ШИРОКОПОЛОСНЫЙ НАПРАВЛЕННЫЙ ОТВЕТВИТЕЛЬ

Полезная модель относится к области радиотехники СВЧ - к устройствам направленного ответвления энергии СВЧ колебаний, и может быть использована в волноводных трактах, в том числе высокого уровня мощности, в качестве широкополосного направленного ответвителя в радиотехнических системах различного назначения и измерительных стендах в схемах контроля и управления.
Известен направленный ответвитель [Авторское свидетельство SU 1587608А1, Н01Р 5/18 опубл.23.08.1990], содержащий прямоугольный волновод и коаксиальную линию, связанные через элемент связи в их общей стенке, причем элемент связи выполнен в виде продольного ряда отверстий, а центральный проводник коаксиальной линии выполнен с возможностью перемещения параллельно оси продольного ряда отверстий.
Недостатком этого направленного ответвителя является узкополосность, большой перепад переходного ослабления, зависимость параметров от точности регулировки.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому широкополосному направленному ответвителю является шлейфовый направленный ответвитель [Авторское свидетельство SU 1415284, А1, Н01Р 5/18 опубл.07.08.1988], принятый за прототип, содержащий два Н-волновода, в общей стенке которых по обе стороны от гребней выполнены гребенчатые волноводы связи, расположенные в два ряда, симметричные относительно гребней Н-волноводов, при этом каждые два гребенчатые волновода связи, расположенные в разных рядах, соединены отрезком предельного волновода, дополнительно выполненным в общей стенке между гребнями Н-волноводов.
К недостаткам этого шлейфного направленного ответвителя-прототипа следует, отнести отсутствие возможности получения слабой связи (30-50 дБ) с высокой направленностью (не менее 30 дБ) из-за технологической сложности выполнения гребенчатых волноводов связи с малыми размерами. Основным конструктивным неудобством является Н-волноводный выход в ответвленном канале, требующий применения согласующих устройств при подключении к измерительным приборам, что расширяет номенклатуру устройств измерительных стендов.
Целью создания полезной модели является улучшение электрических характеристик широкополосного направленного ответвителя, расширение области применения.
Технический результат от использования предлагаемой полезной модели заключается в получении направленного ответвленного СВЧ сигнала малого уровня с минимальным перепадом переходного ослабления в широком диапазоне частот за счет применения конструктивных решений, обеспечивающих равномерное распределение и последующее распространение требуемых уровней СВЧ мощности в основном и ответвленном каналах, в расширении области применения за счет выполнения волноводов связи, обеспечивающих технологическую возможность создания ответвителей на требуемые уровни связи.
Поставленная цель достигается тем, что широкополосный направленный ответвитель содержащий два волновода, один из них Н- волновод, гребни, общую стенку волноводов, в которой по обе стороны от гребней выполнены волноводы связи, расположенные в два ряда, симметричные относительно гребней, при этом Н-волновод применен в основном канале, в ответвленном канале П-волновод, в котором размещена нагрузка и выполнен коаксиальный выход, волноводы связи выполнены в виде круглых отверстий с центрами расположенными на осях рядов волноводов связи, параллельных гребням, для которых выполняется соотношение:
1
B/Bi=L/L,
1
где В и B - размеры ширины гребней в основном и ответвленном каналах соответственно,
1
L и L - расстояние от ближних вершин углов гребней до осей рядов волноводов связи в основном и ответвленном каналах соответственно, а для расстояния А между осями рядов волноводов связи, выполняется условие:
α/2<А<3α/4,
где α - ширина волноводов.
Сущность полезной модели заключается в реализации устройства обеспечивающего в единой конструкции направленную передачу в широкой полосе частот части СВЧ сигнала из волноводной линии передачи основного канала на коаксиальный выход ответвленного канала с минимальным перепадом переходного ослабления.
Полезная модель получена в результате новых конструктивных решений: применение соединения Н-волновода с П-волноводом по широкой стенке через круглые отверстия, выполнение в П-волноводе коаксиального выхода, и представляет собой линейное волноводное устройство с Н-волноводным входом и двумя выходами: Н-волноводным и коаксиальным.
