МИНИАТЮРНЫЙ КОАКСИАЛЬНО-ВОЛНОВОДНЫЙ ПЕРЕХОД
MINIATURE COAXIAL-WAVEGUIDE TRANSITION

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) и предназначено для построения антенно-фидерных трактов в радиотехнических системах различного назначения. Устройство содержит металлическую пластину с отверстиями для крепления к стандартному волноводному фланцу и короткозамкнутый отрезок волновода. В широкой стенке короткозамкнутого отрезка волновода имеется отверстие, в котором располагается коаксиальный возбуждающий элемент, состоящий из металлического штыря с цилиндрическим окончанием большего диаметра и диэлектрической втулки, окружающей металлический штырь. Техническим результатом является уменьшение габаритов устройства при обеспечении согласования с входной линией.
Известен коаксиально-волноводный переход [Patent US 3725824], имеющий короткозамкнутый четвертьволновый отрезок волновода и клиновидный гребень длиной более половины длины волны в волноводной секции, расположенный на одной из широких стенок волновода. Коаксиальная линия входит в волновод из другой широкой стенки. Ее центральный проводник входит в отверстие в клиновидном гребне и отделен от него тонкой тефлоновой втулкой, не имея электрического контакта со стенками отверстия. Вблизи волновода центральный проводник коаксиальной линии имеет отрезки с различными диаметрами. На узких стенках волновода напротив центра суженной части клиновидного гребня имеются выступы в виде полушара, которые улучшают импеданс в рабочей полосе частот. Данный переход согласован с 25-Омной коаксиальной линией. Недостатками этого перехода являются большие размеры, сложность конструкции и узкая полоса рабочих частот, которая при КСВН=1.1 составляет 13%.
Известен коаксиально-волноводный переход [Patent US 4139828], в котором центральная жила коаксиальной линии вводится в волновод через отверстие в торцевой стенке волновода параллельно его боковым стенкам, а внешний проводник соединен с торцевой стенкой. Отверстие расположено посередине между боковыми стенками волновода в нижней половине торцевой стенки. Верхняя половина торцевой стенки отодвинута и образует короткозамкнутый четвертьволновый отрезок волновода с уменьшенной высотой боковых стенок, расположенный над коаксиальной линией. Центральная ось коаксиальной линии является параллельной относительно оси волновода. В переходе нет электрического контакта между центральной коаксиальной жилой и стенкой волновода. Недостатками такой конструкции являются узкая полоса рабочих частот и неудобство крепления коаксиального разъема к торцевой стенке волновода.
Известен коаксиально-волноводный переход [Massimiliano Simeoni, Cristian I. Coman, Ioan E. Lager Patch end-launchers - a family of compact collinear coaxial-to-rectangular waveguide transitions // IEEE Trans. 2006. Vol. MTT-54, N 4], волновод которого возбуждается планарным излучателем круглой формы, расположенным параллельно торцевой стенке и соединенным с центральным проводником коаксиальной линии. Центральный проводник коаксиальной линии вводится в волновод через отверстие в торцевой стенке волновода параллельно его боковым стенкам, а ее внешний проводник соединен с торцевой стенкой. Отверстие расположено посередине между боковыми стенками волновода в нижней половине торцевой стенки. Недостатком такой конструкции является узкая полоса рабочих частот, которая по уровню s11= -10 дБ (КСВН=2) составляет 14% и очень чувствительна к погрешностям изготовления. При изменении радиуса планарного излучателя на ±100 мкм центральная частота смещается на 600 МГц. Расширение рабочей полосы частот до 25% по уровню s11= -10 дБ (КСВН=2) достигается добавлением еще одного круглого печатного излучателя, расположенного параллельно первому и имеющего с ним емкостную связь. Диапазон расширяется за счет формирования цепи с двумя резонансами, но чувствительность электрических характеристик устройства к погрешностям изготовления при этом не уменьшается.
Известен коаксиально-волноводный переход [RU 2325017], содержащий короткозамкнутый отрезок прямоугольного волновода с металлическим ребром Т-образной формы, который соединен с коаксиальной линией посредством индуктивного штыря. Индуктивный штырь расположен под углом 90° в центре широкой стенки волновода на расстоянии 0.8677 длины перехода от короткозамкнутого конца волновода. 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. Недостатком этой конструкции является узкая полоса рабочих частот.
