Согласующее устройство двух разнодиапазонных прямоугольных волноводов с объединенными коаксиальным и круглым волноводами
MATCHING DEVICE FOR TWO DIFFERENT-RANGE RECTANGULAR WAVEGUIDES WITH COMBINED COAXIAL AND CIRCULAR WAVEGUIDES

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и предназначено для направления сигналов, распространяющихся в двух разнодиапазонных прямоугольных волноводах в объединенный коаксиальный и круглый волновод. Устройство может быть использовано в облучателях параболических антенн систем связи, радиолокации, радионавигации, различной измерительной и специальной радиоаппаратуре.
Известен ортомодовый преобразователь с TEM зондом для коаксиального волновода [патент US №8013687B2, опубл. 06.09.2011], содержащий объединенный коаксиально-круглый волновод, состоящий из соосных внутренней и внешней круглых трубок, причем внешняя поверхность внутренней трубки и внутренняя поверхность внешней трубки образуют коаксиальный волновод, а внутренняя поверхность внутренней трубки образует круглый волновод. Отрезок прямоугольного волновода, ось которого ортогональна оси трубок, возбуждает первую TE моду в коаксиальном волноводе, а второй отрезок прямоугольного волновода, ось которого ортогональна оси трубок и оси первого отрезка прямоугольного волновода, возбуждает вторую TE моду в коаксиальном волноводе. Причем вторая TE мода ортогональна первой TE моде. Устройство содержит TEM зонд, предназначенный для подавления возбуждения TEM моды в общем коаксиальном волноводе.
Недостатком конструкции известного устройства является высокая сложность в производстве и настройке, так как для согласования первого и второго прямоугольных волноводов с коаксиальным волноводом используется внутренняя трубка с переменным сечением, а для подавления возбуждения нежелательной TEM моды коаксиального волновода используется дополнительный элемент - ТЕМ зонд.
Известен коаксиальный ортомодовый преобразователь [патент US №7671703B1, опубл. 02.03.2010]. Устройство содержит три порта. Первый порт нагружен на объединенный коаксиально-круглый волновод, причем коаксиальная часть волновода предназначена для приема и распространения электромагнитных волн одновременно первой линейной поляризации и волн второй линейной поляризации, ортогональных друг к другу. Второй порт нагружен на первый прямоугольный волновод, предназначенный для возбуждения волн первой линейной поляризации. Третий порт нагружен на второй прямоугольный волновод, предназначенный для возбуждения волн второй линейной поляризации. Прямоугольные волноводы подключаются к объединенному коаксиально-круглому волноводу ортогонально его оси и ортогонально друг другу.
Недостатком конструкции данного устройства также является высокая сложность в производстве, так как для согласования прямоугольных волноводов с объединенным коаксиально-круглым волноводом используются многоступенчатые переходы с различными сечениями волновода.
Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков является компактный широкополосный переход с прямоугольных волноводов на коаксиальный волновод [патент US №4558290, опубл. 10.12.1985], содержащий объединенный коаксиально-круглый волновод, состоящий из внешней и внутренней трубок, два входных/выходных прямоугольных волновода, один из которых предназначен для передачи СВЧ-сигналов низкочастотного диапазона длин волн, а второй - высокочастотного диапазона длин волн. Особенностью конструкции является то, что согласование низкочастотного прямоугольного волновода с коаксиальной частью объединенного коаксиально-круглого волновода и фиксация внутренней трубки соосно с внешней трубкой осуществляются металлической втулкой специальной формы.
Существенным недостатком конструкции-прототипа является высокая сложность сборки и настройки, а также трудность в согласовании низкочастотного прямоугольного волновода с коаксиальной частью объединенного коаксиально-круглого волновода, так как указанную втулку необходимо запрессовывать для жесткой фиксации трубок, после чего подстройка согласования становится невозможной.
Техническим результатом заявляемого изобретения является упрощение конструкции и возможность настройки степени согласования устройства с нагрузкой.
новым является то, что
Заявляемый технический результат достигается тем, что в согласующем устройстве, осуществляющем переход с двух разнодиапазонных прямоугольных волноводов на объединенный коаксиальный и круглый волновод (коаксиально-круглый волновод) для облучателя зеркальной антенны, содержащем коаксиально-круглый волновод, два входных/выходных прямоугольных волновода, один из которых предназначен для передачи СВЧ-сигналов на низкой частоте, а второй - на высокой частоте,  устройство включает переход от «высокочастотного» прямоугольного волновода к круглому, с выходом которого соединен круглый волновод, являющийся одновременно центральным проводником коаксиальной линии низкочастотного диапазона и закрепленный внутри высокочастотной секции устройства, имеющей цилиндрическую часть со срезом под углом 45°, которая вставлена в отверстие объединяющей секции устройства, причем срез цилиндрической части высокочастотной секции расположен напротив прямоугольного окна в объединяющей секции, с которым соединен «низкочастотной» прямоугольный волновод устройства, на котором размещен винт, регулирующий степень согласования волноводов.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием отдельных высокочастотной секции, низкочастотной секции и объединяющей секции. Каждая секция проста в изготовлении и изготавливается на токарно-фрезерных обрабатывающих центрах с числовым программным управлением.
