Способ согласования антенно-фидерных СВЧ устройств в фидерном тракте Российский патент 2023 года по МПК H03H7/38 

Назначение

Изобретение относится к области СВЧ-техники, в частности к способам согласования в антенно-фидерном тракте линий с входными и выходными комплексными волновыми сопротивлениями антенно-фидерных устройств (АФУ).

Уровень техники

Согласование линий с входными и выходными комплексными волновыми сопротивлениями АФУ требуется для передачи мощности от источника к нагрузке с минимальными потерями и минимальными искажениями амплитуды, частоты и фазы. В антенно-фидерном тракте имеется большое количество неоднородностей с переменными значениями, например:

• радиочастотные соединители;

• волновое сопротивление коаксиальных кабелей;

• входное сопротивление антенн.

Максимальное значение мощности, поступающей в загрузку, в идеальном режиме, т.е. в случае идеального согласования нагрузки с линией передачи, достигается в режиме бегущей волны, при котором коэффициент стоячей волны (КСВ), определяемый выражением (1), равен единице.

где Апад.волны и Аотраж.волны - соответственно, амплитуда падающей и амплитуда отраженной волны.

Режим бегущей волны при идеальном режиме:

Аотраж.волны=0. КСВ=1.

На практике обычно приемлемым можно считать КСВ<1,5.

С целью обеспечения идеального режима необходимо, чтобы сопротивление нагрузки:

удовлетворяло двум условиям:

• активная часть нагрузки Rн должна равняться волновому сопротивлению линии;

• реактивная часть нагрузки Хн должна равняться нулю.

Реактивная часть нагрузки может быть нагрузкой емкостного характера Хс или нагрузкой индуктивного характера X_L (на практике часто оперируют с проводимостью b_C и b_L, которые равны, соответственно, 1/Хс и 1/X_L).

Согласование играет важную роль для обеспечения нормальной работы источников СВЧ колебаний. В случае изменения сопротивления нагрузки, на которую работает источник СВЧ колебаний, в большинстве случаев наблюдают изменение, как уровня мощности, так и частоты генерируемых колебаний. Чем лучше согласован СВЧ тракт, тем выше стабильность частоты генератора и выше КПД тракта.

Общий принцип согласования комплексных сопротивлений состоит в том, что в линию дополнительно включается согласующий элемент, отражение от которого компенсирует отражение от нагрузки. При этом стремятся, чтобы согласующий элемент был расположен как можно ближе к нагрузке. Это делается для уменьшения длины несогласованного участка линии от нагрузки до согласующего элемента. Включение в линию согласующего элемента преследует следующие цели:

• увеличение мощности, передаваемой в нагрузку;

• увеличение электрической прочности линии;

• увеличение КПД линии;

• устранение вредного влияния отраженной волны на генератор

(см., например, "Принципы согласования линии передачи с нагрузкой". На сайте: https://stadwood.net/l900939/tehnika/printsipy_soglasovania_linii_peredachi_nagryskoy/).

Согласование линий с входными и выходными комплексными волновыми сопротивлениями АФУ может осуществляться различными способами:

• согласованием сопротивлений с помощью четвертьволновых трансформаторов от одного до нескольких;

• согласованием сопротивлений с помощью экспоненциальной линии или с линейно изменяющимися параметрами;

• согласованием сопротивлений с помощью шлейфов;

• на сосредоточенных элементах

и т.д. (см., например, "Согласование сопротивлений в линии передачи". На сайте: https://studfile.net/preview/6180693/page:5/).

При согласовании линий с входными и выходными комплексными волновыми сопротивлениями АФУ целесообразно иметь согласующие устройства, позволяющие легко подстраивать входное сопротивление тракта в полосе частот до нужных значений, а именно, достижения КСВ близким к единице.

Известен патент РФ, №2049367, "Микрополосковая согласованная нагрузка'", содержащий входную линию передач, к которой через отдельные резисторы подключены разомкнутые шлейфы, а также присутствует электромагнитная связь между шлейфами, общее количество шлейфов не менее двух, величина сопротивления каждого резистора больше величины волнового сопротивления входной линии передачи, шлейфы выполнены с одинаковыми или различными резонансными частотами.

