Волноводно-полосковое турникетное соединение

Многие практические применения в технике СВЧ требуют, чтобы были использованы одновременно волноводные устройства и устройства, построенные на основе полосковых линий передачи.

Известны, например, плоские антенны, в которых делитель мощности построен на основе полосковой линии передачи [1]. Однако, конвертор, входящий в систему для приёма сигналов со спутника и присоединяемый непосредственно к плоской антенне, имеет волноводный вход. С целью обеспечения согласования симметричной полосковой линии с волноводным входом конвертора обычно используют четвертьволновый отрезок волновода, который встраивается в конструкцию антенны [2]. Однако введение в состав антенны четвертьволнового отрезка волновода усложняет конструкцию антенны, снижает эффективность использования раскрыва антенны и, как следствие, уменьшает коэффициент усиления антенны. Проблема перехода от полосковой линии к волноводу усугубляется, когда антенна должна иметь круговую поляризацию поля излучения. В этом случае в волновод вводится не одна, как это реализовано в антеннах линейной поляризации, а две или четыре полоски. В последнем случае получается устройство, аналогичное устройству симметричного крестообразного соединения двух прямоугольных волноводов и круглого волновода, и известное под названием «турникет» [3, 4]. Устройство, содержащее четыре симметричных полосковых линии, соединенных крестом в плоскости полосок, и круглый волновод, ось которого проходит через центр креста перпендикулярно плоскости креста, будем называть волноводно-полосковым турникетным соединением (ВПТС) [5].

На рис. 1 представлено трехмерное изображение волноводно-полоскового турникетного соединения (ВПТС) в разобранном виде. ВПТС состоит из круглого волновода 1 и плоско слоистой структуры, которая включает в себя первый экран 2, первую диэлектрическую пластину 3, центральный проводник 4 (£2)> вторую диэлектрическую пластину 5, второй экран 6. Кроме того, ВПТС содержит согласующую пластину 7 ( Ех) и четыре сегмента 8-11. Центральный проводник 4 (£2) (рис. 2) включает в себя полосковый резонатор, четыре центральных проводника полосковых линий и четыре согласующих трансформаторов. Полосковый резонатор имеет квадратную форму. На первом экране вырезано круглое отверстие 12. Ось 02 на рис. 1 перпендикулярна плоскослоистой структуре и проходит через центр структуры. Ось 02 является в устройстве осью симметрии четвер того порядка. Сегменты устанавливаются между экранами таким образом, что совместно образуют короткий отрезок круглого волновода с четырьмя боковыми отверстиями. Этот короткий отрезок волновода является продолжением круглого волновода 1 в область между экранами. В отверстие 12 устанавливается согласующая пластина 7 (£,). В результате образуется апертура в виде кольцевой щели, расположенной в плоскости М2.

• 1.    Теория

Общая электромагнитная задача сформулирована для трёх областей (0, 1 и 2), электромагнитно связанных через апертуры, расположенные в плоскостях М_х и М₂ (рис. 1). Область 0-волновод, простирающийся от z = -оо до некоторого сечения z = z₀, где z₀ - величина порядка длины волны. Область 1 -отрезок волновода между сечением z = z₀ и сечением в плоскости М_г (плоскости первого экрана).

Область 2 - область полосковых линий передачи с центральным проводником 4 (£₂). При формулировке задачи использован метод эквивалентных токов, который предполагает, что все области замкнуты, а конструктивные элементы и отверстия апертур при расчёте учитываются введением соответствующих эквивалентных токов. Использовано равенство нулю тангенциальной компоненты электрического поля £ на согласующей пластине, поверхности полосок и непрерывность тангенциальной компоненты магнитного поля Н на апертурах при переходе из одной области в другую. Полагается также, что источником электромагнитного поля является «падающая» волна Я],, распространяющаяся в области 0 из бесконечности в направлении креста, напряженность магнитного поля падающей волны обозначена как Я^ . В результате получена система интегральных уравнений относительно распределений плотности электрических токов на согласующей пластине - J^Ex , на поверхности полосок - J^E1 и магнитных токов на апертурах: J^M', J^M1.

В частности, на апертуре в плоскости М_х (при переходе из области 0 в область 1):

^p^p^p^J-^pp-

-^p^P^fo, (1) на поверхности согласующей пластины Е_х (в области 1): -

-Ё’р^ + я’р^р.Е'р^^о,   (2)

на апертуре в плоскости М^ (при переходе из области 1 в область 2):

Рис. 2. Полосковый делитель мощности на поверхности полосок E2 (в области 2):

-£2р"2р£2р£2Ро,          (4)

где верхний индекс векторов электрического и магнитного полей обозначает область, для которой записаны соответствующие характеристики. Электрические и магнитные поля находятся с использованием тензорной функции Грина. Для решения системы интегральных уравнений используется метод Галёркина.

Экспериментальные результаты

Для проведения экспериментальных исследований в диапазоне частот 12 ГГц был изготовлен макет ВПТС (рис. 3). Размеры экранов равны 100x100 мм2 Диаметр круглого волновода равен 19 мм. Сегменты изготовлены из кольца с внутренним диаметром 19 мм и внешним диаметром 23 мм. В кольце вырезаны 4 паза шириной 8 мм каждый. Высота сегментов равна 3 мм.

