Волноводно-полосковое турникетное соединение

 

Волноводно-полосковое турникетное соединение состоит из круглого волновода (KB), первого и второго экранов (Э), первой и второй диэлектрической пластин, четырех полосковых проводников (ПП), полоскового резонатора (ПР), согласующих устройств (СУ), четырех сегментов (С). ПП и ПР образуют крестообразное соединение с ПР в центре креста (ЦК). KB расположен перпендикулярно к Э. Ось KB проходит через ЦК креста и центр отверстия на первом Э. (С) расположены между Э с образованием отрезка KB с пазами. ПП проложены в пазах. Может применяться как согласованный четырехплечий разветвитель мощности в системах, использующих полосковые линии передачи, но питаемые круглым волноводом. Техническим результатом является обеспечение непосредственного соединения выпускаемых промышленностью конверторов с плоскими антеннами, применяемыми в системах для приема телевизионных сигналов со спутников. 4 з.п.ф-лы, 23 ил.

Область техники

Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам, а именно к турникетным соединениям. Волноводно-полосковое турникетное соединение может быть использовано как согласованный четырехплечий разветвитель мощности в системах, использующих полосковые линии передачи, питаемые круглым волноводом. Изобретение позволяет обеспечить непосредственное соединение известных конверторов с плоскими антеннами, применяемыми в системах для приема сигналов со спутников.

Уровень техники

Изобретение относится к турникетным соединениям. Турникетные соединения в виде четырех прямоугольных волноводов, образующих крест в плоскости Н, и круглого волновода, перпендикулярного плоскости креста, известны давно (Дж. Альтман "Устройства СВЧ". М.: Мир, 1968, стр.146). Турникетные соединения имеют многочисленные практические применения в устройствах на основе волноводов в виде труб. Однако, как известно, в последние годы нашли широкое применение антенны и устройства СВЧ, использующие технику полосковых и микрополосковых линий передачи энергии. Многие практические применения требуют, чтобы в них одновременно были использованы устройства, построенные с применением волноводов, и устройства, построенные на основе полосковой техники.

Известны, например, плоские антенны для непосредственного приема спутникового телевидения, в которых делитель мощности построен на основе полосковых или микрополосковых линий передачи. Конвертор же, присоединяемый к плоской антенне, имеет волноводный вход. При этом с целью обеспечения согласования фидера с антенной в конструкцию антенны включается отрезок волновода того же диаметра, что и диаметр волновода конвертора, и длиною в четверть длины волны. При соединении конвертора с антенной встроенный в антенну отрезок волновода является продолжением волновода конвертора. Полосковая линия вводится в волновод через отверстие в его боковой стенке в месте стыка волновода конвертора и четвертьволнового отрезка волновода, встроенного в антенну. Полосковая линия вводится в волновод перпендикулярно к оси волновода. Введение в антенну четвертьволнового отрезка волновода усложняет конструкцию антенны, снижает эффективность использования поверхности антенны и, как следствие, уменьшает коэффициент усиления антенны. Проблема соединения полосковой линии с волноводом усугубляется, когда антенна должна иметь круговую поляризацию поля излучения. В этом случае волновод должен быть круглым и в него должно вводиться два или четыре полоска.

Сущность изобретения

Целью изобретения является создание простого в изготовлении и удобного в применениях волноводно-полоскового турникетного соединения.

Поставленная цель достигается тем, что соединение, содержащее круглый волновод дополнительно содержит первый экран, первую диэлектрическую пластину, первый, второй, третий и четвертый полосковый проводники, полосковый резонатор, вторую диэлектрическую пластину, второй экран, причем на первом экране выполнено круглое отверстие, полосковые проводники и полосковый резонатор расположены в плоскости, параллельной первому экрану, при этом первый экран, первая диэлектрическая пластина, полосковые проводники и полосковый резонатор, вторая диэлектрическая пластина и второй экран образуют плоскослоистую структуру, полосковые проводники расположены под углом 90° относительно друг друга, вход каждого полоскового проводника соединен гальванически с полосковым резонатором с образованием крестообразного соединения с полосковым резонатором в центре креста, круглый волновод расположен перпендикулярно к поверхности первого экрана так, что его ось проходит через центр отверстия на первом экране и центр крестообразного соединения, круглый волновод гальванически соединен с первым экраном.

Введение в состав соединения дополнительно первого экрана, первой диэлектрической пластины, первого, второго, третьего и четвертого полосковых проводников, полоскового резонатора, второй диэлектрической пластины, второго экрана и их соединение и, как указано выше, решает следующие задачи:

- создать простое в изготовлении турникетное соединение, сочетающее в себе канал в виде круглого волновода и четыре канала в виде четырех полосковых волноводов; при этом для его реализации не требуется введения в состав соединения четвертьволнового отрезка круглого волновода, как это принято, например, в известных волноводно-полосковых переходах, в которых плоскость полоска перпендикулярна оси волновода; как следствие, не требуется нарушать целостность второго экрана для монтажа четвертьволнового отрезка круглого волновода;

