УЗКОПОЛОСНЫЙ КОАКСИАЛЬНО-ВОЛНОВОДНЫЙ ПЕРЕХОД УГОЛКОВОГО ТИПА Российский патент 2008 года по МПК H01P5/103 

Изобретение относится к сверхвысокочастотным (СВЧ) устройствам для согласования коаксиальной линии передачи и прямоугольного волновода с Т-ребром на частоте 2.45 ГГц.

Известны конструкции устройств согласования разнотипных линий передачи СВЧ, одна из которых представляет собой волновод сложного сечения. Так, для возбуждения доминантной волны в диплексере на прямоугольном волноводе с Т-ребром (ПВТР) был использован прямой стык базового элемента конструкции диплексера с прямоугольным волноводом (ПрВ) [1]. Другая конструкция представляет собой плавный (нелинейный) переход для согласования ПрВ и ПВТР [2]. Кроме того, известны конструкции ступенчатых четвертьволновых трансформаторов для согласования ПрВ и Н-волновода [3].

Недостатком указанных переходных СВЧ элементов является то, что они предназначены для согласования односвязных волноводов простого и сложного поперечного сечения. В то же время в технике СВЧ часто возникает необходимость передачи электромагнитной энергии от многосвязной линии передачи, например коаксиальной к односвязной, имеющей сложный профиль.

В качестве прототипа предлагаемого изобретения был выбран уголковый коаксиально-волноводный переход (КВП), в котором внутренний проводник коаксиальной линии стыкуется под углом 90° с металлическим ребром П-волновода (ПВ) [4]. Данный широкополосный переход имеет коэффициент стоячей волны КСВ<1.2 в 70% рабочей полосы частот ПВ и предназначен для применения в технике связи. Для обеспечения согласования ПВ со стандартной 50-омной коаксиальной линией в данном переходе были использованы следующие технические решения:

- двухступенчатая конструкция коаксиального возбудителя;

- ось внутреннего проводника коаксиальной линии смещается по отношению к оси внешнего проводника в сторону ПВ;

- между возбудителем и задней стенкой перехода включается короткозамкнутый шлейф.

Недостатком прототипа является сложность его конструкции, обусловленная требованиями по обеспечению максимальной широкополосности перехода. Кроме того, максимальные размеры емкостного зазора, образованного металлическим ребром и широкой стенкой ПВ, составляют 11.7×9.7 мм для частоты 2.45 ГГц [4], что ограничивает возможности применения прототипа в системах СВЧ нагрева на волноводах сложных сечений, где емкостный зазор играет роль технологического канала, в котором размещается образец материала.

Задачей изобретения является создание уголкового коаксиально-волноводного перехода более простой конструкции, с емкостным зазором, площадь которого превышает площадь емкостного зазора прототипа, обеспечивающего КСВ не хуже 1.2 вблизи рабочей частоты 2.45 ГГц.

Поставленная задача достигается тем, что в коаксиально-волноводном переходе уголкового типа, состоящем из короткозамкнутого отрезка прямоугольного волновода с металлическим ребром, соединенного с помощью индуктивного штыря с 50-омной коаксиальной линией, металлические ребро Т-образной формы состыковано с отрезком коаксиальной линии под прямым углом на расстоянии от короткозамкнутого конца волновода, равном 0.8677L, где L - длина перехода, причем конструкция перехода выполнена одноступенчатой, внешний и внутренний проводники коаксиальной линии расположены соосно, а радиусы внутреннего проводника коаксиальной линии и индуктивного штыря не равны между собой.

Отличительные признаки являются существенными, так как позволяют достичь поставленной задачи и получить технический эффект. Конструкция заявляемого перехода является более простой, чем у прототипа, так как в нем используется соосный одноступенчатый коаксиальный возбудитель и отсутствует короткозамкнутый шлейф. Размеры емкостного зазора, образованного металлическим ребром и одной из стенок волновода, примерно в два раза больше, а габаритные размеры в 1.3 раза меньше, чем у прототипа за счет Т-образной формы металлического ребра. Значения КСВ не хуже 1.2 вблизи рабочей частоты 2.45 ГГц обеспечиваются размещением индуктивного штыря на расстоянии 0.8677L от короткозамкнутого конца волновода и выбором радиуса индуктивного штыря, не равным радиусу внутреннего проводника коаксиальной линии.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлена трехмерная конфигурация коаксиально-волноводного перехода. На фиг.2 показано сечение перехода в плоскости XY в месте стыка внутреннего проводника коаксиальной линии, индуктивного штыря и металлического ребра волновода.

