RU2436203C1

RU2436203C1 - Contradirectional strip coupler

Info

Publication number: RU2436203C1
Application number: RU2010125799/07A
Authority: RU
Inventors: Олег Юрьевич Морозов (RU); Олег Юрьевич Морозов; Анатолий Васильевич Семенов (RU); Анатолий Васильевич Семенов; Алексей Викторович Фатеев (RU); Алексей Викторович Фатеев; Геннадий Георгиевич Гошин (RU); Геннадий Георгиевич Гошин
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Научно-производственная фирма "Микран"
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2011-12-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: contradirectional strip coupler has a rectangular metallic housing with a rectangular cavity formed by the base and the top, first, second and third coaxial connectors and a resistive load. Three dielectric plates with an identical shape are placed one on top of the other in the rectangular cavity. A layer of plastic material is deposited on the first dielectric plate on the side of base of the housing and on the third dielectric plate on the side of the cover of the housing. There is a first and a second strip conductor connected to each other via nonuniform electromagnetic coupling on both surfaces of the second dielectric plate. The beginning and the end of the second strip conductor and the beginning of the second strip conductor are connected to inner conductors of corresponding coaxial connectors, and the end of the second strip conductor is connected to the second lead of the resistive load. There are also two identical pentagon-shaped film-type conducting elements on both sides of the second dielectric plate, and two metallic cylinders provide ohmic contact between the film-type conducting elements and the housing. First ends of film-type metal strips are attached in slits formed in rear parts of the inner conductors of the coaxial connectors and in the second lead of the resistive load, and second ends of said strips are tightly pressed to the beginning and end of corresponding strip conductors.

EFFECT: wider operating frequency range of the contradirectional strip coupler.

2 cl, 11 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам сверхвысокочастотной (СВЧ) техники и может найти применение в области радиолокации, радионавигации, связи, антенно-фидерных системах и радиоизмерительной технике для направленного ответвления части мощности из СВЧ-тракта.The invention relates to devices for microwave technology and may find application in the field of radar, radio navigation, communications, antenna-feeder systems and radio metering technology for directional branching of part of the power from the microwave path.

Основными характеристиками полоскового противонаправленного ответвителя, содержащего один вход и три выхода, первый из которых является выходом основного канала, второй - выходом ответвляющего канала (канала, ответвляющего часть мощности из основного канала) и третий - выходом, нагружаемым на согласованную нагрузку, являются диапазон рабочих частот, коэффициент связи, выраженный в децибелах (отношение мощностей, поступающих на вход ответвителя и его второй выход при подключении согласованной нагрузки к первому выходу), развязка, выраженная в децибелах, между первым и вторым выходами при подключении согласованной нагрузки ко входу ответвителя, ослабление основного канала, выраженное в децибелах, и коэффициенты стоячих волн со стороны входа и выходов ответвителя. Производной характеристикой устройства является коэффициент направленности (разность коэффициента связи и названной развязки, выраженная в децибелах).The main characteristics of a strip anti-directional coupler containing one input and three outputs, the first of which is the output of the main channel, the second - the output of the branch channel (the channel branching part of the power from the main channel) and the third - the output loaded to the matched load, are the operating frequency range , the coupling coefficient, expressed in decibels (the ratio of the power supplied to the input of the coupler and its second output when connecting the matched load to the first output), isolation, expressed decibels between the first and second outputs when connecting a matched load to the coupler input, the decay of the main channel, expressed in decibels, and standing wave coefficients from the input and output sides of the coupler. A derivative characteristic of the device is the directivity coefficient (the difference between the coupling coefficient and the named decoupling, expressed in decibels).

