ВОЛНОВОДНАЯ СОГЛАСОВАННАЯ НАГРУЗКА
WAVEGUIDE MATCHED LOAD

Изобретение относится к области радиотехники и радиоэлектроники и может быть использовано для поглощения электромагнитного излучения на выходе сверхвысокочастного волноведущего тракта, а также входить в состав сложных сверхвысокочастотных функциональных узлов и устройств.
Известен поглотитель электромагнитных волн (см. патент РФ 127255 U1 МПК H01Q 17/00, опубл. 2013.20.04), состоящий из панелей пенополиуретана, содержащих электропроводящее углеродное волокно, концентрация которого монотонно увеличивается от лицевой до тыльной поверхности панели в таких пределах, которые обеспечивают поглощение энергии электромагнитной волны в широком диапазоне длин волн.
Однако данный поглотитель отличается трудоемкостью создания пластин с заданным градиентом концентрации углеродного волокна и ограничением размеров пластин диапазоном от 10 до 20 мм.
Известен поглотитель электромагнитных волн (см. патент РФ 2119216 С1 МПК H01Q 17/00, опубл. 1998.20.09), сформированный на основе многослойного интерференционного покрытия со слоями переменной толщины, между которыми расположены двумерные решетки резонансных элементов. Резонансные элементы выполнены в виде диполей полуволновой длины и замкнутых проводников (колец, эллипсов), равных центральной длине волны поглощаемого диапазона частот, из металла или рисунков электропроводной краской, пастой, клеем.
Однако данный поглотитель предполагает повышенные требования к электрофизическим параметрам и геометрическим размерам создаваемых массивов резонансных элементов.
Наиболее близким по сущности к предлагаемому является поглотитель электромагнитного излучения, используемый в широкополосной волноводной согласованной нагрузке (см. патент РФ 2360336 С1 МПК Н01Р 7/00, опубл. 2009.27.06), выполненный в виде многослойной металлодиэлектрической структуры с различными значениями толщины, диэлектрической проницаемости и электропроводности слоев, помещенной в волновод и полностью заполняющей его по поперечному сечению, причем плоскости слоев перпендикулярны направлению распространения электромагнитной волны. Количество слоев, их толщины, диэлектрические проницаемости и электропроводности выбираются путем подбора или численно из решения задачи по оптимизации, таким образом, чтобы в выбранном частотном диапазоне величины коэффициентов отражения и прохождения были меньше заданных значений.
Однако данный поглотитель отличается наличием в своей структуре нанометровых металлических слоев в количестве не менее двух и имеет недостаточную ширину рабочего диапазона частот.
Задача настоящего изобретения заключается в создании широкополосной волноводной нагрузки для поглощения СВЧ-излучения, лишенной недостатков прототипа, отличающейся расширенным рабочим диапазоном частот, технологической простотой изготовления и малыми продольными габаритами.
Технический результат заключается в обеспечении рабочих диапазонов частот от 8,15 до 178,4 ГГц, упрощении конструкции за счет использования единственного нанометрового металлического слоя и сокращении размеров нагрузки до половины критической длины волны используемого частотного диапазона.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами.
Фиг. 1. Волноводная согласованная нагрузка диапазона 8,15-12,05 ГГц.
Фиг. 2. Структура диэлектрических слоев, содержащих воздушные включения.
Фиг. 3. Экспериментальная частотная зависимость коэффициента стоячей волны по напряжению в диапазоне 8,15-12,05 ГГц.
Фиг. 4. Теоретически рассчитанная частотная зависимость коэффициента стоячей волны по напряжению в диапазоне 12,05-17,44 ГГц.
Фиг. 5. Теоретически рассчитанная частотная зависимость коэффициента стоячей волны по напряжению в диапазоне 17,44-25,9 ГГц.
Фиг. 6. Теоретически рассчитанная частотная зависимость коэффициента стоячей волны по напряжению в диапазоне 25,95-37,50 ГГц.
Фиг. 7. Теоретически рассчитанная частотная зависимость коэффициента стоячей волны в диапазоне 37,50-53,57 ГГц.
