Коаксиально-волноводный переход

Полезная модель относится к электронной технике, а именно к сверхвысоких частот (СВЧ) технике, и предназначена в качестве согласованного перехода между прямоугольным волноводом, заполненным диэлектриком, и коаксиальной линией.
Известен «Коаксиально-волноводный переход» (RU 139087 U1, МПК Н01Р 3/06, опубликованный 10.04.2014 г.), содержащий волновод прямоугольного сечения, в корпусе которого имеется сквозное отверстие, закрытое с одной стороны впаянной или вклеенной металлической пластиной, и возбуждающий элемент, выполненный в виде стержня коаксиального соединителя. Волновод имеет резьбовые отверстия на широкой стенке для настроечных винтов с обеих сторон от коаксиального соединителя.
Недостатком конструкции перехода, имеющего воздушный волновод, является необходимость дополнительной настройки с помощью регулировочных винтов.
Известен «Коаксиально-волноводный переход» (RU 189258 U1, СПК Н01Р 5/103, опубликованный 17.05.2019 Бюл. №14).
Коаксиально-волноводный переход содержит отрезок волновода с закороченной торцевой стенкой, возбуждающий элемент в виде металлического стержня и окружающей его диэлектрической втулки, выполненной, например, из фторопласта. Цилиндрический корпус отрезка волновода имеет наружную резьбу, ступенчатое отверстие переменного диаметра, коаксиальный соединитель, металлический штырь, в паз в которого вставлен возбуждающий элемент, гайку с кольцевой проточкой для установки в нее уплотнительного кольца 11, выполненного, например, из резины, накидную гайку, фиксирующая положение штыря.
Предлагаемая конструкция коаксиально-волноводного перехода позволяет решить задачу его герметизации с обеспечением механической прочности для работы в волноводных трактах повышенной мощности с принудительным наддувом воздухом и при значительных вибрационных нагрузках. Однако предложенная конструкция применима для волновода, лишь частично заполненного твердым диэлектриком, выполненным в виде втулки, внутри которой расположен металлический стержень. Конструкция не позволяет расширить рабочий диапазон частот.
Известен «Коаксиально-волноводный переход» (RU 2517678 С1, МПК Н01Р 5/00, опубликованный 27.05.2014 г. Бюл. №15). Коаксиально-волноводный переход содержит отрезок регулярного волновода, закороченного торцевой стенкой и расположенный перпендикулярно ей отрезок коаксиальной линии. Согласующий элемент выполнен в виде нескольких конструктивно объединенных прямоугольных параллелепипедов. В стенке согласующего элемента выполнено отверстие связи, в котором соосно установлен элемент связи, объединяющий согласующий элемент с центральным проводником отрезка коаксиальной линии. В отверстии связи установлена диэлектрическая втулка, которая обеспечивает увеличение электрической и механической прочности коаксиально-волноводного перехода.
Коаксиально-волноводный переход с соосным расположением волновода и коаксиальной линии применим для волновода лишь с частичным заполнением твердым диэлектриком.
Известен «Миниатюрный коаксиально-волноводный переход» (RU 2464676 С1, МПК Н01Р 5/00, опубликованный 20.10.2020).
Центральный проводник коаксиальной линии, которая входит в состав перехода, содержит один трансформирующий отрезок, диаметр которого больше, чем диаметр остальной части центрального проводника. В конструкции волноводной части имеется выступ на широкой стенке, который расположен напротив возбуждающего элемента. Также имеется диэлектрический выступ, который вставлен в выборку металлической цилиндрической втулки и упирается в металлический выступ.
Недостатком этого коаксиально-волноводного перехода является высокая техническая сложность его изготовления.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является коаксиально-волноводный переход (RU 2690197 С1, МПК Н01Р 5/103, опубликованный 31.05.2019. Бюл. №16).
в
в
Коаксиально-волноводный переход содержит отрезок прямоугольного волновода, закороченный неподвижной торцевой стенкой, и коаксиальный разъем, выполненный в виде отрезка коаксиальной линии, подключенный через широкую стенку отрезка прямоугольного волновода, с помощью элемента связи, являющегося продолжением центрального проводника, при этом центральный проводник разъема коаксиального выполнен с переменным диаметром, увеличенным в центральной части, и зафиксирован между двумя симметрично расположенными относительно друг друга диэлектрическими втулками переменного диаметра, которые, в свою очередь, стянуты корпусом разъема коаксиального. Диаметры центрального проводника и диэлектрических втулок подобраны таким образом, чтобы значение волнового сопротивления было неизменно по всей длине коаксиальной линии. Кроме того, перед элементом связи, с не закороченной стороны отрезка прямоугольного волновода, введены по крайней мере два проводящих элемента точной настройки с возможностью перемещения параллельно узкой стенке прямоугольного волновода, смещенные относительно друг друга в направлении продольной оси прямоугольного волновода, при этом каждый элемент точной настройки размещен на расстоянии D от плоскости продольного сечения волноводного канала, где D≤λ/4, λ - длина волны в волноводе. Также в центральной части неподвижной торцевой закорачивающей стенки расположен проводящий элемент с возможностью перемещения параллельно оси прямоугольного волновода, диаметр которого подобран таким образом, чтобы обеспечить грубую настройку согласования входа и выхода устройства в пределах рабочей полосы частот.
