RU107404U1

RU107404U1 - Waveguide attenuator

Info

Publication number: RU107404U1
Application number: RU2011114473/07U
Authority: RU
Inventors: Вадим Иванович Добисов; Петр Васильевич Музалев; Наталья Вячеславовна Растворова
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова"
Priority date: 2011-04-13
Filing date: 2011-04-13
Publication date: 2011-08-10

Abstract

1. Волноводный аттенюатор, содержащий отрезок прямоугольного волновода, шлейфы, установленные на расстоянии друг от друга, и полупроводниковые диоды, отличающийся тем, что шлейфы установлены на широкой стенке отрезка прямоугольного волновода и выполнены в виде короткозамкнутых четвертьволновых отрезков коаксиальных линий, во внутренние проводники которых установлено по полупроводниковому диоду, каждый из которых подключен к устройству управления, причем размеры поперечных сечений отрезков коаксиальных линий выбраны из условия возможности существования в них основного типа волны. ! 2. Волноводный аттенюатор по п.1, отличающийся тем, что длина шлейфов, установленных на широкой стенке отрезка прямоугольного волновода, равна , где m=3, 5, 7, …. 1. A waveguide attenuator containing a segment of a rectangular waveguide, loops installed at a distance from each other, and semiconductor diodes, characterized in that the loops are mounted on a wide wall of a segment of a rectangular waveguide and are made in the form of short-circuited quarter-wave segments of coaxial lines, in the inner conductors of which are installed by a semiconductor diode, each of which is connected to a control device, and the dimensions of the cross sections of the segments of the coaxial lines are selected from the condition The conditions for the existence of the main wave type in them. ! 2. The waveguide attenuator according to claim 1, characterized in that the length of the loops installed on the wide wall of a segment of a rectangular waveguide is equal to, where m = 3, 5, 7, ....

Description

Предполагаемая полезная модель относится к технике СВЧ и может быть использована в волноводных трактах для плавной регулировки уровня мощности сигналов, передаваемых по тракту.The proposed utility model relates to microwave technology and can be used in waveguide paths to smoothly adjust the power level of signals transmitted along the path.

Известны аттенюаторы [Ю.В.Пименов, В.И.Вольман, А.Д.Муравцов. Техническая электродинамика «Радио и связь», Москва, 2002 г.] содержащие отрезок волновода, внутри которого в Е-плоскости установлена диэлектрическая пластина, покрытая слоем поглощающего материала.Attenuators are known [Yu.V. Pimenov, V.I. Volman, A.D. Muravtsov. Technical electrodynamics "Radio and Communication", Moscow, 2002] containing a segment of the waveguide, inside which a dielectric plate coated with a layer of absorbing material is installed in the E-plane.

Регулировка уровня мощности, передаваемого по волноводному тракту сигнала, в таком аттенюаторе осуществляется механическим перемещением пластины в направлении увеличения или уменьшения напряженности электрического поля в волноводе. Их недостаток состоит в необходимости ручной регулировки.The power level transmitted along the waveguide signal path in such an attenuator is adjusted by mechanically moving the plate in the direction of increasing or decreasing the electric field strength in the waveguide. Their disadvantage is the need for manual adjustment.

Наиболее близкой по технической сущности является конструкция «Волноводного ступенчатого аттенюатора» [Л.З.Пазин, А.В.Каровецкий А.С. СССР №556522 кл. Н01Р 1/22 1976 г.], содержащего отрезок прямоугольного волновода, к которому на расстояниях равных друг от друга через щелевые коммутирующие модули подключены волноводные шлейфы с поглощающими нагрузками, а «между щелевыми коммутирующими модулями и волноводными шлейфами включены четвертьволновые отрезки, размеры узких стенок которых выбраны меньшими, чем размеры узких стенок соответствующих волноводных шлейфов», где λ_O - длина волны в волноводеThe closest in technical essence is the design of the “Waveguide step attenuator” [L.Z. Pazin, A.V. Karovetsky A.S. USSR No. 556522 class Н01Р 1/22 1976], containing a segment of a rectangular waveguide, to which at distances equal waveguide loops with absorbing loads are connected to each other through slotted switching modules, and “quarter-wave segments are included between slotted switching modules and waveguide loops, the narrow walls of which are chosen smaller than the narrow walls of the corresponding waveguide loops”, where λ _O is the wavelength in waveguide

Их недостаток состоит в ступенчатой регулировке мощности передаваемого по волноводному тракту сигнала.Their disadvantage is the stepwise adjustment of the power of the signal transmitted along the waveguide path.

