ВОЛНОВОДНЫЙ ПЕРЕХОД Российский патент 2007 года по МПК H01P5/02 H01P5/08 

Изобретение относится к области радиотехники, и, в частности, к волноводной технике.

Известен волноводный переход с прямоугольного сечения на круглое сечение, причем трансформирующий отрезок волновода выполнен в виде плавного перехода [1].

Недостатками этого перехода являются значительная длина и сложность изготовления.

Известен волноводный переход с прямоугольного сечения на круглое сечение, состоящий из четвертьволнового отрезка волновода с промежуточной, например с овальной формой поперечного сечения [1].

Недостатками этого перехода являются недостаточно высокое качество согласования в рабочем диапазоне частот и сложность изготовления.

Известен волноводный переход с прямоугольного сечения на круглое сечение, состоящий из отрезка трансформирующего круглого волновода с расположенной в нем соосно согласующей диэлектрической пластиной, примыкающей к отрезку прямоугольного волновода и ориентированной параллельно Е-плоскости прямоугольного волновода [2].

Недостатками этого перехода являются недостаточно высокое качество согласования в рабочем диапазоне частот.

Известен также волноводный переход с прямоугольного сечения на круглое сечение, состоящий из отрезка трансформирующего круглого волновода с расположенной в нем соосно согласующей диэлектрической пластиной, причем в месте соединения отрезков прямоугольного и круглого волноводов выполнена индуктивная диафрагма [3]. Согласующая диэлектрическая пластина ориентирована параллельно Н-плоскости прямоугольного волновода.

Недостатком этого перехода является недостаточно высокое качество согласования в рабочем диапазоне частот.

В основу настоящего изобретения положена задача создать волноводный переход с прямоугольного сечения на круглое сечение, который обеспечивал бы улучшение качества согласования в рабочем диапазоне частот.

Поставленная задача решается тем, что в волноводном переходе с прямоугольного сечения на круглое сечение, состоящем из отрезка трансформирующего волновода и согласующей проводимости, отличающийся тем, что согласующая проводимость выполнена в виде проводника, характер проводимости которого в рабочем диапазоне частот изменяется с индуктивного на емкостное, при этом согласующая проводимость расположена внутри трансформирующего отрезка волновода с небольшим зазором по отношению к прямоугольному волноводу. Дополнительно отрезок трансформирующего волновода образован круглым волноводом, в котором размещена тонкая диэлектрическая пластина, на поверхности которой выполнена металлизация прямоугольной формы симметрично относительно ее краев, при этом плоскость диэлектрической пластины ориентирована параллельно Е-плоскости прямоугольного волновода, а согласующая проводимость выполнена в виде узкой металлизации, также выполненной на поверхности тонкой диэлектрической пластины в виде дважды изогнутой под прямым углом линии.

Такое выполнение волноводного перехода позволяет улучшить качество согласования в рабочем диапазоне частот.

Настоящее изобретение поясняется чертежами, где:

- на фиг.1 изображена конструкция волноводного перехода;

- на фиг.2 изображена согласующая диэлектрическая пластина;

- на фиг.3 изображена экспериментальная зависимость коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) перехода;

- на фиг.4 изображена эквивалентная схема перехода;

- на фиг.5 изображены кривые зависимостей КСВН предлагаемого перехода и четвертьволнового перехода;

- на фиг.6 изображена зависимость КСВН согласующей проводимости;

- на фиг.7 изображена зависимость КСВН предлагаемого перехода без согласующей проводимости;

- на фиг.8 изображены варианты выполнения перехода без применения диэлектрических пластин;

- на фиг.9 изображены варианты выполнения перехода на основе диэлектрических пластин.

Одна из возможных конструкций волноводного перехода изображена на фиг.1 и содержит отрезок прямоугольного волновода 1, соединенного с его фланцем 2, и отрезок круглого волновода 3, соединенного с его фланцем 4. Фланцы 2 и 4 стянуты, например, с помощью винтов 5. В отрезке круглого волновода 3 расположена тонкая диэлектрическая пластина 6, плоскость которой ориентирована параллельно Е-плоскости отрезка прямоугольного волновода 1. На поверхности тонкой диэлектрической пластины 6 выполнена плоская металлизация 7 прямоугольной формы. Металлизация 7 выполнена симметрично относительно краев 8, закрепленных на стенке круглого волновода 3, например, с помощью клея. Диэлектрическая пластина 6 прилегает вплотную к фланцу 2 прямоугольного волновода 1. На тонкой диэлектрической пластине 6 выполнена также плоская узкая металлизация 9 в виде дважды изогнутой под прямым углом линии, имеющей П-образную форму. Центральная часть 10 узкой металлизации 9 параллельна вектору электрического поля. Изогнутые части 11 плоской узкой металлизации 9 ориентированы параллельно оси 12 волноводов 1 и 3. Отдельно тонкая согласующая пластина 6 изображена на фиг.2. Прямоугольная металлизация 7 и узкая изогнутая металлизация 9 могут быть выполнены групповым способом с помощью фотошаблона путем травления тонкого фольгированного листового диэлектрика. Затем листовой диэлектрик разрезают на отдельные согласующие пластины. В данной конструкции прямоугольная металлизация 7 формирует трансформирующий отрезок круглого волновода, а изогнутая узкая металлизация 9 формирует согласующую проводимость, расположенную в месте стыка волноводов 1 и 3. Длина и ширина прямоугольной металлизации 7, а также геометрия изогнутой узкой металлизации 9 определяются экспериментально или с помощью электродинамического моделирования на электронно-вычислительной машине. Величина зазора между узкой металлизацией 9 и стыком волноводов 1 и 3 составляет приблизительно 0,03λ, где λ - длина волны. На фиг.3 приведена экспериментальная кривая 13 зависимости КСВН предлагаемого перехода с прямоугольного сечения 58×29 мм на круглое сечение диаметром 61 мм. Для сравнения на фиг.3 приведена кривая 14 зависимости КСВН для обычного четвертьволнового перехода.

