СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ

Изобретение относится к области радиотехники сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть использовано, например, для плавной подстройки электрической длины фидерных трактов и СВЧ устройств.

Известны волноводные механические СВЧ фазовращатели с диэлектрической пластиной (вставкой), например, [Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высш. шк., 1988, стр.152, рис.6.3а, б]. В таких фазовращателях по мере введения диэлектрической пластины в область более высокой концентрации электрического поля длина волны уменьшается. В результате увеличивается электрическая длина волновода и возникает сдвиг фазы.

Недостатки фазовращателей с диэлектрической пластиной связаны с тем, что по мере введения пластины в область с высокой концентрацией электрического поля ухудшается согласование, что ограничивает пределы регулировки сдвига фазы. Чтобы уменьшить рассогласование, диэлектрическую пластину делают по возможности тонкой, или не вводят пластину в область большой концентрации электрического поля. Однако это уменьшает погонный фазовый сдвиг, что ведет к уменьшению диапазона регулировки сдвига фазы или к увеличению длины фазовращателя.

Наиболее близким аналогом (прототипам) изобретения является СВЧ фазовращатель с диэлектрической вставкой, которая может быть выполнена также в виде пластины, перемещающейся поперек полого прямоугольного волновода от узкой стенки к центру, [Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высш. шк., 1988, стр.152, рис.6.3б]. Прототип содержит прямоугольный волновод и диэлектрическую пластину (вставку), перемещением которой поперек волновода достигается изменение электрической длины (сдвига фазы). Недостатком прототипа является недопустимое увеличение рассогласования фазовращателя, когда пластина перемещается в область максимального электрического поля, а известные способы улучшения согласования, связанные с уменьшением толщины пластины и приданием ее концам специальной формы неприемлемы, так как ведут к уменьшению погонного сдвига фазы и, следовательно, к увеличению длины фазовращателя или к уменьшению диапазона регулировки сдвига фазы. Фазовращатели с диэлектрической пластиной (вставкой) можно конструировать также на работающих в режиме поперечной электромагнитной волны (ТЕМ волны) линиях передачи с плоскими внешними проводниками, между которыми расположен внутренний проводник. Сечение внутреннего проводника может быть круглым, прямоугольным и т.д., например, [Ганстон М.А.Р. Справочник по волновым сопротивлениям фидерных линий СВЧ. Пер. с англ. Под ред. А.З.Фрадина. М.: Связь, 1976, рис. 3.3, 3.5, 4.2, 4.4, 4.6]. Далее по тексту, вышеуказанные линии передачи называются плоскими волноводами.

Решаемой задачей изобретения является расширение диапазона регулировки сдвига фазы СВЧ фазовращателя с расположенной вдоль волновода и имеющей возможность перемещаться поперек него диэлектрической пластиной (вставкой) в применениях, когда к фазовращателю предъявляются повышенные требования по согласованию.

Техническим результатом является введение в фазовращатель плавной подстройки согласования при всех положениях диэлектрической вставки, в том числе, когда последняя может перекрывать большую часть поперечного сечения волновода в области наибольшей концентрации электрического поля, обеспечивая существенное увеличение сдвига фазы.

Заявленное устройство по сравнению с прототипом имеет плавную подстройку согласования в диапазоне регулировки фазы. Наличие подстройки согласования позволяет увеличить диапазон регулировки сдвига фазы фазовращателя с улучшенным согласованием за счет более полного заполнения поперечного сечения волновода на длине диэлектрической вставки диэлектриком. Увеличение диапазона регулировки сдвига фазы с улучшенным согласованием дает также возможность в конкретных применениях выполнить фазоврашатель в меньших габаритах.

Технический результат достигается тем, что в сверхвысокочастотный фазоврашатель, содержащий волновод и расположенную вдоль волновода и имеющую возможность перемещения поперек волновода, по крайней мере, одну диэлектрическую вставку, вдоль волновода согласно изобретению вблизи противоположных концов диэлектрической вставки размещены, по крайней мере, по одному согласующему элементу, каждый из которых установлен с возможностью перемещения его поперек волновода независимо от положения диэлектрической вставки и согласующего элемента у другого конца диэлектрической вставки, обеспечивая возможность подстройки согласования фазовращателя при всех положениях диэлектрической вставки в волноводе. Согласующие элементы могут быть выполнены в виде диэлектрических вставок.

