ЗАПРЕДЕЛЬНАЯ ВОЛНОВОДНАЯ НАГРУЗКА Российский патент 2013 года по МПК H01P5/04 

Изобретение относится к области сверхвысокочастотной (СВЧ) радиотехники и может быть использовано в волноводной измерительной, антенной технике, приемных и передающих устройствах СВЧ.

Известна конструкция короткозамыкающей волноводной нагрузки на волноводе прямоугольного сечения [И.В. Лебедев. Техника и приборы СВЧ, 1970], взятая за прототип. Эта нагрузка представляет собой отрезок прямоугольного волновода, завершающийся короткозамыкающей стенкой с одной из сторон. Расстояние от открытой части волноводного канала до стенки часто выбирается равным четверти длины волны в волноводном тракте, что необходимо в согласовании различных СВЧ устройств. Такой тип нагрузки используется для получения в тракте волны идентичной с исходной по амплитуде и фазе, но противоположной по направлению. Этот прототип имеет следующий недостаток: фаза отраженной волны идентична исходной только в одной точке полосы частот волноводного тракта, что приводит к ограничению рабочей полосы частот до 10-20%.

Целью изобретения является реализация полного синфазного отражения волны нагрузкой в широкой полосе частот (до 66%) в прямоугольных волноводных трактах с диэлектрическим заполнением.

Для достижения указанной цели предлагается запредельная волноводная нагрузка (ЗВН), состоящая из отрезка прямоугольного волновода и короткозамыкающей стенки.

Согласно изобретению, нагрузка используется в волноводных трактах с диэлектрическим заполнением, отрезок волновода выполнен запредельным и имеет длину не менее 2/5 длины волны на наивысшей частоте рабочей полосы частот.

Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемой запредельной волноводной нагрузки из литературы неизвестны, поэтому она соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.

На фиг.1 показана структурная схема устройства.

На фиг.2 показаны возможные схемы подключения нагрузки к волноводному тракту с диэлектрическим заполнением.

На фиг.1 изображены: отрезок запредельного прямоугольного волновода (1) длиной а и котороткозамыкающая стенка (2).

Цель достигается благодаря полному синфазному отражению попадающей в ЗВН волны в объеме отрезка запредельного волновода (1) длиной а не менее 2/5 длины волны на наивысшей частоте рабочей полосы частот. Незначительные не отраженные запредельным волноводом (1) остатки энергии отражаются короткозамыкающей стенкой (2) во избежание утечек энергии из тракта.

Принцип работы устройства заключается в отражении входной TE волны в объеме отрезка запредельного волновода (1). Для работы данной нагрузки используется волна H10, распространяющаяся в прямоугольном волноводе с диэлектрической постоянной среды, большей, чем в ЗВН, сечения идентичного сечению ЗВН. Длина нагрузки обусловлена принципом отражения волны в объеме запредельного волновода.

Широкая полоса частот устройства обеспечивается тем, что отражение в объеме запредельного волновода почти не зависит от частоты. Согласно уравнениям Максвелла [И.В.Лебедев. Техника и приборы СВЧ. 1970], волну в прямоугольном волноводе, опуская множитель e^-j(ωt-βz), можно разложить на составляющие:

$$\{\begin{array}{l}{E}_y=-D\frac{\omega \pi }{a}\sin \left(\frac{\pi }{a}x\right)\\ H_x=D\frac{\beta \pi }{\mu {\mu }_{0}a}\sin \left(\frac{\pi }{a}x\right),\left(1\right)\\ H_z=-jD\frac{{\pi }^2}{\mu {\mu }_0{a}^2}\cos \left(\frac{\pi }{a}x\right)\\ E_x=H_y=E_z=0\end{array}$$

где E_x, E_y, E_z - составляющие электрического поля в волноводном канале,

H_x, H_y, H_z - составляющие магнитного поля в волноводном канале,

ω=2πf - круговая частота,

β - продольное волновое число,

µ - магнитная постоянная среды,

µ₀ - магнитная постоянная вакуума,

a - ширина большей стенки сечения прямоугольного волноводного канала,

D - некоторая величина, в общем случае зависящая от мощности.

$${\beta }^2=k^2-{\pi }^2\left(\frac{m^2}{a^2}+\frac{n^2}{b^2}\right),k^2={\omega }^2\epsilon {\epsilon }_0\mu {\mu }_0,\left(2\right)$$

где k - постоянная распространения волны,

ε - диэлектрическая постоянная среды,

ε₀ - диэлектрическая постоянная вакуума,

a - ширина широкой стенки сечения прямоугольного волноводного канала,

b - ширина узкой стенки волноводного канала,

m и n - целые числа H_mn, для волны H₁₀-m=1, а n=0.

При переходе волны из входного тракта в объем отрезка запредельного прямоугольного волновода, согласно уравнению (2), значение β становится мнимым. В этом случае амплитуда H_x становится мнимой. Это рождает волну, идентичную по фазе и обратную по направлению.

Фаза волны, отраженной от ЗВН, крайне слабо зависит от частоты в пределах рабочей полосы частот прямоугольного волноводного тракта с диэлектрическим заполнением. Это позволяет считать ЗВН слабо зависимой от частоты в пределах данной задачи.

Таким образом, изобретение обеспечивает увеличение рабочей полосы частот по сравнению с прототипом.

На фиг.2 изображены возможные схемы подключения нагрузки: А - соосно входному волноводному тракту, Б - перпендикулярно входному волноводному тракту со стороны широкой стенки, В - перпендикулярно входному волноводному тракту со стороны узкой стенки, где ВТ - входной волноводный тракт с диэлектрическим заполнением, ЗВН - запредельная волноводная нагрузка.

Изобретение относится к области сверхвысокочастотной (СВЧ) радиотехники и может быть использовано в волноводной измерительной, антенной технике, приемных и передающих устройствах СВЧ. Технический результат - обеспечение полного синфазного отражения волны нагрузкой в широкой полосе частот (до 66%) в прямоугольных волноводных трактах с диэлектрическим заполнением. Запредельная волноводная нагрузка состоит из отрезка прямоугольного волновода длиной не менее 2/5 длины волны на наивысшей частоте рабочей полосы частот и короткозамыкающей стенки и используется в волноводных трактах с диэлектрическим заполнением. ЗВН используется для отражения ТЕ волны с сохранением фазы и амплитуды благодаря эффекту синфазного отражения волны в объеме отрезка запредельного прямоугольного волновода. 2 ил.

Запредельная волноводная нагрузка, состоящая из отрезка прямоугольного волновода и короткозамыкающей стенки, отличающаяся тем, что нагрузка используется в волноводных трактах с диэлектрическим заполнением, отрезок волновода выполнен запредельным и имеет длину не менее 2/5 длины волны на наивысшей частоте рабочей полосы частот.