Волноводное вращающееся сочленение Российский патент 2023 года по МПК H01P1/06 H01P5/20 

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано при создании широкополосных вращающихся сочленений для радиолокационных станций (РЛС) с вращающимся антенным устройством.

Волноводные вращающиеся сочленения нашли широкое применение в волноводных трактах различных антенн, работающих от сантиметровых волн до миллиметровых волн. Существует большое количество таких вращающихся сочленений, описанных в литературе. В частности, важным классом волноводных вращающихся сочленений является волноводное вращающееся сочленение, состоящее из двух волноводно-коаксиальных переходов, подвижно сочленяемых по коаксиальной линии с волной ТЕМ [1 - Линии передачи сантиметровых волн. Перевод с англ. под ред. Ремеза Г.А. Том 2, 1951, Сов. радио, 342 с, с. 43], [2 - Марков Г.Т. Антенны. 1960, Госэнергоиздат, 535 с], [3 - Харвей А.Ф. Техника сверхвысоких частот. Том 1, 1965, Сов. радио, 783 с, с. 182], [4- Патент US 2784383, Zaleski J.F. Microwave guide rotary joint]. Недостатками данного типа волноводного вращающегося сочленения являются ограничение средней СВЧ-мощности в коаксиальной линии и трудность реализации в диапазоне миллиметровых волн.

Другой подход для реализации волноводного вращающегося сочленения состоит в использовании низшей осесимметричной волны круглого волновода - волны Е01. Большинство таких вращающихся сочленений состоят, как правило, из двух переходов от прямоугольного волновода с волной Н1010 к круглому волноводу с осесимметричной волной Е01, отличаясь элементами регулировки (настройки) [1-3], [5 - Патент US 2584399, Preston W.M. Rotatable wave guide joint]. Эти переходы соединяются между собой круглыми волноводами с помощью дросселя. Один из переходов является неподвижным (статор), второй- является подвижным (ротор), вращаясь вместе, например, с антенной. В месте стыковки прямоугольных волноводов с круглыми волноводами наряду с требуемой волной Е01 в круглом волноводе возбуждается паразитная волна Н11. При этом, как показывает практика, в рабочей полосе частот могут возникать резонансы, приводящие к увеличению потерь, что является недостатком. Для их устранения приходится сокращать продольный размер вращающегося сочленения, что вызывает трудности при реализации привода, либо применять для подавления волны Н11 специальные методы [1-3], что приводит к различным конструкциям вращающихся сочленений. В частности, для подавления волны Н11 используют резонансное кольцо, установленное в круглом волноводе, и специальный поглотитель (например, резонатор с поглощающим материалом, связанный с неподвижным круглым волноводом через четыре продольные щели). Указанные элементы для подавления волны Н11 являются резонансными, что ограничивает рабочую полосу частот.

Наиболее близким техническим решением того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является вращающееся сочленение [6- Патент US 5442329, Ghosh Subir, Da Silva L.C. Waveguide rotary joint and mode transducer structure therefor], принятое за прототип, в котором переход от прямоугольного волновода с волной Н10 к круглому волноводу с осесимметричной волной Е01 выполнен таким образом, что осесимметричная волна Е01 в круглом волноводе возбуждалась двумя прямоугольными щелями (прямоугольными волноводами), к которым подключена вилка Н-тройника на прямоугольном волноводе с волной Н10. Волны, поступающие из входного прямоугольного волновода и распространяющиеся в двух рукавах прямоугольного волноводного Н-тройника, имеют одинаковую фазу. Так как оба пути по прямоугольным волноводным рукавам до центра круглого волновода одинаковы, то круглый волновод будет возбуждаться симметричным полем, которое теоретически не должно содержать волны Н11. Известное вращающееся сочленение состоит из двух таких переходов от прямоугольного волновода с волной Н10 к круглому волноводу с осесимметричной волной Е01, соединенных с помощью дросселя.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании данного известного устройства, относится то, что в известном устройстве в результате погрешностей изготовления нарушается симметрия возбуждения круглого волновода, и в нем возбуждаются волны Н11. Это приводит к возникновению «запирающих» резонансов на некоторых частотах рабочей полосы вращающегося сочленения, когда СВЧ мощность с входа на выход не передается, а отражается и, в меньшей степени, поглощается в стенках волноводов. Возбуждение волны Н11 в круглом волноводе также является причиной возникновения модуляции в известной конструкции при вращении ротора относительно статора, поскольку на выходе существует интерференция сигналов по волнам Е01 и Н11.

