КОНСТРУКЦИЯ СОГЛАСУЮЩЕЙ ГРЕБНЕВОЙ СЕКЦИИ ВОЛНОВОДНО-МИКРОПОЛОСКОВОГО ПЕРЕХОДА
DESIGN OF MATCHING RIDGE SECTION OF WAVEGUIDE-MICROSTRIP JUNCTION

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ), а именно к антенной технике, и может использоваться в приемных и передающих антенных модулях, например, в составе антенных решеток миллиметрового и сантиметрового диапазона.
nd
Известна конструкция согласующей гребневой секции коаксиально-волноводного перехода для широкополосного рупорного излучателя сантиметрового диапазона [1 - Tikhov Yu., Youn Jin Kim, and Jeong Phill Kim. An Over-Octave Compact Transition from Double-Ridge Waveguide to Coaxial Line for Phased Array Feed // Proc. 32 European Microwave Conference, 2002, pp. 1-4].
Данная конструкция согласующего перехода на Н-волноводе [1] выполнена в виде отрезка гребневого волновода со ступенчатым изменением высоты гребня. Корпус перехода имеет прямоугольную форму и состоит из крышки и основания, причем верхний гребень выполнен совместно с крышкой, а нижний гребень выполнен совместно с основанием корпуса. Рабочий диапазон перехода 6-18 ГГц.
Недостатком конструкции является то, что при соединении крышки и основания корпуса возникает погрешность в расположении верхнего и нижнего гребней, равная погрешности сборки частей волноводного канала.
Наиболее близкой по своей технической сущности к заявляемой является конструкция согласующей гребневой секции волноводно-микрополоскового перехода, которая описана в [2 - В. Aja. Amplificadores de Banda Ancha у Bajo Ruido Basadosen Tecnologia Universidad de Cantabria. Santander. 2006. Chapter 6, pp. 97, 113. http://www.tesisenred.net/handle/10803/10664:jsessionid=0826D280384E517B45E28A019DB4E119.tdx2, 06de10.BAA_cap6.pdf]. Волноводно-микрополосковый переход [2] входит в состав радиометра PLANK LFI Европейского космического агентства [3 - В. Aja, Е. Altal, L. Fuente, J. Pascual, A. Mediavilla, N. Roddis, D. Kettle, W.F. Winder, L.P. Cara, P. Paco. Very Low-Noise Differential Radiometer at 30 GHz for the PLANCK LFI // IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 53, NO. 6, JUNE 2005, pp. 2050-2062].
Конструкция [2] взята в качестве прототипа. Переход с микрополосковой линии на стандартный прямоугольный волновод диапазона 26-40 ГГц (7,1×3,56 мм) в составе приемного модуля реализован на основе отрезка гребневого волновода прямоугольного сечения со ступенчатым изменением высоты гребня, который одним краем контактирует с сигнальным проводником микрополосковой линии, расположенной на широкой стенке волновода противоположной гребню. Прямоугольный корпус перехода разделен на верхнюю и нижнюю части. Верхняя часть представляет собой волноводный канал со ступенчатым гребнем, изготовленным совместно с корпусом, но без нижней широкой стенки волновода. Вторая часть корпуса содержит нижнюю широкую стенку волновода. Обе части корпуса соединены с помощью винтов. Поперечный размер модуля - около 50 мм.
Недостатком данной конструкции является то, что соединение винтами требует дополнительного места для их установки, ведет к существенному увеличению поперечных габаритных размеров модуля, вносит дополнительные потери по линиям стыка. Для соединения модуля с фидерным трактом используются фланцевые соединения, что увеличивает поперечные размеры структуры.
Для использования антенного модуля в составе антенных решеток (АР) с плотной упаковкой излучателей необходимо максимально уменьшить поперечные размеры модуля. Плотная упаковка излучателей в АР обеспечивает, например, в сканирующих АР возможность сканирования в определенном секторе углов без возникновения интерференционных максимумов. При использовании в многолучевых антеннах плотная упаковка излучателей позволяет сформировать систему ортогональных лучей.
При определенном поперечном размере корпуса антенного модуля цилиндрическая форма корпуса является более предпочтительной по сравнению с прямоугольной, поскольку в плотно упакованной антенной решетке цилиндрических модулей остается пространство, например, для реализации системы жидкостного термостатирования.
