МОЩНЫЙ ШИРОКОПОЛОСНЫЙ КОАКСИАЛЬНО-ВОЛНОВОДНЫЙ ПЕРЕХОД
HIGH-POWER BROADBAND COAXIAL-WAVEGUIDE JUNCTION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области широкополосных волноводных линий передачи и широкополосных рупорных антенн, выполненных на основе двухгребневых (Н-образных) волноводов.
Техническим результатом изобретения является повышение широкополосности и согласования коаксиально-волноводного перехода (далее - КВП), упрощение его настройки, а также повышение надежности работы в широком диапазоне рабочих температур при воздействии вибраций и мощных входных сигналов.
Уровень техники
Из уровня техники известны: книга «Линии передачи сантиметровых волн». Перевод с английского под редакцией Г.А. Ремеза. Издательство «Сов. Радио», М., 1951 г., страницы 366-368 [1], в которой рассмотрены КВП; авторское свидетельство №675496 от 29.03.1979 г. «Соосный переход с волновода на линию с Т-волной», Н01Р 5/08 автор Сибиркин Е.В. [2]. На основе упомянутого авторского свидетельства в АО «КНИРТИ», с участием Автора изобретения, разработаны широкополосные коаксиально-волноводные переходы: ВК-1 и ВКОД-23 для приемной и мощной передающей антенн [3, 4].
Отметим, что коаксиально-волноводный переход узла ВК-1 по принципу действия аналогичен КВП узла ВКОД-23, при этом в состав последнего для контроля поступающей на него мощности (более 50 Вт) введены: ответвитель малой мощности с детектором и коаксиальным разъемом.
Отметим также, что для приемных антенн допускается коэффициент стоячей волны (далее - КСВ) до 3,5, а для передающих антенн допускается КСВ не более 2,0 (с учетом КСВ рупора и «КСВ» обтекателя).
Известен широкополосный коаксиально-волноводный переход - узел ВК-1 (по чертежу ИБСТ.434843.025, разработанному в АО «КНИРТИ») [3], содержащий: двухгребневую волноводную камеру; коаксиальный разъем, соединенный с воздушной коаксиальной линией передачи; фигурную проводящую пластину, соединенную узким концом с центральным проводником воздушной коаксиальной линии передачи, а широким концом, вместе с подложенной под нее тонкой Г-образной пластинкой, прикрепленную к нижнему гребню двумя винтами; три подстроечных «емкостных» винта с контргайками, ввинченных внутрь двухгребневой волноводной камеры через верхнюю широкую стенку и прилегающий к ней гребень. При этом упомянутая выше фигурная пластина от линии смежных форм до узкого края выполнена полуовальной формы, а от линии смежных форм до широкого края выполнена прямоугольной формы с двумя резьбовыми отверстиями и на отрезке полуовальной формы сформована выпуклой в сторону верхнего гребня.
Признаки рассматриваемого широкополосного коаксиально-волноводного перехода, которые совпадают с существенными признаками заявляемого изобретения: двухгребневая волноводная камера; коаксиальный разъем, соединенный с воздушной коаксиальной линией передачи; фигурная пластина, соединенная одним концом с центральным проводником воздушной коаксиальной линии передачи, а другим концом прикрепленная к нижнему гребню двумя винтами; три подстроечных «емкостных» винта с контргайками, ввинченные внутрь двухгребневой волноводной камеры через верхнюю широкую стенку и прилегающий к ней гребень.
К недостаткам этого устройства относятся: недостаточные широкополосность и согласование; сложность настройки; низкая надежность работы в широком диапазоне рабочих температур и вибраций.
Недостаточные широкополосность и согласование обусловлены формой, размерами и углом изгиба (при формовке) примененной фигурной пластины.
Сложность настройки обусловлена отсутствием элементов конструкции для корректировки угла изгиба и длины примененной фигурной пластины в процессе настройки без отключения от рабочего места и разборки настраиваемого КВП (для обеспечения доступа к его фигурной пластине).
