Гибкий прямоугольный волновод

 

Использование: изобретение относится к СВЧ-технике и может быть использовано при построении волноводных трактов. Цель: улучшение эксплуатационных характеристик гибкого волновода, таких как возможность продольного сжатия и расширения, гибкость, надежность и долговечность. Сущность изобретения: гибкий прямоугольный волновод представляет собой контактно-соединенные между собой звенья, расположенные вдоль оси волновода с возможностью их взаимного поворота и смещения, причем звенья образованы вложенными один в другой отрезками жесткого прямоугольного волновода, соответствующие стороны которых соединены между собой гибкими металлическими пластинами U-образной формы, расположенными между внутренней поверхностью отрезка волновода большего поперечного сечения и внешней поверхностью отрезка волновода меньшего сечения. При этом один край каждой пластины имеет контактное соединение с отрезком большего поперечного сечения, а другой край - с отрезком меньшего поперечного сечения. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к СВЧ-технике и может быть использовано при построении волноводных трактов.

Известны гибкие волноводы прямоугольного поперечного сечения, выполненные в виде сплошной металлической трубы с гофрированными стенками [1,2] Недостатком сплошных гофрированных волноводов является невысокая гибкость и, следовательно, большая длина гибких волноводных секций, применяемых для соединения подвижных узлов волноводных систем.

Известна конструкция гибкого прямоугольного волновода, состоящая из имеющих контактное соединение между собой звеньев, последовательно расположенных вдоль оси волновода с возможностью их взаимного поворота и смещения [3] В такой конструкции основная механическая нагрузка при изгибе или продольном смещении звеньев приходится на электрические контакты между ними, что ограничивает возможности продольного сжатия и растяжения, гибкость, снижает надежность и долговечность гибкого волновода.

В качестве прототипа выбрано устройство гибкого волновода, состоящее из последовательно расположенных вдоль оси волновода отрезков жесткого прямоугольного волновода и гибких металлических пластин U-образной формы, края которых имеют контактное соединение с соответствующими сторонами отрезков, причем отрезки имеют одинаковое поперечное сечение, а пластины расположены между их торцами с контактными соединениями на фланцах отрезков [4] Гибкость волновода в данном устройстве обеспечивается возможностью взаимного поворота и смещения жестких отрезков при деформации гибких металлических пластин U-образной формы, сохраняющих надежное контактное соединение с отрезками.

Устройство прототипа имеет ограниченные возможности продольного сжатия, растяжения и изгиба, поскольку при смещении и повороте жестких отрезков деформация пластин U-образной формы происходит за счет "раскрыва", расширения U-образной формы пластин: возможности такой деформации ограничены. Пластины являются подпружиненными элементами, что необходимо при расположении их между торцами жестких отрезков для обеспечения надежности конструкции и предотвращения нежелательных деформаций. Подпружиненный элемент имеет ограниченные возможности продольного сжатия, растяжения и изгиба. Для обеспечения высокой гибкости и большой продольной деформации волновода он должен иметь большое число звеньев (отрезков жесткого волновода).

Задача, решаемая настоящим изобретением, улучшение эксплуатационных характеристик гибкого волновода: повышение возможностей продольного сжатия и растяжения, гибкости при сохранении высокой надежности и долговечности.

Для решения поставленной задачи отрезки жесткого волновода двух различных по размерам поперечных сечений расположены в чередующемся порядке, причем отрезки волновода меньшего поперечного сечения вложены в отрезки волновода большего сечения, а U-образные пластины расположены между внутренней поверхностью отрезка волновода большего поперечного сечения и внешней поверхностью отрезка волновода меньшего сечения.

На фиг.1 показан гибкий прямоугольный волновод (продольный вертикальный разрез) с изгибом U-образных пластин выпуклостью наружу волновода; на фиг.2 гибкий прямоугольный волновод с изгибом пластин выпуклостью внутрь волновода; на фиг.3 поперечное сечение гибкого прямоугольного волновода; на фиг.4 двухзвенная конструкция гибкого прямоугольного волновода.

