УГОЛКОВОЕ ВОЛНОВОДНОЕ СОЧЛЕНЕНИЕ Российский патент 1994 года по МПК H01P1/02 

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ и может быть использовано в волноводных трактах радиосредств диапазонов сантиметровых и миллиметровых волн.

Известны уголковые волноводные сочленения, содержащие два отрезка волновода, продольные оси которых расположены в одной плоскости под углом друг к другу (см. патенты США N 3686596, кл. 33 - 98ВЕ, N 4295109, кл. 333-249, N 4564826, кл. 333-249).

Могут быть построены также уголковые волноводные сочленения, содержащие рефлектор с отражающей поверхностью в виде вырезки из эллипсоида вращения, в фокусах которого расположены центры симметрии излучающих торцов отрезков волновода (см., например, Покрас А.М. и др. Антенны земных станций спутниковой связи. М.: Радио и связь, 1985, с.80).

Произвольный выбор эксцентриситета эллипсоида вращения, на основе которого выполнен рефлектор, для заданного угла между осями волноводов приводит к неоптимальному с точки зрения потерь энергии построению уголкового вращающегося сочленения вследствие существенного влияния параметров эллипсоидного рефлектора на характеристики устройства.

Кроме того, при использовании в таких уголковых волноводных сочленениях гофрированных волноводов, работающих на волне ЕН₁₁, произвольный выбор сечения, в котором выполняются излучающие торцы отрезков волноводов, приводит к неоптимальному с точки зрения потерь энергии построению уголкового волноводного сочленения вследствие существенной зависимости характеристик направленности излучения волны ЕН₁₁ из открытого конца гофрированного волновода от конструктивного выполнения торцов волноводов.

Целью изобретения является уменьшение потерь энергии в уголковом волноводном сочленении.

Это достигается тем, что эксцентриситет эллипсоида вращения е и угол между осями волноводов γ связаны соотношением:
e = sin ( γ/2).

Кроме того, с целью уменьшения потерь энергии при использовании гофрированных волноводов на волне ЕН₁₁ торец каждого отрезка волновода выполнен в плоскости симметрии впадины гофра.

На фиг.1 схематически изображено продольное сечение варианта конструктивного исполнения уголкового волноводного сочленения с использованием круглых гофрированных волноводов; на фиг. 2 - схема, поясняющая принцип работы уголкового волноводного сочленения; на фиг.3 - расчетные диаграммы направленности в плоскости Е (сплошная линия) и в плоскости Н (штриховая линия) для открытого конца круглого гофрированного волновода (вариант 1) на волне ЕН₁₁ при выполнении излучающего торца волновода в плоскости симметрии выступа гофра; на фиг.4 - то же, при выполнении излучающего торца волновода в плоскости симметрии впадины гофра; на фиг.5 - расчетные диаграммы направленности в плоскости Е (сплошная линия) и в плоскости Н (штриховая линия) для открытого конца круглого гофрированного волновода (вариант 2) на волне ЕН₁₁ при выполнении излучающего торца волновода в плоскости симметрии выступа гофра; на фиг.6 - то же, при выполнении излучающего торца волновода в плоскости симметрии впадины гофра.

Уголковое волноводное сочленение содержит два отрезка 1 и 2 волновода круглого поперечного сечения, волноведущие каналы которых имеют кольцевое периодическое гофрирование (см. фиг.1). Продольные оси отрезков расположены в одной плоскости под углом друг к другу. Излучающие торцы отрезков 3 и 4 расположены так, что их центры симметрии совпадают с фокусами 5 и 6 рефлектора 7, представляющего собой вырезку из эллипсоида вращения.

Центры симметрии излучающих торцов отрезков гофрированного волновода являются фазовыми центрами данных излучателей. В то же время свойства эллипсоида вращения применительно к рассматриваемому рефлектору обеспечивают пересечение лучей, исходящих из одного из фокусов, в другом фокусе, а также постоянство суммы расстояний от любой точки поверхности рефлектора до фокальных точек, а это обеспечивает равенство набега фазы для всех лучей, пришедших во второй фокус. Поэтому совмещение центров симметрии излучающих торцов с фокусами рефлектора в виде эллипсоида вращения при соответствующей ориентации продольных осей волноводов позволяет осуществлять передачу энергии из одного отрезка волновода в другой с незначительными потерями.

