ВОЛНОВОДНЫЙ АТТЕНЮАТОР Российский патент 2024 года по МПК H01P1/22 

Изобретение относится к СВЧ технике и может быть использовано в измерительном волноводном оборудовании для регулирования уровня мощности выходного сигнала радиопередающих устройств, а также в измерительных трактах и антенных системах различного назначения.

Известен волноводный аттенюатор (см. авторское свидетельство №559314, МПК Н01Р 1/22, опубликовано 25.07.77, БИ №19), содержащий отрезок волновода прямоугольного сечения и поглощающие элементы, установленные в широкой стенке волновода, при этом каждый из поглощающих элементов выполнен в виде цилиндра, центр основания которого смещен относительно середины широкой стенки волновода, а диаметр не превышает 0,6 размера этой стенки. Данный аттенюатор обладает равномерной амплитудно-частотной характеристикой в полосе рабочих частот, однако за счет смещения поглотителя относительно середины широкой стенки имеет невысокое качество согласования.

Известен также волноводный аттенюатор (см. авторское свидетельство СССР №1644260, МПК Н01Р 1/22, опубликовано 23.04.1991, БИ №5), содержащий отрезок прямоугольного волновода и два объемных поглотителя, расположенных на противоположных узких стенках волновода с возможностью перемещения одного из объемных поглотителей вдоль продольной оси волновода. Положительным свойством данного аттенюатора является высокое качество согласования, достигнутое за счет смещения одного поглотителя относительно другого и использования согласующих скосов в обоих поглотителях. Недостатком описываемого аттенюатора является ограниченный диапазон регулирования вносимого ослабления, так оба объемных поглотителя всегда находятся внутри волновода.

Кроме того, известен волноводный аттенюатор, являющийся прототипом предлагаемого изобретения и содержащий отрезок прямоугольного волновода, одна из широких стенок которого выполнена с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном смежным стенкам прямоугольного волновода, при этом поглотитель, имеющий постоянное поверхностное сопротивление, установлен заподлицо на одной из стенок отрезка прямоугольного волновода, которая выполнена с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном смежным стенкам (см. см. авторское свидетельство СССР №1327208 МПК Н01Р 1/22, опубликовано 30.07.1987, БИ №28). За счет наличия симметричных согласующих скосов в начале и конце поглотителя прототип обладает высоким качеством согласования, большим динамическим диапазоном регулировки вносимого ослабления и высокой надежностью.

Основным недостатком прототипа является ограниченная величина мощности входного СВЧ сигнала в режиме максимального вносимого ослабления. Данный недостаток проявляется в виде перегрева симметричного согласующего скоса, находящегося в начале поглотителя. Перегрев симметричного согласующего скоса обусловлен произвольным выбором размеров и формы поглотителя. При максимальной величине вносимого ослабления в области симметричного согласующего скоса рассеивается большая СВЧ мощность, в результате чего он перегревается, что ограничивает уровень допустимой мощности входного СВЧ сигнала.

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является увеличение уровня допустимой мощности входного СВЧ сигнала при сохранении высокого качества согласования.

Поставленная задача достигается тем, что в волноводном аттенюаторе, содержащем отрезок прямоугольного волновода и поглотитель с постоянным поверхностным сопротивлением, имеющий в начале и в конце одинаковые согласующие скосы треугольной формы и установленный заподлицо на одной из широких стенок отрезка прямоугольного волновода, которая выполнена с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном смежным стенкам, при этом длина согласующих скосов треугольной формы выбрана равной

где: а - размер широкой стенки прямоугольного волновода;

- коэффициенты передачи по мощности для областей одинаковых согласующих скосов треугольной формы;

- коэффициент передачи по мощности для центральной области поглотителя;

К_Р - коэффициент передачи по мощности волноводного аттенюатора;

R_S - поверхностное сопротивление поглотителя;

ρ - характеристическое сопротивление отрезка прямоугольного волновода, соответствующее рабочей длине волны λ входного СВЧ сигнала;

при этом длина средней области поглотителя равна

На фиг. 1 показана конструкция предлагаемого волноводного аттенюатора (поперечный разрез). На фиг. 2 показан разрез А-А, обозначенный на фиг. 1. На фиг. 3 приведена частотная зависимость мнимой составляющей относительной комплексной магнитной проницаемости поглотителя.