- создать устройство, у которого внешняя поверхность второго экрана свободна от обычно возвышающегося над ней четвертьволнового отрезка волновода, что позволяет эффективно использовать эту область поверхности для построения других устройств, в частности устройств, питаемых турникетным соединением;

- создать соединение, обеспечивающее высокий уровень развязки между двумя ортогональными направлениями в полосковой линии передачи при питании круглого волновода волной с линейной поляризацией, плоскость поляризации которой параллельна оси питаемых полосковых линий;

- создать турникетное соединение, обеспечивающее за счет симметрии соединения деление мощности на четыре равные части при питании круглого волновода волной с углом наклона поляризации на 45° относительно оси полосковых проводников,

- создать соединение, обеспечивающее режим согласованного трехплечевого разветвителя мощности;

- создать соединение, обеспечивающее возбуждение в круглом волноводе линейно поляризованной волны, плоскость поляризации которой наклонена на угол 45° относительно оси полосковых волноводов;

- создать соединение, обеспечивающее возбуждение в полосковых волноводах электромагнитных волн, причем амплитуда волны в одном из них пропорциональна синусу угла наклона плоскости поляризации волны в круглом волноводе, а в другом пропорциональна косинусу указанного угла;

- обеспечить переход с полоскового волновода на круглый волновод с возбуждением в круглом волноводе волны с круговой поляризацией;

- создать соединение, обеспечивающее возбуждение в круглом волноводе волны с правой круговой поляризацией при запитке одного из полосковых волноводов и волны с левой круговой поляризацией при запитке другого полоскового волновода, расположенного ортогонально к первому;

- создать турникетное соединение, обеспечивающее низкий КСВ за счет согласования входного импеданса крестообразного соединения полосковых волноводов с полосковым резонатором в центре креста и согласующей пластиной на выходе волновода;

- снизить уровень мощности, возвращающейся к передатчику при работе турникетного соединения в передающем устройстве за счет согласования турникетного устройства с фидером;

- обеспечить турникетное соединение устройствами согласования, во-первых, за счет включения в состав соединения полоскового резонатора и выбора его размеров, во вторых, за счет включения в состав соединения первого, второго, третьего и четвертого согласующего устройств, в третьих, за счет включения в состав соединения первой согласующей пластины и изменения ее размеров и места размещения в круглом волноводе, в четвертых, за счет включения в состав соединения второй согласующей пластины, изменения ее размеров и места размещения в круглом волноводе, в пятых, за счет включения в состав соединения четырех сегментов и изменения их размеров;

- обеспечить максимальную передачу мощности за счет согласования с волновым сопротивлением фидера;

- минимизировать излучение электромагнитных волн в область между первым и вторым экранами за счет включения в состав соединения четырех сегментов, а также за счет дополнительных экранов, образующих совместно с первым и вторым экранами первую, вторую, третью и четвертую экранированные полосковые линии;

- создать турникетное соединение, обеспечивающее удобный переход от круглого волновода к щелевым излучателям, размещенным в первом или втором экране и возбуждаемым за счет электромагнитной связи полосковой линии и щели;

- создать соединение, обеспечивающее рабочие характеристики при использовании как узких полосковых проводников с высоким волновым сопротивлением, так и широких полосковых проводников с низким волновым сопротивлением.

Включением в состав турникетного соединения переходной пластины решена проблема надежного присоединения круглого волновода к крестообразному соединению полосковых структур. Переходная пластина имеет большую толщину, чем толщина второго экрана. Включением переходной пластины обеспечивается модульность устройства. Турникетное соединение при этом легко присоединить и легко разъединить с фидером иного устройства в виде круглого волновода.

Решение перечисленных выше задач свидетельствует о том, что создано новое и полезное турникетное соединение, обеспечивающее рабочие характеристики в широком диапазоне частот.

Решение этих и других задач поясняется далее текстом и рисунками на фигурах.

Перечень фигур

На фиг.1 представлено трехмерное изображение волноводно-полоскового турникетного соединения в разобранном виде в соответствии с настоящим изобретением; полосковые проводники соединены с полосковым резонатором с образованием гальванического контакта.

На фиг.2 представлено сечение приведенного на фиг.1 волноводно-полоскового турникетного соединения в сборе.

На фиг.3 представлено трехмерное изображение волноводно-полоскового турникетного соединения в разобранном виде в соответствии с настоящим изобретением; полосковые проводники не имеют гальванического контакта с полосковым резонатором.

На фиг.4 показано размещение в плане приведенных на фиг.3 полосковых проводников и полоскового резонатора.

На фиг.5 показан другой вариант выполнения волноводно-полоскового турникетного соединения, содержащего согласующие устройства.

На фиг.6 представлен вариант выполнения волноводно-полоскового турникетного соединения с дополнительной диэлектрической пластиной и согласующей металлической пластиной.

На фиг.7 представлен вариант выполнения волноводно-полоскового турникетное соединение со второй дополнительной диэлектрической пластиной и второй согласующей проводящей пластиной.

На фиг.8 а) представлено трехмерное изображение волноводно-полоскового турникетного соединения в разобранном виде в соответствии с настоящим изобретением; соединение содержит дополнительно сегменты.

