РЕГУЛИРУЕМЫЙ ВОЛНОВОДНЫЙ АТТЕНЮАТОР

Полезная модель относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть использована в устройствах с плавной механической регулировкой мощности в волноводных трактах передачи СВЧ энергии.
Известен регулируемый волноводный аттенюатор с механической регулировкой ослабления [1, рис.5.17, стр.115-116], выбранный в качестве прототипа. Известный регулируемый волноводный аттенюатор содержит отрезок прямоугольного волновода и две параллельные неметаллические пластины, с закрепленным к ним механизмом одновременного синхронного перемещения каждой из них внутри отрезка прямоугольного волновода в направлении от узкой стенки волновода к его центру.
Величина ослабления СВЧ энергии, получаемого с помощью устройства-прототипа, изменяется в переделах от 1 до 30 дБ.
Недостатками прототипа являются малый точно регулируемый диапазон ослабления СВЧ энергии, а также наличие начального затухания порядка 1 ДБ.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в создании регулируемого волноводного аттенюатора, обеспечивающего точное плавное регулирование ослабления СВЧ энергии в широком диапазоне управляемых мощностей сигналов.
Технический результат - расширение точно регулируемого диапазона ослабления СВЧ энергии, а также обеспечение нулевого начального затухания.
Дополнительным техническим результатом является обеспечение расширения диапазона мощности ослабляемых СВЧ сигналов до сотен и тысяч Ватт, например, при использовании аттенюатора в мощных радиопередатчиках.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
Регулируемый волноводный аттенюатор, содержащий отрезок прямоугольного волновода и две параллельные неметаллические пластины, с закрепленным к ним механизмом одновременного синхронного перемещения каждой из них внутри отрезка прямоугольного волновода в направлении от узкой стенки волновода к его центру, в отличие от прототипа, снабжен жестко фиксированной металлической пластиной, установленной между узкими стенками параллельно широким стенкам отрезка прямоугольного волновода, и разделяющей его на два одинаковых волновода с уменьшенным в два раза размером узкой стенки, при этом внутри одного из волноводов размещены неметаллические пластины, выполненные из диэлектрического материала с малыми потерями, а расстояние между неметаллическими пластинами выбирается пропорционально требуемому ослаблению.
При этом регулируемый волноводный аттенюатор может быть снабжен ферритовым вентилем, вход которого является входом аттенюатора, а выход соединен с входом отрезка прямоугольного волновода, разделенного на два одинаковых волновода.
Кроме того, регулируемый волноводный аттенюатор может быть снабжен согласованной поглощающей нагрузкой и Y-циркулятором, первое плечо которого является входом аттенюатора, ко второму плечу подключен вход отрезка прямоугольного волновода, разделенного на два одинаковых волновода, при этом циркуляция сигнала в Y-циркуляторе осуществляется в направлении от первого плеча ко второму плечу, а третье плечо Y-циркулятора соединено с согласованной поглощающей нагрузкой.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
на фиг.1 показан вид сбоку конструкции регулируемого волноводного аттенюатора, где обозначено:
1 - первый прямоугольный волновод
2 - второй прямоугольный волновод
3 - вход аттенюатора в виде основного прямоугольного волновода
4 - выход аттенюатора в виде основного прямоугольного волновода
5 - перемещаемая диэлектрическая неметаллическая пластина
6 - жестко фиксированная металлическая пластина;
на фиг.2 показан вид сверху конструкции регулируемого волноводного аттенюатора, где обозначено:
7 - механизм перемещения пластины;
на фиг.3 приведена принципиальная электрическая схема регулируемого волноводного аттенюатора;
Р
на фиг.4 приведены векторные диаграммы амплитуды результирующего сигнала U на выходе регулируемого волноводного аттенюатора в зависимости от фазового сдвига Δφ относительно друг друга сигналов на выходах параллельных волноводных каналов;
вых
на фиг.5 приведен график затухания амплитуды выходного сигнала Р на выходе регулируемого волноводного аттенюатора в зависимости от расстояния от узкой стенки волновода к его центру перемещаемых неметаллических пластин из диэлектрического материала с малыми потерями, полученный в результате электродинамического моделирования на ЭВМ;
на фиг.6 приведена принципиальная электрическая схема регулируемого волноводного аттенюатора, снабженного ферритовым вентилем, где обозначено:
8 - ферритовый вентиль;
на фиг.7 приведена принципиальная электрическая схема регулируемого волноводного аттенюатора, снабженного трехплечим Y-циркулятором и согласованной поглощающей нагрузкой, где обозначено:
9 - трехплечий Y-циркулятор;
10 - согласованная поглощающая нагрузка.
