Коаксиально-волноводный переход Российский патент 2018 года по МПК H01P5/103 

Область техники, к которой относится изобретение

Предлагаемое изобретение относится к технике сверхвысоких частот и может быть использовано в качестве согласованного перехода между коаксиальной линией и регулярным волноводом.

Уровень техники

Известен коаксиально-волноводный переход длиной L уголкового типа, описанный, например, в патенте РФ №2325017, Н01Р 5/103 от 24.04.2006 г., содержащий 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 0,8677Z от короткозамкнутого конца волновода. Техническим результатом является обеспечение коэффициента стоячей волны не хуже 1,2 в частотном диапазоне 2,44…2,46 ГГц.

Технические проблемы: узкий диапазон рабочих частот и большие фазовые искажения, вносимые переходом в полосе частот.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является коаксиально-волноводный переход, представленный в Авторском свидетельстве СССР, №1133631, Н01Р 5/103 от 16.12.1982 г. Устройство содержит отрезок прямоугольного волновода, закороченный торцевой стенкой, и отрезок коаксиальной линии, подключенный к отрезку прямоугольного волновода через середину его широкой стенки с помощью возбуждающего элемента, состоящего из металлического штыря, являющегося продолжением центрального проводника отрезка коаксиальной линии, и диэлектрической втулки, окружающей металлический штырь с установленной на ней диэлектрической гайкой с возможностью перемещения вдоль нее.

Устройство работает следующим образом. СВЧ-сигнал, поступающий на вход коаксиальной линии, возбуждает СВЧ-ток в металлическом штыре, что обеспечивает возбуждение отрезка прямоугольного волновода на волне Н₁₀. Процесс настройки коаксиально-волноводного перехода заключается в выборе положения диэлектрической гайки на диэлектрической втулке по минимуму КСВ. С уменьшением КСВ в рабочей полосе частот уменьшаются и фазовые искажения.

Технические проблемы: относительно узкая ширина рабочей полосы частот и большие фазовые искажения, вносимые переходом в полосе частот.

Раскрытие изобретения

Цель предлагаемого изобретения - расширение рабочей полосы частот и уменьшение фазовых искажений.

Техническое решение

В коаксиально-волноводном переходе, содержащем отрезок прямоугольного волновода, закороченный торцевой стенкой, и отрезок коаксиальной линии, подключенный к отрезку прямоугольного волновода через середину его широкой стенки с помощью возбуждающего элемента, состоящего из металлического штыря, являющегося продолжением центрального проводника отрезка коаксиальной линии, и диэлектрической втулки, окружающей металлический штырь, введена диэлектрическая гайка, установленная на диэлектрической втулке с возможностью перемещения вдоль нее, причем наружный диаметр диэлектрической гайки равен λ_в/5, наружный диаметр диэлектрической втулки равен λ_в/10, а толщина диэлектрической гайки равна λ_в/20, где λ_в - длина волны в прямоугольном волноводе.

Описание чертежа

На чертеже показан коаксиально-волноводный переход.

Осуществление изобретения

Устройство содержит отрезок 1 прямоугольного волновода, закороченный торцевой стенкой 2, и отрезок 3 коаксиальной линии, подключенный к отрезку 1 прямоугольного волновода через середину его широкой стенки 4 с помощью возбуждающего элемента, состоящего из металлического штыря 5, являющегося продолжением центрального проводника 6 отрезка 3 коаксиальной линии и диэлектрической втулки 7, окружающей его. На диэлектрической втулке 7 установлена с возможностью перемещения вдоль нее диэлектрическая гайка 8, причем наружный диаметр диэлектрической гайки равен Λ_в/5, наружный диаметр диэлектрической втулки равен Λ_в/10, а толщина диэлектрической гайки равна Λ_в/20, где Λ_в - длина волны в прямоугольном волноводе.

Устройство работает следующим образом. СВЧ-сигнал, поступающий на вход отрезка 3 коаксиальной линии, возбуждает СВЧ-ток в металлическом штыре 5, что обеспечивает возбуждение отрезка 1 прямоугольного волновода на волне Н₁₀.

Процесс настройки коаксиально-волноводного перехода с целью расширение рабочей полосы частот и уменьшение фазовых искажений заключается в выборе положения диэлектрической гайки 8 на диэлектрической втулке 7 по минимуму КСВ. С уменьшением КСВ в рабочей полосе частот уменьшаются и фазовые искажения.

Как показали экспериментальные исследования: наружный диаметр диэлектрической гайки D₁, наружный диаметр диэлектрической втулки D и толщина t диэлектрической гайки зависят от рабочей частоты коаксиально-волноводного перехода.

