Отражательный фазовращатель Советский патент 1992 года по МПК H01P1/18 

Предполагаемое изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в сложных многоэлементных волноводных устройствах.

Предпосылками к созданию данного изобретения явились проблемы обеспечения прецизионного управляемого прогиба помещенной в волновод металлической пластинки, связанные с выбором способа крепления пластинки, двигателя, механизма передачи движения и фиксации прогиба пластинки,

Известны конструкции фазовращателей, в которых фазосдвигающий элемент вводится в волновод через прорезь в стенке волновода, а пьезокерамический двигатель укреплен на кронштейне сбоку волновода за его стенку. Последнее увеличивает поперечный габаритный размер фазовращателя и затрудняет компоновку фазовращателей в решетку. В приведенных конструкциях отсутствуют элементы, обеспечивающие точную установку и регулировку начального положения фазосдвигающего элемента.

Известен пьезокерамический двигатель, состоящий из двух пластин и расположенного за закороткой волновода,

Под действием управляющего напряжения и своим собственным изгибом пьезокерамические пластины изгибают проводник, который через прорезь в закоротке соединен с фазосдвигающей пластиной. Изгиб последней приводит к изменению набега фазы, причем для фазовращателя рииллиметрового диапазона волн набег фазы порядка 300° достигается при толщине пластин не выше нескольких десятков мкм. Толщина пластин ограничивается величиной изгибающего момента, который может быть достигнут пьезокерамическим биморфом. При столь малых толщинах пластин, ширине их порядка нескольких мм и длине порядка нескольких десятков мм возникают трудности с обеспечением точной установки фазосдвигающей пластины в канале волновода. Погрешности формы и расположения фазосдвигающей пластины оказывают существенное влияние на ход фазовой характеристики (U), где у) - величина набега фазы, U - управляющее напряжение. Характеристики пьезопластин, в частности величина пьезомодуля, существенно отличаются от образца к образцу (на 10-20%). Их предварительный отбор с точным определением характеристик сильно увеличивает трудоемкость. Отмеченные выше факторы приведут в итоге к разбросу характеристик /7{U) фазовращателей.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, где биморфный пьезокерамический элемент из двух пластин закреплен одним концом жестко на корпусе

волновода. Другой конец биморфа неподвижно соединен с относительно жестким проводником, пропущенным через отверстие к закоротке. Фазосдвигающая пластина неподвижно соединена одним концом с

жестким проводником, другой конец фазосдвигающей пластины укреплен с возможностью смещения вдоль волновода у входной его части.

В этом техническом решении толщина

фазосдвигающей пластины также как и в конструкции не превышает нескольких десятков мкм. Следовательно, трудности с обеспечением точности ее формы и расположения в канале волновода остаются. К

тому же при рабочем прогибе пластины происходит смещение ее конца у входа в волновод в продольном направлении, Скачкообразное изменение трения конца пластинки о волновод при движении и покое

приведет к существенной неопределенности положения пластины в канале волновода. В данном техническом решении сохраняется недостаток решения, связанный с разбросом характеристик пьезоплэстин. Перечисленные выше недостатки приведут, в конечном счете, к разбросу характеристик if (U) фазовращателей. Нестабильность фазовой характеристик / выражается как в изменении общего набега

фазы при изменении управляющего напряжения от Umin до Umax, ТЗК И В ухудшении

линейности характеристики.

Цель изобретения -улучшение стабильности фазовой характеристики /(U) o6ps3цов фазовращателей, в т,ч, при воздействии внешних возмущающих факторов в виде перегрузок.

Указанная цель достигается тем, что з известном фазовращателе, содержащем отрезок прямоугольного волновода, на конце которого установлена закоротка в виде кронштейна, а внутри вблизи стенки разг/ещена упругая металлическая пластинка, один конец которой пропущен через щель в

кронштейне и пьезокерамический толкатель, кронштейн снабжен двумя рычагами на упругих шарнирах.

Малые плечи рычагов соединены с пьезокерамическим толкателем. Последний ВЫ

полнен в виде столбика из пьезопластин, Один конец упругой металлической пластины жестко крепится к большому плечу одного из рычагов с приданием ей прогиба в сторону оси отрезка прямоугольнс о волновода. Другой ее конец жестко закреплен на узкой стенке у входа отрезка прямоугольного волновода. Большое плечо второго рычага соединено с кронштейном посредством регулировочного винта с пружиной.

Новыми существенными признаками устройства являются: снабжение кронштейна двумя рычагами на упругих шарнирах и соединение их малых плеч с пьезокерамическим толкателем; выполнение пьезотолкателя в виде столбика из пьезопластин; жестко соединение упругой металлической пластины одним концом с большим плечом одного из рычагов с приданием ей прогиба в сторону оси отрезка прямоугольного волновода, а другим концом на узкой стенке у входа отрезка прямоугольного волновода; соединение большого плеча рычага с кронштейном с помощью регулировочного винта и пружины.

На фиг.1 показан фазовращатель, общий вид; на фиг.2 - графики, показывающие возможность достижения линейности фазовой характеристики заявляемого фазовращателя; на фиг.3 - расчетные схемы фазовращателей (прототипа и заявляемого) для определения дополнительных прогибов фазосдвигающего элемента от перегрузок.

