Направленный ответвитель

 

Изобретение относится к антенно-волноводной СВЧ-технике. Предлагается направленный ответвитель, состоящий из двух ориентированных под углом 90^o друг к другу прямоугольных волноводов произвольного сечения, имеющих общий участок широкой стенки, в котором выполнены два параллельных продольной оси одного из волноводов одинаковых ряда, состоящих из попарно одинаковых, параллельных друг другу, узких, наклонных щелей, расположенных на равном расстоянии по обе стороны от осевой линии одного из волноводов и на расстоянии λ_в/4 в другом. Техническим результатом является обеспечение высокой направленности ответвителя при произвольном, но одинаковом расположении соседних щелей в обоих рядах. Для обеспечения минимального КСВ используются короткие щели длиной (0,1-0,4)λ, а требуемое переходное ослабление достигается подбором количества и размеров щелей (в пределах 0,1-0,4λ). Многощелевые НО по сравнению с известным прототипом обладают повышенной электропрочностью и улучшенной стабильностью электрических характеристик в диапазоне частот, что особенно проявляется при малых переходных ослаблениях. 3 ил.

Изобретение относится к радиотехнической промышленности средств связи и может использоваться в волноводной, СВЧ-измерительной и антенной технике.

Известны различные виды волноводных направленных ответвителей с перекрещивающимися каналами и общей широкой стенкой: с двумя крестообразными [1], наклонными прямоугольными [2,3], Т-образными и др. щелями в ней. Среди этих устройств наиболее близок по конструкции и основной технической сущности к предлагаемому направленному ответвителю "Микроволновый ответвитель с пересекающимися волноводами" [3] , принятый нами за прототип, содержащий два прямоугольных волновода, ориентированных под углом 90^o друг к другу и имеющих общий участок широкой стенки со щелями связи в ней и дополнительными реактивностями вблизи щелей.

Однако в таком ответвителе не удается реализовать малое переходное ослабление Ln < 10 дБ (большую связь) без ухудшения КСВ, направленности и стабильности Ln в диапазоне частот. Этот недостаток наиболее отчетливо проявляется когда направленный ответвитель выполнен на основе высоких волноводов (в ≈ 0,3-0,4 λ), так как для получения большой связи в нем приходится применять длинные щели, являющиеся большой неоднородностью в регулярном волноводе. Помимо ухудшения указанных электрических характеристик это приводит к существенному снижению электропрочности [4]. Кроме того, принятые в прототипе [3] меры по улучшению параметров ответвителя: использование Т-образных щелей и дополнительных реактивностей в волноводных каналах вблизи области связи - заметно усложняют конструкцию и технологию его изготовления.

Таким образом, наиболее серьезными недостатками "Микроволнового ответвителя с пересекающимися волноводами" [3], принятого за прототип, являются: 1) высокий КСВ, низкая направленность и плохая стабильность переходного ослабления в диапазоне частот при больших связях; 2) низкая электропрочность; 3) сложность конструкторско-технологического исполнения при использовании Т-образных щелей с дополнительными реактивностями.

В предлагаемом направленном ответвителе эти недостатки удается преодолеть и обеспечить следующие положительные качества: 1) малый КСВ ответвителя с большими связями в заданном диапазоне частот за счет использования коротких щелей (при одновременном увеличении их количества) и соответствующего взаимного расположения; 2) высокую направленность при любой структуре одинаковых рядов щелей за счет выполнения расстояния между рядами ~λ_в/4; 3) улучшенную электропрочность за счет увеличения числа щелей, через которые СВЧ-мощность ответвляется в другой волновод; 4) стабильное переходное ослабление (Ln) в диапазоне частот за счет использования только коротких щелей (l=0,1-0,4 λ ), имеющих малое изменение Ln в диапазоне частот; 5) реализовать перечисленные в п.п. 1-4 положительные качества без усложнения конструкции и технологии изготовления.

Сущность изобретения заключается в использовании многощелевой топологии области связи, включающей большое количество коротких щелей, размещенных в двух одинаковых рядах на расстоянии λ_в/4 друг от друга.

На фиг.1 изображен предлагаемый направленный ответвитель.

На фиг.2 - график зависимости амплитуды и фазы поля, возбуждаемого щелью в ответвленном канале, от координат щели.

На фиг.3 - результаты экспериментального исследования предлагаемого направленного ответвителя.

