СОГЛАСОВАННЫЙ ПОВОРОТ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ

Предлагаемый поворот линии передачи относится к устройствам техники сверхвысоких частот (СВЧ), направляющим поток электромагнитной энергии в заданном направлении, и может быть использован в радиотехнике, радиосвязи, радиолокации, телевидении.
Известны повороты, например, на основе полосковой, коаксиальной (рассматриваемой здесь как частный случай полосковой) линий передачи с различной конфигурацией поперечного сечения [1], [2]. Такие повороты линии передачи содержат не менее одного металлического экрана и не менее одного проводника прямоугольного или иного поперечного сечения, изогнутого под определенным углом. Экран и полосковый проводник обычно располагаются в параллельных плоскостях и разделяются изолятором, поддерживающим этот проводник в необходимом положении.
Наиболее близким по технической сущности, выполняемой функции и конструктивному исполнению является поворот линии передачи (принятый за прототип), содержащий как минимум один проводящий экран, проводник с углом поворота не равным 180°, соединяющий подводящие проводники входных и выходных линий передачи, имеющие постоянное поперечное сечение, одинаковое с сечением проводника радиусного соединения [3].
Однако такой поворот линии передачи при малом радиусе поворота имеет недостатки:
- повышенный уровень коэффициента отражения;
- суженная полоса рабочих частот;
- пониженный коэффициент полезного действия (КПД) за счет отражения;
- пониженный уровень пропускаемой мощности.
Сущность предлагаемого согласованного поворота линии передачи заключается в том, что он содержит как минимум один проводящий экран, проводник с углом поворота не равным 180°, соединяющий подводящие проводники входной и выходной линий передачи. Отличается тем, что в нем, в качестве согласующего элемента, использован проводник в виде части кольца с постоянным поперечным сечением, не совпадающим с поперечным сечением подводящих входного и выходного проводников, с продольной осью совпадающей или не совпадающей с продольной осью входного и выходного проводников.
Использование в качестве согласующего элемента поворота соединения в виде части кольца с постоянным поперечным сечением, не совпадающим с поперечным сечением подводящих входного и выходного проводников с продольной осью, совпадающей или не совпадающей с продольной осью входного и выходного проводников, позволяет в совокупности с минимальным искажением симметрии поперечного поля линии передачи:
- значительно понизить уровень коэффициента отражения;
- существенно расширить полосу рабочих частот;
- повысить КПД;
- повысить уровень пропускаемой мощности.
Сущность предлагаемого поворота линии передачи поясняется на чертежах фиг.1 (вариант на полосковой линии передачи) и фиг.2 (вариант на коаксиальной линии передачи). Наличие второго проводящего экрана на фиг.1 не является обязательным - случай несимметричной или микрополосковой линии передачи.
Предлагаемый поворот линии передачи содержит: 1 - проводящие экраны (один или два) плоские или круговой симметрии; 2 - изолирующие слои (распределенный либо точечный диэлектрик или воздух, вакуум); 3 - входной проводник; 4 - выходной проводник; 5 - проводник радиусного соединения, соединяющий входной 3 и выходной 4 проводники.
Предлагаемый поворот линии передачи работает следующим образом. СВЧ сигнал поступает на входной проводник 3, распространяется между входным проводником и проводящими экранами 1 в направлении выходного проводника 4 через проводник радиусного соединения 5, выполненный в виде части кольца линии передачи с другой конфигурацией поперечного сечения, чем у подводящих входного 3 и выходного 4 проводников. За счет этого происходит взаимная компенсация отражений от стыков проводника 5 с входным 3 и выходным 4 проводниками, что и обеспечивает, в совокупности с минимальным искажением симметрии поперечного поля линии передачи, малый коэффициент отражения от предлагаемого поворота в широкой полосе частот.
Конкретные значения параметров Wt(Dt) предлагаемого поворота линии передачи на фиг.1 (фиг.2) выбираются исходя из требований, предъявляемых к линии передачи: модуль коэффициента отражения, полоса частот и т.д.
Характеристики конструктивной реализации фиг.1 (фиг.2) предлагаемого поворота иллюстрируются графиками частотных зависимостей коэффициента стоячей волны (КСВ) на фиг.3 (фиг.4), полученными методом электродинамического моделирования в [4].