Волноводный аттенюатор содержит отрезок прямоугольного волновода 1, широкая стенка 2 которого выполнена с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном смежным стенкам 3. В широкой стенке 2 установлен поглотитель 4, содержащий одинаковые согласующие скосы треугольной формы 5 и 6.

Предлагаемый волноводный аттенюатор работает следующим образом. Определение рассеиваемых мощностей на согласующем скосе треугольной формы, расположенным в начале поглотителя, и на центральной области поглотителя, проведем для значения коэффициента передачи по мощности волноводного аттенюатора при полностью введенном поглотителе K_P=0,01 (-20 дБ).

Исходя из симметричной формы поглотителя, представим его в виде каскадного соединения: согласующий скос треугольной формы (начало поглотителя) - центральная область поглотителя - согласующий скос треугольной формы (конец поглотителя). Как известно (см. статью Савенков Г.Г., Разинкин В.П., Хрусталев В.А. Широкополосные СВЧ-нагрузки на ступенчато-неоднородных линиях с потерями / Вопросы радиоэлектроники, №4, 2018 г., С. 68-72), резистивные потери уменьшают коэффициент передачи в линиях передачи различного типа. При этом, начиная с некоторой граничной частоты и выше, поддерживается высокое качество согласования по входу. Эта особенность проявляется и в прямоугольном волноводе с поглотителем. Поэтому для трех каскадно включенных областей поглотителя, каждая из которых достаточно хорошо согласована, справедливо соотношение

Далее, в соответствии с математическим выражением, приведенным в формуле изобретения, определим значение коэффициента передачи по мощности для областей согласующих скосов поглотителя треугольной формы, которые, как и его центральная область, вносят резистивные потери в широкую стенку волновода

Равенство K_P1=K_P3 обусловлено одинаковой формой согласующих скосов в начале и конце поглотителя. Данное равенство обеспечивает выполнение условия взаимности, то есть возможность поменять местами вход и выход предлагаемого волноводного аттенюатора.

С учетом соотношения (1) находим значение коэффициента передачи по мощности для центральной области поглотителя

По аналогии с приведенным выше расчетом были определены значения коэффициентов передачи по мощности K_P1, K_P2 и K_P3 для различных значений коэффициента передачи по мощности K_P предлагаемого волноводного аттенюатора. Результаты расчета приведены в таблице 1.

Для типового значения поверхностного сопротивления поглотителя R_S=500 Ом/квадрат в соответствии с выражениями, приведенными в формуле изобретения, определяем нормированную длину центральной области поглотителя и нормированную длину согласующих скосов треугольной формы:

При нахождении и в качестве первоначальной оценки было принято значение характеристического сопротивления прямоугольного волновода на центральной частоте полосы пропускания, равное волновому сопротивлению вакуума 377 Ом.

Как видно из приведенных выше результатов расчета длина согласующего скоса треугольной формы примерно в два раза больше длины центральной области поглотителя . При этом площадь согласующих скосов треугольной формы оказывается соизмеримой с площадью центральной области поглотителя. Следовательно, при выбранных значениях K_P1, K_P2 и K_P3 на близких по величине площадях поглотителя рассеивается одинаковая СВЧ мощность. Это обеспечивает равномерный нагрев первого согласующего скоса треугольной формы и центральной области поглотителя.