Фазовращатель (на фиг.1) состоит из корпуса 1, выполненного в виде отрезка прямоугольного волновода. Вдоль узкой стенки волновода установлена упругая металлическая фазосдвигающая пластина 2, причем один ее конец жестко закреплен за стенку волновода у его входа. Волновод закорочен кронштейном 3. Так как для миллиметрового диапазона волн размеры поперечного сечения волновода 1 составляют несколько мм, кронштейн 3 с рычагами 4 и 5 выполнен в виде единой детали, полученной из прямоугольного параллелепипеда высверливанием определенным образом расположенных отверстий с параллельными осями и фрезеровкой пазов. При этом тонкие перемычки между отверстиями являются упругими шарнирами. Каждый рычаг представляет собой жесткий стержень, снабженный двумя такими шарнирами, один из них является осью поворота, а второй служит для присоединения к толкателю б, представляющему собой столбик из пьезокерамических пластин, электроды которых запитываются управляющим напряжением U. Свободный конец рычага 4 имеет площадку для базирования и крепления конца фазосдвигающей пластины 2. Это позволяет точно, без перекосов выставить пластину в канале волновода. К рычагу 5 присоединен винт 7, проходящий через отверстие Q кронштейне 3 и подпружиненный

пружиной 8. Подбором жест..ости пружины можно обеспечить тонкую регулировку углового положения рычага 5 и,следовательно, начального прогиба пластины 2. Выполнение шарниров упругими позволяет исключить в устройстве люфты, трение скольх ения (остается только внутреннее трение в материале, которое для металлов чрезвычайно мало) и тем самым повысить

точность установки и перемещения пластины 2.

Фазовращатель работает следующим образом.

Под действием управляющего напряжения и происходит изменение длины пьезокерамического толкателя 6. Относительно небольшое перемещение конца толкателя усиливается рычагом 4. Конец фазосдвигающей пластины 2, укрепленной на рычаге,

получает перемещение в направлении вдоль узкой стенки волновода. При этом изменяется величина прогиба фазосдвигающей пластины, причем это изменение существенно (в десятки раз) больше, чем

величина осевого перемещения конца пластины. Таким образом имеет место двойное усиление перемещений пьезокерамического толкателя, позволяющее получить изменение величины прогиба фазосдвигающей

пластины порядка нескольких сотен мкм. Последнее достаточно для получения набега фазы в миллиметровом диапазоне волн порядка 300°. Покажем, что по сравнению с прототипом предлагаемая конструкция позволит иметь более стабильную фазовую характеристику образцов фазовращателей.

Последнему способствуют следующие факторы; фазосдвигающая пластина имеет

в отличие от прототипа жесткое крепление концов; фазосдвигающая пластина может быть выполнена в предлагаемом решении с большей толщиной, чем в прототипе, так как в примененном пьезокерамическом толкателе внутренние механические напряжения от пьезоэффекта уравновешиваются силами упругости пластины, в то время как внутренние механические напряжения от пьезоэффекта в биморфе, примененном в

прототипе, уравновешиваются как силами упругости пластины, так и силами от изгиба самого биморфа.

Выполнение пластины с большей толщиной позволит уменьшить погрешность ее формы, а жесткое крепление концов - погрешность расположения пластины в канале волновода, что будет способствовать стабилизации фазовой характеристики фазовращателей.

Одним из основных требований к фазовой характеристике фазовращателя является ее линейность.

Возможность получения линейного рабочего участка на фазовой характеристике заявляемого фазовращателя иллюстрируется графиками, приведенными на фиг.2, полученными экспериментально на модели фазовращателя. Здесь показано, что наложение нелинейной зависимости приращения длины толкателя Д от управляющего напряжения U на его электродах и зависимости величины набега фазы (рот: величины осевого смещения конца фазосдвигающей пластины Апозволяет получить характеристику (U), близкую к линейной на рабочем участке.

Наличие регулировочного подпружиненного винта в предлагаемой конструкции позволяет отрегулировать величину начального прогиба фазосдвигающей пластины. Это дает возможность подстроить фазовую характеристику фазовращателя до требуемой и т.о. тоже ведет к уменьшению разброса фазовых характеристик фазовраа1ателей.

Следует также отметить, что применение пьезокерамического толкателя вместо биморфа позволяет путем отключения крайних пластин получить требуемую характеристику перемещения конца толкателя от управляющего напряжения при относительной нестабильности пьезомодуля пластин.

Покажем возможность сохранения стабильности фазовой характеристики фазовращателя при воздействии внешних зозмущающих факторов в виде перегрузок, действующих в самом неблагоприятном для конструкции направлении - перпендикулярно продольной оси волновода. Для этого сравним величину дополнительного прогиба фазосдвигающей пластины при статическом воздействии перегрузок в указанном направлении для указанной конструкции и для прототипа.

Из фиг.З приведены расчетные упрощенные схемы нагружения фазосдвигающей пластины для прототипа и предлагаемого решения.

