СПОСОБ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ВОЛНОВОДНЫХ СВЧ-УСТРОЙСТВ
METHOD TO SEAL WAVEGUIDE MICROWAVE DEVICES

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для герметизации антенных, волноводных, невзаимных и прочих СВЧ-устройств.
В практике приборов СВЧ (И.В.Лебедев, Техника и приборы СВЧ. Под ред. Н.Д.Девяткова, Москва, «Высшая школа», 1970, стр.156-157) известны малогабаритные герметизирующие окна, содержащие диэлектрическую пластину и установленную с одной стороны от нее металлическую диафрагму, вакуумплотно спаянные друг с другом и стенками герметизируемого волновода.
Известны волноводное СВЧ-окно баночного типа (SU 1725685 A1, опубл. 28.02.1994), герметизирующее окно (патент РФ №2400873, МПК H01P 1/08, опубл. 27.09.2010), содержащие диэлектрические перегородки с компенсирующими элементами (диафрагмами, дисками и др.).
Недостатками этих устройств являются высокая сложность и стоимость изготовления, ухудшение (рост) КСВн (коэффициента стоячей волны), вызываемое явлениями отражения на границах раздела волноводной среды (воздух, вакуум) с диэлектрической проницаемостью 1, и материала диэлектрической перегородки (кварц, фторопласт, поликарбонат) с диэлектрической проницаемостью более 2, а также дополнительным рассеиванием и отражением от элементов крепления данных окон.
Известен способ герметизации с помощью герметизирующей секции с пенопластовым вкладышем (Справочник по радиорелейной связи. Под ред. С.В.Бородича, Москва, «Радио и связь», 1981, стр.67-68). Пенопласты обладают диэлектрической проницаемостью менее 2, и использование их в конструкции герметизирующей волноводной секции обеспечивает лучшее согласование с трактом. Поэтому в данном решении правильный подбор формы и материала пенопластового вкладыша может частично решить проблему ухудшения КСВн. Однако предлагаемая конструкция герметизирующей волноводной секции сложна, трудоемка, труднореализуема в волноводных устройствах малых сечений (миллиметрового диапазона) и также содержит элементы крепления, ухудшающие характеристики (КСВн) устройства.
Кроме того, все перечисленные устройства, выполняя функцию пылевлагозащиты волноводных трактов, не касаются решения задачи увеличения надежности крепления ферритовых и диэлектрических элементов, находящихся в некоторых волноводных узлах и устройствах, для создания конструкций, стойких к ударным и вибрационным воздействиям.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ заполнения элементов корпуса волноводного модуля специальным пеноматериалом, приведен в патенте на изобретение «Волноводный детекторный модуль миллиметрового диапазона длин волн» (патент РФ №2345450, МПК H01P 1/00, опубл. 27.01.2009).
Суть способа заключается в том, что корпус устройства состоит из двух половинок, каждая из которых перед монтажом внутренних элементов устройства (в данном случае диода с барьером Шоттки) с помощью несложной оснастки заполняются порошком ПЭН-01. В результате выдержки в печи в течение 2 часов при 80°C и в течение 6 часов при 120°C происходит вспенивание порошка и волноводные каналы заполняются пеноматериалом. Далее происходит монтаж диода и сборка устройства. Такое решение обеспечивает влагозащиту и стойкость изделия к ударным нагрузкам.
Недостатком данного способа является необходимость заполнения пенопластом каждой части корпуса изделия отдельно. К тому же для последующего монтажа внутренних элементов вспенивание необходимо производить в оснастке, предусматривающей полости для этих элементов. Таким образом, для каждого нового устройства необходима специальная оснастка, изготовление которой увеличивает расходы на изготовление устройства. В том случае, когда в волноводном тракте крепятся несколько элементов, герметизация по принципу, описанному в изобретении RU 2345450 (крепление элементов на линии разъема волноводного тракта), может либо слишком усложнить конструкцию самого устройства и оснастку для вспенивания, либо быть вообще невыполнимой.