На фиг.8 б) представлено в плане расположение сегментов относительно полоскового резонатора и полосковых проводников.

На фиг.9 а) и фиг.9 б) показан вариант выполнения волноводно-полоскового турникетного соединения, содержащий дополнительные экраны.

На фиг.10 представлено трехмерное изображение волноводно-полоскового турникетного соединения с переходной пластиной в разобранном виде.

На фиг.11 представлено сечение приведенного на фиг.10 волноводно-полоскового турникетного соединения в разобранном виде.

На фиг.12 представлено сечение приведенного на фиг.10 волноводно-полоскового турникетного соединения в сборе.

На фиг.13 представлено трехмерное изображение волноводно-полоскового турникетного соединения с применением экранированных полосковых линий.

На фиг.14 представлено в плане волноводно-полосковое турникетное соединение с применением экранированных полосковых линий.

На фиг.15 а), 15 б), 15 в) представлено волноводно-полосковое турникетное соединение с разными длинами полосковых проводников в двух противоположных плечах.

На фиг.16 представлен образец волноводно-полоскового турникетного соединения в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.17 приведены экспериментальные зависимости КСВ волноводно-полоскового турникетного соединения от частоты при падении волны со стороны круглого волновода.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Обратимся к фиг.1, на которой представлено трехмерное изображение волноводно-полоскового турникетного соединения в разобранном виде в соответствии с настоящим изобретением. Турникетное соединение состоит из круглого волновода 1, который имеет вход 2 и выход 3, первого экрана 4, первой диэлектрической пластины 5, первого полоскового проводника 6 с входом 7 и выходом 8, второго полоскового проводника 9 с входом 10 и выходом 11, третьего полоскового проводника 12 с входом 13 и выходом 14 и четвертого полоскового проводника 15 с входом 16 и выходом 17, полоскового резонатора 18 с первым 19, вторым 20, третьим 21 и четвертыми 22 выходами, второй диэлектрической пластины 23, второго экрана 24.

Круглый волновод 1 выполнен из проводящего материала. В качестве волновода 1 может быть использован стандартный круглый металлический волновод. Первый экран 4 представляет собой плоскую проводящую пластину, выполненную, например, из алюминия, меди или латуни. На первом экране 4 вырезано круглое отверстие 25. Первый 6, второй 9, третий 12 и четвертый 15 полосковые проводники выполнены в виде полосок из проводящего материала, например из медной фольги. Полосковый резонатор 18 представляет собой плоскую фигуру, например квадрат, круг или иную симметричную фигуру. Ось, перпендикулярная плоскости полоскового резонатора и проходящая через центр резонатора, является осью симметрии четвертого порядка. Другими словами, если повернуть полосковый резонатор на 90° вокруг его оси симметрии, то получится идентичный резонатор, выходы 19, 20, 21, 22 которого изменяют порядок нумерации и становятся соответственно выходами 20, 21, 22, 19. Полосковый резонатор 18 выполнен из проводящего материала, предпочтительно из такого же материала, как и полосковые проводники 6, 9, 12, 15. Первая 5 и вторая 23 диэлектрические пластины выполнены из диэлектрика с малым значением величины тангенса угла диэлектрических потерь, такого как, например, вспененный полиэтилен, вспененный полистирол, фторопласт и им подобного. Второй экран 24 представляет собой плоскую проводящую пластину, выполненную, например, из алюминия, меди или латуни.

Указанные выше детали расположены и соединены между собой следующим образом.

Полосковые проводники 6, 9, 12, 15 и полосковый резонатор 18 расположены в плоскости, параллельной первому экрану 4, при этом первый экран 4, первая диэлектрическая пластина 5, полосковые проводники 6, 9, 12, 15 и полосковый резонатор 18, вторая диэлектрическая пластина 23 и второй экран 24 образуют плоскослоистую структуру 26 с указанным выше чередованием слоев. Полосковые проводники 6 и 12 расположены на общей оси 6-12. Полосковые проводники 9 и 15 расположены также на общей оси 9-15. Ось 6-12 и ось 9-15 взаимно перпендикулярны. В результате проводники 6 и 9, 9 и 12, 12 и 15, 15 и 9 расположены под углом 90° относительно друг друга. Выход 19 полоскового резонатора 18 соединен с входом 7 полоскового проводника 6, выход 20 полоскового резонатора 18 соединен с входом 10 полоскового проводника 9, выход 21 полоскового резонатора 18 соединен с входом 13 полоскового проводника 12, выход 22 полоскового резонатора 18 соединен с входом 16 полоскового проводника 15 с образованием крестообразного соединения 27 с полосковым резонатором 18 в центре креста 27. Указанные соединения выполнены с образованием гальванического контакта. Круглый волновод 1 расположен перпендикулярно к поверхности первого экрана 4 так, что ось волновода проходит через центр отверстия на первом экране 4 и центр крестообразного соединения 27. Круглый волновод 1 соединен с первым экраном 4 с образованием гальванического контакта.

