ВОЛНОВОДНЫЙ ПЕРЕХОД
WAVEGUIDE TRANSITION

Изобретение относится к технике СВЧ, а именно к волноводным переходам, служащим для передачи электромагнитных волн из волновода в волноводную линию передачи сверхвысокочастотных сигналов и обратно, и может применяться в антенных решетках, а также в различных коммуникационных устройствах, разного рода передатчиках и приемниках, таких как:
- радиолокационные станции обнаружения и сопровождения цели;
- базовые станции сотовой связи;
- телевизионные и коммуникационные спутниковые системы.
Из уровня техники известен волноводный переход, описанный в патенте США №5,559,480 [1], который состоит из прямоугольного волновода, в который входит на 0,4λ симметричная полосковая линия, закороченная на землю проводящим штырем. Согласование волноводов обеспечивается выбором длины закороченного участка полосковой линии в прямоугольном волноводе. Как следствие, длина согласующего элемента составляет 0,5λ, при этом на 35% используемой полосы частот наблюдаются потери, достигающие значения в 1dB.
Наиболее близким к заявленному изобретению является волноводный переход, описанный в патенте США №4,716,386 [2] и реализуемый путем установки полосковой линии в прямоугольном волноводе через его широкую стенку. Для согласования перехода используют короткозамкнутый четвертьволновой участок волновода, что увеличивает габариты устройства и ограничивает возможность его установки в линейный излучатель решетки. Данный волноводный переход выбран в качестве прототипа заявленного изобретения.
Недостатки описанных выше переходов аналога и прототипа заключаются в следующем:
- габаритные размеры переходов не позволяют строить компактные антенные решетки. В этом случае волноводный переход аналога, имеет длинный участок трансформатора, равный половине длины волны на рабочей частоте, что приводит к увеличению габаритных размеров перехода;
- сложность в согласовании волноводного перехода. Согласование волноводного перехода аналога осуществляют путем выбора определенной длины полоски, расположенной в волноводе;
- согласующий участок волновода. В волноводном переходе прототипа для согласования перехода используют короткозамкнутый четвертьволновый отрезок волновода, что увеличивает габариты волноводного перехода.
Анализ различных известных полосково-волноводных переходов показывает, что они не обеспечивают требуемых характеристик при минимальных габаритах.
Различные типы волноводных переходов имеют неудовлетворительные характеристики с точки зрения потерь в волноводе, сложную конструкцию и большие габариты, соразмерные с длиной волны.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание волноводного перехода с упрощенной конструкцией, с уменьшенными габаритами, с уменьшенными потерями и с уменьшенной стоимостью изготовления.
Поставленная задача решена путем создания волноводного перехода, содержащего волновод, линию передачи сверхвысокочастотных сигналов и диэлектрическую пластину, отличающегося тем, что волновод состоит из полосковой линии, соединенной с волноводом вдоль его оси, при этом полосковая линия имеет U-образный изгиб, посредством которого полосковая линия соединена с короткозамкнутым шлейфом, образованным из полосковой линии, один конец которой замкнут на стенку полоскового короткозамкнутого шлейфа, причем отрезок полосковой линии в волноводе образует участок линии, выполненный с возможностью преобразования (трансформации) поперечной электромагнитной волны (Т-волны) в магнитную волну (Н-волну) и наоборот.
Иными словами, линия передачи сверхвысокочастотных сигналов имеет U-образную форму и состоит из расположенных последовательно входного отрезка, отрезка с U-образным изгибом и короткозамкнутого отрезка, при этом отрезок с U-образным изгибом линии передачи сверхвысокочастотных сигналов расположен внутри трансформирующего отрезка волновода и образует вместе с ним трансформатор волны, а диэлектрическая пластина расположена в поле трансформатора волны и выполнена с возможностью преобразования электромагнитной волны (Т-волны) в магнитную волну (Н-волну) или обратно.
