МОДОВЫЙ ВОЛНОВОДНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР

Полезная модель относится к области радиотехники, а именно к СВЧ волноводным устройствам для преобразования распространяющихся типов волн (мод) в волноводе и может быть использована, в частности, в устройствах генерации СВЧ энергии высокой мощности и антенных устройствах со сложными диаграммами направленности.
В приборах СВЧ используются разнообразные неоднородности, которые нарушают регулярный характер волновода. К ним относятся диафрагмы, окна, штыри, металлические полоски и другие структуры. Диафрагмы изготавливают в виде тонких металлических пластинок, которые размещаются перпендикулярно к оси волновода и частично перекрывают его поперечное сечение. Штыри изготавливают в виде металлического стержня, который размещают перпендикулярно к одной из стенок волновода. Возможны комбинации диафрагм и штырей. Неоднородности волновода в виде диафрагм и штырей используются как согласующие устройства (трансформаторы полных сопротивлений), волновые фильтры, в замедляющих структурах, разрядниках, элементах связи объемных резонаторов. Нерегулярные волноводные элементы, поперечные размеры которых велики по сравнению с длиной волны, могут использоваться при создании модовых волноводных трансформаторов - устройств, предназначенных для трансформации распространяющихся мод в волноводе.
11
В настоящее время известны волноводные устройства для контроля и преобразования мод (В.В. Земляков, Г.Ф. Заргано, Ю.М. Нойкин «Модовые трансформаторы на продольных диафрагмах в волноводах сложных сечений» (Электромагнитные волны и электронные системы, М.: Изд-во «Радиотехника», т.11, №5, 2006, с.60-63) [1], (C.-W. Yuan, Q.-X. Liu, H.-H. Zhong, B.-L. Qian. «A Novel ТЕМ - ТЕMode Converter» // IEEE Microwaves and Wireless Components Letters, 2005, v. 15, N. 8, p.513-515) [2], в которых распространяющаяся в волноводе волна разделяется на несколько волноводных каналов, в частности, с помощью продольных диафрагм или направленных ответвителей, в которых обеспечиваются различные условия распространения (разная фазовая скорость, либо длина пути). После выполнения заданных амплитудных и фазовых условий в каждом канале происходит обратное сложение в основном волноводе с появлением новых распространяющихся мод. Продольный размер таких устройств составляет порядка половины рабочей длины волны.
Однако этот тип устройств обладает высоким уровнем отражения волн, а также узкой полосой рабочих частот, не более 1-2%, в которой обеспечивается эффективное преобразование заданного набора мод.
Ближайшим аналогом (прототипом) заявляемого технического решения, является модовый волноводный трансформатор (US. 6424764 В1, МПК G02B 6/26, публ. 23.07.2002) [3], в котором в одном из вариантов выполнения преобразование распространяющихся мод осуществляется за счет создания в направлении распространения волны в регулярном волноводе последовательно расположенных перпендикулярно продольной оси волновода ступенчатых неоднородностей, образованных набором металлических круглых диафрагм различного внутреннего радиуса. За счет дифракционных эффектов на неоднородностях происходит перераспределение энергии между распространяющимися модами в различных комбинациях.
Устройство-прототип имеет малые продольные размеры, порядка половины длины волны, однако обладает высоким уровнем отражения волн, что обусловлено резким изменением поперечного сечения элементов, создающих неоднородность, а также узкой полосой рабочих частот, не более 1-2%, в которой обеспечивается эффективное преобразование заданного набора мод, что обусловлено наличием дифракционных эффектов на дисках.
Технический результат - расширение рабочей полосы частот преобразования мод до 10% за счет устранения дифракционных эффектов и снижение уровня отражения для всех распространяющихся мод до - 30 дБ за счет плавно изменяющегося перераспределения энергии электромагнитных волн на нерегулярном волноводном элементе
Указанный технический результат достигается тем, что модовый волноводный трансформатор содержит регулярный волновод, в котором вдоль продольной оси перпендикулярно стенкам волновода установлен нерегулярный волноводный элемент, обеспечивающий преобразование мод электромагнитных волн на входе в требуемые моды на выходе трансформатора.
Согласно полезной модели нерегулярный волноводный элемент выполнен в форме выполнен в форме двух продольных гребней, симметрично расположенных один против другого на внутренних стенках волновода, причем каждый гребень имеет рабочую поверхность плавно изменяющейся волнообразной формы, геометрия изгиба y(z) которой определяется по формуле:
,
где w - амплитуда электромагнитной волны, Δβ- разность постоянных распространения моды на входе и выходе трансформатора.