Отличительными признаками полезной модели являются: П-волновод в ответвленном канале, волноводы связи в виде круглых отверстий с центрами, расположенными на осях рядов волноводов связи, параллельность гребней и осей волноводов связи, нагрузка и коаксиальный выход в ответвленном канале, соотношения и условия, выполняемые при определении размеров.
1
10
Применение волноводов П - и Н-образного поперечного сечения обеспечивает расширение полосы рабочих частот за счет увеличения критической длины волны в волноводе [И.Е.Ефимов, Г.А.Шермина Волноводные линии передачи. М. "Связь", 1979 г., стр.77-80]. Размеры α, В и В определяются в зависимости от вида поперечного сечения, требуемой полосы рабочих частот, при сохранении благоприятных условий распространения основной волны Н [Ю.В.Пименов, В.И.Вольман, А.Д.Муравцов Техническая электродинамика. М. "Радио и связь", 2000 г., стр.292-293], и могут быть выбраны с коэффициентом перекрытия диапазона частот 2,4:1 или 3,6:1 [ОСТ 107.750781.001-87 Волноводы с поперечным сечением сложной формы. Параметры и размеры. 1988 г.].
10
В основном канале применение Н-волновода обеспечивает пропускание более высокого уровня мощности СВЧ энергии [Г.Ф.Заргано, В.П.Ляпин, B.C.Михалевский, И.М.Чекрыгина Волноводы сложных сечений. М. "Радио и связь", 1986 г., стр.42-43], в ответвленном канале применение П-волновода с гребнем над общей стенкой волноводов, с расположенными на ней волноводами связи, позволяет разместить волноводы связи ближе к пучности напряженности электромагнитного поля основной волны Н [Ю.В.Пименов, В.И.Вольман, А.Д.Муравцов Техническая электродинамика. М. "Радио и связь". 2000 г., стр.291-292] и обеспечить прохождение максимального уровня СВЧ энергии через волноводы связи из основного канала в ответвленный.
Размером ширины гребня П-волновода обеспечиваются идентичность условий распространения СВЧ энергии в основном и ответвленном каналах, равенство волновых сопротивлений [Г.Ф.Заргано, В.П.Ляпин, B.C.Михалевский, И.М.Чекрыгина Волноводы сложных сечений. М. "Радио и связь", 1986 г., стр.41, 46], полосы рабочих частот в основном и ответвленном каналах [М.М. Карлинер Электродинамика СВЧ. г.Новосибирск. "Радио и связь", 2006 г., стр.88-89].
Выполнение волноводов связи в виде круглых отверстий с центрами расположенными на осях рядов волноводов связи обеспечивает технологичность конструкции, возможность получения максимальной направленности [В.А.Сосунов, А.А.Шибаев Направленные ответвители и их применение, г.Саратов Приволжское книжное издательство, 1972 г., стр.67-70] и ее оптимизации при выборе размеров диаметров отверстий, обеспечивающих изменение возбуждаемой СВЧ энергии в ответвленном канале от отверстия к отверстию, по определенному закону [В.А.Сосунов, А.А.Шибаев Направленные ответвители и их применение, г.Саратов Приволжское книжное издательство, 1972 г., стр.51-57], получения СВЧ сигналов малых уровней в ответвленном канале с минимальным перепадом переходного ослабления.
Параллельность осей рядов волноводов связи гребням основного и ответвленного каналов обеспечивает симметричность, технологичность конструкции.
20
При математическом моделировании полезной модели, при определении размеров конструкции, влияния допусков изготовления на параметры устройства определены обязательные условия для расстояния А между осями рядов волноводов связи α/2<А<3α/4, при которых обеспечивается максимальная передача СВЧ энергии волноводами связи с оптимальной направленностью при минимальном перепаде переходного ослабления. При значениях А<α/2 волноводы связи располагаются близко к гребням, это приводит к увеличению перепада переходного ослабления, а при значениях А>3α/4 близкое расположение волноводов связи к стенкам волноводов приводит к влиянию критической длины волны высшего типа Н, ухудшению направленности.