На фиг.2 представлено сечение волноводно-полоскового турникетного соединения в сборе. На фиг.2 и на последующих фигурах элементы устройства, обозначенные на фиг.1, имеют те же самые обозначения. Плоскость сечения проходит через ось круглого волновода и ось симметрии 6-го и 12-го полосковых проводников. Как приведено на фиг.2, первый экран 4, первая диэлектрическая пластина 5, а также слой, содержащий полосковые проводники 6, 9, 12, 15 и полосковый резонатор 18, и далее вторая диэлектрическая пластина 23 и второй экран 24, параллельны друг другу и непосредственно граничат друг с другом.

В другом варианте выполнения волноводно-полоскового турникетного соединения, приведенном на фиг.3, полосковые проводники 6, 9, 12, 15 не имеют гальванического контакта с полосковым резонатором 18. В этом варианте связь между полосковыми проводниками 6, 9, 12, 15 и полосковым резонатором 18 носит емкостный характер и определяется как геометрическими размерами проводников 6, 9, 12, 15 и полоскового резонатора 18, так и величиной зазоров 28, 29, 30, 31 между полосковыми проводниками 6, 9, 12, 15 и полосковым резонатором 18.

На фиг.4 показано сечение волноводно-полоскового турникетного соединения, приведенного на фиг.3, плоскостью, параллельной первому экрану 4 и проходящей через полосковые проводники 6, 9, 12, 15 и полосковый резонатор 18.

В другом варианте выполнения (фиг.5) волноводно-полосковое турникетное соединение дополнительно содержит первое согласующее устройство 32 с входом 33 и выходом 34, второе согласующее устройство 35 с входом 36 и выходом 37, третье согласующее устройство 38 с входом 39 и выходом 40, четвертое согласующее устройство 41 с входом 42 и выходом 43. Причем вход 33 первого согласующего устройства 32 соединен с первым выходом полоскового резонатора 18, а выход 34 соединен с входом 7 первого полоскового проводника 6. Вход 36 второго согласующего устройства 35 соединен с вторым выходом полоскового резонатора 18, а выход соединен с входом 10 второго полоскового проводника 9. Вход 39 третьего согласующего устройства 38 соединен с третьим выходом полоскового резонатора 18, а выход соединен с входом 13 третьего полоскового проводника 12. Вход 42 четвертого согласующего устройства 41 соединен с четвертым выходом полоскового резонатора 18, а выход 43 соединен с входом 16 четвертого полоскового проводника 15.

В качестве первого, второго, третьего и четвертого согласующего устройства могут быть применены согласующие трансформаторы первого рода, такие как одноступенчатый согласующий трансформатор, многоступенчатый согласующий трансформатор, трансформаторы второго рода, плавные переходы.

В другом варианте выполнения волноводно-полосковое турникетное соединение (фиг.6) дополнительно содержит третью диэлектрическую пластину 44 и согласующую металлическую пластину 45. Диэлектрическая пластина 44 выполняется из диэлектрика с малым значением величины тангенса угла диэлектрических потерь, такого как, например, вспененный полиэтилен, вспененный полистирол или аналогичного диэлектрического материала. Диэлектрическая пластина 44 выполняется круглой формы. Проводящая пластина 45 выполнена из такого хорошо проводящего материала как медь, алюминий, латунь. Проводящая пластина 45 имеет круглую или квадратную форму. Форма ее должна быть такова, чтобы имелось две оси симметрии, причем оси симметрии были бы направлены так же, как направлены полосковые проводники 6 и 12, полосковые проводники 9 и 15. Диэлектрическая пластина 44 и проводящая пластина 45 размещены в отверстии 25, причем плоскость проводящей пластины 45 параллельна поверхности первого экрана 4.

В другом варианте выполнения волноводно-полоскового турникетное соединение (фиг.7) дополнительно содержит четвертую диэлектрическую пластину 46 и вторую согласующую проводящую пластину 47.

Диэлектрическая пластина 46 выполняется из диэлектрика с малым значением величины тангенса угла диэлектрических потерь, такого как, например, вспененный полиэтилен, вспененный полистирол или аналогичного диэлектрического материала. Диэлектрическая пластина 46 выполнена круглой формы. Проводящая пластина 47 выполнена из такого хорошо проводящего материала, как медь, алюминий, латунь. Проводящая пластина 47 имеет круглую или квадратную форму. Форма ее должна быть такова, чтобы имелось две оси симметрии, причем оси симметрии были бы направлены так же, как направлены полосковые проводники 6 и 12 и полосковые проводники 9 и 15. Диэлектрическая пластина 46 и проводящая пластина 47 размещены в круглом волноводе 1, причем плоскость проводящей пластины 47 параллельна поверхности первого экрана 4.