На фиг. 2 схематически изображено сечение эллипсоида плоскостью, в которой лежат оси волноводов. Точки F₁ и F₂ соответствуют фокусам эллипсоида, отрезки А₁А₂ и В₁В₂ - соответственно большая и малая оси эллипса. Очевидно, что для уменьшения потерь энергии при передаче через такое устройство необходимо обеспечить переотражение максимума излучения одного из излучающих торцов в максимум приемной ДН другого торца, и наоборот. При этом, как показывают расчеты, оптимальная ориентация излучающих торцов волноводов 1 и 2 с точки зрения передачи энергии через такое устройство, обеспечивается при пересечении лучей, соответствующих максимумам ДН обоих излучающих торцов волноводов, в точке В₁ - точке пересечения данного сечения эллипсоида с его малой осью (а применительно к эллипсоиду в целом - на окружности, образованной сечением эллипсоида плоскостью, перпендикулярной фокальной оси и проходящей через середину межфокусного расстояния). Можно показать, что при заданном угле между осями волновода γ такая ориентация волноводов достигается выбором эксцентриситета эллипса е из соотношения:
e = sin ( γ /2). (1)
Анализ показывает, что потери в таком уголковом сочленении зависят от ширины диаграммы направленности излучающих торцов волноводов: чем шире диаграмма направленности, тем больше потери. Такая зависимость обусловлена возникновением взаимного несоответствия формы диаграммы направленности передающего и приемного излучателей при отражении от эллиптического рефлектора из-за несоответствия углов излучения и приема лучей. На основе рассмотрения хода произвольного излучаемого луча F₂M и отраженного луча MF₁ (см. фиг.2) можно показать, что углы α и β направлений из фокусов на точку отражения для этих лучей связаны соотношением
β= arctg {[(1-e²) sin ( α]/[2e-
-(1+e²) cos (α]}, (2) где е - эксцентриситет эллипса.

При выполнении условия, определяемого соотношением (1), это приводит к следующей взаимозависимости угла излучения θ₁ и угла приема θ₂, отсчитываемых относительно соответствующих максимумов ДН:
θ₂= arctg {cos² γ/2) . cos (γ /2+θ₁)/[2sin
( γ/2) + (1+sin² ( γ/2) . sin ( γ/2 + θ₁)]} +
γ/2 (3)
На практике различие в форме диаграмм направленности излучателей в таком устройстве выражается в возникновении потерь за счет рассогласования излучающих раскрывов. Из соотношения (3) следует, что искажение формы ДН проявляется в большей степени при больших значениях углов. Соответственно этому возрастают и потери энергии при отражении. Таким образом, с точки зрения минимизации потерь необходимо стремиться к минимизации ширины диаграммы направленности излучающих торцов волноводов.

Рабочим типом волны уголкового сочленения на основе гофрированного волновода является волна ЕН₁₁. Исследование структуры электромагнитного поля волны ЕН₁₁ в круглом гофрированном волноводе и характеристик ее излучения из открытого конца волновода, проведенное с помощью ЭВМ, показали существенную зависимость параметров излучения открытого конца гофрированного волновода от конструктивного выполнения излучающего торца.

В частности, как видно из сопоставления диаграмм направленности открытого конца для двух вариантов круглого гофрированного волновода (см. фиг. 3 - 6), излучению из открытого конца волновода при выполнении излучающего торца волновода в плоскости симметрии выступа гофра (см. фиг. 3 и 5) соответствует более широкая диаграмма направленности и больший уровень бокового излучения, чем излучению из открытого конца волновода при выполнении излучающего торца волновода в плоскости симметрии впадины гофра (см. фиг.4 и 6). Расчеты проведены для волноводов, имеющих следующие основные параметры:
вариант 1 - максимальный внутренний диаметр 95,70 мм, глубина гофра 17,85 мм, период гофра 20,0 мм, на частоте 6,85 ГГц;
вариант 2 - максимальный внутренний диаметр 95,70 мм, глубина гофра 3,25 мм, период гофра 12,5 мм, на частоте 12,00 ГГц.