Фиг. 8. Теоретически рассчитанная частотная зависимость коэффициента стоячей волны по напряжению в диапазоне 53,57-78,33 ГГц.
Фиг. 9. Теоретически рассчитанная частотная зависимость коэффициента стоячей волны по напряжению в диапазоне 78,33-118,1 ГГц.
Фиг. 10. Теоретически рассчитанная частотная зависимость коэффициента стоячей волны по напряжению в диапазоне 118,1-178,4 ГГц.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - дополнительный диэлектрический слой;
2, 3 - согласующий диэлектрический слой;
4 - первый основной диэлектрический слой;
5 - нанометровый металлический слой;
6 - согласующий диэлектрический слой;
7 - второй основной диэлектрический слой;
8 - отрезок прямоугольного волновода с соединительными фланцами;
9 - короткозамыкающая стенка.
В согласованной нагрузке для поглощения электромагнитного излучения сверхвысокочастотного диапазона длин волн используется многослойная металлодиэлектрическая структура с различными значениями толщины, диэлектрической проницаемости и электропроводности слоев, размещенная в короткозамкнутом отрезке волновода 8 и полностью заполняющая его по поперечному сечению, причем плоскости слоев перпендикулярны направлению распространения электромагнитной волны. Она содержит расположенный между первым 4 и вторым 7 основными диэлектрическими слоями один нанометровый металлический слой 5 с величиной поверхностного сопротивления в диапазоне значений от 60 до 120 Ом на квадрат, один дополнительный диэлектрический слой 1, расположенный перед первым основным диэлектрическим слоем и обладающий величиной относительной диэлектрической проницаемости, меньшей величины относительной диэлектрической проницаемости первого основного диэлектрического слоя, а также, по крайней мере, один согласующий диэлектрический слой, расположенный между дополнительным диэлектрическим слоем и первым основным диэлектрическим слоем и/или между металлическим слоем и вторым основным диэлектрическим слоем, при этом величина относительной диэлектрической проницаемости согласующих диэлектрических слоев, расположенных между дополнительным диэлектрическим слоем и первым основным диэлектрическим слоем, меньше величины диэлектрической проницаемости первого основного диэлектрического слоя и увеличивается по направлению к металлическому слою, а величина относительной диэлектрической проницаемости согласующих диэлектрических слоев, расположенных между металлическим слоем и вторым основным диэлектрическим слоем, меньше величины диэлектрической проницаемости второго основного диэлектрического слоя и увеличивается по направлению от металлического слоя к короткозамыкающей стенке 9. В варианте исполнения, представленном на фиг. 1, между дополнительным диэлектрическим слоем 1 и первым основным диэлектрическим слоем 4 расположены согласующие диэлектрические слои 2 и 3, а между металлическим слоем 5 и вторым основным диэлектрическим слоем 7 расположен один согласующий диэлектрический слой 6.
Толщина каждого из диэлектрических слоев не должна превышать одной четверти критической длины волны используемого частотного диапазона, а толщина всей многослойной структуры не должна превышать половины критической длины волны используемого частотного диапазона.
Любой диэлектрический слой может быть выполнен в виде структуры в плоскости слоя, представляющей собой диэлектрическую матрицу с большим числом включений, имеющих величину относительной диэлектрической проницаемости, отличную от величины относительной диэлектрической проницаемости слоя. Количество, размер, геометрическая форма и взаимное расположение включений определяются заданным значением эффективной диэлектрической проницаемости диэлектрического слоя. Под эффективной диэлектрической проницаемостью материала, содержащего включения, понимается диэлектрическая проницаемость, равная относительной диэлектрической проницаемости слоя сплошного материала, обладающего частотными характеристиками и постоянной распространения электромагнитной волны, идентичными частотным характеристикам и постоянной распространения электромагнитной волны материала с включениями (Sihvola A. Electromagnetic mixing formulas and applications / IET, 1999. - 284 p.; Ландау, Л.Д., Лифшиц, Е.М. Электродинамика сплошных сред. - М.: Наука, 1982. - 624 с.).
