Гибкий волновод для связи металлических волноводов стандартного и сверхразмерного сечений
FLEXIBLE WAVEGUIDE FOR COUPLING METAL WAVEGUIDES OF STANDARD AND SUPER-DIMENSIONAL CROSS SECTIONS

Изобретение относится к технике микроволнового диапазона и может быть использовано в диагностической аппаратуре, в частности, в радиоинтерферометрах для измерения параметров быстропротекающих процессов движения различных материальных объектов, ударно-волновых и детонационных фронтов, параметров плазмы.
Расположение объекта исследования в труднодоступных местах или обеспечение безопасности и сохранения приемопередатчика (ПП) радиоинтерферометра при диагностике быстропротекающих ударных процессов требуют пространственного разнесения ПП и объекта исследования на единицы-десятки метров и их связи гибким волноведущим зондирующим трактом.
С этой целью в миллиметровом (мм) диапазоне длин волн широко используются диэлектрические волноводы (ДВ) [1].
10
В приемо-передающей и контрольно-измерительной аппаратуре мм диапазона волн волноводные выходы выполнены на полых металлических волноводах прямоугольного сечения. Применяются волноводы с сечениями, которые приняты стандартными, т.е. обеспечивающими распространение только основной волны Н с минимальными потерями для заданного диапазона длин волн (одномодовый режим работы) [2].
Для связи ДВ с металлическими волноводами (MB) применяются волноводные переходы от металлического волновода стандартного сечения к ДВ [3, 4, 5]. Однако уровень погонных потерь в ДВ от 2 до 6 дБ/м в диапазоне длин волн от 3 до 2 мм при энергетических параметрах современных ПП не обеспечивает возможность применения волноведущего зондирующего тракта на ДВ длиной более единиц метров.
Вместе с тем, диагностика целого ряда ударных быстропротекающих процессов в целях безопасности требует разнесения ПП радиоинтерферометра от объекта диагностики на десятки метров.
2
Известно, что значительного снижения погонных потерь можно достигнуть применением металлических волноводов сверхразмерных сечений. Так, применение прямоугольных металлических волноводов сверхразмерного сечения 7,2 × 3,4 мм для диапазона длин волн 3...2 мм обеспечивает в указанном диапазоне погонные потери 0,4…0,8 дБ/м [2]. В этом случае можно обеспечить длину волноведущего зондирующего тракта в десятки метров на MB сверхразмерного сечения с гибкими диэлектрическими волноводами на конечных участках тракта для связи с аппаратурой на прямоугольном MB стандартного сечения с одной стороны и для связи с протяженным MB сверхразмерного сечения с другой стороны.
10
Наиболее близким к предложенному решению является известный волноводный переход от металлического волновода к диэлектрическому, принятый за прототип [5], который обеспечивает переход диэлектрического волновода к MB со стандартным сечением волноводного канала для одномодового режима работы. Для перехода на MB сверхразмерного сечения необходимо дополнительно использовать переход металлического волновода со стандартного сечения на сверхразмерное сечение. Однако в силу многомодового режима MB сверхразмерных сечений для обеспечения возбуждения только основной моды Н такие переходы должны иметь длину от 20 до 100 длин волн [6, 7]. Это усложняет конструкцию гибкого волновода для связи MB стандартного и сверхразмерного сечений, что приводит к дополнительным потерям и рассогласованию в местах фланцевого соединения волноводного перехода MB к ДВ и волноводного перехода с одного сечения прямоугольного MB на другое, значительному увеличению габаритов волноводного перехода от MB сверхразмерного сечения к ДВ.
Техническим результатом предложенного изобретения является улучшение согласования волновых характеристик, уменьшение потерь и упрощение конструкции гибкого волновода для связи металлических волноводов стандартного и сверхразмерного сечений.
Указанный технический результат достигается тем, что в гибком волноводе для связи металлических волноводов стандартного и сверхразмерного сечений, содержащем диэлектрический волновод и волноводные переходы от диэлектрического волновода к металлическому волноводу стандартного сечения с одной стороны и к металлическому волноводу сверхразмерного сечения с другой стороны, включающие отрезок металлического волновода с плавно меняющимся сечением волноводного канала от прямоугольного сечения металлических волноводов на выходах гибкого волновода к крестообразному сечению в центральной части волноводного перехода, переходящему в рупорное расширение для связи с диэлектрическим волноводом, причем сечение диэлектрического волновода равно сечению вертикальной части крестообразного сечения волноводного канала отрезка металлического волновода, в одном из волноводных переходов сечение волноводного канала от крестообразного плавно расширяется до прямоугольного сверхразмерного сечения металлического волновода, площадь сечения которого на выходе волноводного перехода определена соотношением:  где λ - рабочая длина волны, при этом длина расширяющегося участка волноводного канала не менее 6λ, и отрезок диэлектрического волновода на этом участке выполнен клинообразным.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими чертежами: на фиг. 1 представлен эскиз конструкции гибкого волновода, на фиг. 2. представлено сечение А-А, на фиг. 3 представлено сечение Б-Б, на фиг. 4 представлено сечение В-В, на фиг. 5 представлено сечение Г-Г и на фиг. 6 - сечение Д-Д.
