RU2109374C1

RU2109374C1 - Double waveguide tee

Info

Publication number: RU2109374C1
Application number: RU95122544A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Владимирович Добкин; Николай Иванович Елисеев; Всеволод Львович Зубков; Юрий Алексеевич Карцев; Аркадий Васильевич Лисин; Юрий Николаевич Матвеев; Аркадий Владимирович Табаков; Хартмут Гаудиг
Original assignee: Акционерное общество открытого типа "Московский научно-исследовательский институт радиосвязи"
Priority date: 1995-12-28
Filing date: 1995-12-28
Publication date: 1998-04-20

Abstract

FIELD: radio engineering. SUBSTANCE: double waveguide tee with E arm in the form of waveguide of diminished height and minimal length differs from known designs of matching elements related to communication. Matching elements are manufactured in the form of symmetric diaphragm of two rectangular protrusions lying in plane of joint of waveguide of H arm and providing diaphragm over its width, rectangular plate with cut-out located in symmetry plane of tee and jump of section height of E arm near plane of joint. Proposed design ensures high levels of matching of inputs of tee, high degree of isolation between side arms and low losses. Device is easy to manufacture and can be used in systems of communication, navigation and radiolocation. EFFECT: expanded application field, improved functional reliability. 2 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к области микроволновых гибридных устройств, в частности, к 8-полюсникам, известным как "магическое Т". The invention relates to the field of microwave hybrid devices, in particular to 8-poles, known as "magic T".

Волноводное гибридное соединение типа "магического Т" (см., например, Саусворт Дж. К. Принципы и применение волноводной передачи. М.: Советское радио, 1955) представляет собой 8- полюсник, имеющий два боковых плеча, образованных прямоугольным волноводом, и примыкающие к нему по узкой и широкой стенкам отрезки волноводов: соответственно H- и E-плечи. Оси волноводов, представляющих H- и E-плечи, лежат в одной плоскости, ортогональны оси волновода, образующего боковые плечи, и друг другу. Такой 8- полюсник при дополнительном согласовании его плеч обладает "магическими" свойствами, давшими название устройству. Эти свойства включают равное деление мощности, поступающей в любое плечо устройства, между двумя другими плечами и "развязку" оставшегося и возбуждаемого плеча. При возбуждении H -плеча входная мощность синфазно делится поровну между боковыми плечами. При возбуждении E- плеча мощность также делится поровну между боковыми плечами, но выходные сигналы оказываются в противофазе. И в том и в другом случае H- и E-плечи "развязаны" друг от друга. При возбуждении бокового плеча мощность делится поровну между H- и E-плечами. Если же сигналы поступают в оба боковых плеча, то в H-плечо поступает их векторная сумма, а в E-плечо - векторная разность. В отмеченной книге рассмотрены различные варианты согласования плеч двойного волноводного тройника, которые включают сочетание различного вида неоднородностей индуктивного и емкостного типов в виде штырей или диафрагм. Однако ввиду того, что согласуемые КСВН велики, устройства оказываются узкополосными. Известно, что для расширения полосы частот согласующие структуры следует размещать ближе к центру гибридного соединения. A waveguide hybrid compound of the “magic T” type (see, for example, Southworth J.K. Principles and application of waveguide transmission. M .: Soviet Radio, 1955) is an 8-pole device with two side arms formed by a rectangular waveguide and adjacent to it along the narrow and wide walls are the segments of the waveguides: H- and E-arms, respectively. The axes of the waveguides representing the H- and E-shoulders are in the same plane, orthogonal to the axis of the waveguide forming the lateral shoulders, and to each other. Such an 8-pole, with additional coordination of its shoulders, has "magic" properties, which gave the name to the device. These properties include the equal division of power entering any arm of the device between two other arms and the "decoupling" of the remaining and excited arms. When the H-arm is excited, the input power is in phase divided equally between the lateral shoulders. When the E-arm is excited, the power is also divided evenly between the lateral shoulders, but the output signals are out of phase. In both cases, the H- and E-shoulders are “untied” from each other. When the lateral arm is excited, the power is divided equally between the H- and E-arms. If the signals arrive at both side arms, then their vector sum enters the H-arm, and the vector difference enters the E-arm. In this book, various options for matching the shoulders of a double waveguide tee are considered, which include a combination of various types of inhomogeneities of inductive and capacitive types in the form of pins or diaphragms. However, since the coordinated VSWRs are large, the devices turn out to be narrowband. It is known that to expand the frequency band matching structures should be placed closer to the center of the hybrid compound.