Низкая надежность работы КВП ВК-1 в широком диапазоне рабочих температур и вибраций обусловлена отсутствием необходимых элементов конструкции для надежного закрепления (фиксирования) фигурной пластины, вместе с подложенной под нее тонкой Г-образной пластинкой, обеспечивающих при этом, надежное их гальваническое соединение. Кроме того, глубоко ввинченный (для лучшего согласования при настройке) третий (от раскрыва, т.е. фланца КВП) подстроечный «емкостной» винт приводит к малому зазору между его торцом и фигурной пластиной, а это приводит к короткому замыканию при тепловых удлинениях подстроечного «емкостного» винта и фигурной пластины. Поэтому, глубоко ввинчивать третий (от раскрыва, т.е. фланца КВП) «емкостной» винт недопустимо, а полученное при этом худшее согласование необходимо будет улучшать более совершенными формой, размерами и углами изгибов новой фигурной пластины.
Также известен мощный широкополосный коаксиально-волноводный переход - узел ВКОД-23 (по чертежу ИБСТ.434843.003, разработанному в АО «КНИРТИ») [4], содержащий: двухгребневую волноводную камеру; коаксиальный разъем, соединенный с воздушной коаксиальной линией передачи; фигурную пластину узким концом соединенную с центральным проводником воздушной коаксиальной линии передачи и широким концом вместе с подложенной под нее тонкой Г-образной пластинкой, прикрепленную к нижнему гребню двумя винтами; три подстроечных «емкостных» винта с контргайками, ввинченных внутрь двух гребневой волноводной камеры через верхнюю широкую стенку и прилегающий к ней гребень, при этом упомянутая фигурная пластина от линии смежных форм до узкого края выполнена полуовальной формы, а от линии смежных форм до широкого края выполнена прямоугольной формы с двумя резьбовыми отверстиями и на отрезке полуовальной формы сформована выпуклой в сторону верхнего гребня.
Признаки рассматриваемого мощного широкополосного коаксиально-волноводного перехода, которые совпадают с существенными признаками заявляемого изобретения: двухгребневая волноводная камера; коаксиальный разъем, соединенный с воздушной коаксиальной линией передачи; фигурная пластина, соединенная с центральным проводником воздушной коаксиальной линии передачи, а другим концом прикрепленная к нижнему гребню двумя винтами; три подстроечных «емкостных» винта с контргайками, ввинченные внутрь двухгребневой волноводной камеры через верхнюю широкую стенку и прилегающий к ней гребень.
К недостаткам этого устройства относятся: недостаточные широкополосность и согласование; сложность настройки; низкая надежность работы в широком диапазоне рабочих температур, вибраций и мощных входных ВЧ сигналов.
Недостаточные широкополосность и согласование обусловлены формой, размерами и углом изгиба (при формовке) примененной фигурной пластины.
Сложность настройки обусловлена отсутствием элементов конструкции для корректировки углов изгиба и длины фигурной пластины в процессе настройки без отключения от рабочего места и разборки настраиваемого КВП (для обеспечения доступа к его фигурной пластине).
Низкая надежность работы в широком диапазоне рабочих температур, вибраций и мощных входных ВЧ сигналов обусловлена отсутствием необходимых элементов конструкции для надежного закрепления (фиксирования) фигурной пластины вместе с подложенной под нее тонкой Г-образной пластинкой, обеспечивающих при этом надежное их гальваническое соединение и отсутствием возможности добиться требуемого согласования (КСВ) при неглубоком ввинчивании третьего (от раскрыва, т.е. фланца КВП) «емкостного» винта. Глубоко ввинченный (для лучшего согласования при настройке) третий (от раскрыва, т.е. фланца КВП) подстроенный «емкостной» винт приводит к малому зазору между его торцом и фигурной пластиной, а это приводит к электрическому пробою его мощным входным ВЧ сигналом или к короткому замыканию при тепловых удлинениях подстроенного «емкостного» винта и фигурной пластины. Поэтому, глубоко ввинчивать третий (от раскрыва, т.е. фланца КВП) «емкостной» винт категорически недопустимо, а полученное при этом худшее согласование (КСВ) необходимо будет улучшать более совершенными формой, размерами и углами изгибов новой фигурной пластины.
