RU219414U1

RU219414U1 - Waveguide Broadband Load

Info

Publication number: RU219414U1
Application number: RU2023109036U
Authority: RU
Inventors: Александр Владимирович Коудельный; Лариса Валентиновна Коудельная
Filing date: 2023-04-10
Publication date: 2023-07-14

Abstract

Полезная модель предназначена для использования в качестве мер отражения в волноводных трактах. Волноводная широкополосная нагрузка включает в себя отрезок прямоугольного волноводного тракта с помещенной неоднородностью в виде пластины из полупроводника, расположенной на широкой стенке волновода вдоль его продольной оси. Сущность полезной модели заключается в том, что пластина из полупроводника - ступенчатая неоднородность, является одновременно отражателем падающей и поглотителем прошедшей электромагнитной волны. Геометрические размеры и удельное сопротивление материала полупроводника выбраны таким образом, чтобы одновременно обеспечить заданный коэффициент отражения падающей волны в полосе частот волновода и необходимое поглощение прошедшей электромагнитной волны. Отражающий элемент имеет возможность перемещаться вдоль продольной оси волновода. Техническим результатом, наблюдаемым при реализации заявленного решения, выступает создание мер с плавным изменением фазы отраженной волны.

The utility model is intended for use as reflection measures in waveguide paths. Waveguide broadband load includes a segment of a rectangular waveguide path with a placed inhomogeneity in the form of a semiconductor plate located on the wide wall of the waveguide along its longitudinal axis. The essence of the utility model lies in the fact that a semiconductor plate - a stepped inhomogeneity, is both a reflector of the incident and an absorber of the transmitted electromagnetic wave. The geometric dimensions and resistivity of the semiconductor material are chosen in such a way as to simultaneously provide a given reflection coefficient of the incident wave in the frequency band of the waveguide and the necessary absorption of the transmitted electromagnetic wave. The reflecting element has the ability to move along the longitudinal axis of the waveguide. The technical result observed in the implementation of the claimed solution is the creation of measures with a smooth change in the phase of the reflected wave.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике - волноводным мерам отражения и предназначена для использования при проведении аттестации и поверки измерителей коэффициента отражения Г и коэффициента стоячей волны КСВН в волноводном тракте (измерительных линий, скалярных и векторных анализаторов цепей и пр.), где требуются соответствующие верификационные наборы волноводных мер отражения (нагрузок) с фиксированным значением коэффициента отраженияThe utility model relates to measuring equipment - waveguide reflection measures and is intended for use in the certification and verification of meters of the reflection coefficient G and the standing wave ratio of the VSWR in the waveguide path (measuring lines, scalar and vector network analyzers, etc.), where appropriate verification sets of waveguide reflection measures (loads) with a fixed value of the reflection coefficient are required

Известны волноводные нагрузки с заданным коэффициентом отражения падающей электромагнитной волны, выполненные в виде прямоугольного волновода, внутри которого помещен поглощающий материал, а на входном конце параллельно широким стенкам волновода расположен металлический стержень с надетой на него диэлектрической втулкой [1]. Частотный ход коэффициента отражения от металлического стержня и втулки из диэлектрика компенсируются в диапазоне частот прямоугольного волновода. Прошедшая электромагнитная волна поглощается поглотителем с малым коэффициентом отражения, установленным за стержнем [1].Waveguide loads with a given reflection coefficient of an incident electromagnetic wave are known, made in the form of a rectangular waveguide, inside which an absorbing material is placed, and at the input end, parallel to the wide walls of the waveguide, there is a metal rod with a dielectric bushing put on it [1]. The frequency course of the reflection coefficient from a metal rod and a dielectric bushing are compensated in the frequency range of a rectangular waveguide. The transmitted electromagnetic wave is absorbed by an absorber with a low reflection coefficient installed behind the rod [1].

Известны также ступенчатые волноводные нагрузки, конструкция которых представляет собой симметричное либо ассиметричное скачкообразное уменьшение размера сечения волновода в плоскости Е с помещенной согласованной нагрузкой в зауженном волноводе [2, 3].Stepped waveguide loads are also known, the design of which is a symmetrical or asymmetric jump-like decrease in the size of the waveguide section in plane E with a matched load placed in a narrowed waveguide [2, 3].

