Радиотехника и электроника, 2021, T. 66, № 10, стр. 939-950

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Данная работа является продолжением исследования базовых элементов, реконфигурируемых СВЧ-схем на основе электромагнитных кристаллов (ЭМК). Первые результаты исследования были изложены в [1]. Указанная работа посвящена проектированию и экспериментальному исследованию поворотов EBG-волноводов, которые являются базовыми линиями передачи отмеченных выше реконфигурируемых схем.

Как мы указывали в прежних работах, существует несколько типов EBG-волноводов, отличающихся геометрической структурой: одно-, двух- и трехрядные волноводы, а также ориентацией относительно осей кристалла: осевые и диагональные. Можно отметить еще один фактор, отличающий EBG-волноводы друг от друга, а именно, тип сетки ЭМК. В работах, посвященных исследованию волноводов данного типа (см., например, [2] и другие наши работы 2020 г.), рассматривались ЭМК с квадратной и треугольной сетками. В работе [1] исследовались повороты на EBG-волноводах определенного типа в кристаллах с квадратной сеткой. Здесь мы также ограничимся теми же типами волноводов в ЭМК с квадратной сеткой.

Кроме отмеченных выше признаков, позволяющих классифицировать волноводы по геометрической структуре, ориентации в пространстве и типу ЭМК, следует отметить еще один фактор, который относится уже не только к волноводам, но характеризует в целом схему, частью которой является волновод. Этот фактор определяет тип управления. Способы управления отличаются видами управляющих воздействий: электронное, механическое, электромеханическое, а также характером изменения указанных воздействий: непрерывный и дискретный. Основываясь на тех же принципах, что и в работе [1], мы исследуем структуры с механическим и электромеханическим дискретным управлением. При этом способы дискретного управления различаются числом состояний или позиций, в которых может находиться управляющий фактор: двух-, трех- и многопозиционное (в общем случае) управление. Объектом нашего исследования являются схемы с двух- и трехпозиционным управлением.

Одной из целей этого исследования является определение потенциально достижимых показателей качества базовых элементов реконфигурируемых схем в зависимости от типа дискретного управления. Исследованные в работе [1] повороты EBG-волноводов являлись четырехполюсными СВЧ-устройствами, функция которых состоит в полной передаче мощности с одновременным изменением направления ее распространения. Основным показателем качества такого устройства является его согласование, т.е. величина коэффициента отражения $\left| {{{S}_{{11}}}} \right|$ или обратных потерь (return loss) $RL = 20\lg \left| {{{S}_{{11}}}} \right|$. По определению, обратные потери – это коэффициент отражения, выраженный в децибелах. Другим показателем качества является полоса частот, в которой параметр $\left| {{{S}_{{11}}}} \right|$ не превышает некоторого заданного значения.

Делитель мощности представляет собой СВЧ-шестиполюсник с тремя портами. При этом выделяются центральный и боковые входы. Функциональное назначение делителя состоит в передаче мощности с центрального на боковые входы с минимальными потерями. В этом случае основным показателем качества так же, как и в работе [1], является коэффициент отражения от центрального входа, который по умолчанию имеет номер 1. Боковые входы имеют номера 2 и 3. Все рассмотренные ниже структуры имеют плоскость симметрии, которая обеспечивает равное деление мощности между боковыми входами. Поскольку исследуемые делители относятся к классу взаимных волноводных элементов с малыми тепловыми потерями, то при условии малого коэффициента отражения $\left| {{{S}_{{11}}}} \right|$ остальные элементы матрицы рассеяния имеют известные фиксированные значения [6]. По этой причине мы не рассматриваем далее их поведение. Основное внимание будет уделено исследованию частотной зависимости коэффициента отражения по центральному входу и его минимизации в полосе частот.