Недостатком устройства является то, что в устройстве обеспечивается согласование линии только с нагрузкой, выполненной в виде микрополосковой линии передач и не обеспечивается согласование линии с входными для нее, а также выходными различного назначения антенно-фидерными устройствами в антенно-фидерном тракте, кроме того, затруднена подстройка.

Известен патент РФ, №2775607. "Устройство автоматического согласования импеданса антенно-фидерного тракта с комплексной нагрузкой", работа которого заключается в обеспечении в реальном времени автоматического согласования импеданса комплексной нагрузки. Автоматическое согласующее устройство содержит четыре направленных ответвителя (НО), включенных последовательно проходными каналами НО₁, НО₃, НО₄ и НО₂, выход последнего НО₂ соединен с амплитудно-фазо-импедансным корректором, состоящим из трех согласующих звеньев (СЗ) СЗ₁, СЗ₂ и СЗ₃, включенных Т-образно, блок вычисления коэффициента стоячей волны КСВ, блок вычисления фазы коэффициента отражения, блок вычисления активной составляющей и блок вычисления реактивной составляющей комплексного сопротивления нагрузки, блок выбора согласующих звеньев, контроллер согласования активной составляющей и контроллер согласования реактивной составляющей, центральный управляющий компьютер анализирует и определяет работу устройства согласования.

Недостатком устройства является то, что в устройстве появляются значительные потери при согласовании и существует конструктивная сложность.

Известен "Способ согласования в фидерных линиях по методу Татаринова", (см. "Согласования с помощью шлейфа Татаринова". На сайте: https://srudfile.net/preview/7806941/page:5/), который является наиболее близким к предлагаемому изобретению и взятый авторами за прототип.

Способ согласования в фидерных линиях по методу Татаринова (прототипа) заключается в том, что в определенных точках фидерной линии, не требующей ее разрыва, включают компенсирующий реактивный элемент в виде отрезка линии с длинной менее четвертьволновой, являющегося параллельным реактивным шлейфом, с помощью которого согласовывают комплексную нагрузку с питающей линией или генератором. На сайте: https://ozlib.com/881449/termika/soglasovanie_pomoschyu_reaktivnogo_shleyfa_tatarinova, в качестве примера, приведено описание согласования волнового сопротивления фидера с антенной при использовании реактивного шлейфа Татаринова.

Из приведенного примера видно, что шлейф подключают к линии в определенных точках, в которых сопротивление линии в сечении подключения шлейфа (измеренное в сторону антенны) равняется волновому сопротивлению фидера и, таким образом, обеспечивается точное согласование антенны с фидерной линией.

Следует отметить, что в зависимости от длины I шлейфа он приобретает следующие свойства (см., например, "Согласующие шлейфы". На сайте: https://scask.ru/n_book_svf.php?id=37):

входное сопротивление короткозамкнутых или разомкнутых на конце отрезков линии передачи в виде шлейфов носит чисто индуктивный или чисто емкостный характер при выполнении условия:

где λ - длина, соответствующая длине волны.

Достоинством шлейфового согласования линии является то, что с помощью шлейфа с длиной меньшей четверти длины волны (выражение 3) можно согласовать комплексную нагрузку с питающей линией или генератором. Недостатки прототипа:

• трудность технологической реализации способа, например, при использовании линии в микрополосковом исполнении необходимо точно выдерживать длину шлейфа;

• подключение методом пайки шлейфа (длина и даже способ пайки короткозамыкателя у короткозамкнутого шлейфа сильно влияет на его электрическую длину) к линии, выполненной в виде полосковой, приводит к изменению волнового сопротивления в точках подключения и ухудшению согласования;

• при подключении шлейфа через разъем и кабель снижается надежность;

• сложность осуществления на высоких частотах (верхней части дециметрового и сантиметровом диапазонах волн) из-за малых габаритов устройства.

Целью предлагаемого способа согласования антенно-фидерных СВЧ устройств в фидерном тракте является повышение степени согласования антенно-фидерных СВЧ устройств при обеспечении высокой надежности и технологичности настройки.