Технический эффект предлагаемого аттенюатора состоит в обеспечении плавной регулировки уровня мощности СВЧ сигналов, передаваемых по отрезку прямоугольного волновода в диапазоне частот. Сущность предлагаемого волноводного аттенюатора состоит в том, что он содержит отрезок прямоугольного волновода, шлейфы, установленные на расстоянии друг от друга и полупроводниковые диоды.The technical effect of the proposed attenuator is to provide smooth adjustment of the power level of microwave signals transmitted along a segment of a rectangular waveguide in the frequency range. The essence of the proposed waveguide attenuator is that it contains a segment of a rectangular waveguide, loops installed at a distance semiconductor diodes from each other.

Новым в предлагаемом волноводном аттенюаторе является то, что шлейфы установленные на широкой стенке отрезка прямоугольного волновода выполнены в виде короткозамкнутых четвертьволновых отрезков коаксиальных линий, во внутренние проводники которых установлено по полупроводниковому диоду, каждый из которых подключен к устройству управления. Размеры поперечных сечений отрезков коаксиальных линий выбраны из условия возможности существования (распространения) в них только основного типа волны - ТЕМ.New in the proposed waveguide attenuator is that the loops installed on the wide wall of a segment of a rectangular waveguide are made in the form of short-circuited quarter-wave segments of coaxial lines, the internal conductors of which are installed via a semiconductor diode, each of which is connected to a control device. The dimensions of the cross sections of the segments of the coaxial lines are selected from the condition of the possibility of the existence (propagation) in them of only the main wave type - TEM.

На фиг.1 изображен предлагаемый волноводный аттенюатор.Figure 1 shows the proposed waveguide attenuator.

На фиг.2 представлен характер распределения СВЧ тока, в зависимости от величины тока управления:Figure 2 shows the distribution of the microwave current, depending on the magnitude of the control current:

где а - распределение СВЧ тока на внутреннем проводнике отрезка коаксиальной линии внутри шлейфа и его продолжении, проходящем сквозь внутреннюю полость отрезка прямоугольного волновода при обесточенном диоде;where a is the distribution of the microwave current on the inner conductor of the segment of the coaxial line inside the loop and its extension passing through the internal cavity of the segment of the rectangular waveguide with a de-energized diode;

б) - распределение СВЧ тока на внутреннем проводнике отрезка коаксиальной линии внутри шлейфа и его продолжении, проходящем сквозь внутреннюю полость отрезка прямоугольного волновода при токе управления равном току насыщения диода (условно внутреннее сопротивление диода принято равным нулю)b) - the distribution of the microwave current on the inner conductor of the segment of the coaxial line inside the loop and its continuation passing through the internal cavity of the segment of the rectangular waveguide at a control current equal to the saturation current of the diode (conditionally, the internal resistance of the diode is assumed to be zero)

На фиг.3 представлен характер ослабления (R) мощности, проходящей через отрезок прямоугольного волновода в зависимости от тока управления.Figure 3 shows the nature of the attenuation (R) of the power passing through a segment of a rectangular waveguide depending on the control current.

Волноводный аттенюатор состоит из отрезка прямоугольного волновода 1, на одной из широких стенок 2 которого на расстоянии друг от друга установлены коаксиальные шлейфы 3, выполненные в виде короткозамкнутых четвертьволновых отрезков коаксиальных линий. Во внутренние проводники 4 отрезков коаксиальных линий установлено по полупроводниковому диоду 5, к каждому из которых подключено устройство управления - источник тока 6.The waveguide attenuator consists of a segment of a rectangular waveguide 1, on one of the wide walls 2 of which at a distance from each other, coaxial loops 3 are installed, made in the form of short-circuited quarter-wave segments of coaxial lines. In the inner conductors of 4 segments of coaxial lines, a semiconductor diode 5 is installed, each of which is connected to a control device - a current source 6.