На фиг.3 приведена частотная зависимость КСВ (согласованного поворота полосковой линии передачи с углом ϕ=90°, с радиусом поворота по осевой линии R=15 мм при ширине входного (выходного) полоскового проводника W=13,6 мм, нескольких ширинах проводника части кругового полоскового кольца в диапазоне Wt=12,4-13,6 мм, толщине проводника t=35 мкм, базе b=10 мм, диэлектрической проницаемости распределенного изолятора ε=1,08. Значению Wt=13,6 мм соответствует исходный поворот без согласования. Как видно из фиг.3, КСВ на входе радиусного поворота без согласования на частоте 4 ГГц равен 1,17 (коэффициент отражения 0,080), что является недопустимо большой величиной для ряда применений. Из той же фиг.3 следуют пределы регулировок КСВ в различных участках диапазона частот от 1 до 4 ГГц как функции ширины Wt. Так, для ширины Wt=12,5 мм максимальные значения КСВ согласованного поворота в соответствии с предлагаемым техническим решением в диапазоне частот от 1 до 4 ГГц не превышает величины 1,02-1,03 (коэффициент отражения 0,010-0,015). Для многих применений такой поворот может считаться практически не отражающим или согласованным. При этом фазовый сдвиг, вносимый поворотом в проходящий сигнал, незначителен (не более 1° на частоте 3 ГГц) по сравнению с фазовым сдвигом, вносимым регулярной подводящей полосковой линией той же геометрической длины.
На фиг.4 приведена зависимость КСВ согласованного поворота коаксиальной линии передачи с углом ϕ=90°, с радиусом поворота по осевой линии R=5 мм при диаметре экрана D2=7 мм, диаметре входного (выходного) проводников D2=3,04 мм, диаметре части кругового кольца Dt=2,94 мм, диэлектрической проницаемости распределенного изолятора ε=1 (вакуум). Значению Dt=3,04 мм соответствует исходный поворот без согласования. Как видно из фиг.4, КСВ на входе радиусного поворота на частоте 6 ГГц равен 1,08 (коэффициент отражения 0,04). Для диаметра Dt=2,94 мм максимальные значения КСВ согласованного поворота в соответствии с предлагаемым техническим решением в диапазоне частот от 1 до 6 ГГц не превышают величины 1,01 (коэффициент отражения 0,005). При этом фазовый сдвиг, вносимый поворотом в проходящий сигнал, незначителен (не более 1,1° на частоте 3 ГГц) по сравнению с фазовым сдвигом, вносимым регулярной подводящей коаксиальной линией той же геометрической длины.
Как следует из графиков на фиг.3 и фиг.4, за счет изменения ширины проводника Wt и диаметра Dt можно эффективно управлять зависимостью модуля коэффициента отражения в широких пределах в полосе частот.
Уменьшение площади поперечного сечения проводника радиусного соединения на фиг.1 (фиг.2) до ширины Wt (диаметра Dt) не превышает 8% (6,5%), что существенно для повышения уровня пропускаемой мощности согласованного поворота.
Форма кольца и поперечного сечения проводника не существенны для достижения заявленного эффекта от предлагаемого технического решения. В частности, вместо рассмотренного радиусного проводника прямоугольного (круглого) поперечного сечения может быть использован нерадиусный проводник иного поперечного сечения.
Предлагаемый согласованный поворот линии передачи прошел проверку, показал положительный результат и в настоящее время использован в разрабатываемых изделиях предприятия.
Источники информации, используемые при оформлении заявки:
1. Справочник по элементам полосковой техники /Мазепова О.И., Мещанов В.П., Прохорова Н.И., Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р./ Под ред. А.Л.Фельдштейна. - М.: Связь, 1979.
2. Справочник по расчету и конструированию полосковых СВЧ устройств, под редакцией В.И.Вольмана, М. Радио и связь, 1982, стр.107.
3. Полосковые платы и узлы. Проектирование и изготовление. Е.П.Котов, В.П.Каплун, А.А.Тер-Маркарян, В.П.Лисицын, Ю.И.Фаянс; Под ред. Е.П.Котова и В.П.Каплуна. - М. Сов. Радио, 1979, стр.131.
4. CST Microwave Studio, Computer Simulating Technology Inc.