Важным показателем качества любого волноводного вращающегося сочленения является значение коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) на входе сочленения. Низкий уровень коэффициента стоячей волны особенно важен для волноводного вращающего сочленения в тракте передающего канала. Другим важным показателем качества волноводного вращающегося сочленения являются потери СВЧ мощности на проход, которые должны быть минимизированы. Важным показателем качества волноводного вращающегося сочленения является модуляция сигнала на выходе при вращении ротора относительно статора.

Предлагаемое волноводное вращающееся сочленение, состоящее из двух переходов от прямоугольного волновода с волной Н10 к круглому волноводу с волной Е01, подвижно сочленяемых по круглым волноводам через дроссель, решает задачу обеспечения малого уровня модуляции выходного сигнала при вращении ротора относительно статора, обеспечения малых омических потерь на проход, полного исключении резонансов, «запирающих» вращающееся сочленение, обеспечения низкого КСВН на входе сочленения.

Для решения предлагаемой технической проблемы предлагается волноводное вращающееся сочленение, состоящее из двух переходов от прямоугольного волновода с волной Н10 к круглым волноводам с волной Е01, подвижно сочленяемых через дроссель (дроссельное соединение). Согласно изобретению, переходы от прямоугольного волновода с волной Н10 к круглому волноводу с волной Е01 выполнены таким образом, что к торцам круглых волноводов симметрично подключены пары прямоугольных волноводов, являющиеся выходами свернутых вилкой в Е-плоскости волноводных двойных Т-мостов [3, с.171], в суммарных плечах которых установлены поглотители.

Предлагаемое техническое решение нацелено на получение технического результата, выражающегося в достижении малого уровня модуляции выходного сигнала при вращении ротора относительно статора, в достижении малых омических потерь на проход, в полном исключении резонансов, «запирающих» вращающееся сочленение, в достижении низкого КСВН на входе сочленения.

На фиг. 1 показан вариант выполнения предлагаемого волноводного вращающегося сочленения (для иллюстрации показаны разрезы на дроссельном соединении).

На фиг. 2 показан внутренний канал волноводов для предлагаемого волноводного вращающегося сочленения (подшипник не изображен).

На фиг. 3 волноводное вращающееся сочленение показано для наглядности в состоянии, когда переходы от прямоугольного волновода с волной Н10 к круглому волноводу с волной Е01 отсоединены от круглого волновода (показан внутренний канал волноводов).

На фигурах приняты следующие обозначения:

1 - круглый волновод;

2 - переход от прямоугольного волновода с волной Н10 к круглому волноводу с волной ЕО1;

3 - дроссельное соединение;

4 - вход в виде прямоугольного волновода;

5 - согласованные нагрузки (поглотители).

Волноводное вращающееся сочленение содержит круглый волновод (1) и два идентичных перехода от прямоугольного волновода с волной Н10 к круглому волноводу с волной Е01 (2), присоединенные к обоим концам круглого волновода (1). Круглый волновод (1) состоит из установленных соосно подвижного и неподвижного отрезков, связанных между собой посредством дроссельного соединения (3). Каждый переход от прямоугольного волновода с волной Н10 к круглому волноводу с волной Е01 (2) имеет вход в виде прямоугольного волновода (4), ось которого направлена перпендикулярно оси круглого волновода (1). Переходы от прямоугольного волновода с волной Н10 к круглому волноводу с волной Е01 (2) выполнены в виде свернутых вилкой в Е-плоскости волноводных двойных Т-мостов, присоединенных к круглому волноводу (1) таким образом, что оба выходные прямоугольные волновода моста расположены симметрично в торцевой стенке круглого волновода (1). Во входы суммарных каналов мостов, направленных соосно с круглым волноводом (1), установлены согласованные нагрузки (поглотители) (5), которые могут быть выполнены в виде клиньев из поглощающего материала. Возможный вариант исполнения клиньев в согласованных нагрузках (поглотителях) (5) показан на фиг. 2 и 3. Входы разностных каналов волноводных двойных Т-мостов, свернутых вилкой в Е-плоскости (далее по тексту «волноводные двойные Т-мосты»), являются входами волноводного вращающегося сочленения.

Устройство работает следующим образом.

