ОДИНАРНЫЙ 90-ГРАДУСНЫЙ УГОЛКОВЫЙ ИЗГИБ В Н-ПЛОСКОСТИ В СОСТАВЕ ПРЯМОУГОЛЬНОГО ВОЛНОВОДА
SINGLE 90-DEGREE ANGLE BENDING IN N-PLANE IN RECTANGULAR WAVEGUIDE STRUCTURE

Заявляется одинарный уголковый изгиб в Н-плоскости в составе прямоугольного волновода с углом изгиба 90°. Уголковый изгиб в составе волновода относится к СВЧ технике и может найти применение при создании волноводных трактов различной конфигурации, соединяющих СВЧ приборы, по-разному ориентированные в пространстве, для компактного поворота тракта в Н-плоскости на 90°.
Волноводные изгибы являются широко распространенными элементами волноводного тракта, главными требованиями к которым являются компактность, технологичность изготовления и обеспечение заданного согласования (заданных значений коэффициентов отражения и передачи) в заданной полосе рабочих частот. Известные пути удовлетворения каждого из этих требований противоречивы и зачастую не приводят в полном объеме к достижению наиболее простой конструкции волноводного тракта, способного работать с высокими электрическими характеристиками во всем диапазоне рабочих частот волновода.
Известен одинарный 90° уголковый изгиб прямоугольного волновода в Н-плоскости [Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. Справочник по элементам волноводной техники. - М.: «Советское радио», 1967; Семенов Н.А. Техническая электродинамика. - М.: «Связь», 1973]. Главный недостаток этого устройства - узкополосность, определяемая резким нарушением структуры поля в зоне поворота волноводного тракта.
Для уменьшения коэффициента отражения и увеличения широкополосности зону поворота волноводного тракта удлиняют, заменяя, например, одинарный 90° изгиб двойным изгибом (2×45°) [Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. Справочник по элементам волноводной техники. - М.: «Советское радио», 1967. - С. 182, рис. 4.22], либо плавным изгибом 1, [Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. Справочник по элементам волноводной техники. - М.: «Советское радио», 1967. - С. 182, рис. 4.25]. Такие конструктивные решения позволяют увеличить ширину рабочей полосы частот изгиба (при заданном допустимом уровне КСВн), однако при этом усложняется технология изготовления изгиба, и существенно возрастают габариты тракта, что наиболее ощутимо в диапазонах сантиметровых и дециметровых волн и не всегда допускается конструктивными и массо-габаритными требованиями к тракту.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому устройству является одинарный 90° уголковый изгиб прямоугольного волновода в Н-плоскости, содержащий два одинаковых взаимно ортогональных отрезка регулярного металлического прямоугольного волновода, первая пара узких стенок которых образует внутреннее ребро, перпендикулярное широким стенкам, а вторая пара узких стенок соединена перемычкой, расположенной под углом 135° к этим стенкам, отличающийся тем, что между широкими стенками изгиба перпендикулярно им вставлен цилиндрический металлический стержень, ось которого находится в плоскости симметрии изгиба, проходящей через внутреннее ребро и середину перемычки, при этом расстояние от внутреннего ребра до середины перемычки составляет (0,9-1,1)×А, где А - ширина широкой стенки волновода, расстояние от середины перемычки до ближайшей к ней точки поверхности цилиндрического металлического стержня - (13/16…15/16)×А, а диаметр цилиндрического металлического стержня -(1/32…2/32)×А (Патент RU 16044 U1).
Основным недостатком описанной полезной модели является относительная технологическая сложность реализации конструкции и невозможность функционирования в полной рабочей полосе частот волновода.
Перед авторами стояла задача создания уголкового изгиба волноводного тракта, лишенного перечисленных недостатков.
Эта задача решается тем, что в прямоугольном волноводе, заполненном диэлектриком или без заполнения, с одинарным 90° уголковым изгибом в Н-плоскости, содержащим два одинаковых взаимно ортогональных отрезка регулярного металлического прямоугольного волновода, одна из пар узких стенок которого образует внутреннее ребро, а вторая пара - наружное ребро, отличающимся тем, что между широкими стенками изгиба перпендикулярно им вставлены два цилиндрических металлических стержня, оси которых находятся на определенных расстояниях от обоих узких стенок, при этом расстояние от наружных узких стенок до каждой из осей стержней составляет соответственно Y=0,546×A и Х=0,172×А, где А - ширина широкой стенки волновода. Диаметр стержней D составляет D=0,126×A.
