КОМПАКТНАЯ 90-ГРАДУСНАЯ СКРУТКА В ПРЯМОУГОЛЬНОМ ВОЛНОВОДЕ
COMPACT 90-DEGREE TWISTING IN THE RECTANGULAR WAVEGUIDE

Изобретение относится к волноводной технике, в частности к волноводным преобразователям плоскости поляризации электромагнитной волны, и может быть использовано при разработке антенных и фидерных устройств различных радиотехнических систем сверхвысокочастотного диапазона длин волн.
Интерес к волноводным линиям передачи при построении радиотехнических систем различного назначения обусловлен рядом преимуществ этого типа направляющих систем по отношению к другим:
- высокая энергетическая эффективность (коэффициент полезного действия);
- сохранение работоспособности на высоком уровне мощности в жестких условиях применения;
- возможность разбиения сложного волноводного устройства на простые функциональные узлы, удобные для изготовления и настройки, и простота их последующего сочленения;
- технологичность.
Одним из наиболее распространенных видов металлических волноводов является волновод прямоугольного сечения. При компоновке волноводного устройства, построенного на базе прямоугольного волновода, зачастую возникает необходимость изменить плоскость поляризации распространяющейся в линии электромагнитной волны. Известны устройства изменения плоскости поляризации распространяющейся в прямоугольном волноводе электромагнитной волны - т.н. скрутки. Наиболее распространенный вариант - плавная скрутка, получаемая скручиванием стандартного прямоугольного волновода [1]. Плавные скрутки часто изготавливаются способом заполнения полости трубы прямоугольного сечения материалом с низкой точкой плавления, скручиванием ее на требуемый угол и последующим удалением легкоплавкого материала. Возможно изготовление плавной скрутки методом электроформирования. К достоинствам такого устройства следует отнести его широкополосность - при обеспечении достаточной плавности поворота плоскости поляризации (длина плавной скрутки должна быть не менее нескольких длин волн) ширина полосы рабочих частот по уровню коэффициента отражения -30 дБ может достигать ширины полосы рабочих частот соответствующего прямоугольного волновода. Недостатками плавных скруток являются их значительная длина и сложность в изготовлении.
g0
В [2] описана компактная 90-градусная скрутка, представляющая собой два соосных ортогональных прямоугольных волновода, между которыми размещается преобразователь поляризации. Преобразователь поляризации имеет окно квадратного сечения. В окне квадратного сечения преобразователя поляризации под углом 45 градусов к стенкам прямоугольных волноводов установлен штырь. Данные о ширине полосы рабочих частот и геометрических размерах описанной компактной 90-градусной скрутки в [2] не приводятся. Проведенные расчеты для такой конструкции компактной 90-градусной скрутки дали следующие результаты: относительная ширина полосы рабочих частот, определяемая как , по уровню коэффициента отражения - 30 дБ составляет ≈7.8%, а электрическая длина преобразователя поляризации - , где λ - длина волны в прямоугольных волноводах, вычисленная для центральной частоты рабочего диапазона .
g0
Похожий вариант компактной 90-градусной скрутки приведен в [3]. Это устройство представляет собой два соосных ортогональных прямоугольных волновода, между которыми размещается преобразователь поляризации, имеющий окно прямоугольного сечения. Стороны окна прямоугольного сечения расположены под углом 45° к стенкам прямоугольных волноводов. Размеры сторон окна превышают размеры соответствующих сторон волноводов. Данные о ширине полосы рабочих частот и геометрических размерах компактной 90-градусной скрутки в [3] также не приводятся. Проведенные расчеты для такой конструкции компактной 90-градусной скрутки дали следующие результаты: относительная ширина полосы рабочих частот составляет ≈7.8%, а электрическая длина преобразователя поляризации - ≈0.491*λ.