Обычно согласующая структура для согласования импеданса со стороны H-плеча включает металлический обтекатель, расположенный вблизи центра соединения. Оптимальные размеры и положение обтекателя определяются экспериментально. Согласование E-плеча может достигаться введением в него индуктивного штыря. Typically, the matching structure for matching the impedance on the H-arm side includes a metal cowl located near the center of the joint. The optimal dimensions and position of the fairing are determined experimentally. Matching the E-arm can be achieved by introducing an inductive pin into it.

В прототипе предлагаемого изобретения (Reeves et al. Hybrid Tee Waveguide Assembly, US, Patent No. 4 413 242, Nov.l,1983) обтекатель выполнен в виде стержня, расположенного на цилиндрическом "пьедестале", основание которого лежит на широкой стенке волновода, образующего боковые плечи соединения. Длина стержня такова, что он входит в E-плечо, образуя в нем отрезок коаксиальной линии передачи. Диаметр стержня выбирается в соответствии с соотношением, обеспечивающим максимальную электрическую прочность устройства. In the prototype of the invention (Reeves et al. Hybrid Tee Waveguide Assembly, US, Patent No. 4 413 242, Nov.l, 1983), the fairing is made in the form of a rod located on a cylindrical "pedestal", the base of which lies on the wide wall of the waveguide, forming the side shoulders of the connection. The length of the rod is such that it enters the E-arm, forming in it a segment of the coaxial transmission line. The diameter of the rod is selected in accordance with the ratio that ensures maximum electrical strength of the device.

Недостатком прототипа является ограничение, накладываемое снизу на длину E-плеча, связанное с наличием отрезка коаксиальной линии передачи в E-плече. В тех случаях, когда требуется, чтобы E-плечо представляло собой волновод пониженной высоты, прототип требует введения дополнительного волноводного трансформатора, который еще более увеличивает длину E-плеча, уменьшая при этом полосу частот устройства в целом. The disadvantage of the prototype is the restriction imposed from below on the length of the E-shoulder associated with the presence of a segment of the coaxial transmission line in the E-shoulder. In cases where it is required that the E-arm was a low-height waveguide, the prototype requires the introduction of an additional waveguide transformer, which further increases the length of the E-arm, while reducing the frequency band of the device as a whole.

Размеры E-плеча, которое перпендикулярно плоскости трех остальных плеч двойного тройника, могут определять важные характеристики прибора, в состав которого он входит: габариты, вес, технологичность, условия охлаждения и др. The dimensions of the E-shoulder, which is perpendicular to the plane of the other three shoulders of the double tee, can determine the important characteristics of the device, which it includes: dimensions, weight, manufacturability, cooling conditions, etc.

Технический эффект предлагаемого изобретения заключается в улучшении массогабаритных, технологических и эксплуатационных характеристик системы, в которую входит заявляемое устройство, при обеспечении высоких уровней согласования по входам устройства, высоких "развязок" между "развязанными" плечами и низких потерь. The technical effect of the invention is to improve the overall dimensions, technological and operational characteristics of the system, which includes the claimed device, while ensuring high levels of coordination at the inputs of the device, high "interchanges" between the "untied" shoulders and low losses.

Этот технический эффект достигается за счет уменьшения длины и высоты E-плеча при введении следующих согласующих элементов: металлической симметричной диафрагмы в виде двух прямоугольных выступов по ширине волновода H-плеча в плоскости стыка его с волноводом, образующим боковые плечи, металлической прямоугольной пластины с вырезом, расположенной в плоскости симметрии устройства в волноводе, образующем пару боковых плеч, примыкающей к его узкой стенке, причем высота пластины равна высоте волновода, а вырез расположен в углу пластины и имеет форму прямоугольника, одной стороной примыкающего к узкой стенке волновода, другой - к плоскости стыка с E-плечом, которое выполнено в виде волновода пониженной высоты со скачком высоты вблизи плоскости стыка. При этом все согласующие элементы расположены максимально близко к центру гибридного соединения, обеспечивая его широкополосность. В предлагаемой конструкции E-плечо представляет собой волновод пониженной (по сравнению с остальными волноводами тройника) высоты, что можно использовать в ряде приложений, не прибегая к дополнительному трансформатору волновых сопротивлений. This technical effect is achieved by reducing the length and height of the E-shoulder with the introduction of the following matching elements: a metal symmetric diaphragm in the form of two rectangular protrusions along the width of the H-shoulder waveguide in the plane of its junction with the waveguide forming the lateral shoulders of a rectangular metal plate with a notch, located in the plane of symmetry of the device in the waveguide, forming a pair of side shoulders adjacent to its narrow wall, and the height of the plate is equal to the height of the waveguide, and the cutout is located in the corner of the plate and EET shape of a rectangle, one side adjacent to the narrow wall of the waveguide, the other - to the joint plane with the E-arm which is in the form of reduced height waveguide with the jump height near the junction plane. Moreover, all matching elements are located as close as possible to the center of the hybrid compound, ensuring its broadband. In the proposed design, the E-arm is a waveguide of lowered height (compared to other tee waveguides), which can be used in a number of applications without resorting to an additional wave resistance transformer.

