Волноводный аттенюатор

Предлагаемая полезная модель относится к технике СВЧ и может быть использована в волноводных трактах для плавной регулировки уровня мощности сигналов, передаваемых по тракту. Волноводный аттенюатор содержит отрезок прямоугольного волновода, шлейфы, установленные на расстоянии друг от друга и полупроводниковые диоды. Для обеспечения плавной регулировки уровня мощности СВЧ сигналов, передаваемых по отрезку прямоугольного волновода в диапазоне частот шлейфы установленные на широкой стенке отрезка прямоугольного волновода выполнены в виде короткозамкнутых четвертьволновых отрезков коаксиальных линий, во внутренние проводники которых установлено по полупроводниковому диоду, каждый из которых подключен к устройству управления. Размеры поперечных сечений отрезков коаксиальных линий выбраны из условия возможности существования (распространения) в них только основного типа волны - ТЕМ.

Предполагаемая полезная модель относится к технике СВЧ и может быть использована в волноводных трактах для плавной регулировки уровня мощности сигналов, передаваемых по тракту.

Известны аттенюаторы [Ю.В.Пименов, В.И.Вольман, А.Д.Муравцов. Техническая электродинамика «Радио и связь», Москва, 2002 г.] содержащие отрезок волновода, внутри которого в Е-плоскости установлена диэлектрическая пластина, покрытая слоем поглощающего материала.

Регулировка уровня мощности, передаваемого по волноводному тракту сигнала, в таком аттенюаторе осуществляется механическим перемещением пластины в направлении увеличения или уменьшения напряженности электрического поля в волноводе. Их недостаток состоит в необходимости ручной регулировки.

Наиболее близкой по технической сущности является конструкция «Волноводного ступенчатого аттенюатора» [Л.З.Пазин, А.В.Каровецкий А.С. СССР 556522 кл. Н01Р 1/22 1976 г.], содержащего отрезок прямоугольного волновода, к которому на расстояниях равных друг от друга через щелевые коммутирующие модули подключены волноводные шлейфы с поглощающими нагрузками, а «между щелевыми коммутирующими модулями и волноводными шлейфами включены четвертьволновые отрезки, размеры узких стенок которых выбраны меньшими, чем размеры узких стенок соответствующих волноводных шлейфов», где _O - длина волны в волноводе

Их недостаток состоит в ступенчатой регулировке мощности передаваемого по волноводному тракту сигнала.

Технический эффект предлагаемого аттенюатора состоит в обеспечении плавной регулировки уровня мощности СВЧ сигналов, передаваемых по отрезку прямоугольного волновода в диапазоне частот. Сущность предлагаемого волноводного аттенюатора состоит в том, что он содержит отрезок прямоугольного волновода, шлейфы, установленные на расстоянии друг от друга и полупроводниковые диоды.

Новым в предлагаемом волноводном аттенюаторе является то, что шлейфы установленные на широкой стенке отрезка прямоугольного волновода выполнены в виде короткозамкнутых четвертьволновых отрезков коаксиальных линий, во внутренние проводники которых установлено по полупроводниковому диоду, каждый из которых подключен к устройству управления. Размеры поперечных сечений отрезков коаксиальных линий выбраны из условия возможности существования (распространения) в них только основного типа волны - ТЕМ.

На фиг.1 изображен предлагаемый волноводный аттенюатор.

На фиг.2 представлен характер распределения СВЧ тока, в зависимости от величины тока управления:

где а - распределение СВЧ тока на внутреннем проводнике отрезка коаксиальной линии внутри шлейфа и его продолжении, проходящем сквозь внутреннюю полость отрезка прямоугольного волновода при обесточенном диоде;

б) - распределение СВЧ тока на внутреннем проводнике отрезка коаксиальной линии внутри шлейфа и его продолжении, проходящем сквозь внутреннюю полость отрезка прямоугольного волновода при токе управления равном току насыщения диода (условно внутреннее сопротивление диода принято равным нулю)

На фиг.3 представлен характер ослабления (R) мощности, проходящей через отрезок прямоугольного волновода в зависимости от тока управления.

Волноводный аттенюатор состоит из отрезка прямоугольного волновода 1, на одной из широких стенок 2 которого на расстоянии друг от друга установлены коаксиальные шлейфы 3, выполненные в виде короткозамкнутых четвертьволновых отрезков коаксиальных линий. Во внутренние проводники 4 отрезков коаксиальных линий установлено по полупроводниковому диоду 5, к каждому из которых подключено устройство управления - источник тока 6.

Волноводный аттенюатор работает следующим образом:

В обесточенном состоянии полупроводниковый диод 5, включенный во внутренний проводник 4 четвертьволнового отрезка коаксиальной линии, представляет собой диэлектрик. Поэтому отрезок коаксиальной линии образующий шлейф 3 оказывается не замкнутым, а участок наружного проводника отрезка коаксиальной линии соответствующий участку внутреннего проводника 4, содержащему полупроводниковый диод 5, представляет собой круглую цилиндрическую трубу - круглый волновод запредельного сечения.

Бегущая волна электромагнитного поля, распространяющегося вдоль отрезка прямоугольного волновода 1, возбуждает в отрезке коаксиальной линии волну ТЕМ. Но она (волна ТЕМ) не может существовать на участке, где внутренний проводник 4 коаксиальной линии заменен диэлектриком - обесточенным полупроводниковым диодом 5. Преобразование же волны ТЕМ в волну E₀₁ родственную ей по структуре поля в круглом волноводе невозможно в силу его запредельности.

В результате на внутреннем проводнике 4 отрезка коаксиальной линии возбуждается стоячая волна СВЧ тока соответствующая разомкнутой линии.

