СВЧ-АТТЕНЮАТОР
MICROWAVE ATTENUATOR

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано как аттенюатор с фиксированным затуханием при измерениях в волноводных трактах с высоким уровнем мощности.
Известны фиксированные поглощающие аттенюаторы [1] для волноводов с объемным поглощающим сопротивлением. Аттенюатор представляет отрезок волноводной трубы с фланцами, внутри которой установлено поглощающее сопротивление.
Недостатками их конструкции являются:
- сложная форма поглотителя, требующая для своего изготовления не менее сложную оправку, что приводит к увеличению затрат на ее производство;
- наличие клеевых или воздушных зазоров между поглотителем и волноводом, увеличивающих переходное тепловое сопротивление;
- неуказанные электрические характеристики: КСВН и неравномерность коэффициента передачи в диапазоне частот волновода.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является волноводный аттенюатор [2], принятый за прототип, содержащий отрезок прямоугольного волновода и объемное поглощающее сопротивление, отличающийся тем, что объемное поглощающее сопротивление выполнено в виде основной прямоугольной призмы, плоскость основания которой сопряжена с плоскостью одной из широких стенок прямоугольного волновода, ширина основания равна ширине прямоугольного волновода, а высота меньше высоты прямоугольного волновода, при этом основная призма хотя бы с одной из сторон, параллельной поперечному сечению прямоугольного волновода, сопряжена с согласующим элементом в виде дополнительной прямоугольной призмы, конструктивно объединенным с основной призмой и выполненным из материала основной призмы, при этом плоскость основания дополнительной призмы совпадает с плоскостью сопряжения основной призмы с волноводом, ширина основания равна ширине прямоугольного волновода, а высота дополнительной призмы меньше высоты основной призмы.
Недостатками данной конструкции являются:
- технологические сложности при изготовлении профиля поглотителя;
- необходимость дополнительной обработки поглотителя при настройке на фиксированное затухание.
Техническим результатом заявляемого СВЧ-аттенюатора является уменьшение КСВН и неравномерности коэффициента передачи в полосе частот волновода, плавное изменение электрической прочности, а также возможность настройки затухания в небольших пределах при конструктивном и технологическом упрощении.
2
2
Технический результат достигается тем, что СВЧ-аттенюатор содержит металлический прямоугольный волновод, поглотитель и экран. Волновод выполнен с высотой b узкой стенки и шириной а широкой стенки, в котором образованы два сопряженных друг с другом идентичных плавных перехода длиной L переменной высоты, уменьшающейся до b. Поглощающая поверхность каждого перехода совмещена с поглощающей поверхностью поглотителя шириной s, расположенной на одной из широких стенок волновода, а отражающая поверхность перехода расположена на противоположной широкой стенке, при условии s<a, α=arctg((b-b)/L), где α угол наклона перехода. Поглощающая поверхность поглотителя может быть выполнена в виде прямоугольника, причем его ширина s находится в пределах 0.6а≤s≤0.7а.
Для уменьшения КСВН все стенки одного из плавных переходов могут быть металлизированы, но при этом длина топологии аттенюатора увеличится вдвое.
Два идентичных плавных перехода позволяют плавно изменять электрическую прочность аттенюатора и упростить его изготовление.
2
Высота b плавных переходов определяет начальное затухание аттенюатора до настройки.
2
При настройке затухания фрезеруют место сопряжения плавных переходов, увеличивая высоту b, что позволяет уменьшить начальное затухание до требуемого.
2
Угол наклона α=arctg((b-b)/L) перехода влияет на КСВН аттенюатора. Для получения КСВН<1.1 угол α может находиться в пределах 0°≤α≤6°. При α=0° наклонная поверхность перехода становится плоской, а сам переход вырождается в прямоугольный волновод.
Для простоты изготовления поглощающая поверхность перехода расположена на плоской широкой стенке волновода и совмещена с поглощающей поверхностью поглотителя, что позволяет использовать поглотитель простой формы: прямоугольный параллелограмм, и выбирать ширину s поглотителя без жесткой привязки к ширине а широкой стенки волновода.
Для получения минимальной неравномерности коэффициента передачи и равномерного распределения СВЧ-энергии в объеме поглотителя ширина s поглощающей поверхности поглотителя должна находиться в пределах 0.6а≤s≤0.7а в зависимости от параметров материала поглотителя: диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ.
