Компактная 90-градусная волноводная скрутка
COMPACT 90 DEGREE WAVEGUIDE TWIST

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к волноводным преобразователям плоскости поляризации, и может быть использовано при разработке антенных и фидерных СВЧ-устройств.
Известна конструкция волноводной ступенчатой скрутки, содержащей  входной и выходной отрезки прямоугольного волновода, расположенные соосно и повернутые один относительно другого, между которыми размещена секция одномодового прямоугольного волновода, повернутая относительно входного и выходного волноводов [Авторское свидетельство №1337938, МПК Н01Р1/02]. В такой конструкции расширение рабочей полосы реализуется за счет увеличения поперечного сечения входного и выходного отрезков прямоугольного волновода. Недостатком этой конструкции являются значительные массогабаритные параметры, также следует отметить, что поиск оптимального значения угла поворота секции одномодового прямоугольного волновода довольно сложен.
Известна конструкция волноводной скрутки, содержащей два соосных отрезка волновода круглого поперечного сечения, установленных с возможностью поворота один относительно другого, гибкую металлическую пластину, расположенную по оси волноводов и выполненную в виде гребенки [Авторское свидетельство №556521, МПК Н01Р1/06]. Данное волноводное соединительное устройство уменьшает уровень отраженной мощности благодаря тому, что гибкая металлическая пластина выполнена в виде гребенки. Недостатком описанной конструкции является их значительная длина и сложность в изготовлении.
Известна конструкция волноводной скрутки, содержащей первый и второй волноводные элементы, имеющие разные плоскости поляризации, соединительный элемент, волноводный канал. Волноводные элементы выполнены Г-образными с радиусом скругления менее В/2, где В – размер узкой стенки волновода [Полезная модель №163509, МПК Н01Р1/02]. Представляемая волноводная скрутка малогабаритна, технологична и проста в производстве. Недостатком описанной конструкции волноводной скрутки является сравнительно узкая полоса рабочих частот.
в
в
Наиболее близким техническим решением (прототипом) к предлагаемому изобретению является компактная 90-градусная скрутка в прямоугольном волноводе [Патент № 2626726, H01Р 1/02, 1/165]. Это устройство представляет собой два соосных ортогональных прямоугольных волновода, между которыми размещается преобразователь поляризации. Преобразователь поляризации имеет крестообразное окно связи. Относительная ширина полосы рабочих частот по уровню коэффициента отражения -30 дБ составляет 51,4%, а электрическая длина преобразователя поляризации 0,165·л, где л – длина волны в прямоугольных волноводах. Недостатком такого технического решения является увеличенные размеры окна связи относительно размеров соответствующих сторон волноводов. Преобразование поляризации осуществляется на двух ребрах, лежащих на одной из диагоналей квадратной области пересечения перпендикулярных окон, причем длина и толщина ребер определяется из условий согласования и рабочего диапазона, что ограничивает уровень передаваемой электромагнитной волной мощности из-за теплового режима и продвижение вверх по частоте из-за технологических сложностей изготовления ребер.
Предложенное техническое решение направлено на устранение указанных недостатков. Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение относительной полосы рабочих частот, улучшение массогабаритных параметров, повышение технологичности изготовления.
L
а
e
в
в
е
Технический результат достигается тем, что компактная 90-градусная скрутка в прямоугольном волноводе, состоящая из входного волновода с горизонтальной поляризацией, выходного волновода с вертикальной поляризацией и размещаемого между ними преобразователя поляризации, представляющего собой комбинацию двух перпендикулярных прямоугольных окон, стороны которых параллельны стенкам входного волновода с горизонтальной поляризацией и выходного волновода с вертикальной поляризацией, волноводы интегрированы в диэлектрическую подложку и расположены несоосно, электрическая длина прямоугольного окна определяется соотношением ≤0,4л, где л – длина волны в волноводе, вычисленная для центральной частоты рабочего диапазона, на электрической длине волноводы выполнены с радиусом скругления , где  – эффективная ширина волновода.