В работе [1] было показано, что двухпозиционные повороты могут быть согласованы на уровне –15 дБ в диапазоне частот, близком к 1.5. Под диапазоном частот мы понимаем отношение верхней частоты к нижней. Переход к трехпозиционным структурам обеспечивает уменьшение коэффициента отражения до –20 дБ в той же полосе рабочих частот. Указанные уровни согласования и диапазонов частот мы будем использовать в данной работе в качестве целевых значений для оптимизации двух- и трехпозиционных делителей мощности.

Конструктивная реализация управляемых элементов ЭМК описана в работе [1]. Она остается неизменной, и поэтому здесь ее не обсуждаем. Для нас важно, что управляющим параметром можно считать радиус металлических цилиндров, формирующих ЭМК. Отметим, что ЭМК представляет собой периодическую решетку металлических цилиндров с квадратной сеткой. Цилиндры расположены внутри плоского волновода (ПВ) в виде двух параллельных металлических экранов.

На первом этапе исследования проведена оптимизация делителей и определена их структура. Для этого используем систему электродинамического моделирования HFSS. На втором этапе будет проведено экспериментальное исследование элементов с двухпозиционным управлением. Экспериментальное исследование делителей мощности состоит в измерении достаточно малых коэффициентов отражения. Связанные с особенностями измерительной аппаратуры проблемы и способы их решения описаны в [1].

2. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОСЕВЫХ Y-ДЕЛИТЕЛЕЙ НА EBG ВОЛНОВОДАХ

Осевой трехрядный и диагональный пятирядный EBG волноводы изображены на рис. 1а, 1б. Их получают путем удаления из ЭМК трех и пяти рядов цилиндров, ориентированных вдоль главных и побочных (диагональных) оптических осей кристалла. На основе результатов наших более ранних работ, 2019 и 2020 гг., были выбраны параметры ЭМК: период Р = 5.75 и радиус цилиндра R = 1. Высота ЭМК h = 10. Все размеры здесь и далее приводятся в миллиметрах. Данные параметры соответствуют рабочему диапазону частот 7…13 ГГц стандартного металлического волновода сечением 23 × 10.

Рис. 1.

Осевой (а) и диагональный (б) EBG-волноводы.

На практике волноводные элементы имеют более узкий рабочий диапазон, так как на нижних частотах их характеристики ухудшаются из-за близости к критической частоте основной волны, а на верхнем краю полосы из-за появления паразитных резонансов, связанных с высшими типами волн. Поэтому при оптимизации EBG-элементов мы стремились к достижению приемлемых характеристик в диапазоне частот 8…12 ГГц.

Делители мощности на EBG-волноводах относятся к классу Н-плоскостных волноводных разветвлений, которые известны в теории и технике СВЧ-устройств [9]. Для достижения хорошего согласования таких элементов используются следующие подходы. Первый состоит в создании плавного волноводного перехода. Как правило, он включает две части: плавное расширение центрального волновода и изгибы боковых плеч. Второй подход предполагает применение согласующих зеркал. Дискретная структура EBG-волновода плохо подходит для формирования плавных нерегулярностей, таких как изгиб. Поэтому основным было выбрано второе направление.

Рассмотрим далее двухпозиционный осевой Y‑делитель мощности. Исходный вариант такого делителя показан на рис. 2а. Видно, что центральный вход 1 устройства выполнен на основе вертикального осевого трехрядного EBG-волновода. Темными кружками на рис. 2а–2в показаны металлические цилиндры, а светлыми отображаются цилиндры, удаленные из ЭМК. Еще раз отметим, что двухпозиционное управление подразумевает для элемента ЭМК два состояния: полное погружение в ПВ и удаление из ПВ. Если в качестве управляющего фактора рассматривать радиус цилиндра, то первое состояние эквивалентно тому, что цилиндр имеет радиус R = 1, а второе состояние соответствует нулевому радиусу, эквивалентному отсутствию цилиндра в решетке.

Рис. 2.

Варианты двухпозиционных Y-делителей: базовый (а), с расширением центрального волновода (б), с разреженной центральной частью (в).