В другом варианте (фиг.8) волноводно-полосковое турникетное соединение дополнительно содержит первый 48, второй 49, третий 50 и четвертый 51 сегменты. Сегменты 48, 49, 50, 51 выполнены из хорошо проводящего материала, такого как, например, медь, алюминий, латунь или аналогичного материала с высокой удельной проводимостью. Сегменты могут быть изготовлены, например, из металлического цилиндрического кольца. Разрезая кольцо на четыре равные части, например, фрезой заданного размера или путем заданного количества проходов фрезы получают четыре одинаковых сегмента. Высоты сегментов должны быть равны расстоянию между первым и вторым экранами. Сегменты должны быть короткозамкнуты на первый и второй экраны. Короткое замыкание может быть реализовано двумя вариантами. В первом варианте сегменты соединены с первым и вторым экранами с образованием гальванического контакта. Во втором варианте короткое замыкание обеспечивается выбором толщины сегментов, равной четверти длины волны на средней частоте рабочего диапазона. Сегменты 48, 49, 50 и 51 расположены между первым 4 и вторым 24 экранами с образованием отрезка круглого волновода с первым 52, вторым 53, третьим 54 и четвертым 55 пазами. Ширина пазов 52, 53, 54, 55 должна быть больше ширины полосковых проводников 6, 9, 12, 15. Первый полосковый проводник 6 проходит через первый паз 52, второй полосковый проводник 9 проходит через второй паз 53, третий полосковый проводник 12 проходит через третий паз 54, четвертый полосковый проводник 15 проходит через четвертый паз 55.

Другой вариант выполнения волноводно-полоскового турникетного соединения представлен на фиг.9. Рис. соединения на фиг.9 б) развернут вокруг оси Z на 90°, относительно рис. на фиг.9 а) с целью более удобного обозначения дополнительных экранов. В этом варианте волноводно-полосковое турникетное соединение содержит дополнительно третий 56, четвертый 57, пятый 58, шестой 59, седьмой 60, восьмой 61, девятый 62 и десятый 63 экраны. Третий 56 и четвертый 57 экраны гальванически соединены с первым 4 и вторым 24 экранами и совместно с первым полосковым проводником 6 образуют первую экранированную полосковую линию 64. Пятый 58 и шестой 59 экраны гальванически соединены с первым 4 и вторым 24 экранами и совместно со вторым полосковым проводником 9 образуют вторую экранированную полосковую линию 65. Седьмой 60 и восьмой 61 экраны гальванически соединены с первым 4 и вторым 24 экранами и совместно с третьим полосковым проводником 12 образуют третью экранированную полосковую линию 66. Девятый 62 и десятый 63 экраны гальванически соединены с первым 4 и вторым 24 экранами и совместно с четвертым полосковым проводником 15 образуют четвертую экранированную полосковую линию 67.

Другой вариант (фиг.10, 11, 12) выполнения волноводно-полоскового турникетного соединения дополнительно содержит переходную пластину 68.

Переходная пластина 68 выполнена из материала с хорошей проводимостью, такого как, например, медь, алюминий, латунь или другого хорошо проводящего материала. Переходная пластина 68 имеет круглое отверстие 69 с диаметром, равным внутреннему диаметру круглого волновода 1. Переходная пластина 68 установлена между первым экраном 4 и круглым волноводом 1 с образованием гальванического контакта между переходной пластиной 68 и первым экраном 4, между переходной пластиной 68 и круглым волноводом 1. Гальванический контакт предпочтительно создается с помощью припоя. Переходная пластина 68 выполнена большей толщины, чем толщина первого 4 экрана. Это позволяет монтировать круглый волновод 1 к переходной пластине винтами (на фиг. не показано). Это, в частности, обеспечивает структурную целостность плоскослоистой структуре 26.

Другие варианты выполнения волноводно-полоскового соединения содержат основные отличительные особенности заявки, но не показаны на фигурах. Например, волновод 1 может иметь первое, второе, третье и четвертое ребро, причем первое и третье ребра лежат в плоскости, проходящей через ось круглого волновода и ось 6-12, а второе и четвертое ребра расположены в плоскости, проходящей через ось круглого волновода и ось 5-15. Можно исключить из заявленного устройства второй 24 экран и вторую диэлектрическую пластину 23, а первую диэлектрическую пластину выполнить из диэлектрика с большой величиной относительной диэлектрической проницаемости; иными словами, заявленное устройство может включать в себя микрополосковые линии передачи. Полосковый резонатор может принимать множество форм, например квадрата с вырезами, симметричными относительно осей 6-12 и 9-15 полосковых проводников, либо, напротив, с рядом шлейфов, расположенных также симметрично относительно осей полосковых проводников. Кроме того, согласующие устройства в круглом волноводе могут принимать различную форму, включая также форму объемных тел, например, стержня или выступа, расположенного вдоль оси круглого волновода.

Рассмотрим работу волноводно-полоскового турникетного соединения при его различных применениях. Для определенности будем полагать, что волноводно-полосковое соединение 70 состоит из круглого волновода 1, полосковых линий 64, 65, 66, 67. Полосковые линии 64, 65, 66, 67 назовем первым I, вторым II, третьим III и четвертым IV плечами турникетного соединения, соответственно. Круглый волновод 1 рассматривается как два плеча: плечо V и плечо VI. Плечи V и VI соответствуют двум вырожденным ортогональным в пространстве ранстве волнам. Ориентация этих волн показана на фиг.13 и фиг.14.