Снижение потерь энергии волны ЕН₁₁ в волноводном вращающемся сочленении достигается за счет выполнения торца каждого отрезка волновода в плоскости симметрии впадины гофра (как это показано на фиг.1) потому, что при таком выполнении обеспечивается более узкая ДН излучающего торца волновода. Кроме того, при таком выполнении уменьшается часть электромагнитной энергии, излучаемой в направлении боковых лепестков и поэтому не попадающей на рефлектор (ср. фиг.5 и 6). Это приводит, во-первых, к увеличению доли энергии, достигающей второго фокуса и, следовательно, проходящей во второй волновод, а, во-вторых - к уменьшению резонансных явлений за счет отражений от конструкционных элементов в объеме уголкового сочленения и связанных с этим явлений резонансного поглощения энергии в рабочем диапазоне частот. При работе в многомодовом режиме такое выполнение торцов волновода обуславливает, кроме того, минимальное возбуждение паразитных типов волн, а следовательно, обеспечивает минимизацию потерь на преобразование рабочей волны ЕН₁₁ и высшие моды.

Использование гофрированных волноводов на волне ЕН₁₁ в таких уголковых волноводных сочленениях обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с использованием других типов полых волноводов. Осесимметричность диаграммы направленности открытого конца круглых гофрированных волноводов на волне ЕН₁₁ (см. например, фиг.6) позволяет уменьшить площадь рефлектора при построении уголкового вращсочленения, рассчитанного на произвольную поляризацию входного СВЧ-сигнала (в случае неосесимметричной диаграммы направленности открытого конца волновода угловые размеры рефлектора определяются максимальным из значений ширины ДН в различных плоскостях). Сниженный уровень бокового излучения по сравнению с гладкостенными волноводами обеспечивает меньший уровень отражений.

Применение изобретения в волноводных трактах радиосредств диапазонов СМВ и ММВ позволяет обеспечить ряд преимуществ по сравнению с известными решениями. Минимизация потерь в уголковом сочленении позволяет повысить энергетический потенциал радиолиний, образованных с помощью антенн с механическим сканированием. Наиболее эффективно предлагаемые уголковые волноводные сочленения могут использоваться в волноводных трактах на основе круглых гофрированных волноводов с малыми потерями, работающих на волне ЕН₁₁, так как использование несимметричной волны ЕН₁₁ позволяет эффективно реализовывать режим поляризационного уплотнения.

Использование: радиотехника СВЧ в волноводных трактах радиосредств диапазонов сантиметровых и миллиметровых волн. Сущность изобретения: уголковое волноводное сочленение содержит два отрезка 1 и 2 волновода, продольные оси которых расположены в одной плоскости под углом γ друг к другу, и рефлектор 7 с отражающей поверхностью в виде вырезки из эллипсоида вращения, в фокусах 5 и 6 которого расположены центры симметрии излучающих торцов 3 и 4 отрезков 1 и 2 волновода. Эксцентриситет e эллипсоида вращения и угол g между осями отрезков 1 и 2 волноводов связаны соотношением: e = sin (γ/2) . При использовании гофрированных волноводов на волне ЕН₁₁ торец каждого отрезка 1 и 2 волновода выполнен в плоскости симметрии впадины гофра. 6 ил.

1. УГОЛКОВОЕ ВОЛНОВОДНОЕ СОЧЛЕНЕНИЕ, содержащее два отрезка волновода, продольные оси которых расположены в одной плоскости под углом друг к другу, и рефлектор с отражающей поверхностью в виде вырезки из эллипсоида вращения, в фокусах которого расположены центры симметрии излучающих торцов отрезков волновода, отличающееся тем, что, с целью уменьшения потерь энергии, эксцентриситет e эллипсоида вращения и угол γ между осями отрезков волновода связаны соотношением
e = sin( γ / 2 ) . 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью уменьшения потерь энергии при использовании гофрированных волноводов на волне ЕН₁₁, торец каждого отрезка гофрированного волновода выполнен в плоскости симметрии впадины гофра.