Рассмотрим принцип действия устройства. Эквивалентная схема предлагаемого перехода изображена на Фиг.4. Схема состоит из линии передачи 15 прямоугольного волновода 1, линии передачи 16 отрезка трансформирующего волновода, в котором размещена согласующая проводимость 17, и линии передачи 18 круглого волновода 3. Величина входной проводимости в сечении А-А перехода может быть определена на основе формул трансформации проводимостей в линиях передачи. Обычный четвертьволновый переход с прямоугольного сечения на круглое сечение имеет одну точку идеального согласования (узел) в рабочем диапазоне частот. Кривая 19 зависимости КСВН такого перехода изображена на Фиг.5. В предлагаемом решении дополнительно вводится согласующая проводимость 17, размещенная вблизи стыка прямоугольного волновода 1 и отрезка трансформирующего волновода. Назначая в рабочем диапазоне частот два узла и решая соответствующую систему уравнений для входной проводимости перехода, можно определить величину зазора t между прямоугольным волноводом и согласующей проводимостью 17, относительную эквивалентную диэлектрическую проницаемость отрезка трансформирующего волновода и его длину L, величину согласующей проводимости b. Кривая 20 зависимости КСВН перехода в этом случае изображена на Фиг.5 и содержит два узла 21. Коэффициент отражения в рабочем диапазоне частот уменьшается в пять раз по сравнению с четвертьволновым переходом.

На фиг.6 изображена кривая 22 зависимости КСВН согласующей проводимости 17. На нижнем краю рабочего диапазона частот согласующая проводимость 17 носит индуктивный характер и уменьшается с увеличением частоты. На верхнем краю рабочего диапазона частот согласующая проводимость 17 носит емкостной характер и возрастает с увеличением частоты. На частоте, где величина согласующей проводимости 17 равна нулю, согласование перехода обеспечивается как в обычном четвертьволновом переходе. Это следует из фиг.7, на которой изображена кривая 23 зависимости КСВН перехода в случае, если величину согласующей проводимости 17 в рабочем диапазоне частот приравнять нулю. Следовательно, на нижнем краю рабочего диапазона частот идеальное согласование (узел) обеспечивается за счет индуктивности согласующей проводимости 17. Таким образом, в предлагаемом переходе идеальное согласование обеспечивается в двух частотных точках. Результаты анализа на основе теории цепей подтверждаются моделированием на ЭВМ с помощью программы электромагнитного анализа и результатами эксперимента.

На основе модели (фиг.4) волноводного перехода рассмотрим варианты конструктивного выполнения линии передачи 16 отрезка трансформирующего волновода и согласующей проводимости 17. Отрезок трансформирующего волновода может быть выполнен в виде отрезка волновода с промежуточным, например, овальным поперечным сечением, отрезком круглого волновода с диэлектрической пластиной, ориентированной как в Е-плоскости прямоугольного волновода, так и в Н-плоскости, отрезка круглого волновода, в стенке которого выполнены два емкостных согласующих штыря, и так далее. Варианты выполнения согласующей проводимости 17 также могут быть различными. Согласующая проводимость 17 может быть закреплена на стенке волновода и иметь электрический контакт с ней, а может быть закреплена на диэлектрической пластине и не иметь электрического контакта со стенкой волновода. Для обеспечения требуемого характера частотной зависимости КСВН согласующая проводимость 17 должна быть выполнена в виде проводника длиной λ в случае бесконтактного проводника (диполя) и λ/2 в случае контактного проводника (штыря). При длине диполя равной λ отражение от него отсутствует, так как полуволны тока на диполе одинаковы и противоположны, а характер проводимости изменяется с индуктивного на емкостной. Для размещения длинного проводника в волноводе и обеспечения требуемой величины КСВН ему должна быть придана изогнутая форма. Проводник может быть выполнен в виде проволочной спирали, однократно или многократно изогнутой проволоки, прямолинейного штыря, соединенного со стенкой волновода через отрезок коаксиальной линии, и тому подобное. Коэффициент отражения изогнутого проводника зависит от отношения длины участка проводника, параллельного линиям электрического поля, и длины участка, перпендикулярного ему.

