Невзаимные делители СВЧ-мощности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кирсанов Ю.А.

Невзаимные делители СВЧ-мощности

К недостаткам известных [1] взаимных делителей СВЧ-мощности можно отнести зависимость коэффициента отражения со входа устройства от согласования подключаемых к выходам нагрузок. В настоящей работе приводятся схемы и результаты экспериментального исследования трёхканального и четырёхканального делителей, работающих на поверхностной ферритовой волне (ПФВ). В этих приборах развязки между каналами обусловлены однонаправленным распространением ПФВ в линиях передачи с намагниченным ферритом [2]. Исследования проводились в 2-х сантиметровом диапазоне длин волн.

I. Невзаимный волноводный трёхканальный делитель

На рис.1 приведена схема делителя Устройство состоит из запредельного отрезка волновода 1, вдоль узких стенок которого расположены поперечно намагниченные полем Н_е в противоположных напрвлениях прямоугольные ферритовые вкладыши 2. В запредельном отрезке волновода 1 по его оси между ферритовыми вкладышами 2 в Е-плоскости расположена металлическая стенка 3. Последняя гальванически связана с широкими стенками волновода. Со стороны входного канала делителя концы ферритовых вкладышей выступают из-за металлической стенки 3 на величину не менее л₀/16 и не более л₀/4. К входному I и выходным каналам II и III подключаются волноводы нормального сечения (для волны Н₁₀). Выходные каналы могут быть выполненны в виде микрополосковых линий. Тогда диэлнектрическая подложка каждой микрополосковой линии примыкает к одному из ферритовых вкладышей, токонесущий проводник линии гальванически связан с одной из широких стенок волновода, а экранная плоскость линии совмещена с противоположной широкой стенкой волновода [3],[4].

Принцип работы делителя заключается в следующем. При возбуждении канала I волноводный тип волны Н₁₀ на выступающих концах ферритовых вкладышей преобразуется в ПФВ. Для регулировки эффективности преобразования волны Н₁₀ в ПФВ введены преобразователи типов волн [5], выполненные в виде резонансных винтов 4. Для ПФВ запредельный отрезок волновода с двумя ферритовыми вкладышами и металлической стенкой 3 представляет собой две параллельно включенные линии передачи одинакового сопротивления.

Таким образом, волна Н₁₀, трансформируясь в ПФВ, распространяется вдоль внутренних границ ферритовых вкладышей, разделяясь металлической стенкой на две равные части. В выходных каналах ПФВ трансформируется в волноводный тип (Н₁₀). В обратных направлениях II>I, III>I из-за наличия электрических стенок вдоль внешних границ ферритовых вкладышей, а также запредельности волновода для волны Н₁₀ сигнал не распространяется. Большая величина обратного затухания обуславливает постоянство коэффициента отражения со стороны входного плеча при изменении коэффициента отражения нагрузок в выходных каналах.

Прибор в двухсантиметровом диапазоне длин волн в полосе частот 15% имеет: КСВН каждого плеча не более 1,2; прямое затухание не более 0,5 дб (без учета деления мощности); развязки между выходными каналами , а также между каждым выходным и входным каналами не менее 35дб. Неравномерность деления мощности между каналами составляет не более 0,15 дб. Рабочий интервал температур: -60⁰С + 80⁰С. Устройство имеет габаритные размеры: 35х30х25мм.

невзаимные делители волноводный микрополосковый

II. Невзаимный коаксиально-микрополосковый четырёхканальный делитель

На рис.2 приведена схема прибора. Устройство содержит три микрополосковых линии передачи 1, выполненные на поперечно намагниченной полем Н_е ферритовой подложке 2. Указанные микрополосковые линии связаны между собой и коаксиальным каналом 3 через радиальную линию 4. Ориентация внешнего подмагничивающего поля выбирается так, чтобы коаксиальный канал был входным, а микрополосковые - выходными.

Принцип действия делителя аналогичен вышеописанному волноводному устройству и сводится к следующему. При возбуждении коаксиального канала 1 волна типа ТЕМ с помощью подстроечного элемента 7 преобразуется в ПФВ. Последняя распространяется по микрополосковым линиям в направлении выходных плеч II,III,IV. При равном делении мощности между выходными каналами величина связи микрополосковых линий с коаксиальной линией выбирается одинаковой. Благодаря однонаправленным свойствам П-образной микрополосковой линии, выполненной на поперечно намагниченной ферритовой подложке, каналы II,I; III,I; IV,I; II,III; II,IV; IV,III взаимно развязаны. При конструировании делителя необходимо решить задачу согласования волнового сопротивления коаксиального канала с волновым сопротивлением микрополосковых линий, выполненных на поперечно намагниченной ферритовой подложке.