Указанным приборам присущи частотные ограничения, связанные с технологическими трудностями изготовления конструктивных элементов с заданными размерами и характеристиками (стержня, втулки, поглотителя - согласованной нагрузки, ступенчатое изменение канала волновода), что ограничивает их применение в волноводных трактах миллиметрового диапазона длин волн. Кроме того, ступенчатые волноводные нагрузки имеют фиксированную фазу коэффициента отражения на каждой частоте и не имеют возможности ее изменения.These devices have frequency limitations associated with technological difficulties in manufacturing structural elements with specified dimensions and characteristics (rod, bushing, absorber - matched load, step change in the waveguide channel), which limits their use in waveguide paths of the millimeter wavelength range. In addition, stepped waveguide loads have a fixed reflection coefficient phase at each frequency and cannot be changed.

В качестве ближайшего аналога (прототипа) взята ступенчатая волноводная нагрузка, представляющая собой симметричное либо ассиметричное скачкообразное уменьшение размера сечения (скачок) волновода в плоскости Е с поглотителем (согласованной нагрузкой) в зауженной части волновода [3].As the closest analogue (prototype), a stepped waveguide load was taken, which is a symmetrical or asymmetric abrupt decrease in the section size (jump) of the waveguide in plane E with an absorber (matched load) in the narrowed part of the waveguide [3].

К недостаткам прототипа относится сложность изготовления и контроля размеров скачкообразного изменения размера волновода с заданной точностью (ступеньки, играющей роль отражательного элемента), особенно в миллиметровом диапазоне длин волн, жесткие требования к коэффициенту отражения поглотителя (согласованной нагрузки), невозможность плавного изменения фазы отраженной волны.The disadvantages of the prototype include the complexity of manufacturing and controlling the size of a step change in the size of the waveguide with a given accuracy (steps that play the role of a reflective element), especially in the millimeter wavelength range, stringent requirements for the reflectance of the absorber (matched load), the impossibility of a smooth change in the phase of the reflected wave.

Для преодоления указанных недостатков предлагается применить в качестве частотно-независимого отражательного элемента, обеспечивающего слабую частотную зависимость коэффициента отражения в диапазоне частот волновода, пластину из полупроводникового материала определенной высоты и удельного сопротивления, совмещающую в себе одновременно функции отражательного элемента и поглотителя электромагнитной энергии, изготовленную в виде параллелепипеда, расположенного на широкой стенке волновода.To overcome these shortcomings, it is proposed to use as a frequency-independent reflective element that provides a weak frequency dependence of the reflection coefficient in the frequency range of the waveguide, a plate made of a semiconductor material of a certain height and resistivity, which simultaneously combines the functions of a reflective element and an absorber of electromagnetic energy, made in the form of a parallelepiped located on the wide wall of the waveguide.

Волноводная нагрузка имеет сходство с прототипом по следующим признакам:Waveguide load is similar to the prototype in the following ways:

отражательный элемент выполнен в форме ступеньки, расположенной на широкой стенке волновода;the reflective element is made in the form of a step located on the wide wall of the waveguide;

уровень отраженного сигнала (и, соответственно, КСВН волноводной нагрузки) определяется высотой ступеньки и проводимостью используемого материала;the level of the reflected signal (and, accordingly, the VSWR of the waveguide load) is determined by the height of the step and the conductivity of the material used;

в зауженной части волновода производится поглощение прошедшей электромагнитной волны (в прототипе - с применением специального поглотителя, у заявленной модели - в пластине полупроводника).in the narrowed part of the waveguide, the transmitted electromagnetic wave is absorbed (in the prototype - using a special absorber, in the claimed model - in the semiconductor plate).

Отличается разработанное устройство тем, что функции отражательного элемента и поглощающей нагрузки совмещены в одном конструктивном элементе - пластине из полупроводника в форме прямоугольного параллелепипеда, расположенной на широкой стенке прямоугольного волновода. Длина пластины из полупроводника и ее удельное сопротивление выбирается таким образом, чтобы обеспечить полное (не менее 30 дБ) затухание прошедшей электромагнитной волны.The developed device differs in that the functions of the reflective element and the absorbing load are combined in one structural element - a semiconductor plate in the form of a rectangular parallelepiped, located on the wide wall of a rectangular waveguide. The length of the semiconductor plate and its resistivity are chosen in such a way as to ensure complete (at least 30 dB) attenuation of the transmitted electromagnetic wave.