Из рис. 2а также видно, что боковые плечи 2, 3 устройства выполнены в виде двух диагональных пятирядных EBG-волноводов. Базовый вариант такого делителя представляет собой простое сочленение трех волноводов. Оптимизация двухпозиционного делителя состоит во введении и удалении из структуры цилиндров стандартного радиуса.

Отметим, что модель, использованная для электродинамического моделирования, содержит выходы в виде отрезков стандартных металлических волноводов указанного выше сечения. По этой причине на расчетные характеристики оказывают влияние также переходы со стандартного волновода на EBG-волновод. Однако, как отмечалось нами ранее (а также в работах 2019–2020 гг.), коэффициент отражения от таких переходов весьма мал. Он находится в диапазоне –(20…30) дБ. Поэтому далее мы не предпринимали специальных мер для выделения коэффициента отражения собственно EBG-элемента в результирующий коэффициент отражения, полагая, что они отличаются незначительно.

Первым вариантом модификации базового варианта было создание ступенчатого расширения центрального волновода, т.е. перехода от волновода стандартной ширины к волноводу удвоенной ширины. Далее в плоскости симметрии размещали продольную стенку в виде нескольких цилиндров, разделяющих волновод удвоенной ширины на два отдельных волновода, которые затем поворачивались на угол 45°. При использовании стандартных волноводных элементов имеется возможность тщательной оптимизации каждой составляющей части делителя, геометрические параметры которого допускают плавное изменение. В случае EBG-волноводов такие возможности крайне ограничены дискретной структурой устройства.

На рис. 2б представлена оптимизированная конструкция Y-делителя, построенного по описанной выше схеме. Частотная зависимость модуля его коэффициента отражения показана на рис. 3 (кривая 1). Видно, что коэффициент отражения с трудом удалось снизить до уровня –15 дБ в полосе частот 8…11.9 ГГц. Дальнейшее улучшение параметров данного варианта делителя за счет оптимизации маловероятно.

Рис. 3.

Частотные характеристики осевых двухпозиционных Y-делителей: 1 – с расширением центрального волновода, 2 – с разреженной центральной частью.

Анализируя частотную характеристику делителя, изображенную на рис. 3, можно отметить ее характерные черты, наблюдаемые в большинстве исследованных структур. В первую очередь можно отметить наличие резких изломов кривой в верхней части диапазона на частотах f > 12 ГГц. Они связаны с возбуждением собственного колебания, возникающего в полости сочленения волноводов. В принципе, имеется возможность уменьшения размеров полости введением в нее дополнительных элементов ЭМК. Однако их появление неизбежно ухудшает характеристики устройства в области низких частот за счет возникновения областей с размерами, близкими к критическим размерам волновода. Как показали многочисленные численные эксперименты, два отмеченных выше фактора ограничивают потенциально достижимый диапазон рабочих частот, который крайне трудно получить шире чем 1.5.

В целом следует отметить, что попытки создания ступенчатых, а тем более, плавных переходов в схемах с дискретным управлением оказались малоперспективными. Другим направлением оптимизации является выявление локальных центров рассеяния и их настройка имеющимися средствами. Пример конструкции, полученной этим путем, показан на рис. 2в. Центрами рассеяния являются угловые точки, расположенные в местах сочленения волноводов базовой конструкции (см. рис. 2а). Как можно заметить, наибольшие изменения в сравнении с базовым вариантом требуются в центральной части делителя, из которой удалены три элемента, что позволяет назвать данную структуру делителем с разреженной центральной частью.

На рис. 3 кривая 2 соответствует частотной характеристика такого делителя. По уровню –15 дБ он согласован в полосе 7.7…11.3 ГГц. Может показаться, что не удается получить выигрыш по сравнению с делителем, рассмотренным выше. Однако следует отметить, что в пределах указанной полосы уровень коэффициента отражения существенно снижен. В большей части рабочего диапазона он ниже или незначительно превышает –20 дБ.