Волноводный аттенюатор работает следующим образом:The waveguide attenuator works as follows:

В обесточенном состоянии полупроводниковый диод 5, включенный во внутренний проводник 4 четвертьволнового отрезка коаксиальной линии, представляет собой диэлектрик. Поэтому отрезок коаксиальной линии образующий шлейф 3 оказывается не замкнутым, а участок наружного проводника отрезка коаксиальной линии соответствующий участку внутреннего проводника 4, содержащему полупроводниковый диод 5, представляет собой круглую цилиндрическую трубу - круглый волновод запредельного сечения.In a de-energized state, the semiconductor diode 5 included in the inner conductor 4 of the quarter-wave length of the coaxial line is a dielectric. Therefore, the segment of the coaxial line forming the loop 3 is not closed, and the portion of the outer conductor of the segment of the coaxial line corresponding to the portion of the inner conductor 4 containing the semiconductor diode 5 is a circular cylindrical tube - a circular waveguide of transcendental cross section.

Бегущая волна электромагнитного поля, распространяющегося вдоль отрезка прямоугольного волновода 1, возбуждает в отрезке коаксиальной линии волну ТЕМ. Но она (волна ТЕМ) не может существовать на участке, где внутренний проводник 4 коаксиальной линии заменен диэлектриком - обесточенным полупроводниковым диодом 5. Преобразование же волны ТЕМ в волну E₀₁ родственную ей по структуре поля в круглом волноводе невозможно в силу его запредельности.A traveling wave of an electromagnetic field propagating along a segment of a rectangular waveguide 1 excites a TEM wave in a segment of a coaxial line. But it (the TEM wave) cannot exist on the site where the inner conductor 4 of the coaxial line is replaced by a dielectric - a de-energized semiconductor diode 5. The conversion of the TEM wave to the E ₀₁ wave related to it in the field structure in a circular waveguide is impossible due to its transcendence.

В результате на внутреннем проводнике 4 отрезка коаксиальной линии возбуждается стоячая волна СВЧ тока соответствующая разомкнутой линии.As a result, a standing microwave wave corresponding to an open line is excited on the inner conductor 4 of the coaxial line segment.

Суммарная общая длина внутреннего проводника 4 четвертьволнового отрезка коаксиальной линии и его продолжения, проходящего сквозь внутреннюю полость отрезка прямоугольного волновода 1, приблизительно равна (λ_O- длина волны в свободном пространстве)The total total length of the inner conductor 4 of the quarter-wave segment of the coaxial line and its extension passing through the internal cavity of the segment of the rectangular waveguide 1 is approximately equal (λ _O - wavelength in free space)

При этом СВЧ ток, наводимый на нем, представляет собой стоячую волну с косинусоидальным амплитудным распределением и не меняет своего направления по всей его длине.(фиг.2а)In this case, the microwave current induced on it is a standing wave with a cosine amplitude distribution and does not change its direction along its entire length. (Figa)

При подаче (включении) управляющего тока через диод его активное сопротивление уменьшается и при токе насыщения составляет единицы Ом. При этом его проводимость на СВЧ растет, разрыв во внутреннем проводнике отрезка коаксиальной линии в месте установки полупроводникового диода замыкается и этим обеспечиваются условия распространения волны ТЕМ на всем протяжении отрезка коаксиальной линии.When applying (turning on) the control current through the diode, its active resistance decreases and at a saturation current it is units of Ohm. At the same time, its microwave conductivity increases, the gap in the inner conductor of the segment of the coaxial line at the installation site of the semiconductor diode closes, and this ensures the propagation conditions of the TEM wave along the entire length of the segment of the coaxial line.

