СООСНЫЙ КОАКСИАЛЬНО-ВОЛНОВОДНЫЙ ПЕРЕХОД ВЫСОКОГО УРОВНЯ МОЩНОСТИ
COAXIAL COAXIAL-TO-WAVEGUIDE TRANSDUCER OF HIGH-LEVEL POWER

Изобретение относится к устройствам СВЧ-техники, предназначенным для согласования разнотипных линий передачи, и может быть использовано для возбуждения основной волны прямоугольного волновода (ПрВ) с помощью коаксиальной линии. Изобретение позволяет передавать электромагнитную энергию высокого уровня мощности (более 200 Вт) в заданных частотных диапазонах.
10
Наиболее часто для возбуждения основной волны Н ПрВ посредством коаксиальной линии, в которой распространяется поперечная ТЕМ-волна, применяются уголковые коаксиально-волноводные переходы (КВП) различных модификаций [Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ - М.: Высшая школа, 1988].
Например, известна конструкция зондового КВП [US Patent №4463324. Miniature coaxial line to waveguide transition / J.C. Rolfs. 1984], в которой для улучшения согласования двух линий передачи использован индуктивный штырь, размещаемый параллельно силовым линиям электрического поля ПрВ и металлическая втулка на его конце. Однако такой переход не обеспечивает необходимую электрическую прочность при передаче больших мощностей.
Известен КВП с последовательным шлейфом [Патент РФ № 2464676 С1. Миниатюрный коаксиально-волноводный переход/ А.П Майоров, В.А. Рудаков, В.А. Следков. 2011] с возбуждающим элементом в виде металлического штыря, имеющего трансформирующий отрезок с диаметром, большим диаметра штыря, и два диэлектрических элемента. Несмотря на то, что такая конструкция позволяет осуществлять согласование в относительно широкой полосе частот, ее недостатком является низкая надежность, обусловленная необходимостью применения диэлектрических стержней, которые могут быть повреждены при внешних механических и климатических воздействиях.
Высокая электрическая прочность и относительно широкая полоса согласования достигаются в других модификациях уголковых КВП: переходе с поперечным стержнем и переходе пуговичного типа [Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ - М.: Высшая школа, 1988], но их общий недостаток – необходимость использования дополнительных элементов согласования, например, индуктивных диафрагм.
Известна конструкция соосного КВП [Патент РФ № 2517678 С1. Коаксиально-волноводный переход / А.В. Хомяков, С.А. Журавлев, В.П. Клапов, Е.В. Манаенков, С.Н. Терехин. 2012], элемент согласования которого, выполненный в виде металлического стержня, являющегося продолжением внутреннего проводника коаксиальной линии, стыкуется с металлическим ступенчатым элементом, распложенным на нижней стенке ПрВ. Недостатком данной конструкции является низкая электрическая прочность, обусловленная наличием ступенчатого металлического гребня внутри ПрВ.
Известна другая конструкция соосного КВП [А.с. № 1305802 А1. Коаксиально-волноводный переход / В.П. Петренко. 1985], в которой для согласования ПрВ с коаксиальной линией использован Г-образный элемент возбуждения, вводимый в волновод через торцевую стенку и соединенный с дополнительным планарным фильтром нижних частот и согласованной нагрузкой, размещаемыми на широкой стенке волновода. Недостатком конструкции является сложность ее реализации и низкая надежность, вызванная наличием планарных устройств.
Известна конструкция соосного КВП [А.с. № 1247979 А1. Коаксиально-волноводный переход / В.М. Антоненко, В.И. Крутиков, В.Д. Кузнецов. 1984], в котором улучшение согласования между коаксиальной линией и ПрВ достигается за счет полуволнового проводника, стыкуемого с широкой стенкой волновода под углом и смещенного относительно центральной оси, а также двух металлических стержней, увеличивающих переходное ослабление на второй и третьей гармониках. Недостатком данной конструкции являются дополнительные элементы подстройки, снижающие ее электрическую прочность.