Предлагаемая конструкция СВЧ-аттенюатора поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена конструкция предлагаемого СВЧ-аттенюатора, где: металлический волновод - 1, поглотитель - 2, экран - 3, плавный переход - 4.
На фиг. 2 представлена конструкция предлагаемого СВЧ-аттенюатора по п. 3.
На фиг. 3 представлены оптимизированные топологии 10 дБ СВЧ-аттенюаторов с фиксированной длиной поглотителя: а - конструкция фиг. 1, б - конструкция фиг. 2.
На фиг. 4 представлены графики КСВН в диапазоне частот 26-40 ГГц для топологий фиг. 3.
На фиг. 5 представлены графики коэффициента передачи S21 в диапазоне частот 26-40 ГГц для топологий фиг. 3.
2
На фиг. 6 представлены зависимости коэффициента передачи S21 от высоты b плавного перехода на частоте 35 ГГц для топологий фиг. 3.
Пример
2
Волновод 1 выполнен из меди прямоугольным. Корпус волновода 1 выполнен из двух частей, разделенных по широкой стенке и соединенных винтами. Высота узкой стенки b=3.4 мм, ширина широкой стенки а=7.2 мм. В корпусе выполнены два сопряженных друг с другом идентичных плавных перехода 4. Каждый плавный переход 4 имеет длину L=17 мм, высота уменьшается до b=2.26 мм, а угол наклона α≈3.8°. На плоской широкой стенке перехода расположен поглотитель 2 так, что его поглощающая поверхность совмещена с плоскостью широкой стенки. Поглотитель 2 выполнен в форме прямоугольного параллелограмма из корундо-титанатной керамической пластины КТ-30 длиной 2L=34 мм и высотой 2 мм. Ширина поглощающей поверхности поглотителя 2 s=4.5 мм. Поглотитель 2 помещен в экран 3, выполненный из меди, и закреплен в нем электропроводным клеем или пайкой. Пример соответствует топологии фиг. 3а.
Предлагаемый СВЧ-аттенюатор работает следующим образом.
Электромагнитная волна, распространяясь в прямоугольном волноводе 1, попадает в канал первого плавного перехода 4 переменной высоты. Падая на поглощающую поверхность поглотителя 2, электромагнитная волна затухает, преобразуясь в тепловую энергию, которая отводится через экран 3 на систему охлаждения. Непоглощенная часть энергии электромагнитной волны попадает в канал второго плавного перехода 4 переменной высоты, где процесс ее поглощения и преобразования в тепловую энергию с отводом тепла происходит так же, как и в первом переходе 4.
Возможность реализации предлагаемого изобретения проверена расчетным путем на топологиях СВЧ-аттенюаторов, представленных на фиг. 3, с фиксированной длиной L и шириной s поглотителя.
Графики КСВН (фиг. 4) топологий СВЧ-аттенюаторов показывают, что конструкция фиг. 3б имеет лучшее согласование (КСВН<1,02) по сравнению с конструкцией фиг. 3а, но достигается этот результат вдвое большей длиной топологии аттенюатора. Однако увеличение длины аттенюатора может оказаться удобным для монтажа габаритной системы охлаждения.
Графики коэффициента передачи S21 (фиг. 5) топологий СВЧ-аттенюаторов показывают низкий уровень его неравномерности (ΔS21=0,15…0,2 дБ) в полосе частот волновода, что говорит о широкополосности аттенюатора.
Графики зависимости коэффициента передачи S21 от высоты b2 плавного перехода на частоте 35 ГГц (фиг. 6) показывают возможность настройки S21 в диапазоне более 10 дБ.
Экспериментальные 10-дБ СВЧ-аттенюаторы с волноводным каналом [7.2×3.4] общей длиной 5 см, у которых в качестве поглотителя использовалась корундо-титанатная керамическая пластина КТ-30 высотой 2 мм, позволили получить КСВН менее 1,1.
Применяя поглотители, выполненные из других поглощающих материалов, и корректируя ширину s поглощающей поверхности поглотителя и высоту перехода b2, можно использовать СВЧ-аттенюатор на низкий, средний и высокий уровни мощности.
Источники информации
1. И.П. Бушминский. Изготовление элементов конструкций СВЧ. Волноводы и волноводные устройства. - М.: Высшая школа, 1974 г., с. 182, рис. 3.6.
2. Заявка №2012147432/08 РФ, МПК Н01Р 1/26. Волноводный аттенюатор. - Заявл. 07.11.12; опубл. 20.05.14, Бюл. №14.