1
1
В результате моделирования получено соотношение B/B=L/L, которое увязывает место расположения осей рядов волноводов связи в общей стенке с размером ширины гребня в волноводе ответвленного канала, при определенном размере ширины гребня в волноводе основного канала.
Размещение нагрузки и выполнение коаксиального выхода в ответвленном канале обеспечивает компактность конструкции.
Технический результат достигается благодаря выполнению в ответвленном канале П-волновода, коаксиального выхода, волноводов связи в виде круглых отверстий с центрами на осях рядов волноводов связи, параллельных гребням, соотношений и условий при определении их расположения, размещения нагрузки в ответвленном канале. Именно совокупность этих решений в устройстве обеспечивает необходимые условия для ответвления широкополосного СВЧ сигнала требуемого уровня из основного канала и направленного распространения в ответвленном канале на коаксиальный выход, при минимальном влиянии на условия распространения СВЧ сигнала по основному каналу, позволяет расширить область применения за счет компактности конструкции и применения широкополосного коаксиального выхода в ответвленном канале.
На фиг.1 представлен широкополосный направленный ответвитель (далее ответвитель), вид сбоку, в разрезе; на фиг.2 - то же, вид А-А; на фиг.3 - то же, вид В-В; цифрами обозначены:
1 - волновод;
2 - Н - волновод;
3 - гребни;
4 - общая стенка волноводов 1;
5 - волноводы связи;
6 - ряд волноводов связи 5;
7 - основной канал;
8 - ответвленный канал;
9 - П-волновод;
10 - нагрузка;
11 - коаксиальный выход;
12 - круглые отверстия;
13 - центры круглых отверстий 12;
14 - ось рядов 6 волноводов связи 5;
15 - вершины углов гребней 3;
16 - Н-волноводный вход;
17 - Н-волноводный выход;
18 - коаксиальный разъем;
19 - центральный проводник;
20 - втулка;
21 - наружный цилиндр.
Ответвитель содержит два волновода 1, гребни 3, общую стенку 4 волноводов 1, волноводы связи 5, нагрузку 10, коаксиальный выход 11, Н - волноводные вход 16 и выход 17.
1
Ответвитель выполнен в виде единой конструкции состоящей из двух волноводов 1 соединенных по широкой стороне общей стенкой 4, в которых гребни 3 образуют в основном канале 7 Н-волновод 2, в ответвленном канале 8 - П-волновод 9. В общей стенке 4 по обе стороны от гребней 3 выполнены волноводы связи 5 в виде круглых отверстий 12 расположенных в два ряда 6 симметрично относительно гребней 3. Центры 13 круглых отверстий 12 расположены на осях 14 рядов 6 волноводов связи 5 параллельных гребням 3 на расстояниях L и L от вершин углов 15 гребней 3 в основном 7 и ответвленном 8 каналах соответственно. В основном канале 7 ответвителя выполнены Н-волноводные вход 16 и выход 17. В ответвленном канале 8 ответвителя размещена нагрузка 10 и выполнен коаксиальный выход 11. Для обеспечения компактности конструкции ответвителя коаксиальный выход 11 расположен перпендикулярно общей стенке волноводов 1 и выполнен в виде коаксиального разъема 18 с центральным проводником 19, закороченным на общую стенку волновода 1, зафиксированным втулкой 20 в наружном цилиндре 21 коаксиального разъема 18.
Взаимное положение, размеры и состав элементов конструкции ответвителя получены математическим моделированием и подтверждены экспериментальными результатами.
Ответвитель работает следующим образом.
На Н - волноводный вход 16 основного канала 7 подается СВЧ энергия, которая распространяясь по основному каналу 7 к Н-волноводному выходу 17 частично поступает в ответвленный канал 8 через волноводы связи 5 в виде круглых отверстий 12 и синфазно суммируясь, поступает на коаксиальный выход 11 через коаксиальный разъем 18.
Пример реализации ответвителя.
