НАПРАВЛЕННЫЙ ОТВЕТВИТЕЛЬ
DIRECTIONAL COUPLER

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники, а именно к волноводным линиям передачи СВЧ энергии и используется в измерительной технике и в качестве элементов системы контроля и фиксированного ослабления в приемных и передающих трактах и устройствах.
Известен направленный ответвитель (см. И.В. Лебедев "Техника и приборы СВЧ", М., "Высшая школа", 1970, стр.278; В.А. Сосунов, А.А. Шибаев "Направленные ответвители сверхвысоких частот", Саратов, 1964, Приволжское книжное издательство, стр.39÷42). Направленный ответвитель выполнен металлическим, прямоугольной формы поперечного сечения, состоит из основного и вспомогательного волноводов и отверстий связи.
<mrow><mfrac><mi>λ</mi><mn>4</mn></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mi>λ</mi><mn>4</mn></mfrac></mrow>
Вспомогательный волновод на одном конце имеет ножевидную согласованную нагрузку, второй конец снабжен фланцем и предназначен для соединения с измерительной аппаратурой. В качестве элемента связи служат два отверстия прорезанных в середине общей широкой стенки основного и вспомогательного волноводов на расстоянии
друг от друга. Волноводы в этом случае связаны тангенциальной составляющей магнитного поля Hz. Отверстия являются элементом связи, не обладающим направленностью. Направленность ответвителя теоретически равна бесконечности на длине волны λ, для которой расстояние между отверстиями связи равно
. В действительных конструкциях такая направленность не имеет места из-за наличия отражений, неточностей изготовления и взаимодействия элементов связи. В полосе 20% направленность такого ответвителя 16 дБ.
Недостатками описанного ответвителя являются большое переходное ослабление, значительная зависимость переходного ослабления от частоты и малая величина направленности.
<mrow><mfrac bevelled="true"><mi>λ</mi><mn>4</mn></mfrac></mrow>
Известен также направленный ответвитель (Дж. Альтман, "Устройства СВЧ", М., Мир, 1968, стр.167-169), отличающийся от описанного выше тем, что для устранений неравномерности переходного ослабления и увеличения направленности в качестве элементов связи используется ряд отверстий, расположенных на расстоянии ~
друг от друга. Диаметр отверстий связи, их количество при заданном типе распределения (биноминальном или чебышевском) определяется расчетным путем и уточняется экспериментально. С помощью ответвителя такого типа можно получить характеристику более плавную переходного ослабления в диапазоне частот (20-30)%, но для этого необходимо удлинить область связи до нескольких λ за счет увеличения числа отверстий до ≈9÷15 штук. В качестве прототипа выбран направленный ответвитель, описанный в книге И.В. Лебедева, т.к. он наиболее близкий по своим признакам к предлагаемому.
Целью настоящего изобретения является получение частотно независимых характеристик в широкой полосе частот при малой длине области связи.
Поставленная цель достигается тем, что в волноводном направленном ответвителе, содержащем основной и вспомогательный волноводы, связанные по середине широкой стенки с помощью отверстий связи, в последние введены секторные проводники, закрепленные на пластине, один из которых расположен симметрично середины отверстия, а другой смещен на угол α относительно первого, причем α выбирают в пределах (10÷25)°.
Суть изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид волноводного направленного ответвителя, а на фиг.2 - отверстие связи с секторным проводником.
<mrow><mfrac bevelled="true"><mi>λ</mi><mn>4</mn></mfrac></mrow>
Волноводный направленный ответвитель (см. фиг.1) состоит из основного (плечи 1-2) и вспомогательного (плечи 3-4) волноводов и отверстий связи 5, 6. Входом ответвителя является плечо 1, выходом основной волны - плечо 2. Развязанным выходом является плечо 3, ответвленный сигнал поступает в плечо 4. Основной и вспомогательный волноводы являются прямоугольными и связаны между собой по широкой стенке. В середине широкой стенки выполнены отверстия 5, 6, расстояние между которыми равно
. В отверстия 5, 6 связи введены секторные проводники 7, 8, закрепленные на пластинах 10. Один из секторных проводников, например, 7 расположен симметрично середины отверстия 5, а другой - 8 - смещен на угол α относительно сектора 7, причем α выбирают в пределах 10÷25°. В процессе изготовления секторный проводник вместе с пластиной может быть впаян в отверстие связи или в серийном производстве отверстие с проводником изготавливают электроискровым способом на станках ЧПУ или вручную. Величина переходного ослабления определяется диаметром отверстия связи. При серийном изготовлении настройка не требуется.