Раскрытие изобретения

Предлагаемый способ согласования антенно-фидерных СВЧ устройств в фидерном тракте, заключается в согласовании линии передач по методу Татаринова, например, в линии передач в виде микрополосковой линии с длиной немного более λ/2, в определенных точках микрополосковой линии, не требующей ее разрыва, бесконтактно подключают n (n≥1) эквивалентных шлейфов, в виде вращающихся дисков, имеющих металлизированную и не металлизированную области, выполненных из фольгированных листов, при этом, вращением диска устанавливают сосредоточенную емкость, проводимостью которой компенсируют реактивную проводимость индуктивного характера фидерной линии в месте бесконтактного подключения к ней диска.

Сущность изобретения заключается в том, что в определенных точках микрополосковой линии, где активная часть комплексной проводимости равна волновой проводимости линии, а реактивная часть комплексной проводимости имеет индуктивный характер, параллельно микрополосковой линии бесконтактным способом подключают эквивалентные шлейфы в виде вращающихся дисков из фольгированного диэлектрика с односторонней металлизацией, обладающих сосредоточенной переменной емкостью, при этом, диски располагают на одной плате параллельно микрополосковой линии на одной осевой линии, с противоположной стороны которой параллельно располагают два отрезка металлизированной линии длиною менее λ/4 каждый. Вращением диска обеспечивают согласование, которое достигают при равенстве компенсирующей проводимости емкостного характера эквивалентного шлейфа и компенсируемой проводимости индуктивного характера микрополосковой линии.

Графические иллюстрации

Изобретение проиллюстрировано фигурами фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4.

На фиг. 1 приведен пример исполнения в виде структурной схемы для реализации заявляемого способа согласования антенно-фидерных СВЧ устройств в фидерном тракте, содержащем составляющие, обозначенные позициями:

• 1 - линия передачи (в виде микрополосковой линии);

• 2 - участок платы для установки дисков;

• 3 - вращающиеся диски (n дисков);

• 4 - крепежные элементы диска;

• 5-1 - входной соединитель радиочастотный коаксиальный;

• 5-2 - выходной соединитель радиочастотный коаксиальный;

• 6 - отверстия для установки дисков (т отверстий);

• 7 - не металлизированная область вокруг отверстия в диске;

• 8 - металлизированные участки с длиной менее λ/4.

На фиг. 2 приведен внешний вид примера конструктивного исполнения устройства согласования антенно-фидерных СВЧ устройств в фидерном тракте.

На фиг. 3 представлена частотная характеристика КСВ антенно-фидерного устройства до согласования.

На фиг. 4 представлена частотная характеристика КСВ антенно-фидерного устройства после согласования предлагаемым способом.

Описание примера исполнения в виде структурной схемы

В предлагаемом изобретении способ согласования антенно-фидерных СВЧ устройств в фидерном тракте в качестве линии передачи 1 рассматривают, например, широко используемую на практике микрополосковую линию (см., например, патенты №2017280, №2644976) с длиной, незначительно превышающей значение λ/2. Микрополосковую линию 1, участок платы для установки дисков 2, а также металлизированные участки с длиной менее λ/4 (8) выполняют на одной плате, например, из фторопластовых армированных фольгированных листов СВЧ диапазона - ФАФ-4Д, произведенных по ГОСТ 21000-81.

В качестве соединителей радиочастотных коаксиальных 5-1 и 5-2 используют, например, соединители радиочастотные коаксиальные типа III по ГОСТ 20265-83, СР-50-439 ФВ со значением волнового сопротивления 50 Ом, поэтому оптимальное волновое сопротивлением линии передачи 1 при согласовании должно соответствовать 50 Ом. Участок платы для установки дисков 2 выполняют без металлизации с двух сторон, при этом на оси, параллельной микрополосковой линии 1, делают m отверстий для установки дисков 6 (на практике m составляет не более шести). В отверстиях для установки дисков 6 закрепляют n (n от одного до нескольких) одинаковых вращающихся дисков 3 таким образом, чтобы часть площади n вращающихся дисков 3 находилась на микрополосковой линии 1.