Известен полосковый противонаправленный ответвитель (Патент US №6437661, МПК Н01Р 5/18, опубл. 20.08.2002 г.), содержащий прямоугольный металлический корпус, выполненный из двух частей, в котором образована прямоугольная полость и четыре сквозных прямоугольных отверстия, три одинаковые по форме диэлектрические пластины, размещенные друг на друге. С обеих сторон средней диэлектрической пластины нанесены Z-образные полосковые проводники, концевые части которых расположены под углом 90° к их средним частям, расположенным вдоль продольной осевой линии средней пластины и совместно с нижней и верхней металлическими поверхностями внутренней полости корпуса, образующими отрезок двухпроводной линии передачи (полосковые проводники связаны между собой лицевой однородной электромагнитной связью).Known strip antidirectional coupler (US Patent No. 6437661, IPC Н01Р 5/18, published on 08/20/2002), containing a rectangular metal housing made of two parts, in which a rectangular cavity and four through rectangular holes are formed, three identical in shape dielectric plates placed on top of each other. Z-shaped strip conductors are applied on both sides of the middle dielectric plate, the end parts of which are located at an angle of 90 ° to their middle parts located along the longitudinal axial line of the middle plate and together with the lower and upper metal surfaces of the internal cavity of the housing, forming a segment of the two-wire transmission line (strip conductors are interconnected by a front homogeneous electromagnetic coupling).

Недостатком данного технического решения, так же как и других односекционных полосковых противонаправленных ответвителей с однородной электромагнитной связью, являются относительно небольшой коэффициент перекрытия рабочего диапазона частот и относительно большие значения коэффициентов стоячих волн со стороны входа и выходов устройства.The disadvantage of this technical solution, as well as other single-section strip counter-directional couplers with uniform electromagnetic coupling, are the relatively small coefficient of overlap of the working frequency range and the relatively large values of the standing wave coefficients from the input and output sides of the device.

Наиболее близким техническим решением, выбранным нами за прототип, является полосковый противонаправленный ответвитель (Патент US №4139827, МПК Н01P 5/18, опубл. 13.02.1979 г.), содержащий прямоугольный металлический корпус с прямоугольной полостью, образованной основанием и крышкой, в котором выполнены четыре сквозных отверстия, три коаксиальных разъема, которые закреплены над первым, вторым и третьим отверстиями корпуса соответственно, и резистивную нагрузку. В прямоугольной полости расположены одна на другой три одинаковые по форме диэлектрические пластины. На обеих поверхностях второй диэлектрической пластины расположены связанные между собой неоднородной электромагнитной связью первый и второй полосковые проводники и два одинаковых пленочных проводящих элемента, выполненных в виде пятиугольника. Два металлических цилиндра осуществляют гальванический контакт между пленочными проводящими элементами и корпусом и расположены в выполненных для них в первой и третьей диэлектрических пластинах цилиндрических отверстиях.The closest technical solution that we have chosen for the prototype is a strip anti-directional coupler (US Patent No. 4139827, IPC H01P 5/18, publ. 02/13/1979), containing a rectangular metal case with a rectangular cavity formed by a base and a cover in which made four through holes, three coaxial connectors, which are mounted above the first, second and third holes of the housing, respectively, and a resistive load. Three rectangular dielectric plates are arranged in a rectangular cavity on top of each other. On both surfaces of the second dielectric plate, first and second strip conductors and two identical film conductive elements made in the form of a pentagon are connected to each other by an inhomogeneous electromagnetic coupling. Two metal cylinders make galvanic contact between the film conductive elements and the housing and are located in the cylindrical holes made for them in the first and third dielectric plates.

Недостатком известного технического решения являются недостаточный для ряда применений устройства диапазон рабочих частот.A disadvantage of the known technical solutions are insufficient for a number of applications of the device operating frequency range.