Переход к трехпозиционному управлению расширяет набор возможных радиусов цилиндров, которые в нашем случае были равны 0, 0.5 и 1.0. Исследованные трехпозиционные структуры были развитием двухпозиционного варианта, изображенного на рис. 2в. В результате замены части цилиндров с R = 1.0 на цилиндры меньшего радиуса были получены конкурирующие конструкции (рис. 4а, 4б), которые имеют близкие частотные характеристики, представленные на рис. 5 (кривые 1, 2 соответственно). Видно, что применение трехпозиционного управления существенно улучшает достигнутый уровень согласования и, что немаловажно, форму частотной характеристики. В исследованных делителях коэффициент отражения не превышает –20 дБ в полосе частот 7.6…11.2 ГГц.

Рис. 4.

Варианты осевых трехпозиционных Y-делителей с разреженной центральной частью.

Рис. 5.

Частотные характеристики осевых трехпозиционных Y-делителей для двух вариантов на рис. 4а и 4б – кривые 1 и 2 соответственно.

Для измерений характеристик двухпозиционных элементов был изготовлен образец, показанный на рис. 6. Он состоит из двух металлических пластин восьмиугольной формы, которые выполняют функцию экранов ПВ. Толщина пластин равна 3. В экранах ПВ имеется система круглых отверстий с диаметром 2. В эти отверстия погружаются металлические цилиндры длиной 16. Цилиндры имеют расширения (см. рис. 6), которые используются для их фиксации в отверстиях. Расстояние между экранами равно 10, что совпадает с высотой стандартного металлического волновода сечением 23 × 10. Отверстия формируют квадратную сетку ЭМК с периодом 5.75. Механически экраны ПВ закрепляются при помощи цилиндрических стоек диаметром 5 и высотой 10. Стойки крепятся к экранам при помощи винтов М3.

Рис. 6.

Образец для экспериментального исследования.

По краям металлических пластин имеется выборка шириной 15 и глубиной 1, предназначенная для размещения между экранами металлического волновода, имеющего стенки толщиной 1. Металлические волноводы используются для возбуждения EBG-структур. Восьмиугольная форма образца позволяет исследовать элементы, имеющие выходы в виде как осевых, так и диагональных волноводов.

Процедура обработки измеренных данных описана в работе [1]. Отметим только, что использованная рефлектометрическая методика позволяет существенно ослабить влияние на окончательный результат таких факторов как неидеальные характеристики коаксиально-волноводных переходов и переходов волновод–EBG волновод. Для этого используется частотная фильтрация измеренного сигнала. Данный метод основан на том, что полезный сигнал, порожденный волнами, отраженными от исследуемого устройства, меняется значительно медленнее сигналов, порожденных паразитными волнами. Такое допущение было полностью оправдано применительно к поворотам EBG-волноводов, исследованных в [1]. В случае делителей мощности оно выполняется не всегда. Наличие резонансов в делителях порождает участки с резким изменением частотной характеристики. Скорость ее изменения в этих областях может быть сравнима со скоростью изменения паразитных сигналов. По этой причине процедура, описанная в работе [1], приводит к сглаживанию экспериментально полученной кривой и искажает результаты в области существования резонансов. Подобные искажения характерны для верхней части диапазона. Поскольку они, как правило, располагаются вне рабочей полосы, то отмеченные искажения не мешают корректной оценке поведения измеряемого устройства в наиболее интересной части диапазона.

На рис. 7а, 7б представлены фотография экспериментально исследованного осевого Y-делителя с расширением центрального волновода (см. рис. 2в), а также измеренная и рассчитанная частотные зависимости его коэффициента отражения. Можно отметить достаточно хорошее совпадение двух кривых. Они дают близкие значения рабочего диапазона частот, определенного по уровню –15 дБ, принятому для двухпозиционных элементов. Экспериментальная кривая 1 не имеет резкого провала на частоте, близкой к 12 ГГц, который наблюдается у расчетной кривой 2. Этот провал – результат воздействия резонансных эффектов. Можно предположить, что его отсутствие в экспериментальной кривой обусловлено отмеченным выше эффектом сглаживания.

Рис. 7.