Минимальные КСВ в полосе рабочих частот 3,4…4,2 ГГц для коаксиально-волноводного перехода на прямоугольном волноводе сечением 58×25 [мм] были получены при D₁=20 мм, D=10 мм, t=5 мм. КСВ не более 1,18. При этом длина волны Λ_в в прямоугольном волноводе при основном типе волны Н₁₀, соответствующая центральной частоте ƒ₀ диапазона, определится в виде (А.Л. Фельдштейн, Л.Р. Явич, В.П. Смирнов. Справочник по элементам волноводной техники. «Сов. радио», М., 1967 г., стр. 136, соотношение 3.54)

где λ₀ - длина волны в свободном пространстве, соответствующая центральной частоте ƒ₀ диапазона 3,4…4,2 ГГц; λ_КР - критическая длина волны для прямоугольного волновода при основном типе волны Н₁₀.

Поскольку λ_КР=2а, где а - длина широкой стенки прямоугольного волновода; ƒ_Н - нижняя частота рабочего диапазона частот; ƒ_B - верхняя частота рабочего диапазона частот, то, подставив соответствующие значения, получим Λ_в=107,4 мм.

Если пересчитать размеры диэлектрической гайки и диэлектрической втулки в длинах волн в прямоугольном волноводе на основном типе волны Н₁₀, то получим:

Отклонения расчетных от экспериментальных данных в процентах:

где D_1ЭКСП, D_ЭКСП, t_ЭКСП - экспериментально найденные размеры наружного диаметра диэлектрической гайки, наружного диаметра диэлектрической втулки и толщины диэлектрической гайки соответственно; D_1РАСЧ, D_РАСЧ, t_РАСЧ - расчетные размеры наружного диаметра диэлектрической гайки, наружного диаметра диэлектрической втулки и толщины диэлектрической гайки соответственно.

Как видно отклонения не превышают 7,2%, что позволяет использовать полученные выражения для определения геометрических размеров диэлектрической гайки и диэлектрической втулки при других сечениях прямоугольного волновода.

Коаксиально-волноводный переход на прямоугольном волноводе сечением 35×15 [мм] для диапазона рабочих частот 5,725…6,225 ГГц имеет при основном типе волны Н₁₀, на центральной частоте ƒ₀ рабочего диапазона частот длину волны в волноводе Λ_в=72,1 мм.

Соответственно

Коаксиально-волноводный переход на прямоугольном волноводе сечением 28,5×12,6 [мм] для диапазона рабочих частот 7,25…8,4 ГГц имеет при основном типе волны Н₁₀, на центральной частоте ƒ₀ рабочего диапазона частот длину волны в волноводе Λ_в=51,6 мм.

Соответственно

В результате экспериментальной проверки изготовленных коаксиально-волноводных переходов на рассматриваемые сечения по найденным размерам диэлектрической гайки и диэлектрической втулки были получены следующие максимальные КСВ в соответствующих полосах рабочих частот:

- коаксиально-волноводный переход на прямоугольном волноводе сечением 35×15 [мм] в диапазоне рабочих частот 5,725…6,225 ГГц имеет КСВ менее 1,15;

- коаксиально-волноводный переход на прямоугольном волноводе сечением 28,5×12,6 [мм] в диапазоне рабочих частот 7,25…8,4 ГГц имеет КСВ менее 1,18.

Диаметр металлического штыря во всех рассматриваемых коаксиально-волноводных переходах около 2 мм, глубина погружения в волновод 13,8±3 мм.

Теоретическое решение задачи минимизации КСВ в полосе рабочих частот для коаксиально-волноводных переходов при наличии нескольких изменяющихся геометрических параметров в настоящее время неизвестно.

Изобретение относится к СВЧ радиотехнике. Коаксиально-волноводный переход содержит отрезок прямоугольного волновода, закороченный торцевой стенкой, и отрезок коаксиальной линии, подключенный к отрезку прямоугольного волновода через середину его широкой стенки с помощью возбуждающего элемента, состоящий из металлического штыря, являющегося продолжением центрального проводника отрезка коаксиальной линии, и диэлектрической втулки, окружающей металлический штырь. В переход введена диэлектрическая гайка, установленная на диэлектрической втулке с возможностью перемещения вдоль нее, причем наружный диаметр диэлектрической гайки равен Λ_в/5, наружный диаметр диэлектрической втулки равен Λ_в/10, а толщина диэлектрической гайки равна Λ_в/20, где Λ_в - длина волны в прямоугольном волноводе. Технический результат – расширение рабочей полосы и уменьшение фазовых искажений. 1 ил.

Коаксиально-волноводный переход, содержащий отрезок прямоугольного волновода, закороченный торцевой стенкой, и отрезок коаксиальной линии, подключенный к отрезку прямоугольного волновода через середину его широкой стенки с помощью возбуждающего элемента, состоящий из металлического штыря, являющегося продолжением центрального проводника отрезка коаксиальной линии, и диэлектрической втулки, окружающей металлический штырь, отличающийся тем, что с целью расширения рабочей полосы частот и уменьшения фазовых искажений введена диэлектрическая гайка, установленная на диэлектрической втулке с возможностью перемещения вдоль нее, причем наружный диаметр диэлектрической гайки равен Λ_в/5, наружный диаметр диэлектрической втулки равен Λ_в/10, а толщина диэлектрической гайки равна Λ_в/20, где Λ_в - длина волны в прямоугольном волноводе.