На вход волноводного вращающегося сочленения поступает сигнал с частотой, значение которой находится в рабочей полосе частот. На выходах волноводного двойного Т-моста в поперечном сечении его стыковки с круглым волноводом (1) реализуется нечетное (противофазное) амплитудное возбуждение, показанное на фиг. 3. Этот сигнал поступает на возбуждение круглого волновода (1). В результате в круглом волноводе (1) возбуждается осесимметричная волна Е01, которая распространяется через дроссельное соединение (3) во второй отрезок круглого волновода (1), где поступает на место стыка со вторым двойным Т-мостом, возбуждает там такое же нечетное амплитудное распределение и поступает в итоге на разностное плечо второго двойного Т-моста. При идеальной симметрии изготовления свернутых вилкой в Е-плоскости двойных Т-мостов при таком возбуждении круглых волноводов (1) принципиально отсутствует возбуждение волны Н11. Однако в результате погрешностей изготовления нарушается симметрия возбуждения круглого волновода (1), и в нем возбуждаются волны Н11.

В предлагаемом волноводном вращающемся сочленении возбуждение волн HI 1 не приводит к возникновению «запирающих» резонансов на некоторых частотах рабочей полосы волноводного вращающего сочленения, поскольку мощность волн Н11 поступает в согласованные нагрузки (поглотители) (5), установленные в суммарных плечах свернутых вилкой в Е-плоскости двойных Т-мостов.

Отсутствие «запирающих» резонансов на некоторых частотах рабочей полосы означает также, что характеристика КСВН не будет содержать узких пиков, на которых будут высокие значения КСВН. Результирующая характеристика КСВН будет иметь достаточно гладкий характер, представляющий собой результат интерференции характеристик обоих волноводных двойных Т-мостов.

В предлагаемом волноводном вращающемся сочленении волна Н11 возбуждается в круглом волноводе (1) только в результате технологических погрешностей изготовления, приводящих к нарушению симметрии. В предлагаемой конструкции волноводного вращающегося сочленения волны H11 поглощаются в согласованных нагрузках суммарных плеч двойных Т-мостов, что практически исключает интерференцию сигналов на выходе по волнам Е01 и Н11 и позволяет минимизировать модуляцию выходного сигнала при вращении ротора относительно статора.

Предлагаемая конструкция волноводного вращающегося сочленения может быть реализована на сантиметровых и миллиметровых длинах волн. Рабочая полоса частот в предлагаемой конструкции волноводного вращающегося сочленения ограничена как рабочим диапазоном частот волноводного двойного Т-моста, так и диапазоном частот от отсечки волны ЕО1 до выхода из отсечки волны Н21 в круглом волноводе (1).

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении, при использовании заявленного изобретения, следующей совокупности условий:

- волноводное вращающееся сочленение, воплощающее заявленное изобретение, предназначено для использования в промышленности, а именно, в технике СВЧ, например, в качестве вращающегося сочленения для радиолокационных станций с вращающимся антенным устройством;

- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств;

- волноводное вращающееся сочленение, воплощающее заявленное изобретение, позволяет реализовать следующий технический результат: получить вращающееся сочленение с малым уровнем модуляции выходного сигнала при вращении ротора относительно статора, с малыми омическими потерями на проход, с полным исключением резонансов, «запирающих» вращающееся сочленение, с низким КСВН на входе сочленения, что позволит обеспечить эффективную работу радиолокационной станции с вращающимся антенным устройством.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к волноводным сочленениям. Волноводное вращающееся сочленение состоит из двух переходов от прямоугольного волновода с волной Н10 к круглым волноводам с волной Е01, которые подвижно сочленяются через дроссель. Переходы от прямоугольного волновода с волной Н10 к круглому волноводу с волной Е01 выполнены таким образом, что к торцам круглых волноводов симметрично подключены пары прямоугольных волноводов, являющиеся выходами свернутых вилкой в Е-плоскости волноводных двойных Т-мостов. В суммарных плечах волноводных двойных Т-мостов установлены поглотители. Технический результат - уменьшение уровня модуляции сигнала, возникающей при вращении ротора относительно статора, уменьшение омических потерь на проход, исключение резонансов, «запирающих» вращающееся сочленение, уменьшение КСВН на входе сочленения, повышение эффективности работы радиолокационной станции с вращающимся антенным устройством. 3 ил.

Волноводное вращающееся сочленение, состоящее из двух переходов от прямоугольного волновода с волной Н10 к круглым волноводам с волной Е01, подвижно сочленяемых через дроссель, отличающееся тем, что переходы от прямоугольного волновода с волной Н10 к круглому волноводу с волной Е01 выполнены таким образом, что к торцам круглых волноводов симметрично подключены пары прямоугольных волноводов, являющиеся выходами свернутых вилкой в Е-плоскости волноводных двойных Т-мостов, в суммарных плечах которых установлены поглотители.