Существенным отличием является то, что высокочастотная секция имеет цилиндрическую часть со срезом под углом 45°, которая входит в отверстие объединяющей секции таким образом, что срез находится напротив прямоугольного окна объединяющей секции, соединенного с прямоугольным волноводом низкочастотной секции. Такая конструкция позволяет относительно просто согласовать «низкочастотный» прямоугольный волновод с коаксиальной линией.
Другим существенным отличием является то, что низкочастотная секция устройства содержит регулировочный винт для настройки согласования волноводов. Поскольку сигналы низкочастотного и высокочастотного диапазона длин волн передаются по разным волноведущим структурам (высокочастотного диапазона - по круглому волноводу, низкочастотного - по коаксиальному) до совмещенного двухдиапазонного рупорного излучателя, удается относительно просто согласовать антенну с источниками/приемниками сигналов.
Таким образом, перечисленные выше отличительные от прототипа признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».
Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежами: на фиг. 1 показана конструкция зеркальной антенны по схеме Кассегрена; на фиг. 2 показана конструкция облучающей системы антенны и элементов волноводного тракта; на фиг. 3 приведена конструкция заявляемого волноводного перехода в сборе, на фиг. 4 и фиг. 5 - с разнесенными элементами конструкции, а на фиг. 6 показан его разрез; на фиг. 7 показана электродинамическая модель заявляемого устройства; на фиг. 8-11 показаны результаты расчета S-параметров электродинамической модели устройства, при этом на вставках фиг. 10 и фиг. 11 схематически показаны распределения электрического поля различных мод коаксиально-круглого волновода, поясняющие графики S-параметров.
Заявляемое согласующее устройство, осуществляющее переход с двух разнодиапазонных прямоугольных волноводов на коаксиально-круглый волновод для облучателя параболической антенны размещается (фиг. 1) с задней стороны параболического отражателя (1) антенны Кассегрена, включающей гиперболический контррефлектор (2), двухдиапазонный рупорный излучатель (3), совмещенный коаксиально-круглый волновод (4). С задней стороны параболического отражателя (1) размещены фланец (5) прямоугольного волновода входа/выхода низкочастотного диапазона и фланец (6) прямоугольного волновода входа/выхода высокочастотного диапазона, являющиеся частями заявляемого волноводного перехода. Заявляемый волноводный переход (7) (фиг. 2) через фланец (6) подключают к источнику/приемнику СВЧ-сигнала высокочастотного диапазона. Радиально к оси облучающей системы через фланец (5) «низкочастотного» прямоугольного волновода подключают источник/приемник СВЧ-сигнала «низкочастотного» диапазона. Заявляемый волноводный переход (фиг. 3) состоит из объединяющей секции (8), низкочастотной секции (9), высокочастотной секции (10), волноводного перехода с прямоугольного на круглый волновод (11) и волновода высокочастотного (12). Таким образом, вдоль оси облучающей системы к волноводному переходу подходит круглый волновод (13) высокочастотного диапазона, являющийся одновременно центральным проводником коаксиальной линии, а радиально к волноводному переходу подходит прямоугольный волновод низкочастотного диапазона. В верхней части низкочастотной секции (9) расположен регулировочный винт (14). На фиг. 4 и фиг. 5 показаны виды волноводного перехода с разнесенными частями. Высокочастотная секция (10) имеет цилиндрическую часть (15) со срезом под углом 45° к оси облучающей системы. Цилиндрическая часть (15) входит в отверстие (16) в объединяющей секции (8), в которой выполнен разрез (17). С помощью винтов (18) осуществляется фиксация цилиндрической части (15) внутри отверстия (16). В высокочастотной секции (10) выполнен разрез (19), который позволяет зафиксировать круглый волновод (13) в нужном положении внутри высокочастотной секции (10) с помощью винтов (20). «Высокочастотный» прямоугольный волновод (12) и ступенчатый переход (11) от прямоугольного волновода к круглому волноводу соединены последовательно с высокочастотной секцией (10) через упорную секцию (21). Разрез волноводного перехода в сборе показан на фиг. 6. От фланца (6) прямоугольный волновод переходит в круглый, проходит через упорную секцию (21), а затем переходит в круглый волновод (13), который проходит через высокочастотную секцию (10) и объединяющую секцию (8). Одновременно круглый волновод (13) становится центральным проводником низкочастотного коаксиального волновода, соединенного с низкочастотным прямоугольным волноводом низкочастотной секции (9) через прямоугольное окно в объединяющей секции (8).