Фотография экспериментально исследованного осевого двухпозиционного Y-делителя с расширением центрального волновода (а) и его измеренная (1) и рассчитанная (2) частотные характеристики (б).

3. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИАГОНАЛЬНЫХ Y-ДЕЛИТЕЛЕЙ НА EBG-ВОЛНОВОДАХ

Рассмотрим диагональные Y-делители на EBG-волноводах. Базовая конструкция такого делителя показана на рис. 8а. Она представляет собой простое сочленение трех волноводов, как и на рис. 2б, за исключением того, что теперь центральным является диагональный волновод, а боковыми – осевые волноводы.

Рис. 8.

Базовая (а) и оптимизированная (б) конструкции диагональных двухпозиционных Y-делителей.

Оптимизация устройства проводилась по принципу выделения центров рассеяния. Базовая и оптимизированная конструкции двухпозиционных делителей показаны на рис. 8а, 8б. Оптимизированный делитель близок к осевому делителю с разреженной центральной частью (см. рис. 4б). Его частотная характеристика показана на рис. 9. Ей соответствует кривая 1. Обращает на себя внимание достигнутый весьма низкий уровень коэффициента отражения. В полосе частот 7.9…11.6 ГГц он не превышает значения –20 дБ, а по уровню ‒15 дБ получена полоса 7.7…11.8 ГГц. Отметим, что из всех исследованных элементов диагональный делитель продемонстрировал наилучшие характеристики.

Рис. 9.

Частотные характеристики двухпозиционного (1) и трехпозиционного (2) диагональных Y-делителей.

Переход к трехпозиционному управлению позволил дополнительно улучшить характеристики диагонального Y-делителя. Его конструкция показана на рис. 10. Введение цилиндров с радиусом 0.5 в центральную часть волноводного сочленения позволило сдвинуть высокочастотный резонанс в сторону более высоких частот и за счет этого добиться расширения полосы рабочих частот, которая по уровню –20 дБ равна 7.7…12.1 ГГц (см. рис. 9, кривая 2). При этом отметим, что в большей части этой полосы коэффициент отражения не превышает значение –24 дБ.

Рис. 10.

Оптимизированная конструкция трехпозиционного диагонального Y-делителя.

На рис. 11а, 11б представлены фотография экспериментально исследованного диагонального Y-делителя, а также его измеренная и рассчитанная частотные характеристики. В целом результаты измерений подтверждают существенное улучшение согласования в данном типе делителя, хотя на низких частотах отмечается расхождение кривых 1 и 2, в результате которого измеренная нижняя граница рабочей полосы частот по уровню ‒15 дБ равна 7.9 ГГц, тогда как расчеты дают значение 7.6 ГГц. Наличие указанных расхождений в значении нижней границы не должно удивлять с учетом большого числа факторов, снижающих точность измерительной установки (см. [1]).

Рис. 11.

Фотография экспериментально исследованного диагонального двухпозиционного Y-делителя (а) и его измеренная (1) и рассчитанная (2) частотные характеристики (б).

4. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОСЕВЫХ Т-ДЕЛИТЕЛЕЙ НА EBG-ВОЛНОВОДАХ

Следующими элементами, исследованными в работе, были Т-образные делители, или Т-делители. Так же как и Y-делители, они могут быть осевыми и диагональными. Базовая конструкция осевого делителя показана на рис. 12а. Она представляет собой сочленение трех осевых волноводов. При этом основной волновод ориентирован вертикально, а два боковых горизонтально.

Рис. 12.

Варианты осевых двухпозиционных Т-делителей: базовый (а) и с расширением центрального волновода (б, в).

Следует отметить, что оптимизация данного элемента вызвала наибольшие проблемы. Особенно это касается так называемого компактного двухпозиционного Т-делителя, о котором более подробно скажем ниже. Как и в случае Y-делителей, мы рассматривали два направления оптимизации. Первое связано с декомпозицией устройства на составные части: расширение волновода и поворот на 90°, второе – с выделением центров рассеяния с последующей их оптимизацией. В рамках первого варианта получаются Т-делители с расширением центрального волновода, во втором варианте приходим к структурам, имеющим существенно меньшие размеры. Поэтому мы назвали их компактными Т-делителями.