Техническим результатом использования полезной модели является создания мер с плавным изменением фазы отраженной волны.The technical result of using the utility model is to create measures with a smooth change in the phase of the reflected wave.

Технический результат достигается за счет того, что отражающий элемент, являющийся одновременно отражателем падающей и поглотителем прошедшей электромагнитной волны, выполнен в виде пластины из полупроводника в форме прямоугольного параллелепипеда, расположенного вдоль продольной оси на широкой стенке прямоугольного волновода, имеющего возможность перемещаться вдоль продольной оси волновода, причем геометрические размеры и удельное сопротивление полупроводника выбраны таким образом, чтобы обеспечить одновременно заданный коэффициент отражения падающей волны в полосе частот волновода и необходимое поглощение прошедшей электромагнитной волны. Поглощающий материал изготовлен из полупроводника, например, из кремния или германия с заданным удельным сопротивлением.The technical result is achieved due to the fact that the reflecting element, which is both a reflector of the incident and an absorber of the transmitted electromagnetic wave, is made in the form of a semiconductor plate in the form of a rectangular parallelepiped, located along the longitudinal axis on the wide wall of the rectangular waveguide, which can move along the longitudinal axis of the waveguide, and the geometric dimensions and resistivity of the semiconductor are chosen in such a way as to provide both a given reflection coefficient of the incident wave in the frequency band of the waveguide and the required absorption of the transmitted electromagnetic wave. The absorbing material is made of a semiconductor, such as silicon or germanium, with a given resistivity.

Полезная модель поясняется чертежом, изображенным на фиг. 1.The utility model is illustrated by the drawing shown in FIG. 1.

Волноводная широкополосная нагрузка включает в себя отрезок прямоугольного волновода 1 с входным фланцем 2 и отражающий элемент 3, выполненный в виде пластины из полупроводника в форме прямоугольного параллелепипеда, расположенной на широкой стенке прямоугольного волновода, причем геометрические размеры и удельное сопротивление полупроводника выбраны таким образом, чтобы отражающий элемент обеспечивал одновременно заданный коэффициент отражения в полосе частот волновода и необходимое поглощение прошедшей электромагнитной волны в части волновода, частично заполненной полупроводником (см. фиг. 1). На выходе отрезка волновода 1 может быть установлен короткозамыкатель 4, предотвращающий излучение электромагнитной волны в случае неполного поглощения прошедшей электромагнитной волны в части волновода, частично заполненного полупроводником (может отсутствовать при полном поглощении электромагнитной волны при достаточной длине полупроводниковой пластины).The broadband waveguide load includes a section of a rectangular waveguide 1 with an input flange 2 and a reflective element 3 made in the form of a semiconductor plate in the form of a rectangular parallelepiped located on the wide wall of the rectangular waveguide, the geometric dimensions and resistivity of the semiconductor being chosen so that the reflective element provides both the specified reflection coefficient in the waveguide frequency band and the necessary absorption of the transmitted electromagnetic wave in the part of the waves an ode partially filled with a semiconductor (see Fig. 1). A short circuit 4 can be installed at the output of the waveguide segment 1, which prevents the emission of an electromagnetic wave in the event of incomplete absorption of the transmitted electromagnetic wave in the part of the waveguide partially filled with a semiconductor (may be absent if the electromagnetic wave is completely absorbed with a sufficient length of the semiconductor plate).

С целью изменения фазы отраженной электромагнитной волны отражающий элемент (пластина из полупроводника) имеет возможность перемещаться вдоль продольной оси волновода например, посредством винтового механизма (на рисунке 1 не показан). Для обеспечения плотного прилегания полупроводниковой пластины к широкой стенке волновода при ее перемещении вдоль оси волновода, внутренняя полость волновода в части, частично заполненной полупроводником, может быть дополнительно заполнена диэлектриком с малыми потерями (на рисунке не показано).In order to change the phase of the reflected electromagnetic wave, the reflecting element (semiconductor plate) has the ability to move along the longitudinal axis of the waveguide, for example, by means of a screw mechanism (not shown in Figure 1). To ensure a tight fit of the semiconductor wafer to the wide wall of the waveguide when it moves along the waveguide axis, the inner cavity of the waveguide in the part partially filled with a semiconductor can be additionally filled with a dielectric with low losses (not shown in the figure).