Наиболее близким к заявляемому устройству является соосный КВП [Патент РФ 2011245. Соосный коаксиально-волноводный переход / Ю.В. Тюрин, 1994], включающий отрезок прямоугольного волновода, короткозамкнутый торцевой стенкой, регулярный отрезок коаксиальной линии, подключенный к торцевой стенке волновода в ее центральной части, элемент связи, являющийся продолжением внутреннего проводника коаксиальной линии, соединенный с одной из широких стенок прямоугольного волновода. При этом элемент связи состоит из зондовой и аксиальной частей, расположенных между собой под произвольным углом. Аксиальная часть выполнена в виде ленты толщиной 0.1-0.25 мм
Данная конструкция коаксиально-волноводного перехода позволяет добиться КСВН порядка 1.2 в полосе 30% и величины переходного ослабления не более 0.2 дБ. Кроме того, за счет использования в качестве элемента связи ленты малой толщины, данный КВП не обладает достаточной надежностью и механической прочностью при ударных нагрузках, а также его нельзя использовать для передачи высоких уровней мощности (более 200 Вт).
Технической проблемой, решаемой заявляемым изобретением, является создание коаксиально-волноводного перехода с улучшенным уровнем согласования, обеспечивающего повышение уровня передаваемой мощности и обладающего высокой надежностью при эксплуатации в условиях сильных внешних воздействий.
Техническим результатом является улучшение уровня согласования и снижение КСВН до значений менее 1.2 в заданном частотном диапазоне (3.1...3.9 ГГц) при обеспечении передачи СВЧ энергии высокого уровня мощности, упрощении конструкции КВП и повышении ее надежности.
Технический результат достигается тем, что в соосном коаксиально-волноводном переходе, включающем отрезок прямоугольного волновода, короткозамкнутый торцевой стенкой, регулярный отрезок коаксиальной линии, подключенный к торцевой стенке волновода в ее центральной части, элемент связи, являющийся продолжением внутреннего проводника коаксиальной линии, соединенный с одной из широких стенок прямоугольного волновода, согласно предлагаемому решению, отрезок прямоугольного волновода выполнен в виде рупора, образованного отрезком нерегулярного волновода и отрезком регулярного волновода, при этом высота узкой стенки рупора является постоянной вдоль направления распространения электромагнитной волны, а элемент связи выполнен в виде стержня, соединенного с одной из широких стенок прямоугольного волновода посредством металлического держателя, при этом упомянутый стержень выполнен толщиной, больше толщины внутреннего проводника коаксиальной линии и расположен параллельно широким стенкам волновода, а металлический держатель выполнен толщиной, меньше толщины стержня и расположен перпендикулярно широкой стенке волновода на удалении от свободного конца стержня.
Внутренний проводник коаксиальной линии и металлический держатель выполнены различной толщины.
1
1
2
2
Стержень и металлический держатель могут быть выполнены цилиндрической формы. При этом стержень может быть выполнен диаметром d, определяемым из соотношения 0.03a≤d≤0.04a, а металлический держатель может быть выполнен диаметром d, определяемым из соотношения 0.02a≤d≤0.03a, где а – размер широкой стенки регулярного отрезка волновода в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны.
1
1
Держатель может быть расположен с обеспечением расстояния l от оси держателя до свободного конца стержня, определяемом из соотношения 0.08а ≤ l ≤ 0,1а.
Отрезок прямоугольного волновода может быть выполнен длиной s и высотой b, определяемыми из соотношения 0.7a ≤s≤0.9a, 0.1a≤b≤0.2a.
Стержень может быть выполнен длиной l, определяемой из соотношения 0.7a≤l≤0.8a.
Отрезок нерегулярного волновода рупора может быть выполнен длиной w, определяемой из соотношения 1.8u≤w≤1.9u, где u – длина отрезка нерегулярного волновода рупора.