Будем полагать, что плоскости отсчета фаз в полосковых волноводах расположены на равных расстоянентра креста, плоскость отсчета фаз в круглом волноводе определим ниже.

Волноводно-полосковое турникетное соединение как согласованный четырехплечевой разветвитель мощности.

Турникетное соединение является двенадцатиполюсником. Оно состоит из четырех полосковых волноводов, полоскового резонатора и круглого волновода. В полосковых волноводах распространяются основные волны типа ТЕМ, в круглом волноводе распространяется волна типа ТЕ₁₁. Если в плечи V и VI поступают одинаковые сигналы, амплитуды которых равны, т.е. плоскость поляризации волны наклонена под углом 45° относительно осей полосковых проводников, то сигналы на выходе плеч I, II, III, IV равны по амплитуде. При этом, если фазу сигнала в плоскости отсчета фаз 71 в плече I принять за нулевую, то фазы сигналов в плоскостях отсчета фаз 71, 72, 73, 74 в плечах I, II, III, IV будут равны 0°, 0°, 180°, 180°, соответственно.

Волноводно-полосковое турникетное соединение как согласованный трехплечевой разветвитель мощности.

За плоскость отсчета фаз 75 (на фиг. не показана) в круглом волноводе примем такую плоскость, в которой сигнал синфазен с сигналом в плоскости отсчета фаз 71 в полосковом волноводе I при работе волноводно-полоскового устройства в качестве согласованного четырехплечевого разветвителя мощности. Пусть в круглом волноводе (плечи V и VI) на расстоянии, равном целому числу полуволн от плоскости отсчета фаз, помещена закоротка. Тогда в плечах II, III, IV в плоскостях отсчета 72, 73, 74 сигналы равны по амплитуде и находятся в фазе.

Волноводно-полосковое турникетное соединение как анализатор и поляризатор.

Пусть в противоположных плечах II и IV полосковые проводники 9 и 15 имеют разную длину (фиг.15а). Пусть, например, электрическая длина отрезка, отсчитываемого от плоскости фаз 72 до выхода 11 проводника 9 во втором полосковом волноводе, равна Θ₂ a электрическая длина отрезка, отсчитываемого от плоскости фаз 74 в четвертом полосковом волноводе до выхода 17 полоскового проводника 15, равна . Тогда свойства устройства существенно зависят от величины Θ₂.

При (n=1,2,...) рассматриваемое устройство действует как обычное мостовое соединение. Если в плечо I поступает сигнал единичной амплитуды, то имеются равные по амплитуде сигналы на выходах плеч V и VI при отсутствии какого-либо сигнала в плече III. Но эти два выходных сигнала можно рассматривать как одну линейно поляризованную волну, плоскость поляризации которой наклонена под углом 45° и направлена на фиг.15б) направо и вверх.

Если сигнал поступает в плечо III, то выходной сигнал будет иметь линейную поляризацию, направленную на фиг.15в) направо вниз.

Возможно и обратное: линейно поляризованная волна, поступающая в цилиндрический волновод и имеющая произвольно направленную плоскость поляризации, будет разложена на две перпендикулярные составляющие, одна из которых поступает в плечо I, а вторая - в плечо II.

При Θ₂=nπ (n=1,2,...) устройство работает по-прежнему и все сказанное выше справедливо, если только номера выходных волноводов поменять местами.

Если , то свойства турникетного соединения качественно изменяются. Если в плечо I поступает сигнал, то в круглом волноводе появится волна с круговой поляризацией. Теперь устройство действует подобно четвертьволновой пластине, в то же время заменяя собой переход с полоскового волновода на цилиндрический. Плоскость поляризации выходного сигнала вращается по часовой стрелке при , против часовой стрелки при .

При заданном значении Θ₂ сигнал, поступивший в плечо II, возбудит в цилиндрическом волноводе волну, круговая поляризация которой направлена в противоположную сторону.

Был изготовлен образец волноводно-полоскового турникетного соединения в соответствии с настоящим изобретением. В описании образца (фиг.16) далее используются принятые выше обозначения элементов турникетного соединения. Образец соединения состоит из круглого волновода 1 (на фиг.16 не показан), который имеет вход 2 и выход 3, первого экрана 4, первой диэлектрической пластины 5, первого полоскового проводника 6, второго полоскового проводника 9, третьего полоскового проводника 12 и четвертого полоскового проводника 15, полоскового резонатора 18, первого 32, второго 35, третьего 38 и четвертого 41 согласующих устройств, второй диэлектрической пластины 23, второго экрана 24, согласующей металлической пластины 57, первого 48, второго 49, третьего 50 и четвертого 51 сегментов. Кроме того, образец включает в себя первый 75, второй 76, третий 77 и четвертый 78 коаксиально-полосковые переходы, прецизионные цилиндрические шайбы и крепежные изделия.