Недостатком этого коаксиально-волноводного перехода является принципиальная невозможность или высокая техническая сложность заполнения таких переходов диэлектриком и, как следствие, невозможность обеспечения технологичного и простого способа возбуждения электромагнитного поля в волноводе в широкой полосе частот, а также осуществление подстройки волновода.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в снижении уровня КСВН перехода в диапазоне частот 7,6-11 ГГц и в упрощении технологии его сборки и настройки.
Технический результат достигается тем, что коаксиально-волноводный переход содержит отрезок прямоугольного волновода, закороченный неподвижной торцевой стенкой, с отверстием в широкой стенке корпуса перехода, в котором размещен соединитель коаксиальный радиочастотный, центральный проводник которого является возбуждающим элементом перехода. Корпус отрезка волновода заполнен твердым диэлектриком, центральный проводник соединителя имеет диаметр d, равный 0,05λ, и выполнен с возможностью перемещения на 0,75 своей длины в канале твердого диэлектрика диаметром 1,1d, в соединителе выполнена коаксиальная секция трансформации входного волнового сопротивления диаметром 2,3d, а в отверстии корпуса перехода выполнена волноводная секция трансформации входного волноводного сопротивления, причем суммарная длина секций равна 0,1λ, где λ - длина волны в диэлектрике при наименьшей частоте рабочего диапазона.
В коаксиально-волноводном переходе в качестве твердого диэлектрика может быть использован фторопласт.
Отрезок прямоугольного волновода заполнен твердым диэлектриком, что позволяет при приемлемых размерах коаксиально-волноводного перехода расширить диапазон рабочих частот в область низких частот. Изменение глубины погружения центрального проводника в канал диэлектрика позволяет не только осуществить подстройку полосы частот, но и обеспечивает возможность расширить ее, за счет изменения трансформации входного сопротивления.
Предлагаемая конструкция коаксиально-волноводный переход поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена конструкция предлагаемого коаксиально волноводного перехода, где:
корпус волновода - 1,
твердый диэлектрик - 2,
центральный проводник - 3,
канал в диэлектрике - 4,
радиочастотный соединитель - 5,
волноводная секция трансформации - 6,
коаксиальная секция - 7.
На фиг. 2 представлен график частотной зависимости КСВН предлагаемого коаксиально-волноводного перехода.
Пример
λ - длина волны в диэлектрике на частоте 7,6 ГГц равна 27,7 мм.
Металлический корпус 1 отрезка прямоугольного волновода с закороченной торцевой стенкой и с резьбовым отверстием М6×0,75 в широкой стенке заполнен твердым диэлектриком 2 (фторопластом Ф4).
В резьбовое отверстие вкручивается радиочастотный соединитель 5. Центральный проводник 3 диаметром d=1,4 мм радиочастотного соединителя 5 является возбуждающим элементом коаксиально-волноводного перехода. Проводник 3 длиной 10,2 мм погружен в канал 4 диаметром 1,54 мм диэлектрика 2 и может перемещаться на 7,65 мм. В широкой стенке корпуса перехода 1 выполнена волноводная секция трансформации входного волноводного сопротивления 6, а в радиочастотном соединителе 5 предусмотрена коаксиальная секция трансформации входного сопротивления 7 диаметром 3,2 мм (2,3d, где d - диаметр центрального проводника, 1,4 мм). Суммарная длина секций 6 и 7 равна 27,7 мм
Расчет оптимальных параметров предлагаемого коаксиально-волноводного перехода был выполнен в программе расчета СВЧ-параметров 3D-топологий HFSS13. Для диапазона частот 6,7-11 ГГц суммарная расчетная длина волноводной и коаксиальной трансформаторных секций равна 2,75+0,025 мм. Экспериментально измеренная частотная зависимость КСВН коаксиально-волноводного перехода представлена на фиг. 2.
Предлагаемый коаксиально-волноводный переход работает следующим образом.
Радиочастотный соединитель 7 плавно вкручивают в резьбовое отверстие 5 М6×0,75, выполненное в широкой стенке корпуса 1 прямоугольного волновода. Измеряют КСВН на векторном анализаторе и определяют оптимальное положение соединителя 7. После этого соединитель 7 герметизируют в корпусе 1 волновода склеиванием. В дальнейшем соединитель 7 сочленяют с ответным резьбовым соединителем вилка кабельной сборки, через которую сигнал подается в приемное устройство. Величина КСВН коаксиально-волноводного перехода предложенной конструкции в диапазоне частот 7,6-11 ГГц не превышает величины 1,7.
Коаксиально-волноводный переход может быть использован в герметизированных усилительных, генераторных, приемопередающих модулях сверхвысоких частот, в том числе работающих в условиях повышенной радиации.