Сверхширокополосная диэлектрическая шайба

Область техники
Полезная модель относится к области сверхвысокочастотной (СВЧ) техники, а именно к элементам СВЧ коаксиального тракта, и может быть применена в различных устройствах, в конструкциях которых используются круглые коаксиальные волноводы (ККВ).
Уровень техники
Известен изолятор (патент US № 6816040, МПК H01P 3/06, опубл. 09.11.2004) коаксиальной линии передачи, выполненный из полой шайбы из электроизоляционного материала, имеющей наборы вращательно-симметричных внешних полостей по периметру шайбы, причем шайба имеет центральное отверстие для проводника и наборы вращательно-симметричных внутренних полостей, при этом внутренние полости расположены между центральным отверстием для проводника и внешними полостями, при этом центр тяжести внутренних пустот расположен на срединной линии между парами смежных внешних полостей.
Недостатком данного устройства является низкая согласованность, которая является следствием отсутствия проточки в конструкции, что также приводит к ограничению частотного диапазона воздушного ККВ.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является изолятор (патент CN № 213989306, МПК H01R 13/02, опубл. 17.08.2021), в котором выполнено центральное резьбовое отверстие, проходящее в осевом направлении, и равноудаленные от его центра продольные отверстия, а на стенке шайбы расположено множество радиально проходящих опорных элементов, распределённых через интервалы вдоль направления окружности.
Недостатком данного изолятора является низкая стабильность электрических характеристик (в частности, S-параметров) устройств, в которых он будет использован. Низкая стабильность электрических характеристик, в свою очередь, вызвана низкой механической стабильностью известного устройства при сопряжении с внутренним проводником, и обусловлена наличием резьбы в его центральном отверстии и на сопрягаемой поверхности центрального проводника.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в обеспечении более высокой стабильности электрических характеристик ККВ, в котором она будет использована, при расширении диапазона его рабочих частот в сторону СВЧ.
Технический результат достигается за счет того, что в сверхширокополосной диэлектрической шайбе со сквозными продольными отверстиями, одно из которых центральное, а другие равноудалены от его оси, с обеих сторон оснований которой выполнены кольцевые проточки, а опорные элементы боковой поверхности со стороны оснований которой сформированы при помощи дугообразных сквозных продольных отверстий, и которая изготовлена из полимерного диэлектрического материала, согласно предложенному решению значение относительной диэлектрической проницаемости материала меньше 3,2, а центральное отверстие выполнено безрезьбовым с возможностью обеспечения прессовой посадки внутреннего проводника.
В частном случае, в сверхширокополосной диэлектрической шайбе (далее - шайбе) в качестве полимерного диэлектрического материала используют Ultem Pei 1000 или Rexolite 1422.
Полезная модель поясняется рисунками, где
на фиг. 1 представлен вид сверху шайбы;
на фиг. 2 - разрез шайбы А-А;
на фиг. 3 - продольный осевой разрез коаксиального перехода с заявляемой шайбой, где использована прессовая посадка для внутреннего проводника;
на фиг. 4 - результаты измерения частотной зависимости амплитуды коэффициента отражения S11 и коэффициента передачи S12 коаксиального перехода.
В заявляемой шайбе (фиг. 1) со сквозным центральным отверстием 1 и продольными отверстиями 2 выполнены кольцевые проточки 3, а опорные элементы 4 боковой поверхности сформированы при помощи дугообразных сквозных продольных отверстий 5.
В коаксиальном переходе (фиг. 3) соосное удержание внешнего проводника 6, образованное внутренними цилиндрическими поверхностями корпуса и кольца 7, относительно внутреннего проводника 8, обеспечивается при помощи прессовой посадки последнего в шайбе 9.
На фиг. 4 приведены результаты измерения частотной зависимости амплитуды коэффициентов отражения S11 и передачи S12 коаксиального перехода, в конструкции которого использована заявляемая диэлектрическая шайба, где продемонстрировано, что в диапазоне от 0 до 67 ГГц коэффициент отражения не превышает значения минус 25 дБ, значение коэффициента передачи - не более минус 0,2 дБ, без резонансов высших мод.