Некоторые приложения требуют применения 6-полюсников, осуществляющих суммирование в H-плече синфазных мощностей, поступающих в боковые плечи, или синфазного деления мощности, подаваемой в H- плечо, между боковыми плечами с обязательным условием "развязки" друг от друга боковых плеч и минимальными размерами в направлении, перпендикулярном плоскости тройника. Для этих приложений необходимо применить двойной тройник, E-плечо которого нагружено на согласованную нагрузку и имеет вместе с ней минимальные размеры. Some applications require the use of 6-pole, summing the common-mode power in the H-arm coming to the side arms, or common-mode division of the power supplied to the H-arm between the side arms with the obligatory condition of “decoupling” the side arms from each other and the minimum dimensions in the direction perpendicular to the plane of the tee. For these applications, it is necessary to use a double tee, the E-arm of which is loaded to a coordinated load and has minimum dimensions with it.

На фиг. 1 показана фронтальная проекция макета заявляемого двойного волноводного тройника со стороны H-плеча; на фиг. 2 - предлагаемое устройство со снятой крышкой, в которой выполнено "скрытое" E-плечо. In FIG. 1 shows a frontal projection of the layout of the inventive double waveguide tee from the side of the H-shoulder; in FIG. 2 - the proposed device with the cover removed, in which a "hidden" E-shoulder is made.

Макет заявляемого устройства имеет два боковых плеча 1 и 2 и примыкающие к ним соответственно по узкой и широкой стенкам H- и E- плечи 3 и 4. Макет выполнен разъемным на основание 5 и крышку 6. Волноводы (1, 2 и 3) и согласующие элементы: диафрагма в виде двух прямоугольных выступов 7 и фигурная пластина 8 выфрезерованы в общем основании 5, а волновод, образующий E-плечо 4 со скачком высоты сечения 9, выфрезерован в крышке 6, как показано на фиг. 1. В волноводе пониженной высоты, являющемся частью E-плеча 4, находится согласованная нагрузка 10. Данный макет был предназначен для отработки конструкции развязанного сумматора мощности на выходе усилителя спутниковой связи, работающего в диапазоне частот 13,9-14,6 ГГц при выходной мощности несколько десятков Ватт. Конструкция усилителя не допускала размеров E-плеча с согласованной нагрузкой более 0,4λ_B. . Двойной волноводный тройник с коротким согласованным E-плечом был выполнен на волноводах сечением 16•8 мм², E-плечо выполнено с переходом на волновод сечением 16•3 мм². Обозначения размеров основных элементов конструкции приведены на фиг.1, 2, а соответствующие численные значения (в мм) - табл. 1.The layout of the inventive device has two lateral shoulders 1 and 2 and adjacent to them on the narrow and wide walls of H- and E- shoulders 3 and 4. The layout is detachable to the base 5 and cover 6. Waveguides (1, 2 and 3) and matching elements: a diaphragm in the form of two rectangular protrusions 7 and a figured plate 8 are milled in a common base 5, and the waveguide forming the E-arm 4 with a jump in section height 9 is milled in the cover 6, as shown in FIG. 1. In the reduced height waveguide, which is part of the E-arm 4, there is a coordinated load 10. This model was designed to test the design of the decoupled power combiner at the output of a satellite communications amplifier operating in the frequency range 13.9-14.6 GHz with output power several tens of watts. The design of the amplifier did not allow the size of the E-arm with a matched load of more than 0.4λ _B. . A double waveguide tee with a short matched E-arm was made on waveguides with a cross section of 16 • 8 mm ² , the E-arm was made with a transition to a waveguide with a cross section of 16 • 3 mm ² . The designations of the dimensions of the main structural elements are shown in figures 1, 2, and the corresponding numerical values (in mm) are given in table. 1.