Отрезок прямоугольного волновода может быть выполнен высотой, равной ширине его короткозамкнутой торцевой стенки, а регулярный отрезок коаксиальной линии может быть выполнен длиной, равной высоте отрезка прямоугольного волновода.
10
Предлагаемая совокупность признаков решения позволяет осуществить постепенную трансформацию ТЕМ-волны в волну Н ПрВ за счет более плавного изменения волнового сопротивления внутри КВП и, тем самым, снизить уровень отраженной мощности. Кроме того, использование в качестве элемента связи стержня вместо тонкой пластины позволяет повысить электрическую и механическую прочность конструкции по сравнению с прототипом.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами. На Фиг.1 представлена трехмерная конфигурация КВП, на Фиг.2-4 представлены двумерные проекции КВП в трех ортогональных плоскостях xz, xy, yz, соответственно.
Позициями на чертежах обозначены:
1 – регулярный отрезок коаксиальной линии;
2 – внутренний проводник коаксиальной линии;
3 – внешний проводник коаксиальной линии;
4 – рупор на прямоугольном волноводе;
5 – стержень;
6 – держатель (крепежный элемент);
7 – отрезок нерегулярного волновода рупора;
8 – отрезок регулярного волновода рупора.
Коаксиально-волноводный переход включает регулярный отрезок коаксиальной линии 1, стоящий из внутреннего 2 и внешнего 3 проводников, рупор 4 на прямоугольном волноводе, к торцевой стенке которого в ее центральной части подключен отрезок коаксиальной линии 1, и элемент связи, расположенный внутри рупора 4 и выполненный в виде металлического стержня 5 (проводника) с металлическим держателем 6. При этом внутренний проводник 2 коаксиальной линии, стержень 5 и держатель 6 выполнены различной толщины. Рупор 4 на прямоугольном волноводе состоит из отрезка нерегулярного волновода 7 и отрезка регулярного волновода 8. Узкие стенки рупора (отрезков 7 и 8 волновода) выполнены с постоянной высотой, не меняющейся вдоль направления распространения электромагнитной волны. Стержень 5 соединен с держателем 6 посредством сварки, пайки или иным способом, и является продолжением внутреннего проводника 2 коаксиальной линии 1. Стержень 5 расположен параллельно широким стенкам волновода вдоль его центральной оси. При этом толщина стержня 5 превышает толщину внутреннего проводника 2 коаксиальной линии, а его длина меньше длины рупора 4.
Стержень 5 соединен с широкой (нижней) стенкой прямоугольного волновода посредством крепежного металлического элемента – держателя 6. Данное соединение также может быть выполнено сваркой, пайкой или иным способом. Держатель 6 расположен под прямым углом к стержню 5 и поверхности широкой стенки волновода и выполнен толщиной, меньше толщины стержня 5.
Стержень 5 и держатель 6 могут быть выполнены с поперечным сечением в виде многоугольника с числом сторон n ≥ 4, в том числе в виде цилиндра при n → ∞, так как волновое сопротивление ТЕМ-волны, распространяющейся в прямоугольном волноводе со стержнем, согласно теории данных линий передачи [Wadell B.C. Transmission line design handbook, London: Artech House, 1991] слабо зависит от формы внутреннего проводника. При этом форма стержня 5 и держателя 6 могут различаться при условии выполнения для них условия n ≥ 4.
В одном из вариантов реализации изобретения, длина s рупора и его высота b могут быть определены из соотношений: 0.7a≤s≤0.9a, 0.1a≤b≤0.2a, где а – размер широкой стенки регулярного отрезка волновода в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны (ширина рупора), при этом длина w отрезка нерегулярного волновода рупора и длина u отрезка регулярного волновода рупора могут быть связаны соотношением 1.8u≤w≤1.9u, при этом 0.5a≤w≤0.6a.