В качестве прототипа выбран мощный широкополосный коаксиально-волноводный переход, известный по разработанному в АО «КНИРТИ» чертежу ИБСТ.434843.003 [4]. Прототип содержит: двухгребневую волноводную камеру; коаксиальный разъем, соединенный с воздушной коаксиальной линией передачи; фигурную пластину узким концом соединенную с центральным проводником воздушной коаксиальной линии передачи и широким концом вместе с подложенной под нее тонкой Г-образной пластинкой прикрепленную к нижнему гребню двумя винтами; три подстроечных «емкостных» винта с контргайками, ввинченных внутрь двух гребневой волноводной камеры через верхнюю широкую стенку и прилегающий к ней гребень, при этом упомянутая фигурная пластина от линии смежных форм до узкого края выполнена полуовальной формы, а от линии смежных форм до широкого края выполнена прямоугольной формы с двумя резьбовыми отверстиями и на отрезке полуовальной формы сформована выпуклой в сторону верхнего гребня.
Признаки рассматриваемого коаксиально-волноводного перехода, которые совпадают с существенными признаками заявляемого изобретения: двухгребневая волноводная камера; коаксиальный разъем, соединенный с воздушной коаксиальной линией передачи; фигурная пластина соединенная одним концом с центральным проводником воздушной коаксиальной линии передачи, а другим концом прикрепленная к нижнему гребню двумя винтами; три подстроечных «емкостных» винта с контргайками, ввинченные внутрь двухгребневой волноводной камеры через верхнюю широкую стенку и прилегающий к ней гребень.
Для устранения недостатков прототипа, а именно: недостаточные широкополосность и согласование, сложность настройки, низкая надежность работы в широком диапазоне рабочих температур, вибраций и мощных входных ВЧ сигналов, был создан заявляемый мощный коаксиально-волноводный переход.
Задачей изобретения является создание мощного, более широкополосного, с лучшим согласованием, более легко настраиваемого и надежного в работе коаксиально-волноводного перехода к широкополосным волноводным линиям передачи и к широкополосным рупорным антеннам, выполненным на основе двухгребневых (Н-образных) волноводов.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в мощном широкополосном коаксиально-волноводном переходе содержатся: двухгребневая волноводная камера; коаксиальный разъем, соединенный с воздушной коаксиальной линией передачи; фигурная пластина, соединенная одним концом с центральным проводником воздушной коаксиальной линии передачи, а другим концом прикрепленная двумя винтами к нижнему гребню; три подстроечных «емкостных» винта с контргайками, ввинченные внутрь двухгребневой волноводной камеры через верхнюю широкую стенку и прилегающий к ней гребень, отличающийся тем, что фигурная пластина выполнена трапецеидальной формы с частично срезанными боковыми гранями и двумя удлиненными овальными отверстиями, сформована с тремя определенными углами изгибов и прикреплена узким концом через нижнее удлиненное овальное отверстие к упомянутому нижнему гребню и широким концом через верхнее удлиненное овальное отверстие к дополнительно ввинченному внутрь двух гребневой волноводной камеры опорному винту соответственно винтами с потайными головками, шайбами и гайками через дополнительно введенную проводящую трапецеидальную пластинку с зенкованными двумя отверстиями и дополнительно введенным винтом с плоской головкой, шайбой и гайкой через сквозное продольное отверстие в опорном винте с шестигранным фланцем, контргайкой и шайбой.
Раскрытие сущности изобретения
Технический результат в предлагаемом устройстве достигается за счет того, что изменены форма, размеры, углы изгибов (при формовке) и введено новое надежное крепление (фиксирование) фигурной пластины (узким концом к нижнему гребню, а широким концом - к опорному винту).