Для прототипа расчетная схема представляет собой балку с заделкой с одной стороны и подвижной шарнирной опорой на другом конце. Заделка схематично отражает крепление пластины к жесткому проводнику (прототип). Нежесткость биморфа не учитывается. Задача получилась статически неопределимая. Раскрытие статической неопределенности заменой заделки на простую опору и неизвестный момент Мв дает знамение этого момента из условия отсутста Р

ВИЯ поворота сечения заделки Мв . где

о

q - интенсивность распределенной нагрузки. Опорные реакции будут равны RA

.5|J;R. 5|J.

Если обозначить изгибающий момент в сечении X как Мх, то дифф. уравнение упру гой линии будет иметь вид

(RB-X-3 -Ma):

т .5qPqx qg.

El 8

Здесь Е - модуль упругости, I - момент инерции сечения.

Максимальный прогиб, соответствующий условию , приходится на координату ,58 и будет равен после интегрирования

0,01159 qE

Уппах

Е 1

Интенсивностьнагрузки

0 q (3 b / g п,

где (5 - толщина пластины,

b - ширина пластины;

р- плотность;

g - ускорение силы тяжести. 5 Для материала пластины Бр Б2

р 8- ,.

м

Приняв остальные значения величин равными g 10мДп--10, С 25 -10 м , (5 5 10 м , получим для данного примера следующее значение дополнительного прогиба ,1737 мм, что перекрывает практически диапазон рабочих управляемых прогибов фазосдвигающей пластинки и является совершенно недопустимым.

Для предлагаемого фазовраш,ателя расчетная схема представляет собой искривленную балку, заделанную с двух концов. Упрощение задачи в сторону, неблагоприятную для данной конструкции, возможно при пренебрежении собственной жесткостью пластины на изгиб и заменой заделок двумя простыми неподвижными шарнирными опорами. При такой схеме в пластине возникают лишь напряжения растяжения (сжатия),

L. q

причем усилие равно: . а на:ояжения

о А

n q-r F 8 X b

Дляд д-Ь-рд-п получаем:

, . при этом относительная

8Х

.

деформация -е - -elTF

Изменение длины пластины S составит:

дс.-,,.о р-д-п-1 -s

дъ-е

Длина пластины S, прогиб X и расстояние между опорами t связаны приближенной зависимостью

8X2

S Е(1 +

Изменение прогиба под нагрузкой составит

ix.(.+)l

3

1-3

При Х 0,5- 10 м и остальных исходных данных, взятых для примера прототипа: ДХ 7-10° м , или 0,00013% первоначального прогиба, что показывает на практическое отсутствие дополнительного прогиба при действии перегрузки п 10 на фазосдвигающую пластинку в данной расчетной схеме. Очевидно, что реальные дополнительные прогибы пластины под действием перегрузок в предложенной конструкции будут зависеть от действительной

жесткости крепления концов фазосдвигаюи

fit

Л

щей пластины, жесткости рычагов, кронштейна, регулировочной пружины и собственно волновода. По всей видимости эти прогибы окажутся больше рассчитанной величины, но при этом они все же будут на несколько порядков меньше, чем прогиб фазосдвигающей пластины в прототипе. Последнее подтверждает возможность сохранения стабильной фазовой характеристики у заявляемого фазовращателя при действии перегрузок.

Ф о р м у л а и 3 о б р е т е н и я Отражательный фазовращатель, содержащий отрезок прямоугольного волновода,

на конце которого установлена закоротка в виде кронштейна, а внутри вблизи узкой стенки размещена упругая металлическая пластина, один конец которой пропущен через щель в кронштейне, и пьезокерамический толкатель, отличающийся тем, что, с целью улучшения стабильности фазой характеристики, кронштейн снабжен двумя рычагами на упругих шарнирах, малые плечи которых соединены с пьезокерамическим

толкателем, который выполнен в виде столбика из пьезопластин, один конец упругой металлической пластины жестко соединен с большим плечом идного из рычагов с приданием ей прогиба в сторону оси отрезка прямоугольного волновода, а другой ее конец жестко закреплен на узкой стенке у входа отрезка прямоугольного волновода, а большое плечо другого рычага соединено с кронштейном посредством введенных

регулировочного винта и пружины.

Использование: в сложных многозле- ментных волноводных устройствах. Сущность изобретения: фазовращатель содержит корпус в виде закороченного содной стороны отрезка прямоугольного волновода 1. внутри которого вблизи его узкой стенки установлена упругая металлическая пластина 2. Один конец пластины 2 жестко закреплен у входа отрезка прямоугольного волновода 1 на узкой стенке. Закоротка выполнена в виде кронштейна 3. в котором на двух рычагах 4 и 5 с упругими шарнирами укреплен толкатель 6 из набора пьезокера- мических пластин. Рычаг 4 соединен с другим концом упругой металлической пластины 2. выходящим через щель в кронштейне 3. Рычаг 5 соединен с кронштейном регулировочным винтом 7 с пружиной 8. 3 ил.Фиг^^ 00оOJ Ji!»^

1Ш

р

/yait lui

-IJO -во -40

U/BJ

4080

//.

шхддшдшх,

л-Л