Круглый волновод 1 выполнен из отрезка стандартного круглого волновода диаметром 23 мм, имеет первый 79 и второй 80 стандартные фланцы (на фиг.16 не показаны). Первый экран 4 и второй экран 24 выполнены из листа латуни. На первом экране 4 вырезано круглое отверстие 25 диаметром 23 мм. Первый, второй, третий и четвертый согласующие устройства выполнены в виде двухступенчатых трансформаторов. Первый 6, второй 9, третий 12 и четвертый 15 полосковые проводники, полосковый резонатор 18 и первый 32, второй 35, третий 38 и четвертый 41 двухступенчатые согласующие трансформаторы выполнены из холоднокатанной медной ленты толщиной 100 мкм в виде единой конструкции с помощью обычного метода химико-фотолитографического травления. Полосковый резонатор 18 представляет собой в плане квадрат. Двухступенчатый согласующий трансформатор представляет собой два последовательно соединенных четвертьволновых отрезка полосковых линий. Первая 5 и вторая 23 диэлектрические пластины выполнены из листа вспененного полиэтилена толщиной 1,5 мм. Согласующая пластина 57 выполнена из медной фольги в виде диска толщиной 100 мкм. Первый 48, второй 49, третий 50 и четвертый 51 сегменты выполнены из латунного кольца с внутренним диаметром 19 мм и внешним диаметром 23 мм. Высота сегментов равна 3 мм. Сегменты получены в результате фрезерования в кольце четырех пазов шириной 6 мм каждый. В качестве первого 79 и второго 80 фланцев использованы стандартные фланцы круглого волновода. Фланцы имеют в плане круглую форму. Коаксиально-полосковые переходы 75, 76, 77, 78 выполнены в соответствии с документацией, разработанной на основе известных технических решений.

Указанные выше детали и узлы расположены и соединены между собой следующим образом.

Полосковые проводники 6, 9, 12 и 15, полосковый резонатор 18 и первый 32, второй 35, третий 38 и четвертый 41 согласующие трансформаторы расположены в плоскости, параллельной первому экрану 4, при этом первый экран 4, первая диэлектрическая пластина 5, полосковые проводники 6, 9, 12, 15, полосковый резонатор 18 и первый 32, второй 35, третий 38 и четвертый 41 согласующие трансформаторы, вторая диэлектрическая пластина 23 и второй экран 24 образуют плоскослоистую структуру 26 с указанным выше чередованием слоев. Между первым и вторым экранами установлены прецизионные цилиндрические шайбы, задающие расстояние между первым и вторым экранами, равное 3 мм. Первый 4 и второй 24 экраны соединены между собой винтами. Сегменты 48, 49, 50 и 51 расположены между первым 4 и вторым 24 экранами с образованием отрезка круглого волновода диаметром 19 мм с первым 52, вторым 53, третьим 54 и четвертым 55 пазами. Ширина пазов 52, 53, 54, 55 равна 6 мм. Сегменты припаяны ко второму экрану 24. Первый полосковый проводник 6 проходит через первый паз 52, второй полосковый проводник 9 проходит через второй паз 53, третий полосковый проводник 12 проходит через третий паз 54, четвертый полосковый проводник 15 проходит через четвертый паз 55. С целью обеспечения надежного гальванического контакта сегментов с первым экраном 4 между сегментами и первым экраном 4 установлена волноводная контактная пластина 79 (на фиг. не показана). Согласующая пластина 57 расположена в центре отверстия 25 в первом экране 4 и приклеена непосредственно к первой диэлектрической пластине 5. Первый фланец 79 установлен на входе круглого волновода 1, второй фланец 80 установлен на выходе круглого волновода 1. Волновод 1 расположен перпендикулярно к поверхности первого экрана 4 так, что его ось проходит через центр отверстия на первом экране 4 и центр крестообразного соединения 27. Круглый волновод 1 соединен с первым экраном 4 с помощью винтов с образованием гальванического контакта. Первый, второй, третий и четвертый коаксиально-полосковые переходы установлены на втором 24 экране. Выходы 8, 11, 14 и 17 полосковых проводников 6, 9, 12 и 15 соединены с полосками первого 75, второго 76, третьего 77 и четвертого 78 коаксиально-полоскового переходов, соответственно, как указано на фиг.16.

С описанным выше образцом волноводно-полоскового турникетного соединения были проведены следующие эксперименты.

Эксперимент №1. Волноводно-полосковое турникетное соединение как согласованный четырехплечевой разветвитель мощности. От генератора СВЧ сигнал поступал на вход круглого волновода. На выходах первого, второго, третьего и четвертого коаксиально-полоскового переходов измерялись выходные сигналы. При этом ориентация вектора напряженности электрического поля Е вдоль направления оси Х принималась за угол наклона плоскости поляризации, равный 0°. Ориентация вектора вдоль направления оси Y принималась за угол наклона плоскости поляризации, равный 90°. Угол наклона поляризации, равный величине 45°, соответствует ситуации, когда проекции вектора напряженности электрического поля на оси Х и Y равны друг другу по абсолютной величине и обе имеют одинаковый знак. В направлении положительных значений оси Х простирается плечо I, в направлении положительных значений оси Y простирается плечо II. Измерения выполнены на частоте 12,8 ГГц. Результаты измерений амплитуд сигналов на выходе I-IV плеч приведены в таб.1.