вх
При этом с помощью введенного нового крепления можно не только надежно закрепить (зафиксировать) фигурную пластину перед завершением настройки предлагаемого устройства, но и при необходимости, например, при недостигнутых заданных пределах по согласованию, т.е. по КСВ, возможно изменять в небольших пределах углы изгиба и, тем самым, длину фигурной пластины (не отключая от рабочего места и не разбирая настраиваемый мощный широкополосный коаксиально-волноводный переход). В результате этого существенно расширяется полоса рабочих частот и значительно улучшается согласование (например, полоса частот с 6000 МГц при КСВ≤2,3 до 8000 МГц при КСВ≤1,7), упрощается настройка (условно с 1 до 0,5) и существенно повышается надежность работы (условно с 0.6 до 1) в широком диапазоне рабочих температур, вибрации и мощных входных сигналах (Р≤300 Вт).
вх
Подтверждением высокой надежности работы заявляемого мощного широкополосного коаксиально-волноводного перехода являются экспериментальные данные. Так в группе из 20 мощных широкополосных коаксиально-волноводных переходов, изготовленных по предлагаемому техническому решению задачи и находящихся длительное время в работе с жесткими условиями эксплуатации, изменение их электрических параметров и наличие отказов не зафиксировано. В то время, как изменения электрических параметров и наличие отказов в работе аналога - узла ВК-1 зафиксированы даже в лабораторных условиях эксплуатации и при низких (Р≤10 мВт) уровнях мощности входных сигналов (20 узлов ВК-1 длительно эксплуатируются в технологических целях).
Существенные признаки заявляемого мощного широкополосного коаксиально-волноводного перехода: двухгребневая волноводная камера; коаксиальный разъем, соединенный с воздушной коаксиальной линией передачи; фигурная пластина, соединенная с центральным проводником воздушной коаксиальной линии передачи и прикрепленная другим концом двумя винтами к нижнему гребню; три подстроечных «емкостных» винта с контргайками, ввинченные внутрь двухгребневой волноводной камеры через верхнюю широкую стенку и прилегающий к ней гребень; фигурная пластина выполнена трапецеидальной формы с частично срезанными боковыми гранями и двумя удлиненными овальными отверстиями, сформована с тремя определенными углами изгибов и прикреплена узким концом через нижнее удлиненное овальное отверстие к упомянутому нижнему гребню и широким концом через верхнее удлиненное овальное отверстие к дополнительно ввинченному внутрь двухгребневой волноводной камеры опорному винту соответственно винтами с потайными головками, шайбами и гайками через дополнительно введенную проводящую трапецеидальную пластинку с зенкованными двумя отверстиями и дополнительно введенным винтом с плоской головкой, шайбой и гайкой через сквозное продольное отверстие в опорном винте с шестигранным фланцем, контргайкой и шайбой.
В таблице 1 приведена причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом.
Предполагаемое изобретение позволяет изготавливать мощные широкополосные с хорошим согласованием, достаточно простой настройкой и надежные в работе коаксиально-волноводные переходы к мощным широкополосным волноводным линиям передачи и к мощным широкополосным рупорным антеннам.
Краткое описание чертежей
Техническая сущность и принцип действия прототипа и заявляемого мощного широкополосного коаксиально-волноводного перехода поясняются чертежами и графиками, на которых:
Фиг. 1 Изображен фрагмент сборочного чертежа ИБСТ.434843.003 известного широкополосного коаксиально-волноводного перехода (прототип). Настроить изготовленные по приведенному чертежу узлы КВП удалось лишь после введения в них дополнительных Г-образных проводящих пластинок из фольги (подложенных под их фигурные пластины отогнутыми концами в сторону последних и прижатых вместе с ними винтами к нижним гребням).
Фиг. 2 Изображен фрагмент сборочного чертежа заявляемого мощного широкополосного коаксиально-волноводного перехода.
