СВЧ нагрузка

Полезная модель относится к радиотехнике, а именно к сверхвысокочастотной (СВЧ) технике и может быть использована как оконечная нагрузка повышенной мощности в СВЧ трактах (согласованные нагрузки СВЧ тракта, поглотители СВЧ мощности и др.).
Известна волноводная согласованная нагрузка для обеспечения постоянного значения величины КСВН в стандартной (рабочей) полосе частот волновода, состоящая из прямоугольного отрезка волновода с высококачественной (с малым коэффициентом отражения) поглощающей нагрузкой и отражающим элементом в виде металлического стержня, помещенного внутри диэлектрической втулки и расположенном на входном конце волновода параллельно широким стенкам волновода, (авторское свидетельство СССР №174236). Недостатком данной конструкции нагрузки является невысокая технологичность: хотя используется стандартное сечение волновода, в отражателе есть две детали (одиночный металлический стержень имеет наклон величины КСВН по частоте, а диэлектрическая втулка тоже имеет наклон величины КСВН по частоте, но обратный наклону величины КСВН металлического стержня, что позволяет при определенном соотношении диаметров металлического стержня и диэлектрической втулки компенсировать неравномерность (наклон) КСВН. Также на величину КСВН влияет размер стержня, втулки и расположение их в волноводе (отклонение от оси симметрии), что связано с технологическими трудностями.
В качестве ближайшего аналога по технической сущности к предлагаемому устройству выбрана конструкция коаксиальной нагрузки (авторское свидетельство СССР №1506491), включающая короткозамкнутый отрезок коаксиальной СВЧ линии (внутренняя поверхность внешнего проводника которого имеет конусообразную форму) с радиочастотным соединителем, внутренний проводник СВЧ линии выполнен в виде поверхностного резистора. Недостатком такой конструкции является сложное конструктивное исполнение, низкая технологичность и невозможность индивидуальной регулировки.
Необходимо отметить, что коаксиальные нагрузки могут быть с сосредоточенными параметрами (размеры резистивного элемента меньше четверти длины волны). В этом случае можно получить почти идеальную нагрузку (КСВН стремиться к 1). В случае крупногабаритных резисторов их размеры становятся соизмеримы с длиной волны или превышают ее. В этом случае сопротивление резистора становится частотнозависимым и согласование ухудшается. Для улучшения согласования такие резисторы устанавливают в линии передачи с изменяющимся по определенному закону волновым сопротивлением (за счет изменения размеров внешнего проводника). В нашем случае речь идет о нагрузках повышенной мощности. Отвод тепла от резисторов малого размера затруднен и для улучшения охлаждения применяют крупногабаритные резисторы, что и приводит к проблеме согласования.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является расширение частотного диапазона (с учетом возможности регулировки разброса параметров используемых резисторов) при упрощении конструкции и технологии производства.
Технический результат достигается тем, что в СВЧ нагрузке, содержащей закороченный замыкающим элементом отрезок СВЧ линии передачи, на другом конце которой расположен радиочастотный соединитель, внутренний проводник СВЧ линии передачи выполнен в виде поверхностного резистора, одним концом (гальванически) соединенного с замыкающим элементом, а другим концом - с внутренним проводником радиочастотного соединителя, согласно полезной модели внешний проводник СВЧ линии передачи выполнен с прямоугольным сечением, между внешним и внутренним проводниками СВЧ линии передачи по разные стороны от поверхностного резистора введены две гибкие проводящие пластины, соединенные одними боковыми сторонами (со стороны радиочастотного соединителя) с внешним проводником СВЧ линии передачи, а другими боковыми сторонами с замыкающим элементом, при этом проводящие пластины образуют с верхней и нижней стенками внешнего проводника СВЧ линии передачи экран с прямоугольным сечением, внутренний размер которого плавно уменьшается в направлении от соединителя к замыкающему элементу.
Внутренний размер проводящего экрана изменяется по экспоненциальному или другому закону, обеспечивающему минимальное значение КСВН в рабочей полосе частот нагрузки.
В вариантах выполнения СВЧ нагрузки в боковых стенках внешнего проводника СВЧ линии установлены регулировочные элементы, выполненные с возможностью нажима на боковые стенки гибкого экрана, осуществляя его необходимый изгиб при регулировке устройства. Регулировочные элементы выполнены в виде двух и более регулировочных винтов, попарно расположенные симметрично относительно друг друга и упирающиеся в соответствующие боковые стенки гибкого экрана. Это обеспечивает, при необходимости, простоту настройки за счет изменения формы упругих экранных пластин с помощью регулировочных винтов.