Сущность технического решения состоит в следующем. Волноводы, интегрированные в диэлектрическую подложку, имеют ряд преимуществ перед классическими волноводами: ширину в  раз меньше, толщину равную толщине диэлектрической подложки печатной платы (поскольку изготавливаются по технологии печатных плат), малый вес. Уровень передаваемой мощности электромагнитной волны определяется свойствами материала диэлектрической подложки.
Несоосное расположение волноводов, интегрированных в диэлектрическую подложку, позволяет уменьшить не только габаритные размеры за счет уменьшения ширины волноводов и длины преобразователя поляризации, но и получить значительное расширение полосы частот при используемой толщине печатной платы за счет расположения преобразователя поляризации в области минимального электрического поля.
L
e
в
Электрическая длина прямоугольного окна определяется соотношением ≤0,4л, при дальнейшем увеличении длины ухудшается коэффициент передачи в рабочей полосе частот из-за появления высших типов колебаний в диэлектрической подложке.
Г-образная часть интегрированного волновода с радиусом скругления   позволяет плавно поворачивать плоскость поляризации и получить оптимальные по критериям ширину рабочей полосы частот и минимальный коэффициент отражения.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1, 2 представлен общий вид предлагаемой конструкции компактной 90-градусной волноводной скрутки, где:
- входной волновод с горизонтальной поляризацией 1,
- выходной волновод с вертикальной поляризацией 2,
- диэлектрическая подложка 3,
- преобразователь поляризации 4,
- прямоугольное окно 5.
2,1
На фиг.3 представлен график зависимости коэффициента прохождения S от относительной ширины полосы рабочих частот для предлагаемой компактной 90-градусной волноводной скрутки.
Предлагаемая компактная 90-градусная скрутка работает следующим образом. Электромагнитная волна поступает на вход входного волновода с горизонтальной поляризацией 1, интегрированного в диэлектрическую подложку 3, подается через него на преобразователь поляризации 4. Далее, проходя через преобразователь поляризации 4 Г-образной формы, силовые линии напряженности электрического поля плавно поворачивают волну в прямоугольные окна 5 и ориентируют ее в волну с вертикальной плоскостью поляризации, которая выходит из выходного волновода 2.
Пример 1.
L
e
в
Компактная 90-градусная скрутка, работающая в полосе рабочих частот 14-24 ГГц, состоит из интегрированных в диэлектрическую подожку 3 из материала Rogers 4003C c ε=3.55 входного волновода с горизонтальной поляризацией 1 с размерами 5.7×0.782 мм, выходного волновода с вертикальной поляризацией 2 с размерами 5.7×0.782 мм, смещенного относительно оси входного волновода 1 на 25%, и Г-образного преобразователя поляризации 4 с радиусом скругления 2.15 мм. Преобразователь поляризации 4 представляет собой комбинацию двух перпендикулярных прямоугольных окон 5, стороны которых параллельны стенкам входного волновода 1 и выходного волновода 2 и равны электрической длине =0.33л.
12
Зависимость коэффициента передачи S в относительной полосе частот по уровню КСВ=1.5 представлена на графике фиг.2.
2
2
Предлагаемая конструкция компактной 90-градусной скрутки при разработке антенной техники позволяет использовать волноводы с площадью сечения около 4.5 мм в диапазоне частот 14-24 ГГц в отличие от классических волноводных скруток с площадью стандартного сечения волноводов 84.5 мм в диапазоне 14-21ГГц.
Таким образом, достигается поворот плоскости поляризации волны в прямоугольном волноводе на 90 градусов в более широкой полосе рабочих частот (увеличение ширины рабочей полосы частот на более 30% относительно классических волноводных скруток) при небольших габаритных размерах (почти в 18 раз меньше, чем классический волновод) и технологичности изготовления (по отработанной технологии изготовления печатных плат), что подтверждает достижение заявленного технического результата.