На рис. 3 изображена эквивалентная схема n - плечного делителя. Условием согласования микрополосковых линий с коаксиальным каналом является равенство:

где: W₀ - волновое сопротивление коаксиальной линии;

W_L - волновое сопротивление микрополосковой линии на ферритовой подложке;

n - число микрополосковых линий;

L - индуктивность подстроичного элемента;

С - ёмкость радиальной линии;

щ - частота сигнала.

При малой величине зазора в радиальной линии и отрицательном значении эффективной магнитной проницаемости ферритовой подложки (последнее объясняется тем , что основным типом волны в микрополосковой линии является ПФВ) элемегнты С и L можно определить соответственно: как ёмкость плоского конденсатора и индуктивность металлического стержня в круглом резонаторе. В указанном приближении резонансная частота сочленения имеет вид:

F_р = , (2)

где: =0,886·10 ^-11 ф/м; = 1,256·10^-6 Гн/м; d - зазор в радиальной линии; h - толщина ферритовой подложки; R₁ - радиус отверстия в радиальной линии; R₂ - радиус отверстия в ферритовой подложке; r - радиус подстроечного элемента.

В области высоких частот, т.е. при (щСW₀)²>>1, на резонансной частоте выражение (1) принимает вид:

где

Известно [6], что величина W_L составляет единицы Ом. При необходимости волновое сопротивление коаксиальной линии W₀ можно трансформировать до величины, удовлетворяющей соотношению (3). Последнее осуществляется с помощью четвертьволнового трансформатора 8, включаемого в коаксиальный канал.

Практика показывает, что в 2-х сантиметровом диапазоне длин волн при n = 3 размеры подстроечных элементлов делителя и трансформированное волновое сопротивление коаксиальной линии соответственно равны: d = 0,1 мм; h = 2 мм; R₁ = 5 мм; R₂ = 6мм; r = 2,5 мм; W₀ = 16 Ом, т.е.ыражения (2) и (3) дают хорошее соответствие эксперименту. Величина намагниченности насыщения ферритового материала (4M_s), величина внешнего подмагничивающего поля (Н_е) и ширина микрополоскового проводника выбирались в соответствии с рекомендациями работы [2] и соответственно равны : 3500 Гс (марка ферритового материала 2СЧ-7), 2500 Э (величина поля измерялась в зазоре 2 мм) и 5 мм. Толщина ферритовой подложки составляет 2 мм.

Четырёхканальный коаксиально - микрополосковый невзаимный делитель 2-х сантиметрового диапазона длин волн с одним коаксиальным и тремя микрополосковыми каналами в полосе частот 15% имеет КСВН каждого плеча не более 1,2; прямые потери (без учета деления) не более 0,6дб; неравномерность деления мощности по каналам не более 0,15 дб; обратное затухание между каждым выходным и входным каналами не менее 45 дб; развязки между выходными каналами составляют не менее 30дб; интервал рабочих температур: -60⁰С + 80⁰С. Прибор имнеет габаритные размеры :40х40х35 мм³.

В заключение можно отметить, что невзаимные делители, работающие на ПФВ, по сравнению с известными взаимными делителями имеют больше величину развязки между выходными и входным каналами, а при изменении числа выходов габаритные размеры делителя изменяются незначительно. На рис.4 приведён внешний вид 3-х канального волноводно - коаксиального и 6-ти канального коаксиального делителей мощности 2-х сантиметрового диапазона длин волн.

ЛИТЕРАТУРА

1. Антенны и устройства СВЧ. Под ред. Д.И.Воскресенского. М.: Радио и связь, 1981, с. 408 - 418.

2. Кирсанов Ю.А. и др. Экспериментальное исследование волноводных развязывающих СВЧ-устройств, работающих на поверхностной ферритовой волне. - Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ, 1977, вып. 3 , с. 30 - 36.

3. Кирсанов Ю.А. и др. Делитель СВЧ-мощности. Патент Р.Ф. № 1145873, 1993г.

4. Кирсанов Ю.А. и др. Невзаимный делитель СВЧ мощности. Патент Р.Ф. № 1786558, 1993г.

5. Кирсанов Ю.А. и др. Развязывающее устройство. Патент Р.Ф. № 1371323, 1993г.

6. Кирсанов Ю.А. и др. Экспериментальные результаты исследования волноводно-коаксиальных циркуляторов СВЧ. - Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ, 1980, вып. 2, с. 95 - 98.

Размещено на Allbest.ru