Волноводно-коаксиальный направленный ответвитель Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Волноводно-коаксиальный направленный ответвитель

Соркин А.Р. (sorkin@fromru.com ), Соркин А.А.

Красноярский государственный технический университет

В системах измерения и контроля мощности используются волноводные направленные ответвители (НО), которые на скрещённых волноводах, обычно с крестообразными отверстиями связи. Во вторичном волноводе в одно из плеч включается согласованная нагрузка, а в другое - измеритель мощности или детекторная головка. Такая конструкция имеет большой габарит и массу.

s

X 4

Рис.1. Волноводно-коаксиальный ответвитель на связанных линиях

Значительно уменьшить их позволяет структура, показанная на рис. 1. Здесь вторичная коаксиальная линия помещена непосредственно в волновод параллельно продольной его оси. Линия возбуждается поперечными составляющими магнитного поля волны в волноводе, подобно связанным линиям с волной типа Т. Ответвитель является противонапрпавленным. Поперечное сечение волноводно-коаксиального ответвителя показано на рис. 2. На рис.3 показана схема НО на связанных линиях.

Рис.2. Поперечное сечение волноводно-коаксиального НО

Рис.3. НО на связанных линиях

Имея в виду структурное подобие рассматриваемого НО и НО на связанных линиях, оценочный расчёт структуры будем вести в приближении Т-волны.

Рабочими параметрами ответвителя на связанных линиях являются:

-коэффициент связи к = U-

м

R

g

h 1

b

d

a

где Я1 и Я3 - волновые сопротивления подводящих линий (сопротивления нагрузок), или

-переходное ослабление С13 [дБ] = 20 1^(РХ/Р3) = |20к|; (2)

-направленность В [дБ] = 101§((3/Р4 ); (3)

-развязка (изоляция) I [дБ] = 101§(^/ Р4), (4)

Проведём соответствие между полосковыми связанными линиями (рис. 4 а) и волноводно-коаксиальной структурой (рис. 4 б). Волновод представим в виде параллельно-плоскостной (ленточной) линии. Линии характеризуем частичными ёмкостями - собственными Са, Съ и

взаимной СаЪ . На рис. 4 а показан метод определения частичных ёмкостей в несимметричной полосковой линии, а на рис.4 б - аналогичные ёмкости в системе волновод-коаксиал.

Рис. 4. Частичные ёмкости в полосковой линии (а) и в системе волновод-коаксиал (б)

Проводники в разных системах параметров принято обозначать цифрами или буквами [1, 2]. На рис.4 а з - земля, 1(а) и 2(Ъ) - связанные линии. На рис.4 б в качестве общего проводника з принята широкая стенка волновода, нижняя на рисунке. Тогда проводником 1(а) является проволочная линия, а проводником 2(Ъ) - верхняя широкая стенка волновода.

Из выражений, связывающих различные системы параметров [2], можно получить формулу зависимости коэффициента связи от частичных ёмкостей:

Св

к ~ 4(с в + са\<сае + С е) ■ (5)

По заданному коэффициенту связи из (5) можно найти частичные ёмкости и затем -геометрические размеры структуры.

Мы рассматриваем Т-приближение, для которого справедливо выражение [1]:

=

1

v0C1

где 2В - волновое сопротивление линии;

у0 - скорость распространения волны в линии, у нас для воздушного заполнения

V0 = с = 3 • 108 м/с; С1 [Ф/м] - погонная ёмкость линии.

Для измерителей мощности коэффициент связи обычно мал (к < 0,1 или С13 > 20дБ),

поэтому волновые сопротивления линий можно определять как для случая отсутствия второго проводника.

7777777777

Рис.6. Эквивалентная несимметричная линия с круглым проводником

-0

Рис.7. К определению взаимной ёмкости

Зададим переходное ослабление С13 = 20 дБ и толщину проволоки коаксиальной линии 1мм.