Основной электрической характеристикой волноводной широкополосной нагрузки является величина модуля ее коэффициента отражения |Г| (или соответствующее значение КСВН) в заданной полосе частот. Значение |Г| зависит от высоты полупроводниковой пластины и ее удельного сопротивления. Затухание электромагнитной волны зависит от удельного сопротивления и длины полупроводниковой пластины. Варьируя указанными параметрами, можно получить меры отражения с заданным значением КСВН.The main electrical characteristic of a waveguide broadband load is the modulus of its reflection coefficient |Г| (or corresponding VSWR value) in a given frequency band. The value of |G| depends on the height of the semiconductor wafer and its resistivity. The attenuation of an electromagnetic wave depends on the resistivity and the length of the semiconductor wafer. By varying the indicated parameters, it is possible to obtain reflection measures with a given value of VSWR.

Принцип действия волноводной широкополосной нагрузки основан на отражении части падающей электромагнитной волны от неоднородности, расположенной в прямоугольном волноводе (ступеньки из полупроводникового проводящего материала определенной толщины и удельного сопротивления) и поглощении прошедшей электромагнитной волны в том же конструктивном элементе. Отсутствие каких-либо неоднородностей в отрезке волновода, частично заполненном полупроводником, создает идеальные условия для полного поглощения прошедшей электромагнитной волны без каких-либо паразитных переотражений, влияющих на характеристики нагрузки. Параметры отражающего элемента (геометрические размеры, положение в волноводном тракте, удельное сопротивление) обеспечивают максимальное поглощение прошедшей электромагнитной волны без дополнительных переотражений при минимальном частотном ходе (в полосе частот волновода) коэффициента отражения падающей электромагнитной волны.The principle of operation of a broadband waveguide load is based on the reflection of a part of the incident electromagnetic wave from an inhomogeneity located in a rectangular waveguide (steps made of a semiconductor conductive material of a certain thickness and resistivity) and absorption of the transmitted electromagnetic wave in the same structural element. The absence of any inhomogeneities in the section of the waveguide, partially filled with a semiconductor, creates ideal conditions for the complete absorption of the transmitted electromagnetic wave without any parasitic reflections that affect the characteristics of the load. The parameters of the reflecting element (geometric dimensions, position in the waveguide path, resistivity) provide maximum absorption of the transmitted electromagnetic wave without additional re-reflections at a minimum frequency variation (in the frequency band of the waveguide) of the reflection coefficient of the incident electromagnetic wave.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Волноводная нагрузка подключается к тракту СВЧ, где требуется обеспечить заданный уровень отражения электромагнитной волны (измерительной линии, векторному анализатору и пр.). Подается сигнал СВЧ. Падающей сигнал (Р пад на рис. 1) частично отражается от полупроводниковой пластины (Р отр), оставшийся сигнал (Р прош), проходя вдоль полупроводника, поглощается в нем. Отражающий элемент волноводной нагрузки обеспечивает заданный уровень отраженного сигнала |Г|=Р пад / Р отр. во всем диапазоне частот волновода. Перемещая полупроводниковую пластину вдоль продольной оси волновода, можно изменять фазу отраженной волны при том же значении |Г|. Для изготовления нагрузок с заданным значением модуля коэффициента отражения |Г| (или, соответственно, КСВН) применяются пластины разной толщины и удельного сопротивления. Прошедший в зауженный канал волновода сигнал падающей электромагнитной волны Р прош. поглощается в полупроводниковой нагрузке без дополнительных отражений (регулярный волновод). Установленный за нагрузкой короткозамыкатель не является обязательным элементом и может быть заменен или дополнен механизмом перемещения отражающего элемента вдоль продольной оси волновода.The waveguide load is connected to the microwave path, where it is required to provide a given level of electromagnetic wave reflection (measuring line, vector analyzer, etc.). The microwave signal is on. The incident signal (P down in Fig. 1) is partially reflected from the semiconductor wafer (P neg), the remaining signal (P past), passing along the semiconductor, is absorbed in it. The reflective element of the waveguide load provides a given level of the reflected signal |G|=P pad / P neg. over the entire frequency range of the waveguide. By moving the semiconductor wafer along the longitudinal axis of the waveguide, it is possible to change the phase of the reflected wave at the same value of |r|. For the manufacture of loads with a given value of the modulus of the reflection coefficient |Г| (or, respectively, VSWR) plates of different thicknesses and resistivity are used. Passed into the narrowed channel of the waveguide signal of the incident electromagnetic wave P past. absorbed in a semiconductor load without additional reflections (regular waveguide). The short circuit installed behind the load is not a mandatory element and can be replaced or supplemented by a mechanism for moving the reflecting element along the longitudinal axis of the waveguide.