Технический результат заявленного уголкового изгиба в составе прямоугольного волновода, заполненного диэлектриком или без заполнения, состоит в обеспечении его работы в полном рабочем диапазоне частот используемого волновода при уровне обратных потерь не более - 30Дб, что соответствует КСВн <1,06, с предельно простой конструкцией.
Указанный технический результат достигается благодаря установке в зоне поворота волноводного тракта двух цилиндрических металлических стержней, которые выступают в роли согласующих элементов. В конструкции прототипа положение полосы согласования изгиба в пределах диапазона рабочих частот определяется положением перемычки (перестройка полосы согласования в пределах диапазона рабочих частот осуществляется изменением расстояния R1 от внутреннего ребра изгиба до середины перемычки в пределах (0,9-1,1)×А, при этом подстройка уровня КСВн осуществляется изменением расстояния R2 от середины перемычки до ближайшей к ней точки поверхности металлического стержня в пределах (13/16-f 15/16)×А в зависимости от положения полосы рабочих частот внутри диапазона рабочих частот волновода, ее ширины и заданного предельно допустимого уровня КСВн). Подбор оптимальных значений R1 и R2 при заданной полосе рабочих частот внутри диапазона рабочих частот волновода осуществляется расчетным либо экспериментальным путем.
Заявленный уголковый изгиб в составе прямоугольного волновода иллюстрирует Фиг. 1, на которой показано сечение предлагаемого устройства плоскостью, параллельной широким стенкам отрезков волновода.
Предлагаемый уголковый изгиб (Фиг. 1) содержит: одинаковые взаимно ортогональные отрезки 1 и 2 регулярного прямоугольного металлического волновода и цилиндрические металлические стержни 3, перпендикулярные широким стенкам. Первая пара узких стенок 4 и 4 соответственно отрезков 1 и 2 волновода образует внутреннее ребро 5, перпендикулярное широким стенкам отрезков волновода. Вторая пара узких стенок 6 и 6 отрезков волновода образует наружное ребро 7. Отрезки 1 и 2 волновода имеют общие непрерывные изогнутые широкие стенки А с поворотом на 90°.
Цилиндрические металлические стержни 3 при отсутствии перемычки принципиально предельно упрощают конструкцию и технологию изготовления изгиба (по сравнению с прототипом) и могут быть закреплены между широкими стенками посредством сварки, пайки, резьбового соединения и др.
Введение двух цилиндрических металлических стержней 3 не уменьшает электрической прочности устройства (по сравнению с прототипом).
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Электромагнитная волна, поступающая на вход отрезка 1 или 2 прямоугольного волновода, проходит до уголкового изгиба с углом изгиба 90°. Уголковый изгиб является неоднородностью и вызывает частичное отражение электромагнитной волны. Установленные в месте изгиба волновода два цилиндрических металлических стержня (индуктивных штыря) также являются неоднородностями, от каждого из которых также частично отражается электромагнитная волна. При соблюдении описанных размерных параметров конструкции уголкового изгиба, диаметров и расположения металлических стержней возникает эффект взаимопогашения всех отражений от всех неоднородностей при суперпозиции всех волн в зоне уголкового изгиба, что позволяет обеспечить работу одинарного 90° уголкового изгиба в Н-плоскости в составе прямоугольного волновода, заполненного диэлектриком или без заполнения, в полном рабочем диапазоне частот используемого волновода при уровне обратных потерь не более -30Дб, что соответствует КСВн <1,06.
Таким образом, устройство обеспечивает конструктивный поворот волноводного тракта, заполненного диэлектриком или без заполнения, с внесением двух согласующихся неоднородностей в волноводный тракт, обеспечивающих низкий уровень отражения СВЧ сигнала от уголкового изгиба во всей рабочей полосе частот.
Устройство полностью взаимно. Его характеристики передачи не зависят от направления распространения волны.
Предлагаемое устройство, как и устройство-прототип, может быть изготовлено несколькими известными способами, например, методом литья, методом фрезерования, методом сварки и другими.
Так же, как и для прототипа, при конструировании волноводных трактов достаточно обеспечить длину отрезков 1 и 2 регулярного волновода не менее 1/5А. При выборе этих отрезков любой большей длины существенных изменений частотной характеристики КСВн изгиба не будет.
Из описания видно, что заявляемое изобретение может быть реализовано промышленным способом.
Литература:
1. Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. Справочник по элементам волноводной техники. - М: «Советское радио», 1967.
2. Семенов Н.А. Техническая электродинамика. - М: «Связь», 1973 г.