В приведенном выше анализе рассеиваемых мощностей процесс распространения электромагнитного поля в прямоугольном волноводе с поглотителем описан в виде распространения волны в эквивалентной линии передачи с диссипативными потерями. В линиях с потерями уменьшение амплитуды распространяющейся волны, как известно, определяется экспоненциальной зависимостью. Отметим, что при нахождении длин соответствующих областей поглотителя использованы значения коэффициентов передачи по мощности, которые представляют собой отношение выходной мощности к входной мощности, то есть являются нормированными величинами. Поэтому в приведенных в формуле изобретения аналитических соотношениях использовано характеристическое сопротивление прямоугольного волновода, представляющее собой отношение амплитуды напряженности электрического поля к амплитуде напряженности магнитного поля ρ=E_m/H_m.

Численное значение эквивалентного сопротивления R, на котором выделяется рассеиваемая СВЧ мощность, определяется известным соотношением (см. книгу Чечерников В.И. Магнитные измерения, Изд-во МГУ, 1969, 388 с.; см. формулу 13.54 на с. 254)

где: S = α⋅Δ - эффективная площадь поперечного сечения поглотителя;

- толщина скин-слоя поглотителя;

ƒ - частота входного СВЧ сигнала;

d - толщина поглотителя;

w - количество витков измерительной обмотки, с помощью которой измеряется эквивалентное сопротивление R;

μ'' - мнимая часть относительной комплексной магнитной проницаемости поглотителя;

μ' - реальная часть относительной комплексной магнитной проницаемости поглотителя;

μ₀=4π⋅10^-7 Гн/м - абсолютная магнитная проницаемость вакуума.

В формуле (2) учтено, что протекание СВЧ токов по поглотителю соответствует половине витка измерительной обмотки (w=0,5), с помощью которой определяется эквивалентное сопротивление R. Далее из формулы (2) получим соотношение для требуемого значения мнимой части относительной комплексной магнитной проницаемости поглотителя, которая обеспечит заданное значение коэффициента передачи по мощности K_P, который в свою очередь определяется ранее рассчитанными значениями L₀ и L_m

Учитывая, что токи проводимости в прямоугольном волноводе протекают поперек широкой стенки и соответственно поперек поглотителя определим постоянное эквивалентное сопротивление R следующим образом

Далее подставив (3) и (4) в соотношение (2), получим

Если использовать поглотитель толщиной d=2 см, то требуемое значение μ'' для обеспечения вносимого ослабления 20 дБ на частоте ƒ=10¹⁰ Гц будет равно

Как следует из рассмотрения графика фиг. 3, поглотитель, разработанный на предприятии ООО «Болид», имеет именно такую величину мнимой части относительной комплексной магнитной проницаемости при значении реальной части μ'≈1,0. Данный поглотитель состоит из ферритовых сферических элементов диаметром 125 мкм и залитых высокотемпературным компаундом.

По известным значениям K_P1, K_P2 и K_P3 рассеиваемая мощность Р₁ на согласующем скосе треугольной формы, находящимся вначале поглотителя, и на центральной области поглотителя Р₂ определяется следующими соотношениями:

где P_in - мощность входного СВЧ сигнала.

Отметим, что соотношения (7) и (8), вытекающие из (1), справедливы для СВЧ трактов с хорошим качеством согласования по входу и выходу, которое в данном случае обеспечивается двумя одинаковыми согласующими скосами треугольной формы, находящимися в начале и конце поглотителя.

Для выбранного значения K_P=0,01 в соответствии с выражениями (7) и (8) рассчитаем нормированные мощности рассеивания:

Как видно из данного расчета при выбранных в соответствии с формулой изобретения размерах поглотителя нормированные рассеиваемые мощности и оказываются одинаковыми. Отметим одну существенную особенность предлагаемого устройства. Из сопоставления рассчитанных значений нормированных рассеиваемых мощностей видно, что при описании поглотителя в виде системы с последовательно включенными диссипативными областями, областям согласующих скосов треугольной формы соответствует большее значение коэффициента передачи по мощности по сравнению с центральной областью поглотителя. Это позволяет при высоком уровне мощности входного СВЧ сигнала получить равномерный нагрев поглотителя за счет одинаковых рассеиваемых СВЧ мощностей на первых двух областях поглотителя.