С точки зрения технологичности производства более предпочтительным представляется создание в диэлектрических слоях волноводной согласованной нагрузки упорядоченных массивов воздушных включений, выполненных в виде сквозных отверстий. Для повышения стабильности рабочих параметров согласованной нагрузки, содержащей диэлектрические слои с воздушными включениями, диэлектрические свойства которых могут изменяться, например, при изменении влажности воздуха, дополнительный диэлектрический слой 1, расположенный самым первым относительно направления распространения электромагнитной волны, может быть выполнен сплошным.
Количество слоев, их толщины, диэлектрические проницаемости, электропроводности, а также число, форму, размеры и взаимное расположение воздушных включений для получения заданной величины эффективной диэлектрической проницаемости диэлектрического слоя выбирают путем подбора или численно решая задачу по оптимизации, таким образом, чтобы в выбранном частотном диапазоне величина коэффициента стоячей волны по напряжению была не больше заданного значения.
Количество согласующих диэлектрических слоев, обеспечивающих необходимую степень согласования и расположенных до и/или после нанометрового металлического слоя, подбирают в зависимости от требуемого коэффициента стоячей волны по напряжению в заданном частотном диапазоне, в частности в стандартных поддиапазонах сверхвысокочастотного диапазона.
Примеры практической реализации
Пример 1
Была разработана согласованная волноводная нагрузка в трехсантиметровом диапазоне длин волн со следующими параметрами:
Рабочий диапазон, ГГц
8,15-12,05
Сечение волноводного канала, мм
23,0×10,0
Коэффициент стоячей волны по напряжению, не более
1,10
Расчет коэффициента стоячей волны по напряжению для многослойной структуры сложной пространственной геометрии со слоями, содержащими массивы воздушных включений, и оптимизация геометрических формы и размеров этих включений для получения определенного значения эффективной диэлектрической проницаемости диэлектрического слоя проводились методом конечных элементов. В ходе процесса оптимизации была выбрана металлодиэлектрическая структура, состоящая из 7 слоев (фиг. 1), параметры которых сведены в таблицу 1.
2
3
В данном частотном диапазоне для улучшения условий согласования волноводного тракта и волноводной согласованной нагрузки перед нанометровым металлическим слоем были размещены четыре диэлектрических слоя, а после него - два диэлектрических слоя. Нанометровый металлический слой (хром) напылялся на диэлектрическую подложку (AlO), играющую роль предшествующего металлическому слою диэлектрического согласующего слоя. Первый относительно направления распространения электромагнитной волны диэлектрический слой толщиной 0,5 мм был выполнен из тефлона и являлся сплошным для предотвращения изменений диэлектрических свойств воздушных включений, наличествующих в последующих диэлектрических слоях, при изменении влажности воздуха. Второй, третий, шестой и седьмой слои содержали упорядоченные массивы воздушных включений, состоящих из 17 сквозных отверстий цилиндрической формы, радиус которых подбирался в процессе оптимизации для получения заданного значения эффективной диэлектрической проницаемости (фиг. 2). Для второго, третьего и шестого диэлектрических слоев радиусы отверстий первого и третьего по вертикали рядов составляли 3, 2,74 и 3,2 мм, а второго - 3,2, 2,4, 1,6 мм соответственно. Слои плотно прижимались друг к другу механически и помещались в короткозамкнутый отрезок волновода. Измеренные значения частотной зависимости коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) представлены на фиг. 3.
Пример 2
Приводятся полученные после процесса оптимизации параметры слоев волноводной согласованной нагрузки для частотного диапазона 12,05-17,44 ГГц. На фиг. 4 приведен результат расчета коэффициента стоячей волны по напряжению для указанного диапазона.
Рабочий диапазон, ГГц
12,05-17,44
Сечение волноводного канала, мм
16,0×8,0
Коэффициент стоячей волны по напряжению, не более
1,10
В ходе процесса оптимизации была выбрана металлодиэлектрическая структура, состоящая из 6 слоев, параметры которых сведены в таблицу 2.