Гибкий волновод для связи металлических волноводов стандартного и сверхразмерного сечений, представленный на фиг. 1, состоит из диэлектрического волновода 1 и волноводных переходов 2 и 3 к металлическим волноводам сверхразмерного и стандартного сечений соответственно.
Волноводный переход 2 в сечении А-А имеет фланец 4 для стыковки с металлическим волноводом сверхразмерного сечения, волноводный переход 3 в сечении Б-Б имеет фланец 5 для стыковки с металлическим волноводом стандартного сечения.
В корпусе волноводного перехода 2 реализован волноводный канал переменного сечения. В центральной части волноводного перехода 2 в сечении В-В волноводный канал имеет крестообразное сечение с вертикальной частью сечения, равной сечению диэлектрического волновода 1. На участке волноводного перехода от сечения В-В до сечения А-А длиной 6λ волноводный канал 6 плавно расширяется от крестообразного сечения до сверхразмерного сечения прямоугольного металлического волновода, площадь сечения S которого выбирается из соотношения  а диэлектрический волновод выполнен клинообразным от сечения В-В до сечения А-А.
На участке волноводного перехода 2, от сечения В-В до сечения Д-Д, волноводный канал выполнен с плавным рупорным расширением 7.
Конструкция волноводного перехода 3 отличается от конструкции перехода 2 изменением сечения волноводного канала от крестообразного сечения в центре перехода до прямоугольного стандартного сечения волноводного канала в сечении Б-Б, 8 - рупорное расширение волноводного канала перехода 3.
Гибкий волновод для связи металлических волноводов стандартного и сверхразмерного сечений работает следующим образом.
Гибкий волновод фланцем 5 волноводного перехода 3 стыкуется с выходным металлическим волноводом стандартного сечения приемо-передающей аппаратуры.
10
10
Основная волна Н металлического волновода прямоугольного сечения по мере распространения по волноводному каналу волноводного перехода 3 переходит в волну крестообразного волновода, близкую по структуре волне Н прямоугольного металлического волновода, при этом электрическое поле волны концентрируется в основном в отрезке ДВ 1, заполняющем вертикальную часть крестообразного волноводного канала [5].
11
Волна на крестообразном волноводном участке в волноводном переходе 3 благодаря концентрации в вертикальном сечении (в сечении ДВ) эффективно переходит в основную волну НЕ ДВ по мере распространения в рупорном расширении 8 волноводного перехода 3.
11
11
10
Аналогичным образом, при распространении волны НЕ по ДВ 1 происходит обратное преобразование волны НЕ в Н на крестообразном участке волноводного перехода 2.
На плавно расширяющемся участке волноводного канала перехода 2 от сечения В-В до сечения А-А по мере расширения сечения возможно преобразование основной моды волновода в высшие моды, число которых пропорционально площади сечения S волновода и определяется по формуле  Однако, выбирая сверхразмерное сечение волновода на выходе из фланца 4 (сечение А-А) из соотношения , можно обеспечить минимальное преобразование основной моды волновода в высшие типы мод на длине расширяющегося участка волноводного канала от сечения В-В до сечения А-А, равной 6λ, при выполнении диэлектрического волновода на всей длине этого участка клинообразным.
При такой конструкции волноводного перехода в сечении А-А обеспечивается минимальное преобразование основной моды волновода в высшие типы мод благодаря концентрации электромагнитного поля основной моды внутри клинообразного участка ДВ.
2
2
2
Был реализован макет гибкого волновода для связи металлических волноводов стандартного сечения 2,4 × 1,2 мм и сверхразмерного сечения 7,2 × 3,4 мм для длины волны, равной 3 мм, диэлектрический волновод был выполнен из фторопласта сечением 2,3 × 1,0 мм. Экспериментальная проверка макета в диапазоне 90-100 ГГц показала, что общие потери в гибком волноводе при длине диэлектрического волновода 0,5 м не превышают 1,1 дБ, при этом потери в каждом из волноводных переходов не превышают 0,3 дБ.
Литература
1. Взятышев В.Ф. Диэлектрические волноводы. Изд-во «Сов. радио», М., 1970, с. 212
2. Техника субмиллиметровых волн. Под ред. Валитова Р.А. Изд-во «Сов. радио», М., 1969, с. 250-256.
3. Орехов Ю.И., Марков А.В., Корнев Н.С. и др. Микроволновый одноканальный радиоинтерферометр с волноведущим зондирующим трактом. Патент РФ №2569581, Н01Р 5/00. Опубл. 27.11.2015. Бюл. №33.
4. Взятышев В.Ф., Рожков Г.Д., Рябов Б.И. Переход от металлического волновода к диэлектрическому. Авт. св-во СССР 333642, Н01Р 5/08. Опубл. 21.03.1972. Бюл. №11.
5. Взятышев В.Ф., Орехов Ю.И., Панкратов А.Г. и др. Волноводный переход от металлического волновода к диэлектрическому. Патент РФ №2557472, Н01Р 5/08. Опубл. 20.07.2015, Бюл. №20.
6. Вершинина Л.Н., Мериакри В.В. Субмиллиметровый волноводный тракт. Радиотехника и электроника, №12, 1967, с. 1815-1817.
7. Терещенков А.И., Должиков В.В. О выборе оптимальной формы многоволнового прямоугольного волноводного перехода. Изв. вузов. Радиотехника т. VIII, №1, 1965, с. 48-54.