Так как коаксиальный отрезок короткозамкнут и длина его внутреннего проводника в сумме с его продолжением, проходящим сквозь внутреннюю полость отрезка прямоугольного волновода равна примерно половине длины волны , на нем возбуждается стоячая волна тока.(фиг.2б) Ее амплитудное распределение характеризуется косинусоидой с максимумом в точке КЗ - в торце шлейфа и минимумом на расстоянии от него, т.е. в точке сопряжения КЗ шлейфа с отрезком прямоугольного волновода. В этой точке ток меняет направление. Таким образом, на участке проводника, проходящем сквозь внутреннюю полость волновода, СВЧ ток имеет встречное направление по отношению к току на участке внутреннего проводника отрезка коаксиальной линии внутри шлейфа. Соответственно и вектор Е вторичного поля, возбуждаемого этим током в отрезке прямоугольного волновода, противоположен вектору Е первичного поля, вызвавшего возбуждение шлейфа.Since the coaxial segment is short-circuited and the length of its inner conductor, in total with its extension passing through the internal cavity of the segment of a rectangular waveguide, is approximately half the wavelength , a standing current wave is excited on it. (Fig.2b) Its amplitude distribution is characterized by a cosine wave with a maximum at the short-circuit point - at the end of the loop and a minimum at a distance from him, i.e. at the interface point of the short circuit of the loop with a segment of a rectangular waveguide. At this point, the current changes direction. Thus, in the portion of the conductor passing through the internal cavity of the waveguide, the microwave current has a counter direction with respect to the current in the portion of the inner conductor of the segment of the coaxial line inside the loop. Accordingly, the vector E of the secondary field excited by this current in a segment of a rectangular waveguide is opposite to the vector E of the primary field, which caused the excitation of the loop.

В результате сложения полей первичного проходящего по отрезку прямоугольного волновода и вторичного - переизлученного продолжением внутреннего проводника отрезка коаксиальной линии, проходящим сквозь внутреннюю полость отрезка прямоугольного волновода, поле на выходе отрезка прямоугольного волновода ослабляется.As a result of the addition of the fields of the primary passing through the segment of the rectangular waveguide and the secondary - re-radiated by the continuation of the inner conductor segment of the coaxial line passing through the internal cavity of the segment of the rectangular waveguide, the field at the output of the segment of the rectangular waveguide is weakened.

При величине (амплитуде) управляющего тока через полупроводниковый диод больше 0, но меньше тока насыщения проводимость полупроводникового диода для токов СВЧ растет и в коаксиальном отрезке возникают условия для распространения поля ТЕМ на всем его протяжении. Оно достигает короткозамкнутого торца коаксиального отрезка и в силу граничных условий возбуждает СВЧ ток, который через полупроводниковый диод замыкается на внутренний проводник коаксиального отрезка и его продолжение проходящее сквозь внутреннюю полость отрезка прямоугольного волновода. Таким образом, на внутреннем проводнике и его продолжении по всей их суммарной длине, возникают две стоячих волны тока СВЧ.When the magnitude (amplitude) of the control current through the semiconductor diode is greater than 0, but less than the saturation current, the conductivity of the semiconductor diode for microwave currents increases and conditions arise in the coaxial segment for the propagation of the TEM field along its entire length. It reaches the short-circuited end of the coaxial segment and, due to boundary conditions, excites a microwave current, which is closed through the semiconductor diode to the internal conductor of the coaxial segment and its continuation passing through the internal cavity of the rectangular waveguide segment. Thus, on the inner conductor and its continuation along their entire total length, two standing microwave current waves arise.

1. Волна тока СВЧ по всей их суммарной длине с косинусоидальным амплитудным распределением имеющим максимум вблизи от плоскости сопряжения коаксиального короткозамкнутого отрезка с отрезком прямоугольного волновода и ноль в точке включения полупроводникового диода - волна тока характерная для шлейфа с обесточенным диодом (фиг. 2а).1. The microwave current wave along its entire length with a cosine amplitude distribution having a maximum near the interface plane of the coaxial short-circuited segment with a segment of a rectangular waveguide and zero at the point of inclusion of the semiconductor diode is the current wave characteristic of a loop with a de-energized diode (Fig. 2a).