Два вида компактных 90-градусных скруток в прямоугольном волноводе описаны в [4]. Это компактная 90-градусная скрутка с Г-образной секцией и компактная 90-градусная скрутка баночного типа с резонансными щелями. Электрическая длина компактных 90-градусных скруток данных типов согласно [4] составляет . Относительная ширина полосы рабочих частот по уровню КСВ≤1,2 (коэффициент отражения меньше -21 дБ) составляет 8% для скрутки с Г-образной секцией и 6% для скрутки баночного типа с резонансными щелями.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению (прототипом) является компактная 90-градусная скрутка, описанная в [5], [6]. Эта компактная 90-градусная скрутка представляет собой устройство, содержащее два соосных ортогональных прямоугольных волновода, между которыми размещается преобразователь поляризации. Преобразователь поляризации имеет окно квадратного сечения, в котором имеются два выступа, диагонально расположенных в углах окна квадратного сечения. Характеристики такой компактной 90-градусной скрутки определяются размерами окна квадратного сечения, формой выступов и длиной преобразователя поляризации. Согласно [5] относительная ширина полосы рабочих частот по уровню коэффициента отражения - 30 дБ для компактной 90-градусной скрутки с квадратными усеченными под углом 45 градусов выступами в окне квадратного сечения составляет 26%. Согласно [6] относительная ширина полосы рабочих частот по уровню КСВ≤1,1 (коэффициент отражения меньше - 26,5 дБ) для компактной 90-градусной скрутки с квадратными выступами в окне квадратного сечения составляет 36,5% при электрической длине. Согласно этому же источнику для компактной 90-градусной скрутки с квадратными выступами, имеющими квадратные вырезы, может быть получена относительная ширина полосы рабочих частот 44,5% по уровню коэффициента отражения -40 дБ, но за счет значительного (до; ) увеличения электрической длины.
Целью настоящего изобретения является создание технологичной конструкции компактной 90-градусной скрутки в прямоугольном волноводе, обеспечивающей широкую относительную полосу рабочих частот при уменьшении продольных размеров.
На фиг. 1 представлен общий вид одного из вариантов выполнения предлагаемой компактной 90-градусной скрутки в прямоугольном волноводе. Компактная 90-градусная скрутка состоит из входного волновода с горизонтальной поляризацией 1, соосного с ним выходного волновода с вертикальной поляризацией 2 и преобразователя поляризации 3, размещаемого между входным волноводом 1 и выходным волноводом 2. Преобразователь поляризации 3 имеет крестообразное окно связи 4, представляющее собой комбинацию двух перпендикулярных прямоугольных окон, стороны которых параллельны стенкам входного волновода 1 и выходного волновода 2. В плоскости, перпендикулярной осям входного волновода 1 и выходного волновода 2, прямоугольные окна имеют размеры, превышающие размеры входного волновода 1 и выходного волновода 2. Преобразование поляризации осуществляется на двух ребрах, лежащих на одной из диагоналей квадратной области пересечения перпендикулярных прямоугольных окон. Длина преобразователя поляризации, размеры прямоугольных окон, длина и толщина ребер определяются исходя из условий наилучшего согласования компактной 90-градусной скрутки в требуемом частотном диапазоне.
Электромагнитная волна горизонтальной поляризации поступает на вход входного волновода 1, подается через него на преобразователь поляризации 3 и, претерпев поворот плоскости поляризации, выходит из выходного волновода 2.
На фиг. 2 представлена зависимость коэффициента отражения от частоты для предлагаемой компактной 90-градусной волноводной скрутки. Относительная ширина полосы рабочих частот по уровню коэффициента отражения - 30 дБ составляет ≈51,4%, а электрическая длина преобразователя поляризации - .
Источники информации
1. Дж. К. Саусворт. Принципы и применения волноводной передачи / пер. с англ. под ред. В.И. Сушкевича. - М.: Советское радио, 1955.
2. А.Ф. Харвей. Техника сверхвысоких частот Т.1 / пер. с англ. под ред. В.И. Сушкевича. - М.: Советское радио, 1965.
3. Авторское свидетельство SU 1337938. Волноводная ступенчатая скрутка / И.А. Бобенко, И.А. Морозова, Л.З. Пазин, Л.А. Руденко, 1987.
4. Позднякова Р.Д., Митин В.А., Синани А.И., Винярская Н.А., Ястребов Б.П. Системы распределения СВЧ-сигнала в антеннах с высокой энергетической эффективностью. - Антенны, выпуск 2 (93), 2005.
5. Патент US 6995628 Waveguide twist having quadrate sections / Hideki Asao, Hirotaka Kamino, Naofumi Yoneda, Muneaki Mukuda, Koji Yamasaki, 2006.
6. Литвинов В.P., Рудь Л.А., Свердленко. Компактные 90-градусные скрутки в прямоугольных волноводах. - Известия ВУЗов. Радиоэлектроника, Т. 53 №3, 2010.