Конструкция устройства поясняется фигурами чертежей.
На фиг.1 представлено продольное сечение модового волноводного трансформатора.
На фиг.2 представлено поперечное сечение модового волноводного трансформатора на прямоугольном волноводе, где а - размер широкой стенки, h - размер узкой стенки, с - расстояние между гребнями, g - ширина гребня.
На фиг.3 представлено поперечное сечение модового волноводного трансформатора, выполненного на круглом волноводе.
На фиг.4 представлен график зависимости S-параметров, в дБ медового волноводного трансформатора от нормированного волнового числа k*l.
На фиг 5. представлены картины распределения электрического (для Н-волн - 1, 2, 4) и магнитного (для Е-волн - 3) поля по поперечному сечению волновода для рассматриваемых типов волн, рассчитанные с помощью электродинамических программ.
Модовый волноводный трансформатор содержит регулярный волновод 1, внутри которого расположены два симметричных продольных гребня 2, 3 с рабочими поверхностями 4, 5 волнообразной формы, геометрия изгиба y(z) которой определяется уравнением:
,
где w - амплитуда электромагнитной волны, Δβ - разность постоянных распространения моды на входе и требуемой волны на выходе трансформатора.
При распространении электромагнитной волны в изогнутом участке многомодового волновода происходит фазовый сдвиг между участками волнового фронта, располагающимися на изгибах рабочих поверхностей 4, 5, в результате в поперечном сечении волновода происходит изменение распределения электромагнитного поля, т.е. фактически изменение модового состава. В конкретном примере выполнения модовый волноводный трансформатор (фиг.1, 2) на прямоугольном волноводе имеет два симметрично расположенных продольных металлических гребня с относительными размерами (фиг.2): g/l=0.7, c/l=0.4, h/l=0.8.
Рабочая поверхность 4, 5 гребней 2, 3 имеет плавно изменяющуюся волнообразной форму, геометрия изгиба y(z) которой определяется уравнением:
, где w - амплитуда электромагнитной волны, Δβ - разность постоянных распространения моды на входе и требуемой волны на выходе трансформатора.
1
2
3
4
1
2
3
4
В данном случае использовано два периода функции y(z) с изменением параметров на каждом полупериоде: W/l=0.093, W/l=0.161, w/l=0.148, W/l0.080, Δβ*l=2.606, Δβ*=2.068, Δβ*2.063, Δβ*2.411.
На основании расчетов, выполненных с помощью электродинамических программ с высокой точностью соответствия [4], на фиг.4 представлен график зависимости модуля S-параметров распространяющихся мод устройства от нормированного волнового числа k*l, где k - волновое число свободного пространства. Цифрами на графике указаны соответствующие порядковые номера мод в спектре волновода с учетом плоскостей симметрии для данного типа изгиба гребней. Картины распределения электрического (для Н-волн - 1, 2, 4) и магнитного (для Е-волн - 3) поля по поперечному сечению для рассматриваемых типов волн даны на фиг.5.
Модовый волноводный трансформатор осуществляет преобразование основной волны (номер 1) Н-волновода в первую Е-волну (номер 3) (фиг.5). При этом на центральной частоте уровень затухания паразитных мод на выходе ниже -20 дБ, уровень отражения на входе менее -30 дБ, рабочая полоса устройства, определяемая по уровню -10 дБ, составляет порядка 10%, а относительная длина L/λ,=2.1.
Аналогичные численные результаты могут быть получены для медового трансформатора на круглом волноводе.
Представленные результаты показывают, что данное устройство удовлетворяет поставленным целям полезной модели.
Источники информации
1. В.В.Земляков, Г.Ф.Заргано, Ю.М.Нойкин «Модовые трансформаторы на продольных диафрагмах в волноводах сложных сечений» // Электромагнитные волны и электронные системы, М.: Изд-во «Радиотехника», т.11, №5, 2006, с.60-63.
11
2. C.-W. Yuan, Q.-X. Liu, H.-H. Zhong, B.-L. Qian. «A Novel ТЕМ - ТЕ Mode Converter» // IEEE Microwaves and Wireless Components Letters, 2005, v. 15, N. 8, p.513-515.
3. US 6424764 В 1.G02B 6/26, 23.07.2002 - прототип.
4. В.В.Земляков, Г.Ф.Заргано, Г.П.Синявский «Трансформация мод при изгибах Н-волноводов» // Радиотехника и электроника, М.: Изд-во «Наука», т.53, №2, 2008, с.177-183.
Авторы: Земляков Вячеслав Викторович Заргано Геннадий Филиппович