Для сравнения рассмотрим произвольный выбор размеров и соответственно коэффициентов передачи по мощности для согласующих скосов треугольной формы и центральной области поглотителя. Будем полагать, что все области поглотителя имеют одинаковые коэффициенты передачи по мощности . Тогда для значения К_Р=0,01 нормированные рассеиваемые мощности соответственно будут равны:

Из проведенного расчета видно, что существенно больше . В этом случае, очевидно, что согласующий скос треугольной формы, находящийся в начале поглотителя, будет перегреваться, что уменьшит допустимый уровень мощности входного СВЧ сигнала. Для типового значения K_P=0,01 выигрыш по отношению к прототипу, в котором не обеспечивается равенство рассеиваемых мощностей на всех областях поглотителя, равен 0,785/0,49=1,6. Высокое качество согласования в предлагаемом волноводном аттенюаторе, также как и в прототипе, обеспечивается наличием у поглотителя двух согласующих скосов треугольной формы.

Таким образом, на согласующем скосе треугольной формы и на центральной области поглотителя при выбранных в соответствии с формулой изобретения значениях K_P1, K_P2 и длине согласующего скоса треугольной формы L_m и центральной области поглотителя L₀, рассеиваются одинаковые мощности. Это обеспечивает равномерный нагрев поглотителя. Поэтому допустимая мощность входного СВЧ сигнала существенно увеличивается. Проведенные расчеты справедливы при любом значении коэффициента передачи по мощности K_P предлагаемого устройства. Опытный образец, в котором был использован высокотемпературный поглотитель с комплексной магнитной проницаемостью, обеспечивал в длительном режиме рассеивание непрерывной СВЧ мощности до 1 кВт с использованием принудительного жидкостного охлаждения.

Изобретение относится к СВЧ технике, в частности к аттенюаторам. Волноводный аттенюатор содержит отрезок прямоугольного волновода и поглотитель с постоянным поверхностным сопротивлением, имеющий в начале и в конце одинаковые согласующие скосы треугольной формы и установленный заподлицо на одной из широких стенок отрезка прямоугольного волновода, которая выполнена с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном смежным стенкам. Длина согласующих скосов треугольной формы выбрана равной $$L_m=\frac{R_S}{2\rho }\cdot \frac{a}{\ln (1/K_{P1})}$$, где: а - размер широкой стенки прямоугольного волновода; K_P1, K_P3 - коэффициенты передачи по мощности для областей одинаковых согласующих скосов треугольной формы; K_P2 - коэффициент передачи по мощности для центральной области поглотителя; K_P - коэффициент передачи по мощности волноводного аттенюатора; R_S - поверхностное сопротивление поглотителя; ρ - характеристическое сопротивление отрезка прямоугольного волновода, соответствующее рабочей длине волны λ входного СВЧ сигнала,

а длина средней области поглотителя равна $$L_0=\frac{R_S}{\rho }\cdot \frac{a}{\ln (1/K_{P1})}$$. Технический результат - увеличение уровня допустимой мощности входного СВЧ сигнала при сохранении высокого качества согласования. 3 ил., 1 табл.

Волноводный аттенюатор, содержащий отрезок прямоугольного волновода и поглотитель с постоянным поверхностным сопротивлением, имеющий в начале и в конце одинаковые согласующие скосы треугольной формы и установленный заподлицо на одной из широких стенок отрезка прямоугольного волновода, которая выполнена с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном смежным стенкам, отличающийся тем, что длина согласующих скосов треугольной формы выбрана равной

где: а - размер широкой стенки прямоугольного волновода

- коэффициенты передачи по мощности для областей одинаковых согласующих скосов треугольной формы;

- коэффициент передачи по мощности для центральной области поглотителя;

K_P - коэффициент передачи по мощности волноводного аттенюатора;

R_S - поверхностное сопротивление поглотителя;

ρ - характеристическое сопротивление отрезка прямоугольного волновода, соответствующее рабочей длине волны λ входного СВЧ сигнала;

при этом длина средней области поглотителя равна