КРУГЛЫЙ ВОЛНОВОД СО СЛОИСТЫМ ЗАПОЛНЕНИЕМ Российский патент 1998 года по МПК H01P3/127 

Изобретение относится к волноводной технике, точнее к линиям передачи электромагнитных колебаний, и может быть использовано для микроминиатюризации волноводных трактов.

Известен коаксиальный волновод, представляющий собой два коаксиально расположенных металлических цилиндра с пространством между ними, заполненным диэлектриком с малыми электромагнитыми потерями. Указанный волновод не имеет критической длины волны [1].

Недостатком известного волновода является его относительно низкая электрическая прочность и высокие электромагнитные потери из-за относительно большого сопротивления внутреннего цилиндра (стержня).

Известен волновод круглого, поперечного сечения, представляющий собой полый металлический цилиндр, внутренняя поверхность которого обладает высокой проводимостью [2].

Недостатком известного волновода является относительно малое значение критический длины волны λ_кр низшего типа и близость значений критических длин волн следующих типов, что сужает рабочий диапазон волновода.

Наиболее близким к предлагаемому является волновод круглого поперечного сечения, заполненный несколькими концентрически расположенными слоями диэлектрика с различной диэлектрической проницаемостью и малыми потерями [3].

Целью изобретения является увеличение критической длины волны при расширении рабочего диапазона волновода.

Указанная цель достигается тем, что центральная область волновода, ограниченная цилиндрической поверхностью радиуса a, заполнена материалом, волновое сопротивление которого меньше волнового сопротивления материала, заполняющего остальную часть волновода, прилегающую к его внутренней поверхности, а отношение внутреннего радиуса волновода b к радиусу цилиндрической поверхности a, отвечает условию ln(b/a) = 0,5.

Предлагаемый волновод со слоистым заполнением может иметь различные соотношения электродинамических плотностей материалов, его заполняющих: с одинаковой электродинамической плотностью заполнения центральной и периферийной частей волновода; с электродинамической плотностью заполнения центральной части волновода, равной , где ε₀,μ₀ - диэлектрическая и магнитная проницаемости вакуума; с заполнением области, прилегающей к внутренней поверхности волновода, композитом с концентрически расположенными по отношению к указанной поверхности кольцами из аморфного железа, электрически не связанными друг с другом.

Указанные конструктивные отличия обуславливают появление следующих новых свойств: критическая длина волны существенно увеличивается; низшей становится аксиально-симметричная волна электрического типа; энергии электрического и магнитного поля волны низшего типа практически полностью разделены по поперечному сечению волновода; зависимость плотности энергии от радиуса существенно уменьшается; рабочий диапазон волн (разность критических длин волн низшего и ближайшего к нему типов волн) увеличивается.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором показано поперечное сечение круглого волновода со слоистым заполнением.

Предлагаемый волновод содержит полый металлический цилиндр 1 с внутренним радиусом b, заполненный в центральной своей части 2 материалом с диэлектрической проницаемостью ε₁ и магнитной проницаемостью μ₁.

Периферийная часть волновода 3, т.е. пространство между цилиндрическими поверхностями с радиусами a и b, заполнена материалом с диэлектрической проницаемостью ε₂ и магнитной проницаемостью μ₂ , причем
ε₁> ε₂,μ₁<μ₂ (1)
а электромагнитные потери материалов, заполняющих обе части волновода, выбираются минимальными. Значения и характеризуют электродинамическую плотность материала, аналог коэффициента преломления в оптике, а и являются волновыми сопротивлениями соответствующих материалов.

На практике, как правило, μ₁= μ₀ , где μ₀ - магнитная проницаемость вакуума, однако возможно обеспечение условий, когда μ₁< μ₀ . В то же время, обладающие большими значениями магнитной проницаемости материалы, пригодные для работы на высоких частотах, например ферриты, имеют диэлектрическую проницаемость, большую диэлектрической проницаемости вакуума ε₀ , что следует учитывать при расчете параметров предлагаемого волновода.

Работает волновод со слоистым заполнением следующим образом.

Благодаря различным электрическим параметрам сред, заполняющих центральную и периферийную части волновода, поперечные (радиальные) волновые проводимости в соответствующих частях существенно отличаются друг от друга. Поперечная волновая проводимость центральной части, ограниченной цилиндрической поверхностью с радиусом a, в раз превышает проводимость периферийной части волновода. В результате так же, как и в случае стыковки СВЧ-трактов с разными волновыми проводимостями, резонансная длина тракта уменьшается, если короткозамкнутый его участок имеет меньшую волновую проводимость [4].

Для того, чтобы определить критическую длину λ_кр аксиально симметричной волны электрического типа (E₀₁), рассмотрим случай, когда фазовая постоянная β равна нулю.