Вращающие диски 3 изготавливают, например, из ФАФ-4Д малой толщины и неполной металлизацией с одной стороны (с другой стороны металлизация отсутствует) и представляют собой для микрополосковой линии 1 эквивалентный шлейф с реактивной проводимостью емкостного характера.

Металлизированная область вращающихся дисков 3 заштрихована, на незаштрихованной части вращающихся дисков 3 металлизация отсутствует. В центре вращающегося диска 3 делают отверстие для его крепления (на фиг. 1 в отверстие вставлен крепежный элемент диска 4 в виде винта) и незначительную область вокруг отверстия в диске 7 выполняют не металлизированной для исключения влияния винта на металлизированный участок диска. При установке не металлизированного участка вращающегося диска 3 над микрополосковой линией 1 проводимость емкостного характера диска (be) минимальна, которую увеличивают увеличением металлизированного участка над микрополосковой линией 1 вращением диска 3, обеспечивая, тем самым, бесконтактный способ подключения эквивалентного шлейфа (диска 3) к микрополосковой линии 1, при этом, существенно повышая надежность. Для увеличения компенсирующей емкости и увеличения емкостной проводимости параллельно микрополосковой линии 1 с противоположной стороны относительно осевой линии отверстий 6 располагают на одной оси два металлизированных отрезка линий с длиной каждого менее λ/4. Достижением равенства компенсирующей проводимости емкостного характера (be) с компенсируемой проводимостью индуктивного характера (bi) микрополосковой линии 1 осуществляют согласование.

В общем виде реактивная емкостная проводимость b_c в зависимости от частоты ω и величины емкости С определяется выражением:

где емкость С определяется по формуле (см., например. "Электроемкость конденсатора". На сайте: https://skysmart.ru/articles/physics/elektroemkost-kondensatora):

где

С - емкость (Ф),

ε₀ - электрическая постоянная (ε₀=8,85 ⋅ 10^-12 ф/м),

ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды,

S - площадь пластин конденсатора (м²),

d - расстояние между пластинами (м).

Общая сосредоточенная емкость эквивалентного шлейфа формируется из последовательно соединенных емкостей:

• между микрополосковой линией 1 и вращающимся диском 3;

• между вращающимся диском 3 и металлизированными участками длиной менее λ/4 8;

• между металлизированными участками длиной менее λ/4 8 и основанием микрополосковой линии 1.

Размер вращающегося диска 3 выбирается таким образом, чтобы проводимость емкостного характера эквивалентного шлейфа (b_C) на рабочей частоте со была достаточной для компенсации компенсируемого проводимости индуктивного характера (b_L) микрополосковой линии 1. Кроме того, диаметр вращающегося диска 3 и расстояния между отверстиями для установки дисков 6 выбирают таким образом, чтобы при левом и правом положении вращающегося диска 3, а также при расположении его в смежных отверстиях 6, точка подключения компенсирующей реактивности на микрополосковой линии была не одной и той же.

В результате чего, при шести отверстиях для установки дисков 6 получается двенадцать точек подключения компенсирующей реактивности, что практически достаточно для согласования антенно-фидерных устройств.

Местом установки в отверстия 6 и поворотом диска 3 достигают наилучшего КСВ, близкого к единице.

Порядок проведения согласования входа линии передач 1 с выходом:

• с помощью небольшой емкости, подключаемой параллельно микрополосковой линии, выбирают точку установки вращающего диска 3;

• устанавливают вблизи данной точки вращающийся диск 3 на ближайшее к данной точке отверстие для установки дисков 6;

• поворотом вращающегося диска 3 добиваются наилучшего согласования (наименьшего КСВ в заданном диапазоне частот);

• в случае необходимости устанавливают вращающийся диск 3 в соседнее отверстие для установки дисков 6 и поворотом вращающегося диска добиваются согласования;

• в случае необходимости дополнительно устанавливают вращающийся диск 3 и проводят согласование для достижения наилучших результатов в полосе частот.