Простота конструкции волноводной нагрузки позволяет проводить предварительный расчет параметров полупроводниковой пластины (геометрические размеры, удельное сопротивление) с применением специализированных программ (например, коммерческой программы HFSS от компании ANSYS либо CST Studio Suite ™ компании CST AG), обеспечивающих заданную точность вычисления значения коэффициента отражения заявленного устройства и его частотный ход.The simplicity of the design of the waveguide load makes it possible to carry out a preliminary calculation of the parameters of a semiconductor wafer (geometrical dimensions, resistivity) using specialized programs (for example, the commercial HFSS program from ANSYS or CST Studio Suite ™ from CST AG), which provide the specified accuracy of calculating the reflection coefficient of the claimed device and its frequency variation.

Контроль параметров полупроводниковой пластины легко осуществляется в процессе изготовления нагрузки перед сборкой изделия.The wafer parameters can be easily controlled during the manufacturing process of the load before assembling the product.

Кремний является хорошо изученным полупроводником, широко применяемым в электронной промышленности с отработанной технологией изготовления электронных узлов различного назначения, имеет высокую механическую прочность, широкий выбор материала с заданным удельным сопротивлением.Silicon is a well-studied semiconductor widely used in the electronic industry with a well-established technology for manufacturing electronic components for various purposes, has high mechanical strength, a wide choice of material with a given resistivity.

Конструкция волноводной нагрузки позволяет обеспечить значение КСВН входа в пределах от 1,1 до 4,5 в рабочем диапазоне частот волноводного тракта.The design of the waveguide load makes it possible to provide an input VSWR value ranging from 1.1 to 4.5 in the operating frequency range of the waveguide path.

Предложенное решение позволяет обеспечить заданный коэффициент отражения падающей электромагнитной волны, а при применении механизма перемещения - обеспечить плавное изменение фазы отраженной волны, что, в конечном счете, позволяет использовать широкополосную волноводную нагрузку для различных применений, где требуются соответствующие верификационные наборы волноводных мер отражения с фиксированным значением коэффициента отражения.The proposed solution makes it possible to provide a given reflection coefficient of the incident electromagnetic wave, and when using the displacement mechanism, to ensure a smooth change in the phase of the reflected wave, which ultimately allows the use of a broadband waveguide load for various applications where appropriate verification sets of waveguide reflection measures with a fixed value of the reflection coefficient are required.

[1] Авторское свидетельство СССР №174236. Класс 21а, 73. М.А. Черемных. Волноводная согласованная нагрузка.[1] Author's certificate of the USSR No. 174236. Class 21a, 73. M.A. Cheremnykh. Waveguide matched load.

[2] Б.А. Абубакиров, Л.В. Когтева, А.Е. Львов, СВ. Панков, Г.И. Шишков. Волноводные и микрополосковые нагрузки в радиоизмерительной технике. Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева, №1 (108), 2015, стр. 19-29.[2] B.A. Abubakirov, L.V. Kogteva, A.E. Lvov, St. Pankov, G.I. Shishkov. Waveguide and microstrip loads in radio measuring technology. Proceedings of the Nizhny Novgorod State Technical University. R.E. Alekseeva, No. 1 (108), 2015, pp. 19-29.

[3] Г.А. Шаров. Волноводные устройства сантиметровых и миллиметровых волн М.: Горячая линия - Телеком, 2016.[3] G.A. Sharov. Waveguide devices for centimeter and millimeter waves. Moscow: Hotline - Telecom, 2016.

Claims

Waveguide broadband load, made in the form of a segment of a rectangular waveguide path, inside which is placed a reflective element, characterized in that the reflective element, which is both a reflector of the incident and an absorber of the transmitted electromagnetic wave, is made in the form of a semiconductor plate in the form of a rectangular parallelepiped, located on a wide wall along the longitudinal axis of the waveguide, having the ability to move along the longitudinal axis of the waveguide, and the geometric dimensions and resistivity of the semiconductor are chosen in this way , so that the reflecting element simultaneously provides a given reflection coefficient of the incident wave in the frequency band of the waveguide and the necessary absorption of the transmitted electromagnetic wave.