Изобретение относится к области радиотехники СВЧ и может быть использовано в волноводных трактах, в том числе и высокого уровня мощности, в качестве широкополосного направленного ответвителя и также в составе многоканальных делителей мощности, предназначенных, например, для распределения мощности между элементами антенных решеток.The invention relates to the field of microwave radio engineering and can be used in waveguide paths, including a high power level, as a broadband directional coupler and also as part of multi-channel power dividers, designed, for example, for power distribution between elements of antenna arrays.
Известны следующие аналогичные устройства. Волноводно-коаксиальный регулируемый делитель мощности (а.с. СССР №373800), представляющий собой отрезок прямоугольного волновода с металлической пластиной, контактирующей с узкими стенками и переходящей на одном конце в центральный проводник коаксиального вывода. Устройство не обладает направленностью, а наличие подвижных контактов ограничивает его применение на повышенных уровнях мощности. Волноводно-коаксиальный регулируемый направленный ответвитель (а.с. СССР №350088), состоящий из отрезка прямоугольного волновода и двух перегородок, расположенных параллельно широким стенкам, концы которых заканчиваются переходами к коаксиальным выводам. Устройство характеризуется узкополостностью, так как коэффициент связи определяется значением разности фазовых сдвигов сигналов, которые зависят от частоты.The following similar devices are known. A waveguide-coaxial adjustable power divider (USSR AS No. 373800), which is a segment of a rectangular waveguide with a metal plate in contact with narrow walls and passing at one end to the central conductor of the coaxial output. The device does not have a directivity, and the presence of movable contacts limits its use at elevated power levels. A waveguide-coaxial adjustable directional coupler (USSR AS No. 350088), consisting of a segment of a rectangular waveguide and two partitions parallel to wide walls, the ends of which end with transitions to coaxial terminals. The device is characterized by narrow bandwidth, since the coupling coefficient is determined by the value of the difference of the phase shifts of the signals, which depend on the frequency.
Кроме того, конструкция сдвоенного направленного ответвления сложна и не пригодна для применения, например, в составе многоканального делителя мощности. Волноводно-коаксиальный направленный ответвитель (а. с. СССР №1700654) имеет элемент связи, выполненный в виде металлической пластины полуволновой длины с переходами на концах к коаксиальным выводам, закрепленной на одной узкой стенке. Расположение пластины и коаксиальных выводов на общем основании, механически связанном с узкой стенкой волновода, затрудняет его практическое применение, например, в составе многоканальных делителей мощности. К общим недостаткам вышеописанных устройств можно отнести также и то, что их широкополосность ограничена зависимостью от частоты четвертьволновых согласующих переходов на концах пластины.In addition, the design of a dual directional branch is complex and not suitable for use, for example, as part of a multi-channel power divider. The waveguide-coaxial directional coupler (AS USSR No. 1700654) has a coupling element made in the form of a half-wavelength metal plate with transitions at the ends to coaxial terminals mounted on one narrow wall. The location of the plate and coaxial terminals on a common base mechanically connected with a narrow wall of the waveguide makes it difficult to apply it, for example, as part of multi-channel power dividers. The common disadvantages of the above devices can also be attributed to the fact that their broadband is limited by the frequency dependence of the quarter-wave matching transitions at the ends of the plate.
Целью заявляемого изобретения является увеличение широкополосности по основным параметрам направленного ответвителя при одновременном упрощении его конструкции. Принцип действия ответвителя заключается в перераспределении напряженности электрического поля, проходящей по волноводу вдоль проводника волны типа Н10, в результате чего на выходном конце проводника возникает противофазная составляющая, формирующая волну типа ТЕМ, которая ответвляется на коаксиальный вывод. Прохождение волн в прямом и обратном направлении показано на фиг.1 соответственно сплошными и пунктирными линиями со стрелками. Достигаемый технический результат подтвержден экспериментальными исследованиями, проведенными в дециметровом и сантиметровом диапазонах длин волн. В полосе частот более 30% получены следующие результаты: динамический диапазон изменения коэффициента связи в пределах от минус 50 дБ до минус 6 дБ с неравномерностью от плюс-минус 1 дБ до плюс-минус 0,1 дБ соответственно; изменение коэффициента стоячей волны по напряжению (далее КСВН) волноводного входа в пределах от 1,05 до 1,10; изменение КСВН коаксиального вывода в пределах от 1,1 до 1,4; изменение направленности в пределах от 15 дБ до 30 дБ. Прототипом заявляемого волноводно-полоскового направленного ответвителя (далее ответвителя) является волноводно-коаксиальный направленный ответвитель по а.