2. Волна тока (фиг.2б). совпадающего по направлению с током при обесточенном диоде на участке внутри отрезка коаксиальной линии (в шлейфе) и противоположном (встречном) на участке прямоугольного волновода. Его амплитудное распределение имеет так же косинусоидальный характер, но оно смещено относительно тока СВЧ при обесточенном диоде (фиг.2а) на - минимум в плоскости сопряжения коаксиального КЗ отрезка с отрезком прямоугольного волновода и два максимума - в плоскости короткого замыкания шлейфа и вблизи от стенки внутри отрезка прямоугольного волновода противоположной стенке, на которой размещен коаксиальный шлейф. Т.е. волна тока характерная для короткозамкнутого четвертьволнового отрезка коаксиальной линии (фиг.2б) - для диода с насыщенным управляющим током. Амплитуды этих токов зависят от величины проводимости полупроводникового диода, а значит от величины управляющего тока.2. The current wave (figb). coinciding in direction with the current when the diode is de-energized in the area inside the segment of the coaxial line (in the loop) and opposite (on the contrary) in the area of the rectangular waveguide. Its amplitude distribution is also cosine in nature, but it is shifted relative to the microwave current with a de-energized diode (Fig. 2a) by - the minimum in the interface plane of the coaxial short circuit of the segment with the segment of the rectangular waveguide and two maxima - in the plane of the short circuit of the loop and near the wall inside the segment of the rectangular waveguide to the opposite wall on which the coaxial cable is located. Those. a current wave characteristic of a short-circuited quarter-wave segment of a coaxial line (Fig.2b) - for a diode with a saturated control current. The amplitudes of these currents depend on the conductivity of the semiconductor diode, and therefore on the magnitude of the control current.

При увеличении тока управления результирующий СВЧ ток на участке внутреннего проводника отрезка коаксиальной линии, проходящем сквозь внутреннюю полость отрезка прямоугольного волновода вначале уменьшается, а затем приобретает направление встречное по отношению к току на внутреннем проводнике КЗ отрезка коаксиальной линии (внутри шлейфа).With an increase in the control current, the resulting microwave current in the portion of the inner conductor of the coaxial line segment passing through the inner cavity of the segment of the rectangular waveguide initially decreases, and then acquires the direction opposite to the current in the inner conductor of the SC segment of the coaxial line (inside the loop).

.Это приводит к ослаблению поля (его мощности) каждым из шлейфов 3 установленных на отрезке прямоугольного волновода, а в пределе при токе управления равном току насыщения полупроводниковых диодов во всех шлейфах - к практически полной компенсации поля, проходящего по отрезку прямоугольного волновода - уменьшению его мощности на выходе отрезка прямоугольного волновода 1. Характер ослабления мощности R проходящей через волноводный аттенюатор в зависимости от тока управления представлен на фиг.3.This leads to a weakening of the field (its power) by each of the 3 loops installed on a segment of a rectangular waveguide, and in the limit, when the control current is equal to the saturation current of semiconductor diodes in all loops, to almost complete compensation of the field passing through a segment of a rectangular waveguide - to a decrease in its power at the output of a segment of a rectangular waveguide 1. The nature of the attenuation of the power R passing through the waveguide attenuator depending on the control current is shown in Fig.3

Выбором числа шлейфов, их настройкой по частоте и плавным изменением тока управления через диоды получена плавно регулируемая величина ослабления проходящего сигнала СВЧ в диапазоне частот..By choosing the number of loops, adjusting them in frequency and smoothly changing the control current through the diodes, a smoothly adjustable attenuation of the transmitted microwave signal in the frequency range is obtained.

Claims

1. A waveguide attenuator containing a segment of a rectangular waveguide, loops installed at a distance

semiconductor diodes, characterized in that the loops are mounted on a wide wall of a segment of a rectangular waveguide and are made in the form of short-circuited quarter-wave segments of coaxial lines, in the inner conductors of which are installed on a semiconductor diode, each of which is connected to the control device, the dimensions of the transverse sections of coaxial line segments are selected from the condition that the fundamental type of wave can exist in them.

2. The waveguide attenuator according to claim 1, characterized in that the length of the cables installed on the wide wall of a segment of a rectangular waveguide is

where m = 3, 5, 7, ....