Из известных решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является коаксиально-волноводный переход [Patent US 4463324], принимаемый за прототип. Коаксиальная линия располагается в волноводном фланце перпендикулярно широкой стенке волновода. Центральный проводник коаксиальной линии входит в волновод в середине широкой стенки, а на его конце имеется металлическая цилиндрическая втулка в виде (форме) зонда, которая окружена диэлектрической втулкой. Конец волновода замкнут металлической пластиной. Недостатком этой конструкции является узкая полоса рабочих частот.
Целью изобретения является расширение рабочей полосы частот и уменьшение величины коэффициента стоячей волны (КСВН) без увеличения размеров устройства. Расширение диапазона рабочих частот позволяет использовать изобретение для соединения широкополосных рупорных антенн с коаксиальной линией, а уменьшение КСВН улучшает качество фидерных устройств, содержащих волноводы и коаксиальные линии.
Поставленная цель достигается следующими изменениями: в известном коаксиально-волноводном переходе, согласно изобретению, центральный проводник коаксиальной линии содержит по крайней мере один трансформирующий отрезок, диаметр которого больше диаметра остальной части центрального проводника, добавлены выступ на широкой стенке волноводной секции, расположенный напротив коаксиального возбуждающего элемента, и диэлектрический стержень, который вставлен в выборку металлической цилиндрической втулки центрального проводника и упирается в выступ.
Отличительные признаки являются существенными, так как позволяют достичь поставленной задачи и получить технический эффект. Минимальное значение КСВН во всей рабочей полосе частот прямоугольного волновода обеспечивается размещением металлического штыря на расстоянии четверти длины волны от короткозамкнутого конца волновода, выбором радиуса и длины трансформирующих отрезков и выбором размеров выступа, расположенного напротив коаксиального возбуждающего элемента.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлен вид коаксиально-волноводного перехода со стороны подключения волновода. На фиг.2 показано сечение перехода в плоскости, проходящей через середину широких стенок волновода (А-А).
Заявляемый коаксиально-волноводный переход состоит из металлической пластины 1, в которой выполнено углубление 2, образующее короткозамкнутый отрезок волновода. Через отверстие в широкой стенке короткозамкнутого отрезка волновода в волновод введен коаксиальный возбуждающий элемент, состоящий из металлического штыря 3 с цилиндрическим окончанием большего диаметра 4 и диэлектрической втулки 5, окружающей металлический штырь 3. Металлический штырь, являющийся продолжением центрального проводника входной коаксиальной линии, имеет, по крайней мере, один трансформирующий отрезок 6, диаметр которого больше диаметра центрального проводника коаксиальной линии. Короткозамкнутый отрезок волновода имеет выступ в виде гребня 7, расположенного напротив коаксиального возбуждающего элемента. Между волноводным гребнем и возбуждающим коаксиальным элементом расположен диэлектрический стержень 8, один конец которого помещен в отверстие, выполненное в торце цилиндрического окончания коаксиального возбуждающего элемента.
Металлический штырь 3 с цилиндрическим окончанием большего диаметра 4 размещается параллельно силовым линиям в максимуме электрического поля, что дает возможность, так же, как и в прототипе, трансформировать ТЕМ-волну коаксиальной линии в основную волну прямоугольного волновода.
Заявленный коаксиально-волноводный переход позволяет осуществлять согласование прямоугольных и Н-образных волноводов с коаксиальными линиями передачи. Примерами его конкретного применения являются разработанные устройства. Использование заявленных отличительных признаков позволило разработать комплект высококачественных малогабаритных переходов с коаксиальной линии на прямоугольные волноводы стандартного сечения. Изготовленные переходы имеют КСВН менее 1.25 для волновода 23∗10 (диапазон 8-12 ГГц), менее 1.2 для волновода 16∗8 (диапазон 12-18 ГГц) и менее 1.3 для волновода 11∗5.5 (диапазон 18-26.5 ГГц). Переход на стандартный Н-образный волновод в диапазоне 8-18 ГГц имеет КСВН не хуже 1.25.
Данный переход также применяется для согласования рупорных СВЧ-антенн различных частотных диапазонов с коаксиальной линией.
Источники информации
1. Patent US 3725824, 1973 г.
2. Patent US 4139828, 1979 г.
3. Massimiliano Simeoni, Cristian I. Coman, Ioan E. Lager Patch end-launchers - a family of compact collinear coaxial-to-rectangular waveguide transitions // IEEE Trans. 2006. Vol. MTT-54, N 4.
4. RU 2325017, 2006 г.
5. Patent US 4463324, 1984 г.