Жестко фиксированная металлическая пластина 6, длина которой подбирается при отработке больше, чем длина каждой из перемещаемых неметаллических пластин 5, установлена между узкими стенками и параллельно широким стенкам отрезка прямоугольного волновода. При этом пластина 6 разделяет отрезок прямоугольного волновода на два идентичных волновода (волноводных канала) 1 и 2. Пластина 6 выполнена из того же материала и той же толщины, что и стенки отрезка прямоугольного волновода.
Перемещаемые диэлектрические неметаллические пластины 5, выполненные, например, из материалов на основе фторопласта, для уменьшения отражений сигнала снабжены согласующими скосами в виде клиньев, играющих роль плавных переходов. Подбирая при экспериментальной отработке материал, длину, толщину, форму каждой пластины 5 и скосов на ее концах, можно регулировать качество согласования входов волновода 1, с помещенными в него пластинами 5, и зависимость величины фазового сдвига от расстояния d от узких стенок волновода 1 пластин 5 и, соответственно, вид градуировочной кривой ослабления регулируемого аттенюатора, в зависимости от длины волны пропускаемого сигнала.
Механизм 7 перемещения внутри волновода 1 диэлектрических неметаллических пластин 5 может быть выполнен в виде диэлектрических штоков, поводки которых скользят в спиральных канавках специального кулачка, вращающегося на оси, установленной перпендикулярно широкой стенке волновода 1, при этом кулачок может быть застопорен специальным стопорным винтом.
Ферритовый вентиль 8 может быть выполнен на прямоугольном волноводе [2, рис.7.98, а]. Он включает подмагниченную магнитным полем ферритовую пластину, на боковой поверхности которой нанесен резистивный поглощающий слой.
Трехплечий Y-циркулятор 9 может быть выполнен на прямоугольном волноводе [2, рис.7.99] и имеет три плеча. В центре разветвления помещается ферритовый вкладыш, который подмагничивается внешним магнитным полем постоянного магнита.
Согласованная поглощающая нагрузка 10 может быть выполнена в виде короткозамкнутого на одном конце отрезка прямоугольного волновода, с расположенным внутри него поглощающим материалом [2, рис.7.76].
Регулируемый волноводный аттенюатор работает следующим образом.
На входе аттенюатора с помощью жестко фиксированной перегородки 6 из металлической пластины поток энергии электромагнитной волны сигнала на входе 3 отрезка прямоугольного волновода делится на два симметричных потока - в два специально созданных волновода (волноводных канала) 1 и 2 внутри отрезка прямоугольного волновода путем разделения объема отрезка прямоугольного волновода на две равные части. При этом на входах обоих волноводов (волноводных каналов) 1 и 2 электромагнитные колебания находятся в фазе.
В соответствии с теорией частично заполненных прямоугольных волноводов [3, 4] постоянные фазы электромагнитной волны в первом 1 и втором 2 волноводных каналах могут различаться, если различны эффективные значения относительных диэлектрических проницаемостей сред, заполняющих волноводы.