с. №1700654. В прототипе элементом связи служит пластина с согласующими переходами на концах, установленная на одной узкой стенке волновода. В предлагаемом изобретении элементом связи служит проводник полосковой линии, длина, поперечные размеры и расположение которого выбираются из условия согласования с коаксиальными выводами, которые одновременно служат и элементами крепления проводника. Непосредственный переход полосковой линии к коаксиальным выводам при одинаковых волновых сопротивлениях не нуждается в дополнительных согласующих переходах, что обуславливает широкополосность и простоту конструкции устройства. Отсутствие механической связи проводника с волноводом позволяет реализовать конструкцию регулируемого направленного ответвителя с одним неподвижным выводом без ухудшения электрических характеристик.The aim of the invention is to increase broadband in the main parameters of the directional coupler while simplifying its design. The principle of the coupler’s action is to redistribute the electric field passing through the waveguide along the H 10 type wave conductor, as a result of which an antiphase component arises at the output end of the conductor, forming a TEM type wave that branches off to the coaxial output. The passage of waves in the forward and reverse directions is shown in Fig. 1, respectively, by solid and dashed lines with arrows. The technical result achieved is confirmed by experimental studies conducted in the decimeter and centimeter wavelength ranges. The following results were obtained in a frequency band of more than 30%: dynamic range of variation of the coupling coefficient ranging from minus 50 dB to minus 6 dB with unevenness from plus or minus 1 dB to plus or minus 0.1 dB, respectively; a change in the standing wave coefficient by voltage (hereinafter referred to as VSWR) of the waveguide input in the range from 1.05 to 1.10; change in VSWR of coaxial output in the range from 1.1 to 1.4; directivity change from 15 dB to 30 dB. The prototype of the inventive waveguide-strip directional coupler (hereinafter referred to as the coupler) is a waveguide-coaxial directional coupler according to A.S. No. 1700654. In the prototype, the coupling element is a plate with matching transitions at the ends, mounted on one narrow waveguide wall. In the present invention, the strip element conductor serves as a communication element, the length, transverse dimensions and location of which are selected from the condition of coordination with coaxial terminals, which simultaneously serve as conductor fastening elements. The direct transition of the strip line to the coaxial terminals at the same wave impedances does not require additional matching transitions, which leads to the broadband and simplicity of the design of the device. The absence of a mechanical connection between the conductor and the waveguide allows the construction of an adjustable directional coupler with one fixed output without impairing the electrical characteristics.
На фиг.1 приведена конструкция ответвителя в разрезе, вид сбоку; на фиг.2 - конструкция регулируемого ответвителя, вид сверху; на фиг.3 - вариант конструкции ответвителя с фиксированной связью и встроенной полосковой нагрузкой.Figure 1 shows the design of the coupler in the context, side view; figure 2 - design of an adjustable coupler, top view; figure 3 is a variant of the design of the coupler with a fixed connection and an integrated strip load.
Ответвитель, конструкция которого приведена на фиг.1, состоит из отрезка прямоугольного волновода 1 с фланцами 2. На утолщенной узкой стенке 3 размещены коаксиальные выводы 5 и 8. Центральные проводники 6 коаксиальных выводов соединены с проводником П-образной формы 7, который вместе с волноводом образует полосковую линию. Ширина W, толщина t проводника и его расстояние S от стенки волновода выбирается из условия согласования полосковой линии с коаксиальными выводами. Коэффициент связи полосковой линии с волноводом при фиксированных размерах проводника (l, W, S, t) и размерах волновода (а и b) нелинейно зависит от угла наклона плоскости проводника к широкой стенке волновода α. Для увеличения пределов изменения угла α, а следовательно, и коэффициента связи вывод 8 смещен к одной из широких стенок волновода. При неподвижном выводе 8 изменение коэффициента связи в регулируемом ответвителе, приведенном на фиг.2, достигается поворотом проводника 7 вместе с развязанным выводом 5 вокруг оси неподвижного вывода 8, для чего вывод 5 размещен на подвижном секторе 4. Для отсчета угла α (или соответствующего ему коэффициента связи) служит шкала 9. При использовании ответвителя с фиксированным коэффициентом связи, например, в волноводном тракте высокого уровня мощности развязанный вывод 5 может быть нагружен на встроенную полосковую нагрузку 10 с крышкой 11, как показано на фиг.3. Заявляемый ответвитель может использоваться в волноводных трактах, измерителях проходящей мощности, измерителях КСВН, в составе многоканальных делителей или разветвителей мощности, в том числе и антенных решетках с частотным сканированием, а также в качестве регулируемого аттенюатора.The coupler, the design of which is shown in Fig. 1, consists of a segment of a rectangular waveguide 1 with flanges 2. Coaxial leads 5 and 8 are placed on the thickened narrow wall 3. The central conductors 6 of the coaxial leads are connected to a U-shaped conductor 7, which together with the waveguide forms a strip line. The width W, the thickness t of the conductor and its distance S from the waveguide wall is selected from the condition of matching the strip line with the coaxial leads. The coupling coefficient of the strip line with the waveguide for fixed conductor sizes (l, W, S, t) and waveguide sizes (a and b) nonlinearly depends on the angle of inclination of the conductor plane to the wide waveguide wall α. To increase the limits of variation of the angle α, and hence the coupling coefficient, terminal 8 is shifted to one of the wide walls of the waveguide. With the fixed terminal 8, the change in the coupling coefficient in the adjustable coupler shown in FIG. 2 is achieved by turning the conductor 7 together with the untied terminal 5 around the axis of the stationary terminal 8, for which the terminal 5 is placed on the movable sector 4. To read the angle α (or the corresponding coupling coefficient) is scale 9. When using a coupler with a fixed coupling coefficient, for example, in a waveguide path of a high power level, the decoupled terminal 5 can be loaded on an integrated strip load 10 with a cover 11, to As shown in FIG. The inventive coupler can be used in waveguide paths, transmitting power meters, VSWR meters, as part of multi-channel dividers or power splitters, including antenna arrays with frequency scanning, and also as an adjustable attenuator.