Введенные согласующие элементы, расположенные у противоположных концов диэлектрической вставки, позволяют улучшить согласование СВЧ фазовращателя и в том случае, когда диэлектрическая вставка, определяющая величину регулируемого сдвига фазы, перекрывает диэлектриком большую часть поперечного сечения волновода на длине вставки. Изобретение особенно эффективно для фазовращателей на плоских волноводах, работающих на ТЕМ волнах. В них имеется возможность перекрыть диэлектриком практически полностью поперечное сечение волновода на длине вставки в области наибольшей концентрации электрического поля. Это обеспечивает при использованном диэлектрике максимальный погонный сдвиг фазы и как следствие максимальный диапазон регулировки сдвига фазы при фиксированной длине вставки. При этом изобретение дает возможность улучшить согласование при всех положениях диэлектрической вставки в диапазоне регулировки сдвига фазы.

Изобретение поясняется на чертеже. На чертеже показан пример конкретного выполнения изобретения: СВЧ фазовращатель с двумя согласующими элементами. В качестве волновода использован плоский волновод с внутренним прямоугольным проводником.

СВЧ фазовращатель содержит корпус 1, внутренняя поверхность которого является внешним проводником волновода. В корпусе 1 расположены внутренний проводник 2, диэлектрическая вставка 3, при перемещении которой поперек волновода достигается изменение электрической длины фазовращателя, а также два согласующих элемента, выполненных в виде диэлектрических вставок 4 и 5, расположенных вблизи противоположных концов диэлектрической вставки 3. Диэлектрические вставки 3, 4, 5 перемещаются независимо друг от друга поперек волновода с помощью держателей 6. Механизмы перемещения диэлектрических вставок, а также элементы крепления проводника 2 в корпусе 1 и выходные разъемы на чертеже не показаны.

СВЧ фазовращатель работает следующим образом. Он имеет наименьшую электрическую длину, когда диэлектрические вставки 3, 4, 5 прижаты к узкой стенке корпуса 1 (к верхней стенке на чертеже). В этом положении внутренний проводник 2 находится вне диэлектрика в области, где электрическое поле практически отсутствует. При продвижении диэлектрической вставки 3 с помощью держателей 6 к проводнику 2 в область большей концентрации электрического поля увеличивается электрическая длина волновода и в результате увеличивается сдвиг фазы, вносимый фазовращателем. В положении, показанном на чертеже, диэлектрическая вставка 3 практически полностью перекрывает волновод и тем самым вносит наибольший сдвиг фазы на отрезке волновода, заполненном диэлектриком. Однако в этом положении диэлектрическая вставка 3 может вносить в волновод и значительное рассогласование: величина коэффициента стоячей волны может приближаться к значениям, равным значению относительной диэлектрической постоянной материала, из которого изготовлена диэлектрическая вставка 3. Большое рассогласование реализуется и тогда, когда диэлектрическая вставка 3 частично перекрывает волновод в области проводника 2.

Наличие в СВЧ фазовращателе диэлектрических вставок 4, 5 позволяет существенно уменьшить рассогласование при всех положениях диэлекрической вставки 3. Это достигается перемещением диэлектрических вставок 4, 5 с помощью держателей 6 поперек волновода до положения, при котором СВЧ фазовращатель будет иметь приемлемое согласование. Так как диэлектрические вставки 4, 5 вносят в линию передачу сдвиг фазы, то установка требуемого сдвига фазы СВЧ фазовращателя при допустимом рассогласовании обеспечивается за счет некоторой корректировки положения диэлектрических вставок 3, 4, 5.

В одном из крайних положений диэлектрической вставки 3 волновод почти полностью заполнен диэлектриком на длине диэлектрической вставки 3, как показано на чертеже, а во втором крайнем положении диэлектрик на этом отрезке волновода практически отсутствует. Тем самым обеспечивается максимально возможное увеличение диапазона регулировки сдвига фазы на длине диэлектрической вставки 3 при примененном диэлектрике, а согласующие элементы (диэлектрические вставки 4, 5) позволяют в этом диапазоне регулировки сдвига фазы существенно уменьшить рассогласование, наблюдаемое при разных положениях диэлектрической вставки 3.

Был изготовлен макет изобретения - фазовращатель для десятисантиметрового диапазона волн. Длина фазовращателя - 1.5 наименьшей длины волн десятипроцентного рабочего диапазона частот. Диапазон регулировки сдвига фазы - от 0 до 120 градусов. Без использования изобретения в этом диапазоне регулировки фазы коэффициент стоячей волны достигал значений 1.8...1.93. Использование отличительных признаков изобретения позволяло улучшать согласование: при всех положениях диэлектрической вставки 3 с помощью диэлектрических вставок 4, 5 удавалось уменьшать коэффициент стоячей волны фазовращателя до 1.12...1.16.