Волноводный переход с прямоугольных волноводов на коаксиально-круглый волновод для облучателя параболической антенны работает следующим образом. Поскольку устройство является взаимным, рассмотрим только случай, когда оба диапазона антенны используются для передачи сигналов. Сигнал от СВЧ-передатчика «высокочастотного» диапазона поступает (фиг. 6) через фланец (6) по прямоугольному волноводу (12) на ступенчатый переход (11) от прямоугольного волновода к круглому, после чего сигнал через упорную секцию (21) поступает на круглый волновод (13), по которому электромагнитные волны распространяются (фиг. 1) до совмещенного двухдиапазонного рупорного излучателя (3), где после излучения отражаются от гиперболического контррефлектора (2), а затем от параболического отражателя (1). Сигнал от СВЧ-передатчика «низкочастотного» диапазона поступает (фиг. 6) по прямоугольному волноводу через фланец (5) и через низкочастотную секцию (9) на объединяющую секцию (8). Регулировочным винтом (14) добиваются (фиг. 3) наилучшего согласования передатчика с антенной. Электромагнитные волны «низкочастотного» диапазона распространяются (фиг. 1) по коаксиальной СВЧ-линии коаксиально-круглого волновода (4) до двухдиапазонного рупорного излучателя (3), где после излучения отражаются сперва от гиперболического отражателя (2), а затем от параболического отражателя (1).
2
2
2
2
2
Для иллюстрации работоспособности заявляемого устройства создана его электродинамическая модель (фиг. 7). Модель полностью соответствует приведенному описанию заявляемого устройства, за исключением отсутствия в модели крепежных элементов, которые не влияют на электрические характеристики устройства. Модель имеет следующие основные размеры: сечение «низкочастотного» прямоугольного волновода 13×6.5 мм, сечение «высокочастотного» прямоугольного волновода 5.2×2.6 мм, внутренний диаметр внешней трубки коаксиально-круглого волновода 10 мм, внешний диаметр внутренней трубки 6 мм, внутренний диаметр внутренней трубки 4.5 мм. Ступенчатый переход между «высокочастотным» прямоугольным волноводом сечением 5.2×2.6 мм и круглым волноводом диаметром 4.5 мм имел две ступени сечениями 8.8×3.6 мм и 4.5×4.5 мм и длинами 2.4 мм и 2.8 мм, соответственно.
7
TEM
На фиг. 8-11 показаны результаты расчета S-параметров электродинамической модели заявляемого устройства. Расчет проведен методом конечных элементов с учетом тепловых потерь в металле (алюминий, проводимость 3.56×10 См/м). Из зависимости на фиг. 8 видно, что коэффициент отражения S11 от входа «низкочастотного» прямоугольного волновода ниже минус 20 дБ в полосе частот от 19 до 20 ГГц (относительная ширина полосы частот 5.1%). Зависимость на фиг. 9 показывает, что коэффициент отражения S22 от входа «высокочастотного» прямоугольного волновода ниже минус 23 дБ в полосе частот от 42 до 46 ГГц (относительная ширина полосы частот 9.1%). Анализ зависимостей, отображенных на фиг. 10 показывает, что коэффициент передачи S31 от «низкочастотного» прямоугольного волновода к коаксиальной части коаксиально-круглого волновода для вертикально поляризованной волны  близок к 0 дБ, а для горизонтально поляризованной волны  и волны  коэффициент передачи ниже минус 36 дБ, то есть практически вся энергия волны «низкочастотного» прямоугольного волновода преобразуется заявляемым устройством в энергию волны  коаксиального волновода, а другие волны коаксиального волновода практически не возбуждаются. Из зависимостей, показанных на фиг. 11, следует, что коэффициент передачи S32 от «высокочастотного» прямоугольного волновода к круглой части коаксиально-круглого волновода для горизонтально поляризованной волны  близок к 0 дБ, а для вертикально поляризованной волны  коэффициент передачи ниже минус 50 дБ, то есть практически вся энергия волны «высокочастотного» прямоугольного волновода преобразуется заявляемым устройством в энергию волны  круглого волновода, а другие волны круглого волновода практически не возбуждаются. В результате при работе устройства в режиме передачи в круглой и коаксиальной частях объединенного коаксиально-круглого волновода возбуждаются волны линейных поляризаций, взаимно ортогональных друг к другу. Согласно указанным параметрам электродинамической модели был изготовлен макет согласующего устройства, осуществляющего переход с двух разнодиапазонных прямоугольных волноводов на коаксиально-круглый волновод. Результаты измерений S-параметров устройства подтвердили корректность теоретических расчетов и достижение технического результата: устройство является простым в изготовлении и сборке, а также обеспечивает возможность настройки степени согласования устройства с нагрузкой.