Заявляемый уголковый коаксиально-волноводный переход состоит из короткозамкнутого отрезка прямоугольного волновода 1 с металлическим ребром Т-образной формы 2, соединенного индуктивным штырем 3 с 50-омной коаксиальной линией, имеющей внутренний проводник 4, радиус которого не равен радиусу индуктивного штыря 3. Внутренний проводник 4 и внешний проводник 5 коаксиальной линии имеют соосное пространственное расположение. Индуктивный штырь 3 размещается на расстоянии 0.8677L, от короткозамкнутого конца волновода 1. Индуктивный штырь 3 размещается параллельно силовым линиям в максимуме электрического поля доминантной волны ПВТР, что дает возможность, так же как и в прототипе, трансформировать ТЕМ-волну коаксиальной линии в основную волну волновода сложной формы.

Исследования электродинамических характеристик данного перехода, проведенные с помощью трехмерной численной модели на методе конечных элементов, показали, что выбранный профиль ПВТР обеспечивает более низкое волновое сопротивление, чем ПВ, а конструктивные параметры: q/L=0.8677; r₂/r₁=0.493; b/a=0.5; L/a=1.5; t/a=0.4; d/b=0.633, где а - размер широкой стенки волновода 1; b - размер узкой стенки волновода 1; t - ширина металлического ребра 2; d - расстояние от металлического ребра 2 до широкой стенки волновода 1; L - длина перехода 1; r₁ - радиус внутреннего проводника 4 коаксиальной линии; r₂ - радиус индуктивного штыря 3 (фиг.1, 2) обеспечивают КСВ<1.2 в узком частотном диапазоне 2.44÷2.46 ГГц. Коаксиально-волноводный переход уголкового типа (фиг.1) позволяет осуществлять согласование ПВТР и стандартных 50-омных коаксиальных линий передачи с размерами: R=3.5 мм, r₁=1.52 мм (первый вариант); R=1.75 мм, r₁=0.76 мм (второй вариант), где R - радиус внешнего проводника 5 коаксиальной линии. Снижение габаритных размеров волноводного узла на рабочей частоте 2.45 ГГц достигается за счет уменьшения критической частоты доминантной волны ПВТР по сравнению с ПВ [2]. При этом он обеспечивает наилучшее согласование двух разнотипных линий передачи (ПВТР и коаксиал) в узком частотном диапазоне 2.44÷2.46 ГГц.

Примером конкретного применения данного перехода является СВЧ камера лабораторного анализа для научных исследований процессов взаимодействия электромагнитного излучения частотой 2.45 ГГц с жидкими веществами, выполненная на ПВТР, в которой с помощью уголкового перехода возбуждается доминантная волна квази-H₁.

Литература

1. Labay V.A., Bornemann J. An integrated T-septum waveguide diplexer for compact front-end applications. // IEEE MTT Symposium Digest. 1993. P.463-466.

2. Коломейцев В.А., Яковлев В.В. Плавные переходы для согласования прямоугольного волновода и прямоугольного волновода с Т-ребром. // Радиотехника. 1991. №2. С.86-90.

3. Bornemann J., Arndt F. Modal-S-matrix design of optimum stepped ridged and finned waveguide transformers. // IEEE Trans. 1987. Vol. MTT-35. N6. P.561-567.

4. Волноводы сложных сечений / Г.Ф. Заргано, В.П. Ляпин, B.C. Михалевский и др. - М.: Радио и связь, 1986. - 124 с.

Изобретение относится к области микроволновой техники и предназначено для применения в технологических, измерительных и телекоммуникационных системах. Узкополосный коаксиально-волноводный переход длиной L уголкового типа содержит короткозамкнутый отрезок прямоугольного волновода с металлическим ребром Т-образной формы, соединенный с коаксиальной линией посредством индуктивного штыря. Индуктивный штырь расположен под углом 90° в центре широкой стенки волновода на расстоянии 0.8677L от короткозамкнутого конца волновода. Техническим результатом является обеспечение коэффициента стоячей волны не хуже 1.2 в частотном диапазоне 2.44÷2.46 ГГц. 2 ил.

Коаксиально-волноводный переход уголкового типа, с рабочей частотой 2,45 ГТц, состоящий из короткозамкнутого отрезка прямоугольного волновода с металлическим ребром, соединенного с помощью индуктивного штыря с 50-омной коаксиальной линией, отличающийся тем, что металлическое ребро Т-образной формы состыковано с отрезком коаксиальной линии под прямым углом на расстоянии от короткозамкнутого конца волновода равном 0,8677L, где L - длина коаксиально-волноводного перехода, причем конструкция перехода выполнена одноступенчатой, внешний и внутренний проводники коаксиальной линии расположены соосно, а радиусы внутреннего проводника коаксиальной линии и индуктивного штыря не равны между собой.