Волноводный переход от металлического волновода к диэлектрическому

Изобретение относится к технике микроволнового диапазона и может быть использовано для возбуждения диэлектрических антенн, для соединения металлических волноводов приемо-передающей аппаратуры с диэлектрическими волноводами измерительных схем различного назначения. Техническим результатом предложенного изобретения является улучшение согласования волновых характеристик, повышение прочности конструкции и упрощение изготовления, стабильность волновых характеристик волноводного перехода при перестыковках ДВ. Для этого в волноводном переходе от металлического волновода к диэлектрическому, содержащем клинообразный отрезок диэлектрического волновода и отрезок прямоугольного металлического волновода с рупором, отрезок прямоугольного металлического волновода выполнен с плавным изменением сечения от прямоугольного на входе волноводного перехода до крестообразного и последующим плавным изменением сечения до квадратного на входе рупора, а сечение диэлектрического волновода равно сечению вертикальной части крестообразного металлического волновода с плавным уменьшением сечения на участке прямоугольного металлического волновода от крестообразного до прямоугольного на входе волноводного перехода, причем волноводный переход с рупором выполнен из двух половин, разделенных поперек широкой стенки прямоугольного металлического волновода и жестко соединенных друг с другом. 6 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к технике микроволнового диапазона и может быть использовано для возбуждения диэлектрических антенн, для соединения металлических волноводов приемо-передающей аппаратуры с диэлектрическими волноводами измерительных схем различного назначения.

Известные принципы выполнения волноводных переходов основаны на обеспечении согласования волновых характеристик при переходе от одного типа волновода к другому.

Известен волноводный переход, в котором отрезок диэлектрического волновода (ДВ) с плавной клинообразной частью входит в металлический волновод равного поперечного сечения [1].

Недостатками таких переходов являются плохое согласование волновых характеристик: достаточно высокие потери и высокий КСВн.

Известен волноводный переход, в котором отрезок диэлектрического волновода с плавной клинообразной частью входит в металлический волновод равного поперечного сечения и на участок диэлектрического волновода длиной до двух длин волн от окончания металлического волновода нанесена полупроводящая пленка с переменным поверхностным сопротивлением [2].

Недостатками таких переходов являются достаточно высокие потери, паразитное излучение и невозможность получения стабильных волновых характеристик (КСВн, потерь) при перестыковке и нанесении полупроводящих пленок на диэлектрический волновод.

В значительной степени лишены этих недостатков волноводные переходы, в которых металлический волновод на выходном участке плавно переходит в рупор.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату, выбранным в качестве прототипа, является волноводный переход, в котором рупорный переход выполнен комбинированным - с плавным расширением боковых стенок металлического волновода до сечения, превышающего сечение диэлектрического волновода на несколько длин волн, а верхняя и нижняя стенки рупора выступают над боковыми стенками и прижаты к ДВ с помощью хомута. В результате в некоторых промежуточных сечениях волноводный переход является металлодиэлектрическим волноводом в виде двух параллельных металлических пластин с зажатым между ними диэлектрическим волноводом [3].

Недостатком такого волноводного перехода является отсутствие жесткой фиксации диэлектрического волновода в горизонтальной плоскости, что приводит к нестабильности характеристик волноводного перехода при перестыковках ДВ, недостаточной прочности конструкции при внешних механических воздействиях (удары, вибрации и т.п.) и сложности изготовления.

Техническим результатом предложенного изобретения является улучшение согласования волновых характеристик, повышение прочности конструкции и упрощение изготовления, стабильность волновых характеристик волноводного перехода при перестыковках ДВ.

Указанный технический результат достигается тем, что в волноводном переходе от металлического волновода к диэлектрическому, содержащем клинообразный отрезок диэлектрического волновода и отрезок прямоугольного металлического волновода с рупором, отрезок прямоугольного металлического волновода выполнен с плавным изменением сечения от прямоугольного на входе волноводного перехода до крестообразного и последующим плавным изменением сечения до квадратного на входе рупора, а сечение диэлектрического волновода равно сечению вертикальной части крестообразного металлического волновода с плавным уменьшением сечения на участке прямоугольного металлического волновода от крестообразного до прямоугольного на входе волноводного перехода, причем волноводный переход с рупором выполнен из двух половин, разделенных поперек широкой стенки прямоугольного металлического волновода и жестко соединенных друг с другом.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими чертежами: на фиг.1 представлен эскиз конструкции волноводного перехода, на фиг.2 представлено сечение А-А, на фиг.3 представлено сечение Б-Б, на фиг.4 представлено сечение В-В, на фиг.5 представлено сечение Г-Г, на фиг.6 представлено сечение Д-Д.

Корпус 1 волноводного перехода выполнен из двух половин 2 и 3, в которых реализован металлический волновод переменного сечения. Половины 2 и 3 разделены поперек широкой стенки прямоугольного металлического волновода и жестко соединены друг с другом. В сечении А-А волноводный переход имеет фланец 4 для стыковки со стандартным прямоугольным металлическим волноводом и волноводный канал 5 того же сечения. Далее, от сечения Б-Б до сечения В-В металлический волновод прямоугольного сечения плавным изменением сечения (расширением) в одной плоскости переходит в волновод крестообразного сечения 6 протяженностью до сечения Г-Г, достаточной для жесткой фиксации отрезка диэлектрического волновода 7, полностью заполняющего вертикальную часть крестообразного волновода 6. От сечения Г-Г до выходного сечения Д-Д крестообразный волновод 6 плавно расширяется в двух плоскостях, изменяя сечение до квадратного на входе рупора 8 с раскрывом 9 на выходе волноводного перехода (сечение Д-Д).