Основной технической задачей предложенного решения является расширение диапазона рабочих частот.The main technical objective of the proposed solution is to expand the range of operating frequencies.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в полосковом противонаправленном ответвителе, содержащем прямоугольный металлический корпус с прямоугольной полостью, образованной основанием и крышкой, в котором выполнены четыре сквозных отверстия, первое и второе отверстия расположены на одной оси и выполнены со стороны входной и выходной граней корпуса, третье и четвертое отверстия выполнены на одинаковом расстоянии от входной и выходной граней корпуса со стороны его левой боковой грани, три коаксиальных разъема, которые закреплены над первым, вторым и третьим отверстиями корпуса соответственно, и резистивную нагрузку, расположенную над четвертым отверстием, первый вывод которой соединен с корпусом, в прямоугольной полости корпуса расположены одна над другой три одинаковые по форме диэлектрические пластины, первая диэлектрическая пластина и третья диэлектрическая пластина прилегают к основанию и к крышке соответственно, на обеих поверхностях второй диэлектрической пластины расположены связанные между собой неоднородной электромагнитной связью первый и второй полосковые проводники, по одному с каждой стороны, имеющие прямолинейные участки и которые расположены симметрично расходящимися относительно продольной линии, проходящей в срединной плоскости второй диэлектрической пластины, от начала максимальной области связи, расположенной со стороны входной грани корпуса, до области минимальной связи, расположенной со стороны выходной грани корпуса, с дальнейшим уменьшением связи между конечными частями полосковых проводников, начало и конец первого полоскового проводника и начало второго полоскового проводника соединены с внутренними проводниками соответствующих коаксиальных разъемов, конец второго полоскового проводника соединен со вторым выводом резистивной нагрузки, сопротивление которой равно волновому сопротивлению трактов, к которым подключаются первый, второй и третий коаксиальные разъемы, два одинаковых пленочных проводящих элемента, выполненных в виде пятиугольника с двумя прямыми, двумя одинаковыми тупыми и одним острым углами, проекции которых на срединную плоскость второй диэлектрической пластины совпадают, и которые со стороны входной грани корпуса направлены острыми углами в сторону максимального сближения полосковых проводников, два металлических цилиндра, диаметр которых не превышает диаметра окружности, вписанной в названный пятиугольник, а высота каждого из которых равна толщине первой и третьей диэлектрической пластины соответственно, осуществляющие гальванический контакт между пленочными проводящими элементами и корпусом и расположенные в выполненных для них в первой и третьей диэлектрических пластинах цилиндрических отверстиях, согласно предложенному решению в основании корпуса выполнены четыре прямоугольные канавки, нижние поверхности которых являются продолжением днища основания, каждая из диэлектрических пластин содержит четыре выступа, ширина и высота которых равна ширине и длине соответствующего отверстия корпуса и которые своими концами доходят до входной, выходной и левой боковой граней корпуса, диэлектрические пластины выполнены из пластичного материала, на первую и третью диэлектрические пластины со стороны основания и крышки соответственно, нанесены слои пластичного металла, пленочные проводящие элементы выполнены из резистивного материала с удельным поверхностным сопротивлением 33-75 Ом/квадрат, в прорезях, образованных в тыльных частях внутренних проводников коаксиальных разъемов и во втором выводе резистивной нагрузки, закреплены первые концы пленочных металлических полосок, а вторые концы их плотно прижаты к началу первого, концу первого, началу второго и концу второго полосковых проводников первой и третьей диэлектрическими пластинами, начальная и конечная части второго полоскового проводника выполнены с плавными поворотами от концов прямолинейного участка к своим началу и концу, начальная и конечная части первого полоскового проводника выполнены в виде полуволн, в которых криволинейные участки, прилегающие к прямолинейному, расположены симметрично начальным участкам плавных поворотов второго полоскового проводника относительно упомянутой продольной линии, проходящей в срединной плоскости второй диэлектрической пластины.The solution to this problem is achieved by the fact that in a strip counter-directional coupler containing a rectangular metal housing with a rectangular cavity formed by a base and a cover, in which four through holes are made, the first and second holes are located on the same axis and are made from the input and output sides of the housing, the third and fourth holes are made at the same distance from the input and output faces of the housing from the side of its left side edge, three coaxial connectors, which are fixed above the first, second and third openings of the housing, respectively, and the resistive load located above the fourth opening, the first terminal of which is connected to the housing, in the rectangular cavity of the housing are located one above the other three identical in shape dielectric plates, the first dielectric plate and the third dielectric plate are adjacent to the base and to the cover, respectively, on both surfaces of the second dielectric plate are located the first and second interconnected by an inhomogeneous electromagnetic coupling th strip conductors, one on each side, having straight sections and which are located symmetrically diverging relative to a longitudinal line passing in the median plane of the second dielectric plate, from the beginning of the maximum communication region located on the input side of the housing to the minimum communication region located with side of the output face of the housing, with a further decrease in the connection between the end parts of the strip conductors, the beginning and end of the first strip conductor and the beginning of the second a strip conductor is connected to the inner conductors of the respective coaxial connectors, the end of the second strip conductor is connected to a second terminal of the resistive load, the resistance of which is equal to the wave impedance of the paths to which the first, second and third coaxial connectors are connected, two identical film conductive elements made in the form of a pentagon with two straight, two identical obtuse and one acute angles, the projections of which on the median plane of the second dielectric plate coincide give, and which are directed from the input face of the housing by sharp angles towards the maximum approximation of the strip conductors, two metal cylinders, the diameter of which does not exceed the diameter of the circle inscribed in the pentagon, and the height of each of which is equal to the thickness of the first and third dielectric plates, respectively, galvanic contact between the film conductive elements and the housing and located in the cylindrical cylindrical ohms made for them in the first and third dielectric plates according to the proposed solution, four rectangular grooves are made in the base of the case, the lower surfaces of which are extensions of the bottom of the base, each of the dielectric plates contains four protrusions, the width and height of which are equal to the width and length of the corresponding opening of the case and which reach their input, output and left side faces of the housing, dielectric plates are made of plastic material, on the first and third dielectric plates from the side of the base and cover, respectively layers of ductile metal are deposited, the film conductive elements are made of a resistive material with a specific surface resistance of 33-75 Ohm / square, in the slots formed in the rear parts of the internal conductors of the coaxial connectors and in the second output of the resistive load, the first ends of the film metal strips are fixed, and their second ends are tightly pressed to the beginning of the first, the end of the first, the beginning of the second and the end of the second strip conductors of the first and third dielectric plates, the initial and final parts The second strip conductor is made with smooth rotations from the ends of the rectilinear section to its beginning and end, the initial and final parts of the first strip conductor are made in the form of half waves, in which the curved sections adjacent to the rectilinear are symmetrical to the initial sections of the smooth rotations of the second strip conductor relative to the aforementioned a longitudinal line extending in the median plane of the second dielectric plate.