Сущность изобретения поясняется чертежом общего вида (фиг.1). Предлагаемый направленный ответвитель содержит два пересекающихся под углом 90^o волновода 1 и 2, имеющих общую широкую стенку 3, в которой выполнены два ряда (5 и 6) узких наклонных щелей, расположенные на равном расстоянии по обе стороны от оси OO' волновода 1, при этом осевые линии рядов ориентированы параллельно оси OO', а щели наклонены под углами α_i к этой оси. Расположение щелей внутри каждого ряда может быть произвольным, но щели различных рядов, стоящие напротив друг друга, попарно одинаковы и имеют одинаковый наклон.

В другом волноводе 2 упомянутые ряды смещены относительно друг друга вдоль оси на расстояние Δx = λ_в/4, где λ_в - длина волны в волноводе 2.

Принцип работы предлагаемого устройства заключается в следующем: СВЧ-сигнал, подаваемый на вход волновода 1 ответвляется в канал 2 через щели, расположенные в двух рядах: 5 и 6. Известно, что амплитуды и фазы СВЧ-сигналов, ответвляемых через одиночную наклоненную щель на выход 4 (A⁺, ϕ⁺), и амплитуды на выходе 7 (А^-) не зависят от координаты (x,z) щели (см. фиг.2а, б), в то время как фаза СВЧ-сигнала в канале 7 (ϕ^-) для любого значения z меняется в зависимости от координаты x по закону, показанному на фиг.2в. Переходное ослабление направленного ответвителя можно определить по формуле
где - амплитуды СВЧ-сигналов, сформированных на выходе 4 щелями 5-го и 6-го рядов соответственно.

Так как количество, расположение и размеры щелей в обоих рядах одинаковы, то формируемые ими сигналы равны между собой, что позволяет направить практически весь ответвленный сигнал в канал 4
- при этом амплитуда сигнала в канале 7 близка к нулю;
- что соответствует условию реализации НО с максимальной направленностью.

Судя по формуле (1), переходное ослабление и его изменение в диапазоне частот определяются в 1-ю очередь диапазонными свойствами отдельных щелей связи (A_i(f)). Для коротких щелей А_i слабо зависит от частоты по сравнению с длинными щелями. Поэтому использование в предлагаемом НО только коротких щелей позволяет стабилизировать переходное ослабление в диапазоне частот. Одновременно достигается эффект снижения КСВ, поскольку коэффициент отражения от коротких щелей существенно меньше, чем от длинных.

Ответвление СВЧ-мощности через увеличенное (по сравнению с прототипом [3] ) количество щелей позволяет даже при малом переходном ослаблении (большой связи) пропускать через отдельную щель относительно небольшой уровень СВЧ-мощности, что в совокупности со снижением КСВ способствует увеличению электропрочности ответвителя в целом.

И наконец, в предлагаемом направленном ответвителе улучшение электрических характеристик достигается без усложнения его конструкции и технологии изготовления. Такой ответвитель, например, может быть выполнен на основе самых современных технологий, таких как штамповка, пайка в солях с последующей рихтовкой прямых и свободных от настроечных элементов каналов.

Результаты испытания 10-щелевого двухрядного направленного ответвителя (по 5 одинаковых, наклоненных под углом α = 45^o щелей, длиной (0,1-0,35) λ в каждом ряду) с сечением волновода 1 0,64·0,15λ и волновода 2 - 0,875λ·0,375λ, приведены на фиг.3.

Литература
1. "Optimized Crossed Slot Directional Coupler" W. A. Geoffrey Voss, The mi crowane journal, may, 1963.

2. Пат. США N 3537037, кл.333-11, H 01 P 5/12, опубл. 27.10.70 "СВЧ направленный ответвитель, выполненный на основе пересекающихся волноводов".

3. Пат. Англии N 1272538, H 1 W, H 01 P 5/14, опубл. 3.05.72, "Микроволновый ответвитель с пересекающимися на основе волноводами", автор Харлес Томас Брумбауг.

4. Райцын Д. Г. Электрическая прочность СВЧ-устройств. М.: Сов. радио, 1977, с. 76.

Формула изобретения

Направленный ответвитель, содержащий два прямоугольных волновода, ориентированных под углом 90^o друг к другу и имеющих общий участок широкой стенки с областью связи в нем, отличающийся тем, что область связи выполнена из узких наклонных к осям волноводов щелей, имеющих длину (0,1 - 0,4)λ и размещенных в двух рядах, при этом щели различных рядов, стоящие напротив друг друга, попарно параллельны, одинаковы и расположены на равном расстоянии по обе стороны от осевой линии в одном из волноводов на расстоянии λ_в/4 друг от друга, где λ_в - длина волны в другом волноводе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3