Фиг. 3 Изображены фотографии фигурной пластины вместе с тонкой Г-образной пластинкой к КВП прототипа (слева) и фотографии фигурной пластины вместе с проводящей трапецеидальной пластинкой с зенкованными двумя отверстиями к заявляемому мощному широкополосному коаксиально-волноводному переходу (справа). Эти фотографии наглядно показывают существенные отличия фигурной пластины предлагаемого мощного широкополосного коаксиально-волноводного перехода от фигурной пластины КВП прототипа.
Фиг. 4 Изображены фотографии (виды слева, справа и спереди) заявляемого мощного широкополосного коаксиально-волноводного перехода (без корпуса детектора и на одном из видов без съемной верхней стенки). Эти фотографии дополнительно поясняют конструкцию заявляемого устройства.
п
Фиг. 5 Изображены графики измеренных значений коэффициентов стоячей волны (КСВ) и коэффициентов передачи (К) в диапазоне рабочих частот заявляемого мощного широкополосного коаксиально-волноводного перехода. Графики КСВ и Кп изображены соответственно внизу и вверху листа, с относящимися к ним маркерами (в прямоугольных рамках которых приведены значения частоты и измеренные значения КСВ или Кп). При этом черным цветом изображены графики и значения частоты, КСВ и Кп, относящиеся к заявляемому мощному широкополосному коаксиально-волноводному переходу. Сине-зеленым цветом изображены графики и значения частоты, КСВ и Кп, относящиеся к прототипу. Красным цветом изображены графики и значения частоты, КСВ и Кп, относящиеся к аналогу, выполненному по чертежу фиг. 1 (т.е. КВП без дополнительных Г-образных тонких пластинок из фольги). Из этих графиков убедительно видны преимущества в широкополосности и согласовании заявляемого мощного широкополосного коаксиально-волноводного перехода, предназначенного для передатчика.
Осуществление изобретения
Возможность практической реализации заявляемого мощного широкополосного коаксиально-волноводного перехода показана на фиг. 2.
Предлагаемый мощный широкополосный коаксиально-волноводный переход состоит из: двухгребневой волноводной камеры 1 (с верхним и нижним гребнями 2 и 3 соответственно); коаксиального разъема 4 (с цангой 5, диэлектрической опорной втулкой 6, гайкой 7 и стопорными винтами 8); воздушной коаксиальной линии передачи 9 (с центральным проводником 10 и металлической оболочкой 11, являющейся продолжением корпуса КВП); фигурной пластины 12.1 (прикрепленной одним концом в пазу центрального проводника 10 штифтом и пайкой, а другим концом прикрепленной к нижнему гребню 3 двумя винтами с потайными головками 13.1 с шайбами 16.1 и гайками 19); трех (или двух) подстроечных «емкостных» винтов 14 (с контргайками 15); корпуса детектора 17; волноводного фланца 18; дополнительно введенного опорного винта 20 (с продольным сквозным отверстием в его теле и с шестигранным фланцем; а также с шайбой 21 и контргайкой 22); дополнительно введенной проводящей трапецеидальной пластинки 23 (с двумя зенкованными отверстиями под винты 13.1); дополнительно введенного прижимного винта 24 (с шайбой 25 и гайкой 26) и дополнительно введенной диэлектрической втулки 27 (являющейся опорой для другого конца центрального проводника 10 воздушной коаксиальной линии передачи 9).
Размеры сформованной фигурной пластины 12.1 для заявляемого мощного широкополосного коаксиально-волноводного перехода (на диапазон рабочих частот от 4 до 12 ГГц) - 27,8×16×3,2 мм. Фигурная пластина вырезана из листа сечением 0,5 мм и сформована с углами изгибов - 9 градусов вниз (от плоскости пластины вниз от линии перехода входного лепестка в пластину шириной 10,5 мм), затем 7 градусов вниз (от плоскости первого отогнутого отрезка (длиной 6 мм) до конца второго отогнутого отрезка (длиной 6,5 мм) и на 16 градусов вверх (т.е. параллельно плоскости упомянутого входного лепестка). Опорный винт 20 (изготовлен из латуни) имеет размеры: внешний диаметр винта - М4; внутренний диаметр отверстия - 2,2 мм и шестигранный фланец (под ключ) - 7 мм. Прижимной винт 24 имеет тонкую плоскую головку диаметром - 5 мм, диаметр винта - М2 и длину - 24 мм. Крепежные стальные винты 13.1 с потайными головками имеют диаметр - М2 и длину - 12 мм.