Диэлектрические пластины могут быть выполнены из фторопласта.Dielectric plates can be made of fluoroplastic.

Изобретение поясняется следующими чертежами.The invention is illustrated by the following drawings.

На фиг.1 представлен внешний вид предлагаемого полоскового противонаправленного ответвителя, на фиг.2 и на фиг.3 - его разрезы А-А и Б-Б в различных плоскостях сечения; на фиг.4 - внешний вид второй диэлектрической пластины; на фиг.5 - продольный разрез второго коаксиального разъема; на фиг.6-8 приведены графики зависимостей коэффициентов стоячих волн (КСВН) от частоты со стороны входа, со стороны первого выхода и со стороны второго выхода соответственно, полученные при работе устройства-прототипа и предлагаемого устройства; на фиг.9 - графики зависимостей ослабления от частоты основного канала (между входом и первым выходом), полученные при работе устройства-прототипа и предлагаемого устройства; на фиг.10 - графики зависимостей коэффициента связи от частоты между входом и вторым выходом, полученные при работе устройства-прототипа и предлагаемого устройства; на фиг.11 - графики зависимостей коэффициента связи от частоты между входом и вторым выходом, полученные при работе устройства-прототипа и предлагаемого устройства.Figure 1 presents the appearance of the proposed strip of the directional coupler, figure 2 and figure 3 - its sections aa and bb in different section planes; figure 4 is an external view of the second dielectric plate; figure 5 is a longitudinal section of a second coaxial connector; 6-8 are graphs of the dependences of the standing wave coefficients (VSWR) on the frequency from the input side, from the first output side and from the second output side, respectively, obtained during operation of the prototype device and the proposed device; figure 9 - graphs of the dependences of the attenuation on the frequency of the main channel (between the input and the first output) obtained during operation of the prototype device and the proposed device; figure 10 - graphs of the dependencies of the coupling coefficient on the frequency between the input and the second output, obtained during operation of the prototype device and the proposed device; figure 11 - graphs of the dependencies of the coupling coefficient on the frequency between the input and the second output, obtained during operation of the prototype device and the proposed device.

Графики зависимостей, приведенные на фиг.6-11, были получены путем компьютерного моделирования с использованием специализированных пакетов прикладных программ. Удельное поверхностное сопротивление пятиугольных пленочных проводящих элементов при этом составляло 50 Ом/квадрат, а диаметр металлических цилиндров составлял 0,7 от диаметра окружности, вписанной в пятиугольник.The dependency graphs shown in Fig.6-11, were obtained by computer simulation using specialized application packages. The specific surface resistance of the pentagonal film conductive elements was 50 Ohm / square, and the diameter of the metal cylinders was 0.7 of the diameter of the circle inscribed in the pentagon.