Осуществление полезной модели
Верхняя граничная частота (критическая) работы ККВ с воздушным заполнением определяется частотой, при которой возможно возникновение первой высшей моды колебания в воздушном пространстве между внешним 6 и внутренним 8 проводниками ККВ, соответственно.
Теоретическое значение этой критической частоты (в перпендикулярном сечении ККВ) определяется формулой
где  - скорость распространения электромагнитных волн в вакууме;
- диаметр внешнего проводника ККВ;
- диаметр внутреннего проводника ККВ;
- эффективная диэлектрическая проницаемость пространства между проводниками в сечении ККВ.
В таблице ниже представлены значения граничных рабочих частот для воздушного ККВ с волновым сопротивлением 50 Ом и стандартными размерами сечения проводников, регламентируемым стандартом IEEE Std 287-2007.
Таблица - Значения граничных рабочих частот для воздушного ККВ согласно регламенту стандарта IEEE Std 287-2007
Диаметры поперечного сечения ККВ, мм
Теоретическое значение верхней граничной частоты, ГГц
Регламентируемое значение верхней рабочей частоты, ГГц
Разность теоретического и регламентируемого значения верхней рабочей частоты, ГГц
Внешнего проводника
Внутреннего проводника
7
3,04
19,4
18
1,4
3,5
1,52
38,8
33
5,8
2,92
1,27
46
40
6
2,4
1,04
56,5
50
6,5
1,85
0,804
73,3
65
8,3
1
0,434
135,7
110
25,7
Из таблицы видно, что с ростом рабочей частоты разница (не используемый частотный диапазон) между значением теоретически возможной частоты работы воздушного ККВи его регламентируемым значением увеличивается.
Это связано с тем, что на практике чисто воздушные ККВ применяют крайне редко, а вместо них широко используют ККВ с частичным или полным диэлектрическим заполнением, поскольку конструктивно необходимо соосное центроудержание внутреннего проводника 8 относительно внешнего 6, для чего и используют диэлектрические шайбы 9. А это, в свою очередь, приводит к значительному снижению критической частоты.
Из формулы видно, что единственно возможным путём приближения рабочей частоты к теоретической  в ККВ с частичным диэлектрическим заполнением (при фиксированных значениях размеров сечения его проводников 6 и 8) является уменьшение значения эффективной диэлектрической проницаемости  на отрезке ККВ, занимаемым шайбой 9.
В воздушном ККВ с частичным диэлектрическим заполнением значение  определяется значениями относительных диэлектрических проницаемостей воздуха и используемого материала шайбы, а также её геометрическими параметрами.
В первом приближении - чем меньше диэлектрического материала, тем меньше значение эффективной диэлектрической проницаемости  шайбы 9.
Поэтому в её конструкции следует использовать полимерный диэлектрический материал с наименьшим значением относительной диэлектрической проницаемости, а также использовать как можно меньшее его количество, обеспечив при всем этом приемлемые электродинамические (в частности, согласование с ККВ), механические и технологические (такие, как повторяемость при изготовлении, простота и удобство сборки) характеристики.
В качестве подходящего материала шайбы следует использовать Ultem Pei 1000 или Rexolite 1422, относительная диэлектрическая проницаемость которых меньше 3,2 и является наименьшей среди аналогичных диэлектриков.
Таким образом, конструкция заявляемой диэлектрической шайбы, за счёт уменьшения эффективной диэлектрической проницаемости  и выполнения в ней центрального отверстия безрезьбовым, при обеспечении более высокой стабильности электрических характеристик ККВ позволяет расширить диапазон рабочих частот ККВ сечением 1,85/0,804 мм, относительно значения 65 ГГц регламентируемого стандартом IEEE Std 287-2007 на 2 ГГц.