Рис. 3. Макет ВПТС

• -Я¹1 J^M' ^ + я¹ р^£1^ + Я¹ р"²^ =

= -Й²( j^MA + H²\ J^EA,            (3)

I J I J

Согласование ВПТС было достигнуто, используя полосковый резонатор, согласующие устройства и согласующую пластину. Согласующие устройства были выполнены в виде двухступенчатых трансформаторов. Полосковый резонатор представлен квадратом со стороной 10,4 мм. От- носительная диэлектрическая проницаемость первой и второй диэлектрических пластин равна 1,13. В круглом волноводе возбуждалась волна Ни .

На макете проведено исследование влияния размера согласующей пластины на величину коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВ) в круглом волноводе. На рис. 4 приведены графики КСВ волноводно-полоскового турникетного соединения в круглом волноводе, в том случае, когда согласующая пластина в соединении отсут-

__ Частота, ГГц ___________

-----Полосок    -—•— D 8,9 мм -- D 9,2мм    —*—-D 9,6 мм

Рис. 4. Зависимость КСВ от частоты в круглом волноводе ВПТС при различных диаметрах согласующей пластины

Как видно из рассмотрения графиков на рис. 4, при отсутствии пластины в соединении зависимость КСВ в диапазоне частот 12,1-12,65 ГГц имеет один явно выраженный минимум, величина КСВ в точке минимума равна 1,78. На частотах вне указанного диапазона частот величина КСВ имеет недопустимо высокие значения.

С ростом диаметра согласующей пластины минимальное значение КСВ стремится к 1 и достигает этого значения при диаметре пластины, примерно равном 9,2 мм. При дальнейшем росте диаметра пластины зависимость КСВ в диапазоне частот 11,8-13 ГГц имеет два минимума и максимум, расположенный по середине между ними. Величина максимума с ростом диаметра пластины увеличивается. При этом ширина полосы согласования по уровню, соответствующему уровню максимума, также увеличивается.

Был проведен эксперимент по измерению характеристик ВПТС в двух случаях: в первом случае сегменты установлены в макет устройства (макет № 1), во втором случае сегменты отсутствовали в макете (макет № 2). Согласующая пластина выполнена из медной фольги в виде диска диаметром 9,2 мм и толщиной 100 микрон.

Измерение КСВ было выполнено со стороны круглого волновода. Результаты измерений представлены графиками на рис. 5. Зависимость уровня мощности в плечах приведена на рис. 6, 7.

Выходы I и II соответствуют ситуации, когда вектор Ё параллелен плечам ВПТС. Выходы III и

IV соответствуют ситуации, когда Е перпендикулярен плечам ВПТС.

.....♦" макет № 1 —*— макет №2

Рис. 5. Зависимость КСВ на входе круглого волновода от частоты, макеты № 1, № 2

— *■ —Макет №1 плечо! — *■ —Макет №1 плечо II

Макет №2 плечо I   —♦— Макет №2 плечо II

Рис. 6. Зависимость уровня мощности от частоты в плечах I и II

Частота, ГГц

— -♦— - Макет №1 плечо III

* Макет №2 плечо III

........■■—Макет №1 плечо IV

— -X — ~ Макет №2 плечо IV

Рис. 7. Зависимость уровня мощности от частоты в плечах III и IV

Как видно, уровни мощности в плечах I и II примерно равны. Уровни мощности в плечах III и IV существенно меньше уровня мощности в плечах I и II. На рис. 8 представлена зависимость суммарной мощности в 5 плечах: мощности волн, возбуждаемых в 4-х полосковых линиях и мощности отражённой волны в круглом волноводе.

Как видно из графиков, уровень суммарной мощности отличается от мощности падающей волны на 5 % в случае, когда сегменты установлены в макете. Однако в случае, когда сегменты отсутствуют, суммарная мощность отличается от мощности падающей волны на 50 %. Этот факт свидетельствует о том, что часть мощности распространяется вне полосковых линий и круглого волновода. Следовательно, сегменты предотвращают «просачивание» мощности в область между экранами вне полосковых линий.

Частота, ГГц

—♦— Макет № 1 —*— Макет №2

Рис. 8. Зависимость уровня суммарной мощности в плечах I - IV

Заключение

Согласование ВПТС со стороны круглого волновода достигнуто, используя полосковый резонатор, согласующие отрезки линий и согласующую пластину. Согласующие отрезки включены между резонатором и полосковыми линиями. Согласующая пластина размещена в апертуре круглого волновода. Сегменты расположены на экранах полосковых линий таким образом, что они формируют короткий отрезок волновода с четырьмя боковыми отверстиями.

Показано, что потери мощности в устройстве с сегментами меньше по сравнению с потерями мощности в устройстве без сегментов. Сделан вывод о том, что сегменты предотвращают «просачивание» мощности в область между экранами вне полосковых линий. Таким образом, применение согласующих сегментов в волноводно-полосковом турникетном соединении объективно необходимо. Они позволяют на порядок сократить величину потерь полезной мощности и улучшить развязку между «рабочими» плечами и смежными с ними плечами полоскового делителя мощности.