Полосковый противонаправленный ответвитель содержит прямоугольный металлический корпус 1 с прямоугольной полостью, образованной основанием 2 и крышкой 3, первый, второй и третий коаксиальные разъемы 4, 5 и 6, которые закреплены над сквозными отверстиями, выполненными в корпусе со стороны входной, выходной и левой грани корпуса соответственно. Резистивная нагрузка 7 расположена над четвертым отверстием. В прямоугольной полости расположены одна на другой три одинаковые по форме диэлектрические пластины 8, 9 и 10. На первую диэлектрическую пластину 8 со стороны основания корпуса и на третью диэлектрическую пластину 10 со стороны крышки корпуса нанесен слой пластичного материала 11. На обеих поверхностях второй диэлектрической пластины 10 расположены связанные между собой неоднородной электромагнитной связью первый и второй полосковые проводники 12, 13, по одному с каждой стороны, начало и конец первого полоскового проводника 12 и начало второго полоскового проводника 13 соединены с внутренними проводниками соответствующих коаксиальных разъемов 4, 5 и 6, а конец второго полоскового проводника 13 соединен со вторым выводом резистивной нагрузки 7. Также с обеих сторон второй диэлектрической пластины 10 расположены два одинаковых пленочных проводящих элемента 14, выполненных в виде пятиугольника, а два металлических цилиндра 15 осуществляют гальванический контакт между пленочными проводящими элементами 14 и корпусом 1. В прорезях, образованных в тыльных частях внутренних проводников коаксиальных разъемов 4, 5 и 6 и во втором выводе резистивной нагрузки 7, закреплены первые концы пленочных металлических полосок 16, а вторые концы их плотно прижаты к началу и концу первого полоскового проводника 12, началу и концу второго полоскового проводника 13 первой и третьей диэлектрическими пластинами 8 и 9.The strip anti-directional coupler contains a rectangular metal housing 1 with a rectangular cavity formed by the base 2 and the cover 3, the first, second and third coaxial connectors 4, 5 and 6, which are fixed over the through holes made in the housing from the input, output and left sides of the housing respectively. Resistive load 7 is located above the fourth hole. Three rectangular dielectric plates 8, 9 and 10 are arranged on top of each other in a rectangular cavity. A layer of plastic material 11 is applied to the first dielectric plate 8 from the side of the housing base and to the third dielectric plate 10 from the side of the housing cover 11. On both surfaces of the second dielectric plate 10, the first and second strip conductors 12, 13 are connected to each other by an inhomogeneous electromagnetic coupling, one on each side, the beginning and end of the first strip conductor 12 and the beginning of the second the strip conductor 13 is connected to the inner conductors of the respective coaxial connectors 4, 5 and 6, and the end of the second strip conductor 13 is connected to the second terminal of the resistive load 7. Also on the two sides of the second dielectric plate 10 are two identical film conductive elements 14 made in the form of a pentagon and two metal cylinders 15 carry out galvanic contact between the film conductive elements 14 and the housing 1. In the slots formed in the rear parts of the inner conductors axial connectors 4, 5 and 6 and in the second output of the resistive load 7, the first ends of the film metal strips 16 are fixed, and their second ends are tightly pressed to the beginning and end of the first strip conductor 12, the beginning and end of the second strip conductor 13 of the first and third dielectric plates 8 and 9.

Расширение диапазона рабочих частот у предлагаемого полоскового противонаправленного ответвителя достигают, главным образом, за счет выполнения пленочных проводящих элементов 14 из резистивного материала. В результате это приводит к уменьшению паразитных связей на верхних рабочих частотах. Выполнение диэлектрических пластин 8, 9 и 10 из пластичного материала, в частности из фторопласта, и нанесение на первую и третью диэлектрические пластинки 8 и 9 слоев пластичного металла 11 гарантируют отсутствие узких воздушных зазоров-резонаторов между первой 8 и третьей 9 диэлектрическими пластинками и корпусом 1, а также между всеми диэлектрическими пластинами 8, 9 и 10 в широком диапазоне рабочих температур, что также способствует расширению диапазона рабочих частот предлагаемого устройства.The extension of the operating frequency range of the proposed strip counter directional coupler is achieved mainly due to the implementation of the film conductive elements 14 of the resistive material. As a result, this leads to a decrease in spurious connections at the upper operating frequencies. The implementation of the dielectric plates 8, 9 and 10 of a plastic material, in particular fluoroplastic, and the application of the first and third dielectric plates 8 and 9 of the layers of plastic metal 11 guarantee the absence of narrow air gaps-resonators between the first 8 and third 9 dielectric plates and the housing 1 , as well as between all dielectric plates 8, 9 and 10 in a wide range of operating temperatures, which also helps to expand the range of operating frequencies of the proposed device.