Гибкий прямоугольный волновод состоит из последовательно расположенных вдоль оси волновода отрезков жесткого прямоугольного волновода 1 и 2 и гибких металлических пластин 3, имеющих в изогнутом состоянии U-образную форму. Края пластин 3 имеют контактное соединение 4 с соответствующими сторонами отрезков 1 и 2. Контактные соединения 4 гибких пластин 3 с жесткими отрезками 1 и 2, обеспечивающие надежный электрический контакт, могут быть выполнены пайкой, сваркой или механическим креплением. Отрезки волновода 1 и 2 двух различных по размерам поперечных сечений расположены в чередующемся порядке, при этом отрезки волновода 2 меньшего поперечного сечения вложены в отрезки волновода 1 большего поперечного сечения. Пластины 3 расположены между внутренней поверхностью отрезка волновода 1 большего поперечного сечения и внешней поверхностью отрезка волновода 2 меньшего сечения.

Гибкие пластины могут быть установлены выпуклой поверхностью наружу или внутрь волновода; в последнем случае внутренняя поверхность отрезка 1 большего поперечного сечения и внешняя поверхность отрезка 2 меньшего сечения покрыты диэлектрическим слоем 5.

Размеры поперечного сечения жестких отрезков волновода могут быть связаны соотношением: где a₁ размер широкой стенки отрезка 1 волновода большего поперечного сечения; b₁ размер узкой стенки отрезка 1; a₂ размер широкой стенки отрезка 2 волновода меньшего поперечного сечения; b₂ размер узкой стенки отрезка 2; λ рабочая длина волны колебаний.

Гибкий прямоугольный волновод работает следующим образом.

При изгибе, растягивании или сжатии волновода происходит взаимное угловое или плоскопараллельное смещение жестких волноводных отрезков 1 и 2, при этом изгибы U-образных пластин 3 свободно "перекатываются" в новое положение. Внутренняя поверхность отрезка 1 и внешняя поверхность отрезка 2 образуют направляющие желобы, в которых изменение места изгиба пластин 3 происходит с сохранением U-образной формы, без выпучиваний и изломов. Механическая нагрузка на электрические контакты в местах контактных соединений 4 краев пластин 3 с отрезками волноводов 1 и 2 практические отсутствует, что обеспечивает высокую надежность и долговечность гибкого волновода. Деформация гибких пластин 3 за счет свободного "перекатывания" их изгибов внутри направляющих желобов обеспечивает расширение возможностей продольного сжатия, растяжения и изгиба по сравнению с прототипом: величина возможного относительного удлинения волновода с предлагаемой конструкцией выше, чем в прототипе; а одинаковое с прототипом максимальное абсолютное изменение длины или угла поворота достигается при меньшем количестве звеньев отрезков жесткого волновода.

В варианте с изгибом пластин 3 выпуклостью наружу волновода обеспечивается надежный постоянный электрический контакт в местах контактных соединений 4 пластин 3 с волноводными отрезками 1 и 2, неявные скользящие контакты U-образных поверхностей пластин 3 с волноводными отрезками 1 и 2 находятся за пределами поверхности гибкого волновода и не несут токовой нагрузки. Щели между пластинами 3 в углах волновода являются неизлучающими, поскольку ВЧ-токи замыкаются по поверхности жестких волноводных отрезков, не пересекая щелей. Из-за концентрации электрического поля у торцов отрезков 2 несколько снижена электрическая прочность волновода, но для больших волноводов (в дециметровом и метровом диапазоне волн), обычно работающих с большим запасом прочности, это снижение не является существенным.

В варианте с изгибом пластин 3 выпуклостью внутрь волновода для предотвращения неявных контактов U-образных поверхностей со стенками волноводных отрезков 1 и 2 поверхности направляющих желобов покрыты диэлектрическим слоем 5. Такой волновод имеет более высокую электрическую прочность, но несколько худшую электрогерметичность по сравнению с вариантом гибкого волновода с изгибом пластин 3 выпуклостью наружу.

Волновое сопротивление гибкого прямоугольного волновода близко к волновому сопротивлению гофрированного прямоугольного волновода, т.к. величина вносимого в плоскость отрезков 2 реактивного сопротивления линий, образованных поверхностями U-образных пластин 3, близка к нулю при любом их положении благодаря малой величине волнового сопротивления и малой по сравнению с длиной волны длине линий, образованных пластинами 3.