Технический результат изобретения заключается, во-первых, в достижении высокой степени пыле- и влагозащиты волноводных систем без изменения их характеристик, в частности коэффициента стоячей волны (КСВн), во-вторых, в увеличении их вибро- и ударостойкости за счет дополнительного крепления ферритовых, диэлектрических или иных элементов, размещаемых внутри волноведущих каналов, в-третьих, в отсутствии необходимости усложнения и/или изменения конструкции устройства (окна, дополнительные разъемы) для его герметизации, в-четвертых, в отсутствии необходимости изготовления специальной оснастки для вспенивания, в-пятых, в возможности герметизации сложных СВЧ-устройств с множеством внутренних элементов, что невозможно другими способами с сохранением высокой степени пыле- и влагозащиты, а также вибро- и ударостойкости.
Технический результат достигается тем, что весь внутренний объем устройств после монтажа внутренних элементов заполняют гранулами пенополистирола, предвспененными в водной среде до насыпной плотности, равной заданной кажущейся плотности пенополистирола в устройствах, а затем вспенивают их непосредственно внутри устройств.
-3
3
Из соображений минимизации потерь и явлений отражения вытекают требования к пенопласту -ε≤1,2 и tg δ≤1·10. Таким требованиям в полной мере отвечает пенополистирол с кажущейся плотностью менее 0,15 г/см, который может быть получен из вспенивающегося постирола, в частности марки ПСВ-СУ (ТУ 2214-097-05766575-2002).
Экспериментально было установлено, что наилучшие результаты по однородности заполнения волноводных устройств, по уменьшению вносимых потерь СВЧ энергии и по исключению вероятности сдвига установленных в волноводных каналах элементов достигаются путем введения перед операцией вспенивания пенополистирола в изделии (здесь и далее под изделием подразумевается готовое СВЧ-устройство с уже смонтированными внутренними элементами), операции предвспенивания.
С целью устранения мелких невспенивающихся частиц и крупных частиц с большим содержанием порофора, вызывающих неоднородности в конечном материале, исходный порошок гранул вспенивающегося полистирола просеивали через латунные сетки для получения фракции частиц размером от 0,5 до 1,0 мм. Порцию просеянного материала доводили до насыпной плотности, близкой к расчетной кажущейся плотности пенополистирола в изделии. Это позволяет избежать перераспределения гранул при окончательном вспенивании пенополистирола в изделии, что исключает механическое давление на установленные в волноводных каналах элементы. Операцию предвспенивания выполняли путем кратковременного (около 5 секунд) погружения гранул в кипящую воду с последующим охлаждением в холодной воде. Далее предвспененные гранулы высушивали (над прокаленным силикагелем) и использовали для заполнения изделий.
Навеску предвспененного пенополистирола рассчитывали по формуле:
Р=V·p,
где
Р - масса предвспененного пенополистирола (г),
V - объем заполняемого устройства (см<sup>3</sup>),
ρ - заданная плотность пенополистирола в изделии (0,1-0,15 г/см<sup>3</sup>).
Гранулы предвспененного полистирола помещали как можно более равномерным слоем в заполняемое изделие. Далее открытые каналы изделия заглушали технологическими крышками, а изделие нагревали до температуры 100°C. В процессе нагревания гранулы материала размягчаются, расширяются и сплавляются между собой, образуя после охлаждения единый монолитный пеноматериал с равномерной ячеистой структурой, который прочно фиксирует ферритовые, диэлектрические или иные элементы, размещаемые внутри волноведущих каналов. Охлаждение изделия до комнатной температуры производили в вакууме для уменьшения усадочных явлений пенополистирола.
По данному способу изготовили герметизирующие волноводные секции сечением 2,2 мм × 1 мм длиной 100 мм, Y - разветвители циркулятора, ферритовые переключатели с заполнением пенополистиролом.
Измерения в полосе рабочих частот на панорамном измерителе КСВн типа Р2-65 показали, что заполнение волноводов приводит к увеличению потерь не более 0,05 дВ.
Для циркуляторов и ферритовых переключателей после заполнения пенополистиролом (с предвспениванием) величина прямых потерь увеличилась не более 0,1 дБ, изменение величины обратных потерь составила менее 2 дБ, а КСВн вырос не более чем на 0,1. Достигнутые показатели не изменились после термовлажных испытаний группы 2.1.1 ГОСТ. РВ 20.39.304, а также после воздействия транспортных вибронагружений и ударных нагрузок с ускорением до 1000 g в трех взаимно перпендикулярных направлениях.