Это означает, что электромагнитная энергия в волноводе распространяется только по радиусу, образуя стоячую волну с продольной составляющей электрического поля E₂, равной нулю на внутренней поверхности волновода (будем считать стенки волновода идеально проводящими). Потерями в материалах, заполняющих волновод, также будем пренебрегать.

Приравнивая проводимости электрического типа [5] на границе центральной части 2 и периферийной части 3 волновода, т.е. на цилиндрической поверхности радиуса a, получим следующее соотношение

где
ctn (aΩ₂,bΩ₂) - разностный котангенс [6], определяемый с помощью функций Бесселя первого и второго рола нулевого и первого порядка [7], Ω₁,Ω₂ -поперечные постоянные, связанные с угловой частотой ω и фазовой постоянной β соотношениями:
β²= ω²ε₁μ₁-Ω21

= ω²ε₂μ₂-Ω22 (3)
В представляющих практический интерес случаях, когда условие aΩ₁,bΩ₂ << 1 выполняется, можно, пользуясь приближенными выражениями для функций Бесселя [6], записать вместо (2):
ε₁(aΩ₂)²ln(b/a) = 2ε₂ (4)
Полагая β = 0, получим с помощью (3) и (4)

Дифференцируя (7) по a, находим условие, при котором максимально отношение λ_кр /b, т.е. максимальна критическая длина волны при заданном радиусе волновода b : In(b/a) = 0,5.

Таким образом максимальное значение критической длины волны определяется выражением:

Полученное значение λ_кр приблизительно равно критической длине волны типа E₀₁ в круглом волноводе, равномерно заполненным магнитодиэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε₁ и магнитной проницаемостью μ₂ . Однако, так как на практике невозможно совместить в одном материале с малыми потерями большие значения диэлектрической и магнитной проницаемостей, то в предложенной конструкции удается получить эффект существенного увеличения критической длины волны за счет отличия свойств материалов, заполняющих центральную и периферийную части волновода.

При однородном заполнении волновода магнитодиэлектриком увеличивается критическая длина волны не только низшего, но и в то же число раз увеличивается критическая длина волны следующих высших типов. В предлагаемой же конструкции критическая длина волны высших типов изменяется гораздо меньше, чем низшего типа. Объясняется это тем, что в случае высших типов волн не происходит пространственного разделения энергий электрического и магнитного поля (соответственно в центральной и периферической частях волновода), а соответственно не происходит и эффекта существенного увеличения электрического размера волновода по радиусу.

Авторами были изготовлены и испытаны макеты предложенной конструкции волновода, в которой центральная часть волновода заполнялась дистиллированной водой, а периферийная - ферритовыми кольцами. Результаты измерений показали существенное увеличение критической длины волны, подтверждающие результаты проведенного расчета и возможность практической реализации предложенного изобретения.

Источники информации
1. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т.1. - Высшая школа, 1970, - с. 14.

2. Как [1] - с. 78.

3. Cables et transmission, 1969, 23, N 1, с. 3 - 44.

4. Как [1] - с. 127.

5. Лошаков Л.Н., Пчельников Ю.Н. Теория и расчет усилия лампы с бегущей волной. - М.: Сов. радио, 1964, - с. 93.

6. Справочник по волноводам /Под ред. Я.Н. Фельда - М.: Сов. радио, 1952.

7. Янке Е., Эмде Ф., Леш Ф. Специальные функции. - М.: Наука, 1977.

Изобретение относится к волноводной технике, точнее к линиям передачи электромагнитных колебаний, и может быть использовано для микроминиатюризации волноводных трактов. Изобретение направлено на решение задачи, связанной с увеличением критической длины волны при расширении рабочего диапазона волновода. Указанная цель достигается за счет различных электрических параметров сред, заполняющих центральную и периферийную части волновода и выбора необходимой геометрии структуры. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Круглый металлический волновод, внутреняя полость которого заполнена несколькими концентрически расположенными слоями магнитодиэлектрического материала с различными значениями диэлектрической и магнитной проницаемостей и малыми электромагнитными потерями, отличающийся тем, что центральная область волновода, ограниченная цилиндрической поверхностью радиуса a, заполнена материалом, волновое сопротивление которого меньше волнового сопротивления материала, заполняющего остальную часть волновода, прилегающего к внутренней его поверхности, причем отношение внутреннего радиуса волновода b к радиусу цилиндрической поверхности a, отвечает условию ln(b/a) = 0,5. 2. Волновод по п.1, отличающийся тем, что электродинамическая плотность материалов, заполняющих волновод, одинакова. 3. Волновод по п.1, отличающийся тем, что электродинамическая плотность материала, заполняющего центральную часть волновода, равна где ε_o,μ_o - диэлектрическая и магнитная проницаемости вакуума. 4. Волновод по п.1, отличающийся тем, что область, прилегающая к внутренней поверхности волновода, заполнена композитом, содержащим концентрически расположенные по отношению к внутренней поверхности волновода кольца из аморфного железа, электрически не связанные друг с другом.