Прохождение волны типа H₁₀ через гибкий волновод может быть улучшено путем выбора размеров поперечного сечения составляющих его жестких волноводных отрезков 1 и 2 в соотношении (1). При выполнении этого соотношения отрезки волновода имеют одинаковое волновое сопротивление на типе волны H₁₀.

Гибкий волновод в зависимости от назначения и целей применения при построении волноводных трактов может иметь различное число звеньев отрезков жесткого волновода. Показанный на фиг.4 двухзвенный отрезок гибкого прямоугольного волновода с присоединительными фланцами при короткой длине имеет достаточно высокую гибкость и возможность продольного сжатия-растяжения для компенсации монтажных отклонений и термического удлинения волноводных трактов.

Планируется применение таких компенсаторов в волноводных фидерах для ускоряющей системы ускорительно-накопительного комплекса на энергию 3000 ГэВ (УНК), строительство которого ведется в настоящее время в Протвине. По фидерам длиной 40-60 м на частоте 200 МГц будет передаваться средняя ВЧ мощность 1 МВт. Поперечное сечение прямоугольного волновода 860 x 300 мм². Компенсаторы будут устанавливаться через 10-12 м жесткого фидера. Жесткие отрезки волновода 1 и 2, имеющие одинаковое волновое сопротивление (размеры поперечного сечения выбраны в соответствии с соотношением (1)), в конструкции компенсатора изготовлены из алюминиевых листов и затем гальваническим путем покрыты слоем меди, бронзовые медненые пластины 3 припаяны к стенкам отрезков; таким образом обеспечено надежное контактное соединение 4 краев пластин со стенками жестких волноводных отрезков. Конструкция имеет присоединительные фланцы 6, ограничители растяжения 7 и герметизирующую резиновую рубашку 8 для использования компенсатора в полевых условиях.

Испытания опытного образца показали эффективность предложенного технического решения: компенсатор надежно работает обеспечивает угол поворота волновода в Н-плоскости 3^o, в Е-плоскости 9^o, изменение продольной длины на 50 мм при максимальной длине 200 мм на проектном уровне мощности бегущей волны 1 МВт (испытания проведены в резонансном режиме); обеспечивает малое отражение на рабочей частоте (измерения коэффициента стоячей волны методом смещения минимума дали величину КСВ (1,01 1,015) ± 0,004 на уровне собственного КСВ измерительного волновода при любых возможных в данной конструкции изгибах); имеет хорошую электрогерметичность, почти не уступающую электрогерметичности стыков волноводных секций (измеренная напряженность электрического поля излучения при мощности бегущей волны в фидере 100 кВт не превышает 0,05 0,1 В/м).

Источники информации.

1. Патент США N 3974467, кл. H 01 P 3/14.

2. Патент США N 4047133, кл. H 01 P 3/14.

3. Харвей А.Ф. Техника сверхвысоких частот. т.1, М. Сов. радио, 1965, с. 127.

4. Патент ФРГ N 1099023, кл. H 01 B (н.кл. 21 c 5/03), 1961 (прототип).

Формула изобретения

1. Гибкий волновод прямоугольного поперечного сечения, состоящий из последовательно расположенных вдоль оси волновода отрезков жесткого прямоугольного волновода и гибких металлических пластин U-образной формы, края которых имеют контактное соединение с соответствующими сторонами отрезков, отличающийся тем, что отрезки волновода двух различных по размерам поперечных сечений расположены в чередующемся порядке, причем отрезки волновода меньшего поперечного сечения вложены в отрезки большего поперечного сечения, а пластины расположены между внутренней поверхностью отрезка волновода большего поперечного сечения и внешней поверхностью отрезка волновода меньшего сечения.

2. Волновод по п. 1, отличающийся тем, что гибкие U-образные пластины установлены выпуклой поверхностью наружу волновода.

3. Волновод по п. 1, отличающийся тем, что размеры поперечного сечения жестких отрезков связаны соотношением

где а₁ размер широкой стенки отрезка волновода большего поперечного сечения;
b₁ размер узкой стенки отрезка волновода большего поперечного сечения;
а₂ размер широкой стенки отрезка волновода меньшего поперечного сечения;
b₂ размер узкой стенки отрезка волновода меньшего поперечного сечения;
λ - рабочая длина волны колебаний.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4