Из графиков частотных зависимостей, приведенных на фиг.6-11, следует, что устройство-прототип имеет удовлетворительные характеристики на частотах до 18-20 ГГц, а предлагаемый противонаправленный ответвитель - до 30 ГГц.From the graphs of the frequency dependencies shown in Fig.6-11, it follows that the prototype device has satisfactory characteristics at frequencies up to 18-20 GHz, and the proposed anti-directional coupler is up to 30 GHz.

Claims

1. Strip anti-directional coupler containing a rectangular metal housing with a rectangular cavity formed by a base and a cover in which four through holes are made, the first and second holes are located on the same axis and are made from the input and output faces of the housing, the third and fourth holes are made on the same distance from the input and output faces of the housing from the side of its left side edge, three coaxial connectors that are fixed above the first, second and third openings of the housing respectively, and the resistive load located above the fourth hole, the first terminal of which is connected to the housing, in the rectangular cavity of the housing are three identical dielectric plates one above the other, the first dielectric plate and the third dielectric plate are adjacent to the base and to the cover, respectively, on both the first and second strip conductors are connected to each other by the surfaces of the second dielectric plate, interconnected by an inhomogeneous electromagnetic coupling, one on each side lines having straight sections, and which are located symmetrically diverging relative to a longitudinal line passing in the median plane of the second dielectric plate, from the beginning of the maximum communication region located on the input side of the housing to the minimum communication region located on the output side of the housing, with further by reducing the connection between the end parts of the strip conductors, the beginning and end of the first strip conductor and the beginning of the second strip conductor are connected to the internal by the ovodniks of the corresponding coaxial connectors, the end of the second strip conductor is connected to the second output of the resistive load, the resistance of which is equal to the wave impedance of the paths to which the first, second and third coaxial connectors are connected, two identical film-conducting elements made in the form of a pentagon with two straight, two identical obtuse and one acute angles, the projections of which on the median plane of the second dielectric plate coincide, and which are from the input face of the housing directed by sharp angles towards the maximum approximation of the strip conductors, two metal cylinders, the diameter of which does not exceed the diameter of the circle inscribed in the pentagon, and the height of each of which is equal to the thickness of the first and third dielectric plates, respectively, making galvanic contact between the film-conducting elements and the body and located in the cylindrical holes made for them in the first and third dielectric plates, characterized in that at the base Four rectangular grooves are made, the lower surfaces of which are a continuation of the bottom of the base, each of the dielectric plates contains four protrusions, the width and height of which are equal to the width and length of the corresponding opening of the housing and which their ends reach the input, output and left side faces of the housing, dielectric plates made of plastic material, on the first and third dielectric plates from the base and the cover, respectively, layers of plastic metal are applied, film conductive These elements are made of resistive material with a specific surface resistance of 33-75 Ohm / square, in the slots formed in the rear parts of the internal conductors of the coaxial connectors and in the second output of the resistive load, the first ends of the film metal strips are fixed, and the second ends are tightly pressed to the beginning the first, the end of the first, the beginning of the second and the end of the second strip conductors of the first and third dielectric plates, the initial and final parts of the second strip conductor are made with smooth mouths from the ends of the rectilinear section to its beginning and end, the initial and final parts of the first strip conductor are made in the form of half waves, in which the curved sections adjacent to the rectilinear are symmetrical to the initial sections of the smooth turns of the second strip conductor relative to the said longitudinal line passing in the median plane second dielectric plate.

2. Strip anti-directional coupler according to claim 1, characterized in that its dielectric plates are made of fluoroplastic.