ЗАПРЕДЕЛЬНАЯ ВОЛНОВОДНАЯ НАГРУЗКА
OUT-OF-LIMIT WAVEGUIDE LOAD

Изобретение относится к области сверхвысокочастотной (СВЧ) радиотехники и может быть использовано в волноводной измерительной, антенной технике, приемных и передающих устройствах СВЧ.
Известна конструкция короткозамыкающей волноводной нагрузки на волноводе прямоугольного сечения [И.В. Лебедев. Техника и приборы СВЧ, 1970], взятая за прототип. Эта нагрузка представляет собой отрезок прямоугольного волновода, завершающийся короткозамыкающей стенкой с одной из сторон. Расстояние от открытой части волноводного канала до стенки часто выбирается равным четверти длины волны в волноводном тракте, что необходимо в согласовании различных СВЧ устройств. Такой тип нагрузки используется для получения в тракте волны идентичной с исходной по амплитуде и фазе, но противоположной по направлению. Этот прототип имеет следующий недостаток: фаза отраженной волны идентична исходной только в одной точке полосы частот волноводного тракта, что приводит к ограничению рабочей полосы частот до 10-20%.
Целью изобретения является реализация полного синфазного отражения волны нагрузкой в широкой полосе частот (до 66%) в прямоугольных волноводных трактах с диэлектрическим заполнением.
Для достижения указанной цели предлагается запредельная волноводная нагрузка (ЗВН), состоящая из отрезка прямоугольного волновода и короткозамыкающей стенки.
Согласно изобретению, нагрузка используется в волноводных трактах с диэлектрическим заполнением, отрезок волновода выполнен запредельным и имеет длину не менее 2/5 длины волны на наивысшей частоте рабочей полосы частот.
Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемой запредельной волноводной нагрузки из литературы неизвестны, поэтому она соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
На фиг.1 показана структурная схема устройства.
На фиг.2 показаны возможные схемы подключения нагрузки к волноводному тракту с диэлектрическим заполнением.
На фиг.1 изображены: отрезок запредельного прямоугольного волновода (1) длиной а и котороткозамыкающая стенка (2).
Цель достигается благодаря полному синфазному отражению попадающей в ЗВН волны в объеме отрезка запредельного волновода (1) длиной а не менее 2/5 длины волны на наивысшей частоте рабочей полосы частот. Незначительные не отраженные запредельным волноводом (1) остатки энергии отражаются короткозамыкающей стенкой (2) во избежание утечек энергии из тракта.
Принцип работы устройства заключается в отражении входной TE волны в объеме отрезка запредельного волновода (1). Для работы данной нагрузки используется волна H10, распространяющаяся в прямоугольном волноводе с диэлектрической постоянной среды, большей, чем в ЗВН, сечения идентичного сечению ЗВН. Длина нагрузки обусловлена принципом отражения волны в объеме запредельного волновода.
-j(ωt-βz)
Широкая полоса частот устройства обеспечивается тем, что отражение в объеме запредельного волновода почти не зависит от частоты. Согласно уравнениям Максвелла [И.В.Лебедев. Техника и приборы СВЧ. 1970], волну в прямоугольном волноводе, опуская множитель e, можно разложить на составляющие:
<mrow><mrow><mo>{</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mi>E</mi><mi>y</mi></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><mi>D</mi><mfrac><mrow><mi>ω</mi><mi>π</mi></mrow><mi>a</mi></mfrac><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>π</mi><mi>a</mi></mfrac><mi>x</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>H</mi><mi>x</mi></msub><mo>=</mo><mi>D</mi><mfrac><mrow><mi>β</mi><mi>π</mi></mrow><mrow><mi>μ</mi><msub><mi>μ</mi><mn>0</mn></msub><mi>a</mi></mrow></mfrac><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>π</mi><mi>a</mi></mfrac><mi>x</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>H</mi><mi>z</mi></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><mi>j</mi><mi>D</mi><mfrac><mrow><msup><mi>π</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mi>μ</mi><msub><mi>μ</mi><mn>0</mn></msub><msup><mi>a</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>π</mi><mi>a</mi></mfrac><mi>x</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>E</mi><mi>x</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>H</mi><mi>y</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>E</mi><mi>z</mi></msub><mo>=</mo><mn>0</mn></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow>
x
y
z
где E, E, E - составляющие электрического поля в волноводном канале,
x
y
z
H, H, H - составляющие магнитного поля в волноводном канале,
ω=2πf - круговая частота,
β - продольное волновое число,
µ - магнитная постоянная среды,
0
µ - магнитная постоянная вакуума,
a - ширина большей стенки сечения прямоугольного волноводного канала,
D - некоторая величина, в общем случае зависящая от мощности.
<mrow><msup><mi>β</mi><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><msup><mi>k</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><msup><mi>π</mi><mn>2</mn></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msup><mi>m</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><msup><mi>a</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><msup><mi>n</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><msup><mi>b</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><msup><mi>k</mi><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><msup><mi>ω</mi><mn>2</mn></msup><mi>ε</mi><msub><mi>ε</mi><mn>0</mn></msub><mi>μ</mi><msub><mi>μ</mi><mn>0</mn></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где k - постоянная распространения волны,
ε - диэлектрическая постоянная среды,
0
ε - диэлектрическая постоянная вакуума,
a - ширина широкой стенки сечения прямоугольного волноводного канала,
b - ширина узкой стенки волноводного канала,
mn
10
m и n - целые числа H, для волны H-m=1, а n=0.
x
При переходе волны из входного тракта в объем отрезка запредельного прямоугольного волновода, согласно уравнению (2), значение β становится мнимым. В этом случае амплитуда H становится мнимой. Это рождает волну, идентичную по фазе и обратную по направлению.
Фаза волны, отраженной от ЗВН, крайне слабо зависит от частоты в пределах рабочей полосы частот прямоугольного волноводного тракта с диэлектрическим заполнением. Это позволяет считать ЗВН слабо зависимой от частоты в пределах данной задачи.
Таким образом, изобретение обеспечивает увеличение рабочей полосы частот по сравнению с прототипом.
На фиг.2 изображены возможные схемы подключения нагрузки: А - соосно входному волноводному тракту, Б - перпендикулярно входному волноводному тракту со стороны широкой стенки, В - перпендикулярно входному волноводному тракту со стороны узкой стенки, где ВТ - входной волноводный тракт с диэлектрическим заполнением, ЗВН - запредельная волноводная нагрузка.