В исходном положении, при размещении диэлектрических неметаллических пластин 5 вплотную в прямоугольном волноводе 1 к узкой стенке, эффективное значение относительной диэлектрической проницаемости сред, заполняющих волноводы 1 и 2, одинаково и, соответственно, ослабление сигнала в регулируемом волноводном аттенюаторе отсутствует.
Постоянная фазы сигнала в первом волноводном канале 1 с фазосдвигающими диэлектрическими неметаллическими пластинами 5 может быть выполнена больше, чем постоянная фазы сигнала во втором волноводном канале 2, имеющего только воздушное заполнение, путем изменения эффективного значения относительной диэлектрической проницаемости среды, заполняющей первый волновод 1, изменением расстояния от узкой стенки волновода перемещаемых неметаллических пластин 5 из диэлектрического материала с малыми потерями.
Набег разности фаз Δφ электромагнитной волны на выходах первого 1 и второго 2 волноводных каналов образуется с учетом коэффициентов замедления электромагнитной волны в каждом из этих волноводных каналов из-за различия эффективного значения относительной диэлектрической проницаемости сред, заполняющих волноводы.
На выходе 4 регулируемого волноводного аттенюатора в результате векторного сложения сигналов на выходах двух волноводов (волноводных каналов) 1 и 2, сдвинутых по фазе относительно друг друга на определенную величину Δφ, формируется один сигнал:
,
0
где Е - напряженность электромагнитного поля на входе 3 отрезка прямоугольного волновода.
Р
На фиг.4 приведены векторные диаграммы амплитуды результирующего сигнала U на выходе регулируемого волноводного аттенюатора в зависимости от фазового сдвига Δφ относительно друг друга сигналов на выходах параллельных волноводных каналов 1 и 2.
При размещении в прямоугольном волноводе 1 диэлектрических неметаллических пластин 5 вплотную к узкой стенке замедления волны в волноводах 1 и 2 равны друг другу и соответствующие фазовые запаздывания в них также равны. В этом случае, ослабление сигнала регулируемого волноводного аттенюатора равно нулю, т.е. обеспечивается нулевое начальное затухание.
При перемещении диэлектрических неметаллических пластин 5 внутри волноводного канала 1 в центр широкой стенки (в область большой концентрации поля Е) происходит взаимодействие электромагнитной волны с диэлектрическими неметаллическими пластинами 5. При этом увеличивается относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей волновод, увеличивается замедление волны в волноводе и соответствующее фазовое запаздывание в нем (см. фиг.5).
При проведении расчетов на ЭВМ были приняты следующие значения параметров: длина регулируемого волноводного аттенюатора трехсантиметрового диапазона на стандартном волноводе 23×10 мм составляла 100 мм; две фторопластовые неметаллические пластины с диэлектрической проницаемостью ε=2, толщиной 2 мм, шириной 4,75 мм и длиной 84 мм с клиновидными скосами длиной 8 мм с каждого конца пластины; перегородка из жестко фиксированной металлической пластины толщиной 0,5 мм.
Затухание сигнала на выходе 4 отрезка прямоугольного волновода в регулируемом волноводном аттенюаторе может быть связано с тем, что на выход поступают синфазные составляющие сигналов в волноводе 1 и волноводе 2.
Изменение коэффициента ослабления в регулируемом волноводном аттенюаторе в зависимости от фазового сдвига Δφ описывается соотношением
.
Максимальное ослабление сигнала на выходе аттенюатора в результате векторного сложения двух сигналов, специально созданных в двух волноводных каналах 1 и 2 отрезка прямоугольного волновода, сдвинутых по фазе относительно друг друга на определенную величину Δφ, достигается при величине Δφ=π.
При вводе фазосдвигающих диэлектрических неметаллических пластин 5 в волновод 1 на входе 3 отрезка прямоугольного волновода (сдвоенного волновода) появляется отраженная с его выхода энергия.