Отметим, что в рамках двухпозиционного управления добиться приемлемых характеристик компактного осевого Т-делителя не удалось. Поэтому его будем рассматривать только в трехпозиционном варианте. Получить удовлетворительные характеристики удалось при оптимизации двухпозиционных Т-делителей с расширением центрального волновода.

Варианты конструкций таких делителей показаны на рис. 12б, 12в. Их частотные характеристики представлены на рис. 13, кривые 1, 2 соответственно. Коэффициент отражения варианта на рис. 12б незначительно превышает уровень –15 дБ в районе частоты 11 ГГц. Если предположить допустимым это небольшое нарушение требований к делителю, то можно сделать вывод, что он имеет весьма широкую полосу рабочих частот 7.8…12 ГГц. Полоса частот варианта рис. 12в формально ýже 8…11.5 ГГц, но внутри полосы коэффициент отражения меньше, чем в варианте рис. 12б.

Рис. 13.

Частотные характеристики осевых двухпозиционных Т-делителей с расширением центрального волновода, соответствующие вариантам на рис. 12б и 12в – кривые 1 и 2 соответственно.

Переход к трехпозиционному управлению позволил отказаться от громоздких делителей с расширением центрального волновода и перейти к более привлекательному компактному делителю. Его оптимизированная конструкция показана на рис. 14, а частотная характеристика на рис. 15. Видно, что понизить коэффициент отражения в достаточно широкой полосе частот ниже контрольного уровня –20 дБ не удалось. Однако по уровню –17.5 дБ устройство имеет весьма широкую полосу 7.5…11.9 ГГц.

Рис. 14.

Конструкция осевого трехпозиционного компактного Т-делителя.

Рис. 15.

Частотная характеристика трехпозиционного осевого компактного Т-делителя.

Экспериментально был исследован Т-делитель с расширением центрального волновода, изображенный на рис. 12б. Измеренная и расчетная частотные характеристики представлены на рис. 16. Следует отметить хорошее качественное и количественное совпадение результатов эксперимента и электродинамического моделирования.

Рис. 16.

Измеренная (1) и рассчитанная (2) частотные характеристики осевого двухпозиционного Т-делителя с расширением центрального волновода.

5. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИАГОНАЛЬНЫХ Т-ДЕЛИТЕЛЕЙ НА EBG-ВОЛНОВОДАХ

Еще один вид исследованных в работе делителей — это диагональные Т-делители. Базовая конструкция устройства в виде простого сочленения трех диагональных волноводов показана на рис. 17а. Оптимизация делителя проводилась по принципу создания разреженной центральной части. Варианты с расширением центрального волновода не рассматривались.

Рис. 17.

Базовая (а) и оптимизированная (б) конструкции двухпозиционных диагональных Т-делителей.

Оптимизированная конструкция двухпозиционного диагонального Т-делителя показана на рис. 17б, а ее частотная характеристика представлена на рис. 18, кривая 1. Видно, что коэффициент отражения не превышает значения –15 дБ в полосе 8.2…12.3 ГГц, что можно рассматривать как типичный для двухпозиционных элементов результат.

Рис. 18.

Частотные характеристики двухпозиционного (1) и трехпозиционного (2) диагональных Т-делителей.

Трехпозиционный вариант делителя приведен на рис. 19, а его частотная характеристика – на рис. 18, кривая 2. Переход к трехпозиционной конструкции позволяет снизить коэффициент отражения до уровня –20 дБ в полосе 8.2…11.7 ГГц.

Рис. 19.

Оптимизированная конструкция трехпозиционного диагонального Т-делителя.

Экспериментально был исследован двухпозиционный Т-делитель с разреженной центральной частью, изображенный на рис. 17б. Его измеренная и расчетная частотные характеристики представлены на рис. 20. Полученные экспериментальные данные являются типичными для данного класса устройств.