Волновое сопротивления подводящего коаксиала 50 Ом. Считаем, что влияние верхней широкой стенки мало. Для несимметричной линии с круглым проводником (рис. 6) известны формулы для расчёта волнового сопротивления:

из [3] 7а = 60 ЛгсИ(2И11 й);

(7)

из [4] 7а = 601п(4^/й).

(8)

Задавая 2а =50 Ом и й=1мм находим по (7) Л1=0,684мм; по (8) Л1=0,575мм; принимаем для дальнейших расчетов Л1=0,6. Частичная ёмкость Са:

Са =

1

1 = 66,7 • 10-12,Ф .

(9)

с2а 3•108 •50 м

Электрическое поле при определении взаимной ёмкости СаЬ расположено выше круглого проводника (рис. 4 б, третья схема), поэтому ёмкость СаЬ ищем по формуле

с1

Ь

2

Ь

Ь

СаЬ = 2 • (10)

2 с1 а

аЬ

где ZЬ - волновое сопротивление симметричной полосковой линии с круглым проводником (рис. 7). Для такой линии волновое сопротивление определяется по формуле [4]

^ аЬ = 601п(8^2/рё). (11)

Имея в виду, что к2 = в - к1 = 25 - 0,6 = 24,4мм, найдём Zав = 248 Ом и ёмкость

11 19 Ф

Сл = ---8-= 6,7 • 10-12 - . (12)

а 2 3•108 •248 м

Собственную ёмкость СаЬ эквивалентной ленточной линии находим по формуле (6), где волновое сопротивление равно [3]

120рЬ 120р • 25

^Ь = = 5/ 25 = 113,5 Ом (13)

а + Ь 58 + 25

и ёмкость

1 1 12 —

СЬ =-=-8-= 29 • 10-12-. (14)

Ь с2ъ 3 • 108 • 113,5 м

В рамках принятых упрощений проверим полученные значения по формуле (5) 6,7

~ ^/(66,7 + 6,7)(29 + 6,7)" ' '

С13 = 20—1— = 17,66 дБ. 13 0,13

Имея в виду заданное значение С13 = 20дБ, точность методики оценочного расчёта можно считать достаточной.

Ответвитель выполнен на волноводе сечением 58х25 мм. При экспериментировании проволочный проводник оказался неудобным, так как не обеспечивал повторяемости. Поэтому вместо него в волновод была установлена микрополосковая линия на подложке толщиной 1мм из материала —А—-4 (рис. 8). В качестве нагрузки использован резистор С2-10-0,125. В диапазоне 3,2 - 4,2 ГГц переходное ослабление изменяется от 26,4 до 25,3 дБ. Направленность на верхней частоте составила 17 дБ, уменьшаясь на нижней частоте до 13 дБ.

На величину направленности большое влияние оказывают переходы от микрополосковой линии к коаксиалу разъёма и коаксиалу нагрузки.

сечение

вв—

_в_

ш

X .л

-н

/*////////////*. со

|

Вид В

Рис. 8. Конструкция волноводно-коаксиального ответвителя с полосковой платой

Рассмотренный НО работает на электромагнитной связи, в которой участвуют поперечные составляющие полей E и H в волноводе, поэтому при смещении проводника от центра вбок коэффициент связи будет уменьшаться по косинусоидальному закону. Два ответвителя в одном сечении позволяют получить малогабаритный рефлектометр.

Литература

1. Фельдштейн А. Л., Явич Л.Р. Синтез четырёхполюсников и восьмиполюсников на СВЧ.-М.: Связь, 1971

2. Справочник по элементам полосковой техники. / под ред. А. Л. Фельдштейна. - М.: Связь, 1978

3. Мейнке Х., Гундлах Ф. Радиотехнический справочник, т.1.- М.: Энергоиздат, 1961

4. Ганстон М.А.Р. Справочник по волновым сопротивлениям фидерных линий СВЧ.- М.: Связь, 1970