На первом этапе проектирования проводится по известной методике расчет направленных ответвителей по исходным данным: рабочий диапазон длин волн, сечение волноводного канала, величина переходного ослабления, величина минимальной направленности, КСВН основного и вспомогательного волноводов и перепад переходного ослабления в рабочем диапазоне [Г.Ф.Заргано, В.П.Ляпин, B.C.Михалевский, И.М.Чекрыгина Волноводы сложных сечений. М."Радио и связь", 1986 г., стр.80-82].
Окончательные конструктивные параметры ответвителя определяются математическим моделированием распределения электромагнитного поля, распространяющегося в полости волноводных каналов ответвителя с получением его электрических характеристик. На основе метода конечных элементов вычисляются многомодовые S параметры и электромагнитные поля в трехмерных пассивных структурах произвольной формы конечных элементов, точно определяются все характеристики СВЧ структуры с учетом возникновения и преобразования одних типов волн в другие, потерь в материалах и на излучение [Банков С.Е., Курушин А.А., Разевиг В.Д. Анализ и оптимизация трехмерных СВЧ структур с помощью HFSS М, СОЛОН-Пресс, 2004, с. 5-7].
Моделирование проводилось на ПЭВМ Pentium V, тактовая частота 3,2 ГГц, объем оперативной памяти 8Гб, операционная система Windows 2003ХР.
Изготовлены широкополосные направленные ответвители в мм диапазоне длин волн с параметрами:
размеры волновода основного канала α=7,3 мм; В=1,83 мм - Н- волновод с перекрытием по диапазону 2,4:1 с размерами по ОСТ 107.750781.001-87 «Волноводы с поперечным сечением сложной формы. Параметры и размеры» 1988 г.;
1
размер ширины гребня в ответвленном канале В=2,7 мм;
расстояние между осями рядов волноводов связи А=5,4 мм;
переходное ослабление - 40, 50 дБ;
перепад ослабления по диапазону частот - не более 1 дБ;
направленность - не менее 30 дБ.
На фиг.4, 5 представлены электрические характеристики ответвителей, полученные экспериментально.
На фиг.4 -приведены электрические характеристики 40 дБ ответвителя:
частотная зависимость ослабления ответвителя, принимает значения 40 дБ с отклонениями значений в сторону увеличения 0 дБ и в сторону уменьшения 0,8 дБ, что обеспечивает перепад ослабления по диапазону частот не более 1,0 дБ;
частотная зависимость развязки между коаксиальным выходом ответвленного канала и Н - волноводным выходом основного канала, принимает наихудшее значение минус 74,5 дБ, что соответствует значению направленности более 34,5 дБ.
На фиг.5 - приведены электрические характеристики 50 дБ ответвителя:
частотная зависимость ослабления ответвителя, принимает значения 50 дБ с отклонениями значений в сторону увеличения 0,4 дБ и в сторону уменьшения 0,3 дБ, что обеспечивает перепад ослабления по диапазону частот не более 1,0 дБ;
частотная зависимость развязки между коаксиальным выходом ответвленного канала и Н-волноводным выходом основного канала, принимает наихудшее значение не менее минус 81,7 дБ, что соответствует направленности более 31,7дБ.
Полученные результаты подтверждают реализуемость технического результата от использования предлагаемого ответвителя, заключающегося в получении направленного ответвленного СВЧ сигнала малого уровня с минимальным перепадом переходного ослабления в широком диапазоне частот за счет применения конструктивных решений обеспечивающих равномерное распределение и последующее распространение требуемых уровней СВЧ мощности в основном и ответвленном каналах, в расширении области применения за счет выполнения волноводов связи обеспечивающих технологическую возможность создания ответвителей на требуемые уровни связи, за счет выполнения широкополосного коаксиального выхода в ответвленном канале.
Практическая реализация излучателя обеспечивается простотой конструкции, технологичностью изготовления.
Ответвитель может быть применен в радиотехнических системах различного назначения, в волноводных трактах широкополосных приемо-передающих устройств, для направленного ответвления энергии СВЧ колебаний в схемах контроля и управления, в измерительных, испытательных стендах, в том числе высокого уровня мощности.