Целью заявляемого изобретения является создание конструкции согласующей гребневой секции волноводно-микрополоскового перехода антенного модуля миллиметрового или сантиметрового диапазона, которая позволяет изготовить корпус цилиндрической формы с цельным участком, содержащим отрезок Н-образного гребневого волновода, выполнить внутреннюю конфигурацию корпуса сложной формы до установки гребней, а затем обеспечить точное расположение гребней в волноводе и надежное соединение их с корпусом без применения винтов и, как следствие этого, уменьшение поперечных габаритов антенного модуля.
Изобретение направлено на решение следующих задач:
- уменьшение поперечных размеров антенного модуля,
- создание конструкции согласующих гребней, изготовленных отдельно от корпуса,
- реализация корпуса с внутренней конфигурацией сложной формы и цельным участком, содержащим отрезок Н-образного гребневого волновода,
- надежное соединение согласующих гребней с корпусом без применения винтов, обеспечивающее высокую точность расположения гребней в волноводном канале.
Для достижения цели предлагается конструкция согласующей гребневой секции волноводно-микрополоскового перехода, выполненная в виде отрезка Н-образного гребневого волновода прямоугольного сечения со ступенчатым изменением высоты гребней. Согласование низкоомной микрополосковой линии (с волновым сопротивлением, например, 50 Ом) и прямоугольного волновода осуществляется посредством ступенчатого перехода на Н-волноводе. Количество и размеры ступенчатых секций определяются по результатам синтеза и электродинамического анализа в соответствии с установленными требованиями к уровню согласования и типу характеристики (например, чебышевская).
Согласно изобретению гребни выполнены отдельно от корпуса и размещаются в цельном отрезке волновода, имеют овальный буртик для опоры в посадочном отверстии корпуса. Погружаемая в волновод часть согласующих гребней выполнена в соответствии с расчетными данными (размерами и количеством ступенчатых секций). Соединение с корпусом выполнено запрессовкой гребней в сквозные пазы корпуса и опаиванием буртика гребня по периметру. Точность расположения гребней в отрезке волновода обеспечивается конструкцией и высокими классами точности выполнения размеров соединений и чистотой обработки сопрягаемых поверхностей. Точность выполнения размеров соединений не хуже 0,02 мм, шероховатость сопрягаемых поверхностей гребней и корпуса не более 16 мкм. Установка гребней выполняется после изготовления внутренней конфигурации корпуса сложной формы.
10
Поскольку при использовании подложек с высокой диэлектрической проницаемостью (например, полупроводниковых) ширина полоскового проводника может оказаться значительно уже, чем реализуемая ширина гребней, для улучшения согласования верхний и нижний гребни в области контакта с микрополосковой линией имеют сужение в виде симметричных плоских или клиновидных срезов. Геометрические размеры срезов выбираются по результатам электродинамического моделирования исходя из условия оптимального согласования перехода в заданной полосе частот. Все четыре среза образуют локальный плавный переход с микрополосковой линии на Н-волновод, обеспечивающий трансформацию поля ТЕМ волны микрополосковой линии в поле квази-Н волны Н-волновода.
В результате разработки и изготовления антенного модуля миллиметрового и сантиметрового диапазона с предлагаемой конструкцией согласующей гребневой секции волноводно-микрополоскового перехода, по сравнению с прототипом, был получен следующий технический результат: в несколько раз уменьшены поперечные размеры модуля - диаметр корпуса модуля равен 8,6 мм (1λ), в то время как поперечный размер прототипа - около 50 мм (5.8λ,). Отрезок волновода с гребнями выполнен цельным, а не разделен на две части, как в прототипе, в результате чего отпадает необходимость в соединении винтами, внутренняя конфигурация корпуса сложной формы изготовлена методом электроэрозионного прожига проволокой до установки гребней, в прототипе гребень выполнен совместно с корпусом и перекрывает внутреннюю область корпуса для движения проволоки электроэрозионного станка. Съемный гребень позволяет менять размеры ступеней при необходимости (по результатам настройки), не производя изменений в размерах корпуса. Плоские или клиновидные срезы на гребнях дают дополнительные степени свободы для улучшения согласования перехода и, таким образом, представляют собой дополнительный элемент настройки волноводно-микрополоскового перехода.
Сочетание отличительных признаков и свойств предлагаемой конструкции согласующего элемента волноводно-микрополоскового перехода антенного модуля миллиметрового и сантиметрового диапазона из литературы не известны, поэтому изобретение соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
Настоящее изобретение иллюстрируется на фиг. 1-7.
