ДРОССЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ СВЧ (ВАРИАНТЫ)

Предлагаемое устройство относится к технике СВЧ и может быть использовано в волноводных поршнях, в составе экранов радиосистем с антеннами, в частности антенных решеток, в том числе фазированных антенных решеток (ФАР), в радиотехнике, радиосвязи, радиолокации.
Известны дроссели, используемые для бесконтактного соединения коаксиальных и волноводных линий передачи [1], [2]. Эти дроссели обеспечивают замыкание электрических токов соединяемых линий передачи без непосредственного электрического контакта токоведущих проводников за счет "емкостного контакта" на участке длиной четверть длины волны в устройстве [1].
Наиболее близким по технической сущности, выполняемой функции и конструктивному построению к заявляемому дроссельному соединению является четвертьволновый дроссель, используемый в бесконтактном подвижном короткозамыкающем поршне в волноводной линии передачи, предназначенном для обеспечения полного отражения падающей электромагнитной волны от поршня и запрета ее прохождения за плоскость экрана поршня [2]. Дроссель осуществляет бесконтактное соединение стенки волновода и перегораживающего волновод проводящего экрана поршня. Он содержит проводящую пластину длиной, соответствующей ширине проводящего экрана, и шириной около четверти длины волны, соединенную длинной стороной с краем проводящего экрана, так что плоскости экрана и пластины взаимно перпендикулярны, а пластина параллельна стенке волновода и отделена от нее зазором.
Однако такой дроссель имеет недостаток: он может обеспечить работу поршня только для одного типа волны (одной моды) в многомодовом волноводе. Это связано с тем, что данный дроссель эквивалентен разомкнутому четвертьволновому шлейфу, последовательно включенному между линией передачи и экраном подвижного поршня. Входное сопротивление разомкнутого четвертьволнового шлейфа на средней частоте равно нулю, что обеспечивает бесконтактное замыкание токов на стенке волновода и экране поршня, сохраняющее свои свойства в определенном диапазоне частот вокруг средней частоты. Длина шлейфа равна четверти длины волны в зазоре между пластинами и стенкой волновода, которая зависит от типа волны (номера моды) в волноводе. Вследствие этого, данный дроссель работает только для данного типа волны в волноводе и обычно применяется в одномодовых волноводах.
Сущность первого варианта дроссельного соединения стенки многомодового волновода и проводящего экрана короткозамыкающего волноводного поршня заключается в том, что оно содержит проводящую пластину длиной, равной ширине проводящего экрана, и шириной около четверти длины волны, соединенную длинной стороной с краем экрана, так что плоскости экрана и пластины взаимно перпендикулярны; пластина параллельна стенке волновода и отделена от нее зазором. Заявляемое устройство отличается тем, что пластина секционирована по длине на разделенные между собой зазорами участки длиной не более половины длины волны.
Этим достигается создание бесконтактного короткого замыкания волновода для всех типов волн многомодового волновода; постоянства свойств волноводного поршня при его перемещении вдоль оси волновода, что необходимо при настройке волноводных устройств и при измерениях параметров методом подвижного поршня. Это позволяет уменьшить утечку СВЧ мощности из волновода при наличии нескольких типов распространяющихся в нем волн, то есть уменьшить потери СВЧ энергии и увеличить безопасность персонала при прохождении в устройстве высокого уровня СВЧ мощности.
ε
ε
эфф
эфф
В случае, если зазор между пластиной и стенкой волновода заполнен диэлектриком, ширина пластины должна составлять около четверти длины волны с учетом диэлектрика (λ/4), а длина секций пластины не должна превышать половины длины волны с учетом диэлектрика (λ/2), где , а ε - эффективная диэлектрическая проницаемость заполнения зазора с учетом диэлектрика. При полном заполнении зазора диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε:ε=ε.
Дроссельное соединение бесконтактного поршня может также использоваться в качестве бесконтактного стыка экранов пространственных волноводов, образованных периодическими ячейками антенной решетки [3].
Сущность заявляемого второго варианта дроссельного соединения частей проводящего экрана заключается в том, что, оно для каждого стыка соединяемых частей проводящего экрана содержит две проводящие пластины длиной, равной длине бесконтактного стыка, и шириной около четверти длины волны, соединенные длинными сторонами с краями соединяемых частей экрана, так что плоскости экрана и пластин взаимно перпендикулярны; пластины параллельны между собой и разделены зазором. Заявляемое устройство отличается тем, что, по крайней мере, одна из этих пластин секционирована по длине на разделенные между собой зазорами участки длиной не более половины длины волны.