Сущность технического решения устройства поясняется рисунками, на которых изображено: на фиг. 1 - внешний вид СВЧ нагрузки; на фиг. 2 - внутреннее устройство СВЧ нагрузки; на фиг. 3 - вид сверху СВЧ нагрузки без верхней стенки; на фиг. 4 - поперечный разрез СВЧ нагрузки; на фиг. 5 - график частотной зависимости КСВН нагрузки.
СВЧ нагрузка содержит (фиг. 3) отрезок СВЧ линии передачи 1 с прямоугольным внешним проводником, закороченный на одном конце замыкающим элементом 2 и с радиочастотным соединителем 3 - на другом конце, внутренний проводник СВЧ линии передачи выполнен в виде поверхностного резистора 4, одним концом соединенного с замыкающим элементом 2, а другим концом - с внутренним проводником радиочастотного соединителя 3, между внешним проводником 1 и внутренним проводником 4 СВЧ линии передачи по разные стороны от поверхностного резистора введены две гибкие проводящие пластины 5, образующие с верхней и нижней стенками внешнего проводника 1 СВЧ линии передачи экран с прямоугольным сечением, внутренний размер которого уменьшается по экспоненциальному закону от соединителя 3 к замыкающему элементу 2, при этом, пластины 5 экрана со стороны соединителя 3 соединены с внешним проводником 1 СВЧ линии передачи, а с другой стороны - с цангой 7. В боковых стенках внешнего проводника 1 СВЧ линии передачи установлены, расположенные симметрично относительно друг друга и упирающиеся в соответствующие боковые стенки (гибкие пластины 5) экрана, две пары регулировочных винтов 6. Гибкие пластины 5 экрана выполнены из металла с высокой проводимостью (например, из алюминиевого сплава), а в качестве поверхностного резистора 4 используется цилиндрический СВЧ резистор типа Р1-69П-50 или ему подобный. Одним концом резистор закреплен в цанге 7, установленной на короткозамкнутом конце отрезка линии передачи, другим в цанге 8, установленной на центральном проводнике радиочастотного соединителя 3.
СВЧ нагрузка работает следующим образом.
При подаче мощности на вход СВЧ нагрузки, распространяющаяся в линии передачи электромагнитная волна, попадает в канал с потерями переменного сечения, образованный с одной стороны верхней и нижней стенками линии передачи 1 и гибкими пластинами 5 экрана, а с другой -поверхностным резистором 4. Часть мощности поглощается в резисторе 4, а часть отражается обратно. Для обеспечения малого значения коэффициента отражения в широком диапазоне частот в случае применения поверхностных резисторов, длина которых соизмерима или превышает длину волны, их устанавливают в отрезок линии с переменным волновым сопротивлением. Волновое сопротивление может изменяться ступенчато или плавно по линейному, экспоненциальному или другому закону. В данной конструкции изменение волнового сопротивления обеспечивается за счет изменения расстояния между гибкими металлическими пластинами 5 экрана. Профиль экрана можно регулировать с помощью набора винтов 6. Поглощенная нагрузкой мощность превращается в тепловую энергию и передается через элементы конструкции и воздушные зазоры линии передачи на ее внешнюю поверхность, откуда рассеивается в окружающую среду.
Гибкие пластины экрана позволяют регулировать' закон изменения размеров поперечного сечения (соответственно - волнового сопротивления), что позволяет получить оптимальную настройку согласованной нагрузки по критерию минимального значения КСВН и ширины полосы согласования при наличии технологических разбросов параметров поглощающих нагрузок и размеров элементов конструкции. При этом использование линии передачи прямоугольного сечения и пластин экрана из листового материала упрощает конструкцию.
На предприятии разработана конструкторская документация устройства, изготовлен опытный образец, успешно прошедший испытания. По результатам испытаний разработанная согласованная нагрузка на резисторе, частотный диапазон работы которого по технической документации составляет 3 ГГц, обеспечивает полосу согласования (фиг. 5): по уровню КСВН 1,4 - от 0 до 6,78 ГГц; по уровню КСВН 2,0 - от 0 до 7,64 ГГц.
Таким образом, конструкция согласованной нагрузки обеспечивает расширение полосы частот согласования, малую зависимость КСВН от технологических допусков изготовления и упрощение конструкции, основные элементы которой выполняются из листового материала, не требуется расточка сложного внутреннего профиля экрана.