На фиг.2 изображено отверстие связи и распределение поля в нем. В круглом отверстии 5, диаметр которого равен 2R, расположен сектор 9, угол раскрыва которого равен 90°. Сектор 9 закреплен на пластине 10, толщина τ которой определяется исходя из требований механической прочности. Δ - величина зазора между сектором и отверстием.
14
24
14
13
23
23
13
<mrow><mfrac bevelled="true"><mi>π</mi><mn>2</mn></mfrac></mrow>
<mrow><mrow><mi>π</mi><mo>/</mo><mrow><mfrac bevelled="true"><mi>π</mi><mn>2</mn></mfrac></mrow></mrow></mrow>
<mrow><mfrac bevelled="true"><mi>π</mi><mn>2</mn></mfrac></mrow>
Ответвитель работает следующим образом: СВЧ энергия, поступающая по основному волноводу со входа 1 (см. фиг.1), ответвляется во вторичный волновод при условии совпадения направлений тангенциальной составляющей магнитного поля в основном волноводе и распределения поля в отверстии связи. Так как распределение поля в отверстии связи (см. фиг.2) носит явно не симметричный характер, то и возбуждение полей во вторичном волноводе будет не симметричным. Отверстие связи такого типа обладает собственной направленностью не менее 10 дБ в диапазоне работы прямоугольного волновода. Волна А (см. фиг.1) возбужденная в отверстии 5 в направлении плеча 4 и волна А, возбужденная в отверстии 6, находятся в фазе, т.к. волна А отстает по фазе на
, а волна, возбужденная отверстием 6, имеет равное отставание в основном волноводе. Поэтому общая волна во вспомогательном волноводе будет распространяться в направлении плеча 4. Волна А, возбужденная в отверстии 5 в направлении плеча 3, и волна А, возбужденная в отверстии 6, будут вычитаться, т.к. волна A отстает от волны A на
- отставание в основном волноводе, а
- отставание во вспомогательном волноводе.
<mrow><mfrac bevelled="true"><mi>Δ</mi><mi>R</mi></mfrac></mrow>
Суммарная направленность ответвителя увеличится за счет использования направленных отверстий связи не менее чем на 20 дБ. Величина направленности одного отверстия связи зависит от отношения
, где Δ - величина зазора (см. фиг.2). Поле, возбужденное в отверстии связи сосредоточено, в основном, в зазоре Δ. С увеличением радиуса R, а в особенности величины Δ, силовые линии поля искривляются, и большая часть ответвляемой мощности попадает в плечо 3, т.е. направленность отверстия падает. Чем меньше величина Δ, чем выше направленность ответвителя, и тем более плавной будет зависимость переходного ослабления и направленности от частоты.
С целью выравнивания характеристик ответвителя (переходного ослабления и направленности) в широкой полосе частот необходимо развернуть секторный проводник 8 в отверстии связи 6 относительно другого секторного проводника 7. При повороте сектора 8 в отверстии связи 6 меняется характер его возбуждения таким образом, что будет компенсироваться неравномерность переходного ослабления и направленности отверстия 5, обусловленная реактивным характером возбуждения данного отверстия связи. Угол поворота зависит от ширины диапазона работы устройства, определяется и выбирается экспериментально, в пределах 10÷25° в полосе работы прямоугольного волновода. Уменьшение угла ниже 10° почти меняет характер реактивности отверстия связи. Увеличение свыше 25° вызывает преобладание резонансного характера возбуждения отверстия 6, тем самым сужает полосу работы ответвителя.
С целью увеличения направленности можно увеличить число отверстий связи до 3-х, тогда угол поворота следующего отверстия будет меньше, чем для предыдущего. Дальнейшее увеличение числа отверстий связи нецелесообразно, т.к. ведет к неоправданному увеличению размеров ответвителя, характер переходного ослабления не улучшается.
В полосе частот 2600-3800 МГц был измерен ответвитель, состоящий из основного волновода сечением 72×34 мм, вспомогательного сечением 72×10 мм и двух отверстий связи диаметром 32 мм с зазором Δ=1,5 мм. КСВИ согласованных нагрузок, подсоединенных к плечам 3, 2 не превышал 1.03. Величина переходного ослабления равнялась (-18±0,5) дБ, направленность не менее 36 дБ. КСВИ в основном канале не более 1,2.
Использование предлагаемого изобретения позволяет расширить полосу частот устройств, использующих направленные ответвители, имеющие малые габариты и простоту как в изготовлении, так и в настройке. Направленный ответвитель можно использовать при переключении антенны на эквивалент, уменьшив величину сигнала попадающего в передающий канал за счет большой направленности малогабаритного ответвителя, уменьшить габариты и вес узлов.