Этим достигается создание бесконтактного соединения экрана для всех углов падения волны на экран или для всех углов сканирования антенной решетки, повышения степени экранирования. Это позволяет уменьшить потери СВЧ энергии на излучение за экран; уменьшить наведенные токи на аппаратуре, расположенной с задней стороны экрана, приводящие к искажениям в работе радиосистемы, повысить внутреннюю электромагнитную совместимость (ЭМС) радиосистемы; защитить персонал от вредного воздействия мощного электромагнитного излучения, в частности в передающих ФАР.
ε
ε
В случае, если зазор между пластинами заполнен диэлектриком, ширина пластин должна составлять около четверти длины волны с учетом диэлектрика (λ/4), а длина секций пластины (или пластин) не должна превышать половины длины волны с учетом диэлектрика (λ/2), где .
Данное дроссельное соединение может применяться и в других, не связанных с антенной решеткой, экранах, например, в качестве бесконтактного соединения защитного экрана, обеспечивающего защиту людей от излучения передающей антенны.
Сущность предлагаемого устройства по первому варианту поясняется чертежом фиг. 1, на котором представлено схематическое изображение волноводного поршня с дроссельными соединениями, и графиками фиг. 2, 3, на которых представлены результаты моделирования поршня с дроссельными соединениями.
Сущность дроссельного соединения по второму варианту поясняется чертежом фиг. 4, на котором представлено схематическое изображение экрана антенной решетки с дроссельными соединениями, и графиками фиг. 5, на которых представлены результаты моделирования экрана с дроссельными соединениями.
Бесконтактное соединение по п. 1 формулы полезной модели (фиг. 1) содержит стенки 2 волновода 1 сечением a×b; экран 3 с пластинами 4 шириной l. Пластины 4 отделены от стенок волновода воздушным зазором шириной d. Пластина 4 секционирована по длине на участки 5 длиной L<λ/2, разделенные зазорами шириной Δ.
Бесконтактное дроссельное соединение по первому варианту работает следующим образом: дроссель эквивалентен разомкнутому четвертьволновому шлейфу, последовательно включенному между стенкой волновода 2 и экраном подвижного поршня 3. Для незаполненного диэлектриком зазора, в силу того, что длина каждой секции пластины L меньше половины длины волны в свободном пространстве, в зазоре может распространяться только TEM-волна в направлении, параллельном оси волновода, длина волны которой равна длине волны в свободном пространстве. Поэтому длина указанного шлейфа равна l и равна четверти длины волны независимо от типа распространяющейся волны в волноводе и длины волны. Входное сопротивление разомкнутого четвертьволнового шлейфа на средней частоте равно нулю, что обеспечивает бесконтактное замыкание токов на стенке волновода и экране поршня, сохраняющее свои свойства в определенном диапазоне частот вокруг средней частоты. В результате заявляемое дроссельное соединение будет обеспечивать бесконтактное замыкание токов, а значит и волновода, для всех распространяющихся в волноводе типов волн. Диапазонные свойства дроссельного соединения определяются волновым сопротивлением шлейфа, которое зависит от величины зазора d.
11
21
10
20
10
20
10
20
min
На графиках фиг. 2 приведены результаты моделирования коэффициентов отражения (S) и прохождения (S) волноводных волн H и H в прямоугольном волноводе шириной a=120 мм, шириной b=40 мм с поршнем с дроссельным бесконтактным соединением. Ширина зазора дроссельного соединения d=2 мм; ширина пластин l=22,2 мм; длина секций пластин L=36 мм; толщина пластин и экрана 2 мм; ширина зазоров Δ=4 мм. На графиках фиг. 3 приведены результаты моделирования для прототипа, не имеющего секционирования пластин. Результаты получены с помощью программы для электродинамического моделирования антенн и устройств СВЧ CST Microwave Studio [4]. В диапазоне частот 2,5…3,7 ГГц, в котором в волноводе распространяются только типы волн H и H, коэффициент отражения от поршня для прототипа (фиг.3) имеет малую величину (меньше - 40 дБ), а коэффициент прохождения существенно возрастает (почти до 0 дБ) на частотах 2,62 ГГц для волны H и 3,66 ГГц для волны H. Поршень с заявляемым дроссельным соединением не имеет этого недостатка: коэффициент отражения (фиг. 3) во всем диапазоне частот 2,5…3,7 ГГц не менее - 0,1 дБ, коэффициент прохождения не более - 17,5 дБ для обоих типов волн. При этом длина секций пластин L=36 мм меньше λ/2=40,5 мм.
эфф.
ε
ε
В случае полностью (или частично) заполненного диэлектриком зазора между стенкой волновода и пластиной в зазоре все равно будет распространяться TEM-волна (квази-TEM-волна), длина волны которой , где ε (ε) - диэлектрическая (эффективная) проницаемость заполнения зазора. Так что принцип работы дроссельного соединения соблюдается при ширине пластины около λ/4 и длине секций пластины не более λ/2.