При испытаниях двойного волноводного тройника с согласованной нагрузкой в E-плече измерялись КСВН на входах H-плеча и двух боковых плеч, K₁, K₂ и K₃, развязка боковых плеч γ₀, , потери при делении сигнала, подаваемого в H-плечо, γ₁ и γ₂ . Соответствующие результаты приведены в табл. 2 (размерные величины даны в дБ), из которой видно, что КСВН по каждому из входов не превышает 1,1, а средняя развязка боковых плеч в рабочей полосе частот составляет около 30 дБ. Реальные потери деления были около 0,1 дБ и находились вблизи погрешности измерения. Частично они могли быть связаны с допуском на изготовление, приводящим к отклонению положения согласующей пластины от плоскости симметрии устройства. Все результаты получены при длине E-плеча вместе с согласованной нагрузкой, не превышающей 0,4λ_B . Минимально возможная длина E-плеча без нагрузки (расстояние от скачка сечения до стыка с волноводом, образующим боковые плечи) составляет 0,15λ_B . Это в пять раз меньше, чем у прототипа с E-плечом пониженной высоты. При этом следует учитывать, что полоса частот последнего должна быть уже, так как его согласующий трансформатор находится дальше от области связи.When testing a double waveguide tee with a matched load in the E-arm, the VSWR at the inputs of the H-arm and two side arms, K ₁ , K ₂ and K ₃ , the decoupling of the side arms γ ₀ , and the loss of the signal supplied to the H-arm were measured , γ ₁ and γ ₂ . The corresponding results are given in table. 2 (dimensional values are given in dB), which shows that the VSWR for each of the inputs does not exceed 1.1, and the average isolation of the side arms in the working frequency band is about 30 dB. The actual fission loss was about 0.1 dB and was near the measurement error. In part, they could be associated with a manufacturing tolerance leading to a deviation of the position of the matching plate from the plane of symmetry of the device. All results were obtained with an E-arm length along with a matched load not exceeding 0.4λ _B. The minimum possible length of the E-arm without load (the distance from the section jump to the junction with the waveguide forming the lateral arms) is 0.15λ _B. This is five times less than the prototype with a lowered E-shoulder. It should be borne in mind that the frequency band of the latter should be narrower, since its matching transformer is located further from the communication area.

Выполнение двойного волноводного тройника с E-плечом в виде волновода пониженной высоты и минимальной длины - практически узкая щель в крышке тройника - позволяет (при высоких электрических параметрах) улучшить массогабаритные, технологические и эксплуатационные характеристики системы, в состав которой он входит. Это позволяет применить его, например, в тех случаях, где ранее использовались компактные неразвязанные тройники, улучшив этим характеристики системы в целом. Заявляемое устройство более просто по конструкции и более технологично ввиду того, что все согласующие элементы выполнены фрезеровкой в общем корпусе. Кроме того, из-за малых размеров E-плеча улучшены условия охлаждения блока, в состав которого входит двойной тройник. Так в приведенном примере усилителя спутниковой связи, конструкция которого предусматривает соприкосновение плоскостей крышки тройника и радиатора воздушного охлаждения, теплоотвод зависит от толщины крышки, а следовательно от размеров E-плеча, выполненного в крышке. The implementation of a double waveguide tee with an E-arm in the form of a waveguide of reduced height and minimum length — an almost narrow gap in the tee cover — allows (with high electrical parameters) to improve the overall dimensions, technological and operational characteristics of the system it is part of. This allows you to apply it, for example, in cases where previously used compact unconnected tees, thereby improving the characteristics of the system as a whole. The inventive device is simpler in design and more technologically advanced due to the fact that all the matching elements are milled in a common housing. In addition, due to the small size of the E-shoulder, the cooling conditions of the unit, which includes a double tee, are improved. So in the given example of a satellite communications amplifier, the design of which provides for the contact of the planes of the tee cap and the air cooling radiator, the heat sink depends on the thickness of the cap, and therefore on the dimensions of the E-arm made in the cap.

Принципы, положенные в основу изобретения, могут быть использованы при конструировании устройств, работающих в других диапазонах частот, путем изменения шкалы размеров. Заявляемый двойной волноводный тройник может найти применение в различных системах связи, навигации и радиолокации. The principles underlying the invention can be used in the design of devices operating in other frequency ranges by changing the size scale. The inventive double waveguide tee can be used in various communication systems, navigation and radar.

Claims

A double waveguide tee having two lateral arms formed by a rectangular waveguide adjacent to it along the narrow and wide walls of the H and E arms and matching elements, characterized in that the matching elements are made in the form of a symmetrical diaphragm of two rectangular protrusions lying in the plane of the junction of the waveguide of the H-arm and its width diaphragmatic, a rectangular metal plate with a cutout located in the plane of symmetry of the device, in the waveguide forming a pair of side arms adjacent to it about a narrow wall, and the height of the plate is equal to the height of the waveguide, and the cutout is located in the corner of the plate and has the shape of a rectangle, one side adjacent to the narrow wall of the waveguide, the other to the plane of the junction with the E-shoulder, which is made in the form of a waveguide of reduced height with a height jump near the junction plane.