, а ответвленные каналы, примыкающие к различным стенкам магистрального волновода, сдвинуты относительно друг друга вдоль его оси, при этом выходы ответвленных каналов ориентированы в одну и ту же сторону от продольной оси магистрального волновода для тех каналов, щели связи которых на обеих широких стенках магистрального волновода наклонены на угол 90^o>α>0^o относительно его оси и ориентированы в противоположную сторону для тех каналов, щели связи которых наклонены на угол -90^o<α<0^o.