Рис. 20.

Измеренная (1) и рассчитанная (2) частотные характеристики диагонального двухпозиционного Т‑делителя.

6. СРАВНЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕКОНФИГУРИРУЕМЫХ ДЕЛИТЕЛЕЙ С АНАЛОГАМИ НА EBG- И МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДАХ

Интересно сравнить представленные выше технические характеристики делителей мощности для реконфигурируемых схем с известными результатами, полученными при исследовании делителей на EBG-волноводах, а также с делителями на основе традиционных прямоугольных металлических волноводов. Наиболее близкими к исследованным в работе устройствам являются делители на EBG-волноводах, отличающиеся от рассмотренных выше более гибкой структурой, в которой отсутствуют ограничения, связанные с реконфигурацией схемы.

Такие делители исследовались многими авторами. Для целей сравнения наибольший интерес представляют работы, в которых рассматривались устройства СВЧ-диапазона на основе решеток металлических цилиндров. Можем отметить работы [10, 11], при этом следует упомянуть большое число публикаций, связанных с исследованием и разработкой структур оптического диапазона (см., например, [12–14 ] ). По принципам функционирования они близки к представленным выше. Однако отличия в конструкции, технологии изготовления и в частотном диапазоне исключают возможность их использования для сравнения с СВЧ-делителями мощности.

В работе [10] представлен Т-делитель на однорядных волноводах, близкий по конструкции к делителю с разреженной центральной частью (см. рис. 2а–2в). Для него была получена полоса согласования по уровню –20 дБ 7.5…11 ГГц. Следует сказать, что в структуре, представленной в работе [10], имеются три степени свободы в виде цилиндров с переменными радиусами, и все они расположены в узлах решетки ЭМК.

Конструкция Т-делителя, близкая к компактному варианту (см. рис. 17), была исследована в работе [11]. Для нее была достигнута полоса частот 9…12 ГГц по уровню –20 дБ. В данном делителе используется один настроечный цилиндр переменного радиуса, но расположенный в произвольной точке.

Как развитие работы [11] можно рассматривать вариант устройства, описанный в [15 ] . В нем с помощью двух настроечных цилиндров с фиксированным положением удалось получить полосу рабочих частот 8…12 ГГц по уровню –25 дБ. Этот результат, видимо, наилучший в данном классе устройств.

Как следует из представленных выше результатов, трехпозиционные делители имеют характеристики, которые близки, а в некоторых случаях лучше характеристик устройств из работ [10, 11]. Полученные параметры двухпозиционных делителей уступают им и, тем более, они уступают делителю из работы [12 ] . Такое положение можно оценить как ожидаемое, поскольку возможности по улучшению характеристик двухпозиционных элементов весьма ограничены в связи с отсутствием нужного числа степеней свободы.

Сравнение с делителями на металлических волноводах было сильно затруднено отсутствием в доступной литературе количественных данных по полосе их согласования. Такое положение, очевидно, связано с тем, что элементы на металлических волноводах интенсивно исследовали в середине ХХ в. Поэтому в настоящее время они не представляют интереса с научной точки зрения. Одним из немногих источников, содержащих сведения о параметрах Н-плоскостных волноводных делителей мощности, является работа [16 ] . В ней приводится конструкция Т-образного делителя с согласующим металлическим цилиндром, которая имеет полосу согласования 8…11.6 ГГц по уровню –15 дБ. Нетрудно заметить, что исследованные в работе устройства имеют вполне конкурентоспособные характеристики.

* * *

Выводы из представленных выше результатов во многом аналогичны выводам из исследования поворотов EBG-волноводов в работе [1]. Переход от двух- к трехпозиционным элементам позволил снизить коэффициент отражения на 5 дБ при сохранении полосы частот в диапазоне, близком к 1.5. Расчетные результаты, полученные с помощью программы электродинамического моделирования, во всех рассмотренных случаях хорошо согласуются с экспериментальными данными.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена за счет бюджетного финансирования в рамках государственного задания по теме 0030-2019-0014.