Отрезок диэлектрического волновода 7 выполнен с клиновидным участком 10 от сечения А-А до сечения В-В. Одно из сечений 11 клиновидного участка 10 отрезка ДВ 7 показано в сечении Б-Б. Сечение диэлектрического волновода равно сечению вертикальной части крестообразного металлического волновода с плавным уменьшением сечения на участке прямоугольного металлического волновода от крестообразного до прямоугольного на входе волноводного перехода. Жесткая фиксация отрезка ДВ 7 в волноводном переходе обеспечивается соединением двух половин 2 и 3 корпуса волноводного перехода 1 с помощью штифтов 12 и накидной гайки 13.

Волноводный переход от металлического волновода к диэлектрическому работает следующим образом.

Основная волна Н₁₀ металлического волновода прямоугольного сечения 5 по мере распространения по волноводу переменного сечения волноводного перехода переходит в волну крестообразного волновода 6, близкую по структуре волне Н₁₀ прямоугольного волновода, при этом электрическое поле волны концентрируется в основном в отрезке ДВ 7, заполняющем вертикальную часть крестообразного волновода 6.

Волноводы крестообразного сечения имеют более широкую рабочую полосу частот, более высокую критическую частоту основного типа колебаний (квази Н₁₀-моды) [4], поэтому заполнение отрезком ДВ вертикальной части крестообразного волновода 6 не сдвигает критическую частоту основной волны Н₁₀ при сохранении размеров (несмотря на диэлектрическое заполнение), обеспечивает широкополосность рабочих частот не хуже широкополосности прямоугольного волновода.

Волна крестообразного волновода 6 благодаря концентрации в основном в вертикальном сечении (в сечении ДВ) эффективно переходит в основную волну НЕ₁₁ ДВ по мере распространения в рупоре 8 волноводного перехода.

Плавность изменения сечения волновода в предлагаемом волноводном переходе и клиновидный участок отрезка ДВ 7 обеспечивают малый уровень отражений в широкой полосе частот, а достаточно большие размеры раскрыва рупора на выходе волноводного перехода обеспечивают малый уровень потерь на излучение. Малые токи в стенках металлического волновода на горизонтальном участке крестообразного волновода обеспечивают малые тепловые потери в волноводном переходе.

Волноводный переход от металлического волновода к диэлектрическому может быть изготовлен путем фрезерования из металлических заготовок.

Был реализован макет волноводного перехода в 3 мм диапазоне длин волн со следующими характеристиками.

Сечение металлического волновода на входе волноводного перехода 2,4×1,2 мм, сечение раскрыва рупора 6,5×6,5 мм, длина волноводного перехода 21 мм, диэлектрический волновод выполнен из фторопласта сечением 2,3×1 мм.

Экспериментально полученные характеристики волноводного перехода следующие:

Указанные разбросы характеристик получены при выполнении десяти сборок-разборок перехода.

Реализованный прототип показал следующие характеристики:

- КСВн - 1,1-1,2;

- потери - 0,2-0,4 дБ, что превосходит показатели прототипа.

Таким образом, предлагаемый волноводный переход от металлического волновода к диэлектрическому за счет плавности изменения сечения волновода обеспечивает малый уровень отражений в широкой полосе частот, а за счет больших размеров раскрыва рупора на выходе волноводного перехода обеспечивает малый уровень потерь на излучение.

Жесткая фиксация диэлектрического волновода в профиле крестообразного участка волноводного перехода приводит к стабильности характеристик волноводного перехода при перестыковках ДВ, достаточной прочности конструкции при внешних механических воздействиях (удары, вибрации и т.п.) и простоте изготовления.

Кроме того, достигается упрощение изготовления волноводного перехода за счет фрезерной обработки.

Литература

1. Jeffrey A. Walter. Method for jointing a dielectric waveguide. United States Patent №5148593, H01P 11/00, U.S. Patent Documents, 22.09.1992.

2. Будагин И.Ф., Дубровин В.Ф., Мировицкий Д.И. Возбудитель антенн поверхностных волн. Авторское свидетельство СССР №282449, H01q 13/24. Бюллетень изобретений №45 от 05.11.1973.

3. Взятышев В.Ф., Рожков Г.Д., Рябов Б.И. Переход от металлического волновода к диэлектрическому. Авторское свидетельство СССР №333642, Н01р 5/08. Бюллетень изобретений №11 от 21.03.1972.

4. Громов Л.Л. Расчет волноводов сложных сечений. Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ". №5, 2010, с.3-11.

Волноводный переход от металлического волновода к диэлектрическому, содержащий клинообразный отрезок диэлектрического волновода и отрезок прямоугольного металлического волновода с рупором, отличающийся тем, что отрезок прямоугольного металлического волновода выполнен с плавным изменением сечения от прямоугольного на входе волноводного перехода до крестообразного и последующим плавным изменением сечения до квадратного на входе рупора, а сечение диэлектрического волновода равно сечению вертикальной части крестообразного металлического волновода с плавным уменьшением сечения на участке прямоугольного металлического волновода от крестообразного до прямоугольного на входе волноводного перехода, причем волноводный переход с рупором выполнен из двух половин, разделенных поперек широкой стенки прямоугольного металлического волновода и жестко соединенных друг с другом.