Результаты измерений разности фаз на выходе I-IV плеч приведены в табл. 2. При измерении разности фаз сигналов фаза сигнала на выходе первого I плеча принималась за нулевую фазу.

Эксперимент №2. Измерение согласования волноводно-полоскового турникетного соединения. От генератора СВЧ сигнал поступал на вход круглого волновода. При этом вектор напряженности электрического поля ориентирован вдоль направления оси X. Измерения КСВ выполнялись с помощью стандартного измерительного прибора. Результаты измерений приведены на фиг.17. В каждом из трех измерений размер полоскового резонатора был равен 10×10 мм. Диаметр согласующей пластины, установленной в отверстии на первом экране, был равен 8,0 мм (на фиг.17 линия с треугольниками), 8,4 мм (на фиг.17 линия с ромбами), 8,8 мм (на фиг.17 линия с квадратами).

Применение изобретения

Изобретение может быть применено в качестве элементов антенно-фидерных устройств в разных частотных диапазонах: в диапазоне метровых, дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн.

Волноводно-полосковое турникетное соединение может быть использовано как согласованный четырехплечевой разветвитель мощности в системах, использующих полосковые линии передачи, но питаемые круглым волноводом.

Волноводно-полосковое турникетное соединение может быть использовано как анализатор и поляризатор.

Волноводно-полосковое турникетное устройство может заменить четвертьволновую пластину в круглом волноводе вместе с переходом между круглым и полосковыми волноводами.

Может использоваться в качестве антенного переключателя в радиотехнических системах невысокой мощности.

Изобретение позволяет обеспечить непосредственное соединение выпускаемых промышленностью конверторов с плоскими антеннами, применяемыми в системах для приема телевизионных сигналов со спутников.

Формула изобретения

1. Волноводно-полосковое турникетное соединение, содержащее круглый волновод, который имеет вход и выход, а также первый экран, первую диэлектрическую пластину, первый и второй полосковые проводники, каждый с входом и выходом, вторую диэлектрическую пластину, второй экран, причем на первом экране выполнено круглое отверстие, полосковые проводники расположены в плоскости, параллельной первому экрану, при этом первый экран, первая диэлектрическая пластина, первый и второй полосковые проводники, вторая диэлектрическая пластина и второй экран образуют плоскослоистую структуру, полосковые проводники расположены под углом 90° относительно друг друга, а круглый волновод расположен перпендикулярно к поверхности первого экрана так, что его ось проходит через центр отверстия на первом экране, при этом круглый волновод гальванически соединен с первым экраном, отличающееся тем, что дополнительно содержит сегменты, причем сегменты расположены между первым и вторым экранами с образованием отрезка круглого волновода, оси круглого волновода и отрезка круглого волновода совпадают между собой.

2. Волноводно-полосковое турникетное соединение по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит третий и четвертый полосковые проводники, каждый с входом и выходом, полосковый резонатор с четырьмя выходами, четыре согласующих устройства, каждое с входом и выходом, а также третью диэлектрическую пластину и первую проводящую пластину, причем третья диэлектрическая пластина расположена в отверстии первого экрана параллельно плоскости экрана, первая проводящая пластина расположена на третьей диэлектрической пластине параллельно плоскости экрана, при этом отрезок волновода имеет четыре паза, выходы полоскового резонатора гальванически соединены с входами соответствующих согласующих устройств, выходы которых соединены с входами полосковых проводников с образованием крестообразного соединения с полосковым резонатором в центре креста, полосковые проводники проходят через соответствующие пазы отрезка волновода.

3. Волноводно-полосковое турникетное соединение по п.3, отличающееся тем, что дополнительно содержит четвертую диэлектрическую пластину и вторую проводящую пластину, причем четвертая диэлектрическая пластина и вторая проводящая пластина расположены в круглом волноводе, при этом плоскость проводящей пластины параллельна плоскости первого экрана.

4. Волноводно-полосковое турникетное соединение по п.2, отличающееся тем, что дополнительно содержит третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый экраны, причем третий и четвертый экраны гальванически соединены с первым и вторым экранами и совместно с первым полосковым проводником образуют первую экранированную полосковую линии, пятый и шестой экраны гальванически соединены с первым и вторым экранами и совместно со вторым полосковым проводником образуют вторую экранированную полосковую линию, седьмой и восьмой экраны гальванически соединены с первым и вторым экранами и совместно с третьим полосковым проводником образуют третью экранированную полосковую линии, девятый и десятый экраны гальванически соединены с первым и вторым экранами и совместно с четвертым полосковым проводником образуют четвертую экранированную полосковую линию.

5. Волноводно-полосковое турникетное соединение по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит переходную пластину, причем на переходной пластине выполнено круглое отверстие с диаметром, равным диаметру круглого волновода, переходная пластина установлена между первым экраном и круглым волноводом с образованием гальванического контакта между переходной пластиной и первым экраном, между переходной пластиной и круглым волноводом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20, Рисунок 21