Предлагаемый мощный широкополосный коаксиально-волноводный переход работает следующим образом.
При подаче на входной коаксиальный разъем 4 мощности СВЧ сигнала, она, распространяясь через подключенную к нему воздушную коаксиальную линию передачи 9, доходит до внутренней плоскости задней стенки двухгребневой волноводной камеры 1 и к широкому концу фигурной пластины 12.1. Далее СВЧ мощность «растекается» по излучающим щелям, образованным между верхней поверхностью фигурной пластины 12.1 и внутренней поверхностью верхней широкой стенки двух гребневой волноводной камеры 1, а также между нижней поверхностью фигурной пластины 12.1 и внутренней поверхностью нижней широкой стенки двух гребневой волноводной камеры 1.
Пройдя по указанным выше излучающим щелям определенные расстояния, мощность СВЧ сигналов излучается в пространство двухгребневой волноводной камеры 1, т.е. возбуждает ее.
В процессе настройки предлагаемого устройства добиваются хорошего согласования (т.е. низких значений КСВ входного коаксиального разъема Х2) в заданной полосе рабочих частот и получения при этом минимальных ослаблений проходящей мощности СВЧ сигнала внутри КВП.
Настройку проводят перемещением (ввинчиванием или вывинчиванием) подстроечных «емкостных» винтов 14 с последующим стопорением их контргайками 15. При необходимости улучшения согласования (путем изменения углов изгиба и длины фигурной пластины 12.1), добиваются этого с помощью опорного винта 20 с шестигранным фланцем, контргайкой и шайбой и прижимного винта 24 с плоской головкой, шайбой 20 и гайкой 26, проходящего через удлиненное овальное отверстие фигурной пластины 12.1 и сквозное продольное отверстие опорного винта 20. При этом необходимо слегка открутить две гайки 19 крепления нижней (узкой) части фигурной пластины 12.1, ослабить гайку прижимного винта 24, открутить (на 2÷3 оборота) контргайку 22 опорного винта 20, а затем вращением за его шестигранный фланец поднять или опустить опорный винт 20. Затем в обратном порядке надежно затянуть (закрутить) контргайку 22, а затем обе гайки 19 и гайку 26, после чего измерить согласование (КСВ) и коэффициент передачи Кп (ослабление мощности) в полосе рабочих частот и при необходимости вновь подстроить предлагаемое устройство «емкостными» винтами 14.
Описанным выше мощным широкополосным коаксиально-волноводным переходом пользуются следующим образом: подготовить предлагаемый мощный широкополосный коаксиально-волноводный переход к работе, для чего извлечь его из штатной упаковки, снять защитные колпачки (с коаксиальных разъемов X1 и Х2) и крышку (с фланца волновода 18), установить его на соответствующем рабочем месте (соединить фланец волновода предлагаемого КВП с фланцем волноводной нагрузки (например, мощного рупора антенны) и надежно закрепить соответствующим крепежом. Затем подключить к коаксиальным разъемам X1 и Х2 соответствующие кабели от входа устройства контроля уровня подаваемой мощности и выхода усилителя мощности передатчика и приступить к работе.
Литература:
1. Линии передачи сантиметровых волн.
Перевод с английского под редакцией Е.А. Ремеза Издательство «СОВЕТСКОЕ РАДИО» М. 1951 г. Стр. 366-368.
2. А.С. №675496 от 29.03.79 г., Н01Р 5/08 Автор - Сибиркин Е.В.
3. Широкополосный коаксиально-волноводный переход ВК-1, ИБСТ.434843.025.
4. Широкополосный коаксиально-волноводный переход ВКОД-23, ИБСТ.434843.003.