Диаметр d внутреннего проводника 2 коаксиальной линии и диаметр D внешнего проводника 3 коаксиальной линии могут быть связаны соотношением 2.2d≤D≤2.3d.
1
1
Стержень 5 может быть выполнен длиной l, определяемой из соотношения 0.7a≤l≤0.8a. Держатель 6 может быть состыкован с одной из широких стенок прямоугольного волновода на расстоянии l от свободного конца стержня, определяемом из соотношения 0.08а≤l≤0,1а, при этом расстояние g от оси держателя 6 до отрезка коаксиальной линии 1 определяется из соотношения 0.6а≤g≤0,7а.
В одном из вариантов реализации изобретения короткозамкнутая торцевая стенка прямоугольного волновода выполнена в форме квадрата с длиной стороны h, определяющей ширину данной стенки, которая задана соотношением: 0.1a≤h≤0.2a, при этом регулярный отрезок коаксиальной линии может быть выполнен длиной, равной h.
1
2
1
2
При выполнении стержня и держателя цилиндрической формы, диаметр dстержня 5 и диаметр dдержателя 6 могут быть определены из соотношений: 0.03a≤d≤0.04a, 0.02a≤d≤0.03a.
10
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Основная ТЕМ-волна коаксиальной линии 1 возбуждает в рупоре 4 на прямоугольном волноводе с центральным металлическим стержнем 5 аналогичную волну ТЕМ-типа, которая, достигая конца стержня 5 трансформируется в основную волну Н прямоугольного волновода на выходе устройства. Держатель 6 и свободный конец стержня 5 выполняют роль трансформатора типов волн. Размеры нерегулярного отрезка 7 рупора 4 и центрального стержня 5 выбираются таким образом, чтобы обеспечить минимальный уровень отраженной мощности от стыка двух линий передачи: коаксиальной линии 1 и рупора 4. Выбранные размеры регулярного отрезка 8 рупора 4 и держателя 6 обеспечивают наилучшее согласование рупора 4 с металлическим стержнем 5 и прямоугольного волновода, являющегося выходным портом устройства. Использование в качестве элемента связи металлического стержня 5 обеспечивает механическую прочность КВП при внешних воздействиях.
Для подтверждения достижения технического результата, была построена трехмерная математическая модель заявляемого КВП, базирующаяся на однородном дифференциальном уравнении Гельмгольца с граничными условиями Неймана и Дирихле для тангенциальной и нормальной компонент поля на металле. Численная дискретизация модели осуществлялась с помощью метода конечных элементов с привлечением векторных тетраэдрических элементов Уитни, а для решения итогового матричного уравнения, полученного в ходе генерации сетки конечных элементов был использован GMRES-алгоритм и пакет программ COMSOL.
1
2
Рассчитанные оптимальные параметры элементов заявляемого устройства определялись следующими соотношениями: s/a = 0.81967, где s = w + u, b/a = h/a = t/a = 0.16666, D/d = 2.2913, w/u = 1.87356, l/a = 0.7377, g/a = 0.6475, w/a = 0.5344, d/a = 0.03934, d/a = 0.02623. На центральной частоте рабочего диапазона КВП нормированная длина волны составляла λ/а = 1.40515.
1
2
В результате моделирования было показано, что конструкция КВП, характеризующаяся размерами: a = 61 мм, b = t = h = 10 мм, D = 4.72 мм, d = 2.06 мм, d= 2.4 мм, d = 1.6 мм, l = 45 мм, g = 39.5 мм, w = 32.6 мм и u = 17.4 мм (Фиг.2-4), обеспечивает согласование с КВСН < 1.2 в диапазоне частот 3.1...3.9 ГГц  и характеризуется мощностью более 200 Вт.
Таким образом, заявляемое техническое решение обладает простой конструкцией, обеспечивает передачу СВЧ энергии высокого уровня мощности и характеризуется улучшенным по сравнению с прототипом согласованием в широкой полосе частот.