Пример 3
Приводятся полученные после процесса оптимизации параметры слоев волноводной согласованной нагрузки для частотного диапазона 17,44-25,95 ГГц. На фиг. 5 приведен результат расчета коэффициента стоячей волны по напряжению для указанного диапазона.
Рабочий диапазон, ГГц
17,44-25,95
Сечение волноводного канала, мм
11,0×5,5
Коэффициент стоячей волны по напряжению, не более
1,10
В ходе процесса оптимизации была выбрана металлодиэлектрическая структура, состоящая из 7 слоев, параметры которых сведены в таблицу 3.
Пример 4
Приводятся полученные после процесса оптимизации параметры слоев волноводной согласованной нагрузки для частотного диапазона 25,95-37,50 ГГц. На фиг. 6 приведен результат расчета коэффициента стоячей волны по напряжению для указанного диапазона.
Рабочий диапазон, ГГц
25,95-37,50
Сечение волноводного канала, мм
7,2×3,4
Коэффициент стоячей волны по напряжению, не более
1,15
В ходе процесса оптимизации была выбрана металлодиэлектрическая структура, состоящая из 7 слоев, параметры которых сведены в таблицу 4.
Пример 5
Приводятся полученные после процесса оптимизации параметры слоев волноводной согласованной нагрузки для частотного диапазона 37,50-53,57 ГГц. На фиг. 7 приведен результат расчета коэффициента стоячей волны по напряжению для указанного диапазона.
Рабочий диапазон, ГГц
37,50-53,57
Сечение волноводного канала, мм
5,2×2,6
Коэффициент стоячей волны по напряжению, не более
1,15
В ходе процесса оптимизации была выбрана металлодиэлектрическая структура, состоящая из 7 слоев, параметры которых сведены в таблицу 5.
Пример 6
Приводятся полученные после процесса оптимизации параметры слоев волноводной согласованной нагрузки для частотного диапазона 53,57-78,33 ГГц. На фиг. 8 приведен результат расчета коэффициента стоячей волны по напряжению для указанного диапазона.
Рабочий диапазон, ГГц
53,57-78,33
Сечение волноводного канала, мм
3,6×1,8
Коэффициент стоячей волны по напряжению, не более
1,15
В ходе процесса оптимизации была выбрана металлодиэлектрическая структура, состоящая из 5 слоев, параметры которых сведены в таблицу 6.
Пример 7
Приводятся полученные после процесса оптимизации параметры слоев волноводной согласованной нагрузки для частотного диапазона 78,33-118,1 ГГц. На фиг. 9 приведен результат расчета коэффициента стоячей волны по напряжению для указанного диапазона.
Рабочий диапазон, ГГц
78,33-118,1
Сечение волноводного канала, мм
2,4×1,2
Коэффициент стоячей волны по напряжению, не более
1,20
В ходе процесса оптимизации была выбрана металлодиэлектрическая структура, состоящая из 5 слоев, параметры которых сведены в таблицу 7.
Пример 8
Приводятся полученные после процесса оптимизации параметры слоев волноводной согласованной нагрузки для частотного диапазона 118,1-178,4 ГГц. На фиг. 10 приведен результат расчета коэффициента стоячей волны по напряжению для указанного диапазона.
Рабочий диапазон, ГГц
118,1-178,4
Сечение волноводного канала, мм
1,6×0,8
Коэффициент стоячей волны по напряжению, не более
1,20
В ходе процесса оптимизации была выбрана металлодиэлектрическая структура, состоящая из 6 слоев, параметры которых сведены в таблицу 8.
Таким образом, использование многослойных металлодиэлектрических структур, содержащих один нанометровый металлический слой и диэлектрические слои с массивами воздушных включений, параметры которых определяются из результатов оптимизации, позволяет создавать широкополосные волноводные согласованные нагрузки для диапазона частот, в котором необходимо реализовать требуемый коэффициент стоячей волны по напряжению, при этом обладающие продольными размерами, не превышающими половины критической длины волны используемого частотного диапазона.