Противофазные составляющие суммируемых сигналов на выходах волноводов 1 и 2 формируют отраженную волну, которая распространяется в обратную сторону и поступает на вход 3 отрезка прямоугольного волновода. Величина отраженной волны зависит от мощности обрабатываемого сигнала и может достигать больших значений и, соответственно, приводить к нарушению нормальной работы волноводного тракта, например к электрическому пробою. В этой связи, предлагаемый регулируемый волноводный аттенюатор может быть применен для ослабления сигналов малой мощности, например в измерительных генераторах СВЧ.
Для ослабления сигналов мощностью в десятки и сотни Ватт, например в мощных радиопередатчиках, необходимо поглощать мощность отраженного сигнала для исключения пробоя в волноводном тракте. Для этого необходимо включение на входе 3 отрезка прямоугольного волновода ферритового вентиля 8. В этом случае сигнал с выхода вентиля 8 поступает на вход 3 отрезка прямоугольного волновода без ослабления, а отраженный сигнал полностью поглощается вентилем 8 (см. фиг.6).
Для ослабления сигналов с помощью предлагаемого регулируемого волноводного аттенюатора еще большей мощности в сотни и тысячи Ватт на входе 3 отрезка прямоугольного волновода необходимо включить трехплечий Y-циркулятор 9, в свободное плечо которого включена мощная согласованная поглощающая нагрузка, например с водяным охлаждением. При этом первое плечо Y-циркулятора является входом аттенюатора, к его второму плечу (при условии направления циркуляции сигнала в Y-циркуляторе от первого плеча ко второму плечу) подключен вход отрезка прямоугольного волновода, разделенного на два одинаковых волновода, а третье плечо Y-циркулятора соединено с согласованной поглощающей нагрузкой (см. фиг.7).
Таким образом, ослабление СВЧ сигналов в предлагаемом регулируемом волноводном аттенюаторе обеспечивается тем, что на выходах двух волноводных каналов 1 и 2 сдвиг сигналов по фазе Δφ перед их векторным суммированием, определенным образом плавно регулируется с помощью механизма 6 одновременного синхронного перемещения каждой из двух фазосдвигающих диэлектрических неметаллических пластин внутри волновода 1 в направлении от узкой стенки волновода к его центру. При этом, устанавливая плавно глубину погружения фазосдвигающих диэлектрических неметаллических пластин 5 в волноводном канале 1, специально созданном внутри отрезка прямоугольного волновода, путем разделения объема отрезка прямоугольного волновода 1 на две части с помощью перегородки из металлической пластины 6.
При φ=180 град, т.е. при противофазе сигналов на выходах двух волноводных каналов 1 и 2, результирующая мощность сигнала на выходе регулируемого волноводного аттенюатора будет ослаблена на 60-70 дБ, что соответствует практически полному ослаблению сигнала в аттенюаторе.
Таким образом, в предлагаемом регулируемом волноводном аттенюаторе обеспечивается получение плавного точно регулируемого ослабления СВЧ энергии в диапазоне 60-70 дБ в широком диапазоне управляемых мощностей сигналов. Кроме того, предлагаемый регулируемый волноводный аттенюатор способен работать в широком диапазоне мощностей входных сигналов до сотен и тысяч Ватт, например при использовании аттенюатора в мощных радиопередатчиках.
Источники информации
1. Данилин А.А. Измерения в технике СВЧ. - М.: Радиотехника, 2008. - 184 с.
2. Справочник конструктора РЭА: Компоненты, механизмы, надежность. / Н.А.Барканов, Б.Е.Бердичевский, П.Д.Верхопятницкий и др.; Под ред. Р.Г.Варламова. - М.: Радио и связь, 1985. - 383 с.
3. Бергер М.Н., Капилевич Б.Ю. Прямоугольные волноводы с диэлектриками (справочные таблицы, графики, формулы). М.: «Сов. радио», 1973. - 256 с.
4. Егоров Ю.В. Частично-заполненные прямоугольные волноводы. М., «Советское радио», 1967. - 215 с.