На фиг. 1 показан вид на гребни со стороны излучателя.
На фиг. 2 показан верхний согласующий гребень с клиновидными срезами.
На фиг. 3 показан нижний согласующий гребень с клиновидными срезами.
На фиг. 4 показаны пазы под запрессовку гребней (вид сверху).
На фиг. 5 показан гребень верхний, запрессованный в корпус.
На фиг. 6 показан гребень нижний, запрессованный в корпус (вид снизу).
На фиг. 7 показаны гребни с плоскими срезами.
В заявляемой конструкции (фиг. 1) два гребня: верхний гребень 1 и нижний гребень 2, которые выполнены отдельно от корпуса 3. Гребни 1 и 2 устанавливаются в цельной части корпуса 3, в которой выполнен отрезок волновода 4. В нижней части гребни 1 и 2 имеют ступенчатую форму расчетной величины и погружены в отрезок волновода 4 на расчетную глубину.
Верхняя часть (буртик) верхнего гребня 1 (фиг. 2) выполнена в виде овального выступа 5 и является опорной, средняя часть гребня h запрессовывается. Нижняя часть 6 погружается в отрезок волновода 4 на заданную величину.
Нижняя часть (буртик) нижнего гребня 2 (фиг. 3) выполнена в виде овального выступа 7 и является опорной, средняя часть гребня h запрессовывается. Верхняя часть 8 погружается в отрезок волновода 4 на заданную глубину.
Средняя часть h гребней 1, 2 запрессовывается в сквозные пазы 9 (фиг. 4) прямоугольной формы, расположенные на цельной части корпуса 3 и выполненные за один проход для обоих гребней. Глубина пазов равна b.
На фиг. 5 показан верхний гребень 1, запрессованный в цельную часть корпуса 3. Средняя часть h верхнего гребня 1 запрессовывается в паз 9 корпуса 3 (фиг. 4). Высота запрессовываемой части h равна глубине b паза (0,7 мм - в заявляемой конструкции). После запрессовки в корпусе 3 овальный выступ 5 верхнего гребня 1 опаивается по периметру 10 посадочного отверстия корпуса 19 (фиг. 5). Электрический контакт сигнального проводника платы и верхнего гребня 1 осуществляется с помощью проводящей перемычки 20, которая припаивается к контактирующим поверхностям.
На фиг. 6 (вид снизу) показан нижний гребень 2, запрессованный в цельную часть корпуса 3 и опаянный по периметру 11 посадочного отверстия корпуса 19а.
Клиновидные или плоские срезы 21 (фиг. 2, 3, 5, 7) на верхнем и нижнем гребнях 1, 2 в области контакта с микрополосковой линией являются дополнительным настроечным элементом для улучшения согласования.
Все элементы конструкции выполняются из латуни или из другого металла, обеспечивающего возможность соединения элементов пайкой или клеем.
10
Предложенная конструкция волноводно-микрополоскового перехода работает следующим образом (при возбуждении микрополоскового входа). Основная волна микрополосковой линии (ТЕМ волна) падает на согласующую секцию, представляющую собой ступенчатый переход на основе волновода Н-образного поперечного сечения. Ступенчатый переход осуществляет трансформацию относительно небольшого волнового сопротивления микрополосковой линии (например, 50 Ом) в волновое сопротивление прямоугольного волновода через секции Н-волновода с различной величиной зазора между верхним и нижним гребнями 1, 2, имеющими волновое сопротивление меньшее, чем у прямоугольного волновода. На выходе волноводно-микрополоскового перехода ТЕМ волна преобразуется в основную волну Н прямоугольного волновода.
10
10
Количество и размеры гребневых секций вычисляются по результатам синтеза, электродинамического моделирования и оптимизации и определяются требованиями к ширине рабочей полосы и уровню согласования перехода, а также типу характеристики (например, характеристика чебышевского типа). В микрополосковой линии максимальная величина напряженности электрического поля наблюдается под полосковым проводником, поэтому выбранная соосная конструкция перехода обеспечивает широкополосное преобразование поля ТЕМ волны в поле квази-Н волны Н-волновода, а затем в поле волны Н прямоугольного волновода.
Настоящее изобретение промышленно применимо. Это подтверждается тем, что на производстве ФГУП «РНИИРС» были изготовлены антенные модули миллиметрового диапазона, в которых конструкция согласующей гребневой секции реализована в соответствии с заявляемым изобретением.