Выбор оптимальной конструкции согласующей проводимости 17 и отрезка трансформирующего волновода определяются характером решаемой задачи. На фиг.8 изображены варианты перехода без применения диэлектриков в случае повышенных требований к СВЧ-потерям и уровню проходящей мощности. Поляризация волны указана стрелкой. На фиг.8а изображен переход с прямоугольного волновода 24 на круглый волновод 25, содержащий отрезок 26 трансформирующего волновода промежуточного поперечного сечения. Согласующая проводимость выполнена в виде, например, двух Г-образных изогнутых штырей 27, закрепленных на стенке волновода в месте стыка с прямоугольным волноводом 24. На фиг.8б согласующая проводимость выполнена в виде, например, двух проволочных спиралей 28. Ось спиралей 28 должна быть ориентирована вдоль линии электрического поля. Достоинством спиралей 28 является малый габарит вдоль оси волновода. Частотная зависимость коэффициента отражения зависит от параметров спирали (числа витков, диаметра намотки, шага), причем коэффициент отражения уменьшается с уменьшением шага спирали. На фиг.8в отрезок трансформирующего волновода образован круглым волноводом 25, на стенках которого закреплены два емкостных согласующих штыря 29. Согласующая проводимость может быть выполнена, например, в виде двух прямолинейных штырей 30, размещенных в месте стыка волноводов 24 и 25. Для уменьшения коэффициента отражения от штырей 30 они могут быть соединены со стенкой волновода 25 через отрезок коаксиальной линии 31.

На фиг.9 изображены варианты перехода на основе диэлектрических пластин. Отрезок трансформирующего волновода образован круглым волноводом 25, в котором размещена диэлектрическая пластина 32, ориентированная в Е-плоскости волновода (фиг.9а), или диэлектрическая пластина 33, ориентированная в Н-плоскости волновода (фиг.9б). В обоих случаях согласующая проводимость выполнена в виде П-образного изогнутого дважды под прямым углом проволочного проводника 34, закрепленного на диэлектрических пластинах 32 и 33. На фиг.9в согласующая проводимость выполнена в виде проволочной спирали 35, закрепленной на диэлектрической пластине 33. Размеры согласующих проводников могут быть определены экспериментально. При построении перехода возможны различные комбинации согласующих проводников.

Достоинствами изобретения по сравнению с волноводным переходом по прототипу являются улучшение качества согласования, упрощение конструкции и уменьшение стоимости. Тонкая пластина перехода имеет низкую стоимость за счет ее изготовления групповым печатным способом.

Настоящее изобретение целесообразно использовать в облучателях антенных систем спутникового телевидения и связи.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Сазонов Д.М., Гридин А.Н., Мишустин Б.А. Устройства СВЧ. - М.: Высшая школа, 1981, с.228.

2. Патент № 2037919, Российская Федерация, Н01Р 1/16, 1995 г.

3. Патент № 2037920, Российская Федерация, Н01Р 1/16, 1995 г.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к волноводной технике. Волноводный переход с прямоугольного сечения на круглое сечение состоит из отрезка трансформирующего волновода и согласующей проводимости, расположенной внутри отрезка трансформирующего волновода с небольшим зазором по отношению к прямоугольному волноводу. Характер согласующей проводимости в рабочем диапазоне частот изменяется с индуктивного на емкостное. Отрезок трансформирующего волновода выполнен в виде волновода с промежуточным поперечным сечением или образован круглым волноводом, в котором размещена диэлектрическая пластина. Согласующая проводимость выполнена в виде однократно или многократно изогнутого проводника, закрепленного на стенке волновода или на диэлектрической пластине. Проводник выполнен изогнутым, например, под прямыми углами или в виде спирали. Техническим результатом является высокое качество согласования и простота конструкции. 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Волноводный переход с прямоугольного сечения на круглое сечение, содержащий отрезок трансформирующего волновода и согласующую проводимость, отличающийся тем, что согласующая проводимость выполнена в виде длинного однократно или многократно изогнутого проводника, характер проводимости которого изменяется в рабочем диапазоне частот с индуктивного на емкостное, при этом проводник расположен внутри отрезка трансформирующего волновода с небольшим зазором по отношению к прямоугольному волноводу.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отрезок трансформирующего волновода образован круглым волноводом, в котором размещена тонкая диэлектрическая пластина, на поверхности которой выполнена металлизация прямоугольной формы симметрично относительно ее краев, при этом плоскость диэлектрической пластины ориентирована параллельно Е-плоскости прямоугольного волновода, а согласующая проводимость выполнена в виде узкой плоской металлизации, также выполненной на тонкой диэлектрической пластине в виде дважды изогнутого под прямым углом проводника.