Суммарная общая длина внутреннего проводника 4 четвертьволнового отрезка коаксиальной линии и его продолжения, проходящего сквозь внутреннюю полость отрезка прямоугольного волновода 1, приблизительно равна (_O - длина волны в свободном пространстве)

При этом СВЧ ток, наводимый на нем, представляет собой стоячую волну с косинусоидальным амплитудным распределением и не меняет своего направления по всей его длине.(фиг.2а)

При подаче (включении) управляющего тока через диод его активное сопротивление уменьшается и при токе насыщения составляет единицы Ом. При этом его проводимость на СВЧ растет, разрыв во внутреннем проводнике отрезка коаксиальной линии в месте установки полупроводникового диода замыкается и этим обеспечиваются условия распространения волны ТЕМ на всем протяжении отрезка коаксиальной линии.

Так как коаксиальный отрезок короткозамкнут и длина его внутреннего проводника в сумме с его продолжением, проходящим сквозь внутреннюю полость отрезка прямоугольного волновода равна примерно половине длины волны , на нем возбуждается стоячая волна тока.(фиг.2б) Ее амплитудное распределение характеризуется косинусоидой с максимумом в точке КЗ - в торце шлейфа и минимумом на расстоянии от него, т.е. в точке сопряжения КЗ шлейфа с отрезком прямоугольного волновода. В этой точке ток меняет направление. Таким образом, на участке проводника, проходящем сквозь внутреннюю полость волновода, СВЧ ток имеет встречное направление по отношению к току на участке внутреннего проводника отрезка коаксиальной линии внутри шлейфа. Соответственно и вектор Е вторичного поля, возбуждаемого этим током в отрезке прямоугольного волновода, противоположен вектору Е первичного поля, вызвавшего возбуждение шлейфа.

В результате сложения полей первичного проходящего по отрезку прямоугольного волновода и вторичного - переизлученного продолжением внутреннего проводника отрезка коаксиальной линии, проходящим сквозь внутреннюю полость отрезка прямоугольного волновода, поле на выходе отрезка прямоугольного волновода ослабляется.

При величине (амплитуде) управляющего тока через полупроводниковый диод больше 0, но меньше тока насыщения проводимость полупроводникового диода для токов СВЧ растет и в коаксиальном отрезке возникают условия для распространения поля ТЕМ на всем его протяжении. Оно достигает короткозамкнутого торца коаксиального отрезка и в силу граничных условий возбуждает СВЧ ток, который через полупроводниковый диод замыкается на внутренний проводник коаксиального отрезка и его продолжение проходящее сквозь внутреннюю полость отрезка прямоугольного волновода. Таким образом, на внутреннем проводнике и его продолжении по всей их суммарной длине, возникают две стоячих волны тока СВЧ.

1. Волна тока СВЧ по всей их суммарной длине с косинусоидальным амплитудным распределением имеющим максимум вблизи от плоскости сопряжения коаксиального короткозамкнутого отрезка с отрезком прямоугольного волновода и ноль в точке включения полупроводникового диода - волна тока характерная для шлейфа с обесточенным диодом (фиг. 2а).

2. Волна тока (фиг.2б). совпадающего по направлению с током при обесточенном диоде на участке внутри отрезка коаксиальной линии (в шлейфе) и противоположном (встречном) на участке прямоугольного волновода. Его амплитудное распределение имеет так же косинусоидальный характер, но оно смещено относительно тока СВЧ при обесточенном диоде (фиг.2а) на - минимум в плоскости сопряжения коаксиального КЗ отрезка с отрезком прямоугольного волновода и два максимума - в плоскости короткого замыкания шлейфа и вблизи от стенки внутри отрезка прямоугольного волновода противоположной стенке, на которой размещен коаксиальный шлейф. Т.е. волна тока характерная для короткозамкнутого четвертьволнового отрезка коаксиальной линии (фиг.2б) - для диода с насыщенным управляющим током. Амплитуды этих токов зависят от величины проводимости полупроводникового диода, а значит от величины управляющего тока.

При увеличении тока управления результирующий СВЧ ток на участке внутреннего проводника отрезка коаксиальной линии, проходящем сквозь внутреннюю полость отрезка прямоугольного волновода вначале уменьшается, а затем приобретает направление встречное по отношению к току на внутреннем проводнике КЗ отрезка коаксиальной линии (внутри шлейфа).

.Это приводит к ослаблению поля (его мощности) каждым из шлейфов 3 установленных на отрезке прямоугольного волновода, а в пределе при токе управления равном току насыщения полупроводниковых диодов во всех шлейфах - к практически полной компенсации поля, проходящего по отрезку прямоугольного волновода - уменьшению его мощности на выходе отрезка прямоугольного волновода 1. Характер ослабления мощности R проходящей через волноводный аттенюатор в зависимости от тока управления представлен на фиг.3

Выбором числа шлейфов, их настройкой по частоте и плавным изменением тока управления через диоды получена плавно регулируемая величина ослабления проходящего сигнала СВЧ в диапазоне частот..

1. Волноводный аттенюатор, содержащий отрезок прямоугольного волновода, шлейфы, установленные на расстоянии друг от друга, и полупроводниковые диоды, отличающийся тем, что шлейфы установлены на широкой стенке отрезка прямоугольного волновода и выполнены в виде короткозамкнутых четвертьволновых отрезков коаксиальных линий, во внутренние проводники которых установлено по полупроводниковому диоду, каждый из которых подключен к устройству управления, причем размеры поперечных сечений отрезков коаксиальных линий выбраны из условия возможности существования в них основного типа волны.

2. Волноводный аттенюатор по п.1, отличающийся тем, что длина шлейфов, установленных на широкой стенке отрезка прямоугольного волновода, равна , где m=3, 5, 7, .