На фиг. 1 отражен один из примеров согласованной линии передач 1, где:

Рассмотрим процесс установки и крепления вращающихся дисков 3 на плате. Диск 3 устанавливают фольгированной стороной вверх в одно из отверстий 6, расположенных параллельно микрополосковой линии 1 следующим образом. Сверху, со стороны металлизированной области вращающихся дисков 3 через диэлектрическую шайбу, выполненную, например, из стеклотекстолита, в отверстие вращающегося диска 3 вставляют винт, который внизу закрепляют гайкой со стороны не металлизированной области общей платы или в резьбе корпуса на которую устанавливают плату, при этом, обеспечивают возможность вращения диска 3. После проведения согласования путем вращения диска 3, обеспечивают достаточную фиксацию в данном положении с использованием, например, мастики (см., например, патент, РФ, №693697). Для исключения влияния винта на металлизированную область вращающегося диска 3, незначительную область вокруг его отверстия 7 выполняют неметаллизированной.

Следует отметить, что рассмотренный способ согласования антенно-фидерных СВЧ устройств в фидерном тракте с использованием линии передачи в виде микрополосковой линии 1 используют, например, в составе:

• устройств контроля падающей и отраженной мощности;

• фильтров;

• направленных ответвителей;

• кольцевых мостов;

• фидерных линий фазированной антенной решетки.

На фиг. 2 приведен внешний вид примера конструктивного исполнения устройства согласования антенно-фидерных СВЧ устройств в фидерном тракте, содержащего составляющие, обозначенные позициями:

• 9 - диэлектрическая шайба;

• 10- корпус;

• 11 - винты крепления общей платы к корпусу;

• 4 - крепежный элемент диска в виде винта.

В данном примере показан крепежный элемент диска 4 в виде винта, который вставляется в отверстие вращающего диска 3 через диэлектрическую шайбу 9. Общая плата, содержащая микрополосковую линию 1, отверстия для установки дисков 6 и металлизированные участки длиной менее λ/4 8, крепится к корпусу 10 с помощью винтов 11.

На представленных графиках (фиг. 3 и фиг. 4) зависимости КСВ микрополосковой линии от частоты f, видно, что КСВ после бесконтактного согласования с помощью эквивалентного шлейфа экспериментального образца способом, описанным в заявке на изобретение (фиг. 4), существенно ниже КСВ до согласования (фиг. 3), что означает высокую степень согласования антенно-фидерных СВЧ устройств в заданном диапазоне частот предлагаемым способом.

Изобретение относится к области СВЧ-техники. Технический результат - высокая степень согласования антенно-фидерных СВЧ устройств при обеспечении высокой надежности и технологичности подключения шлейфа к микрополосковой линии. Для этого предложен способ согласования антенно-фидерных СВЧ устройств в фидерном тракте, заключающийся в том, что в определенных точках, где активная часть комплексной проводимости равна волновой проводимости линии, а реактивная часть комплексной проводимости имеет индуктивный характер, параллельно микрополосковой линии бесконтактным способом подключают эквивалентные шлейфы в виде вращающихся дисков из фольгированного диэлектрика с односторонней металлизацией, обладающих сосредоточенной переменной емкостью. Вращением диска обеспечивают согласование, которое достигают при равенстве компенсирующей проводимости емкостного характера эквивалентного шлейфа и компенсируемой проводимости индуктивного характера микрополосковой линии. 4 ил.

Способ согласования антенно-фидерных СВЧ устройств в фидерном тракте, заключающийся в том, что в определенных точках фидерной линии, не требующей ее разрыва, включают компенсирующий реактивный элемент в виде параллельного реактивного шлейфа, длиной менее четверти длины волны, с помощью которого согласовывают комплексную нагрузку с питающей линией или генератором, отличающийся тем, что в качестве параллельного реактивного шлейфа используют n (n≥1) эквивалентных шлейфов, подключаемых к линии в виде бесконтактно вращающихся дисков, имеющих металлизированную и неметаллизированную области, выполненные из фольгированных листов, при этом, вращением диска в каждом эквивалентном шлейфе устанавливают сосредоточенную емкость, реактивной проводимостью которой компенсируют реактивную проводимость индуктивного характера линии в месте бесконтактного подключения к ней диска.