Бесконтактное соединение по п. 3 формулы полезной модели (фиг. 4) содержит части экрана 1; пластины 2 и 3 шириной l, разделенные между собой воздушным зазором шириной 2d. Пластина 3 секционирована по длине на участки длиной L<λ/2, разделенные зазорами шириной Δ.
Бесконтактный дроссель по второму варианту работает следующим образом: дроссель эквивалентен разомкнутому четвертьволновому шлейфу, последовательно включенному между соединяемыми краями частей экрана. Для незаполненного диэлектриком зазора, в силу того, что длина каждой секции пластины L меньше половины длины волны в свободном пространстве, в зазоре может распространяться только TEM-волна в направлении, параллельном линиям разделения пластин на секции; длина TEM-волны равна длине волны в свободном пространстве. Поэтому длина указанного шлейфа, равная ширине пластины l, равна четверти длины волны независимо от типа волны в пространственном волноводе, то есть от угла сканирования антенной решетки или угла падения волны на экран. Входное сопротивление разомкнутого четвертьволнового шлейфа на средней частоте равно нулю, что обеспечивает бесконтактное замыкание токов на частях экрана, сохраняющее свои свойства в определенном диапазоне частот вокруг средней частоты. В результате заявляемое дроссельное соединение будет обеспечивать бесконтактное замыкание токов для всех углов сканирования или углов падения волны на экран. Диапазонные свойства дроссельного соединения определяются волновым сопротивлением шлейфа, которое зависит от величины зазора 2d. Таким образом, достигается цель создания бесконтактного соединения экрана для всех углов сканирования антенной решетки и углов падения волны на экран.
При определенных углах сканирования (падения плоской волны) периодическая структура экрана эквивалентна волноводу шириной b с проводящими стенками, расположенными по штрих-пунктирным линиям на фиг. 4. В этом случае периодическая структура экрана с дроссельными соединениями полностью эквивалентна по своим свойствам волноводу с поршнем по первому варианту дроссельного соединения, что объединяет оба варианта дроссельного соединения единым замыслом.
На фиг. 5 приведены результаты моделирования коэффициента отражения и прохождения плоской электромагнитной волны, падающей на периодическую систему бесконтактных соединений частей экрана антенной решетки, расположенных с шагом b=40 мм. Ширина зазора дроссельного соединения 2d=4 мм; ширина пластин l=22,2 мм; длина секций пластин L=36 мм; толщина пластин и экрана 2 мм; ширина зазоров Δ=4 мм. Результаты получены с помощью программы для электродинамического моделирования антенн и устройств СВЧ CST Microwave Studio [4]. На фиг. 5 а представлены зависимости коэффициента отражения падающей плоской волны от угла падения от нормали для заявляемого устройства R и для дросселя без секционирования пластин - Ro на частоте 2,95 ГГц. На фиг. 5б представлены зависимости коэффициента прохождения падающей плоской волны от угла падения для заявляемого устройства T и для дросселя без секционирования пластин To на той же частоте. Как следует из результатов моделирования, коэффициент отражения от экрана с заявляемым дроссельным соединением, имеющим секционированные пластины с длиной секций L=36 мм меньше λ/2=50,8 мм, коэффициент отражения для всех углов падения по модулю равен единице (0 дБ), коэффициент прохождения не превышает - 34 дБ. Это подтверждает полезный эффект от заявляемого дроссельного соединения, так как при не секционированных пластинах коэффициент отражения падает при увеличении угла падения волны, а коэффициент прохождения возрастает и достигает - 5 дБ при угле падения 80° от нормали.
эфф.
ε
ε
В случае полностью (или частично) заполненного диэлектриком зазора между пластинами в зазоре будет также распространяться TEM-волна (квази-TEM-волна), длина волны которой , где ε (ε) диэлектрическая (эффективная) проницаемость заполнения зазора. Так что принцип работы дроссельного соединения соблюдается при ширине пластины около λ/4 и длине секций пластины не более λ/2.
Дроссельное соединение по п. 3 формулы полезной модели использовано в перспективной разработке активной ФАР для изделия 5П-27М-ПО.
Источники информации, используемые при оформлении заявки
1. Линии передачи сантиметровых волн. Перевод с английского под ред. Г.А. Ремеза, ч. I, "Советское радио", М., 1951.
2. Линии передачи сантиметровых волн. Перевод с английского под ред. Г.А. Ремеза, ч. II, "Советское радио", М., 1951.
3. Сканирующие антенные системы СВЧ. Под ред. Р. Хансена. Перевод с английского под ред. Г.Т. Маркова и А.Ф. Чаплина, т. II, М., изд. «Советское радио», 1968.
4. CST Microwave Studio, www.cst.com.