Для функционирования волноводного перехода важно, чтобы линия передачи сверхвысокочастотных сигналов была выбрана из набора линий передачи сверхвысокочастотных сигналов, содержащего полосковую (микрополосковую) линию, коаксиальную линию, щелевую линию и двухпроводную линию.
Для функционирования волноводного перехода важно, чтобы полосковая линия была симметричной.
Для функционирования волноводного перехода важно, чтобы полосковая линия была несимметричной.
Для функционирования волноводного перехода важно, чтобы полосковая линия была копланарной.
Для функционирования волноводного перехода важно, чтобы диэлектрическая пластина была расположена под трансформатором волны.
Для функционирования волноводного перехода важно, чтобы диэлектрическая пластина была расположена под трансформатором волны параллельно плоскости U-образного изгиба линии передачи сверхвысокочастотных сигналов.
Для функционирования волноводного перехода важно, чтобы волновод имел форму, выбранную из набора форм, содержащего круглую форму, прямоугольную форму и эллиптическую форму.
Для функционирования волноводного перехода важно, чтобы короткозамкнутая часть линии передачи сверхвысокочастотных сигналов была выполнена в виде короткозамкнутого шлейфа.
Таким образом, заявляемое техническое решение устраняет недостатки, присущие прототипу, за счет совмещения волновода с линией передачи сверхвысокочастотных сигналов и согласования их при помощи трансформатора определенной конфигурации, содержащего диэлектрическую пластину.
Для лучшего понимания заявленного изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующими чертежами.
Фиг.1. Схема волноводного перехода в изометрической проекции согласно изобретению.
Фиг.2 - вид 2.1 - Схема волноводного перехода вид сверху согласно изобретению.
- вид 2.2 - Схема волноводного перехода вид сбоку согласно изобретению.
1 - полосковая линия;
2 - прямоугольный волновод;
3 - диэлектрическая пластина;
4 - полосковый короткозамкнутый шлейф;
5 - трансформатор волны;
6 - стенка полоскового короткозамкнутого шлейфа.
На Фиг.1, 2 (2.1 и 2.2) показан пример выполнения варианта конструкции заявленного волноводного перехода, полученного путем соединения полосковой линии 1 (с размерами d=0,004λ, с=0,1λ, е=0,24λ и b=0,08λ) и прямоугольного волновода 2 (с размерами а=0,62λ и b=0,08λ) вдоль его оси. Трансформатор волны 5 представляет собой U-образный изгиб полосковой линии длиной k=0,11λ, шириной i=0,36λ и соединяет полосковую линию 1 с короткозамкнутым шлейфом 4, образованным из полосковой линии, один конец которой замкнут на стенку 6. Отрезок полосковой линии в волноводе образует участок линии, в которой трансформируется поперечная электромагнитная волна (Т-волна) в магнитную волну (Н-волну) и наоборот. Дня возбуждения Н-волны и наоборот устанавливается диэлектрическая пластина 3 с проницаемостью ε=2,1, размерами f=0,2λ, g=0,22λ и n=0,04λ. Для согласования трансформатора и уменьшения потерь на трансформацию выбирается длина участка l=0,26λ полосковой линии, соединенной с землей через стенку 6.
Вместо полосковой линии может выступать любая другая линия с основным типом волны, подобной Т-волне (копланарная, микрополосковая, щелевая, коаксиальная линия и т.п.). Вместо прямоугольного волновода может выступать любой другой полый волновод с основным типом волны подобной Н-волне (круглый, квадратный, эллиптический, Н-образный волноводы и т.п.).
Волноводный переход, показанный на Фиг.1, 2 (вид 2.1 и 2.2), функционирует следующим образом. Электромагнитная волна, приходящая со входа А, по симметричной полосковой линии 1 попадает на трансформатор 5, где одна половина поля входит в диэлектрическую пластину 3 с диэлектрической проницаемостью ε=2,1, а другая половина поля входит в воздух и тем самым образуется несимметричность поля.
Эта несимметричность поля позволяет возбуждаться Н-волне в прямоугольном волноводе 2, которая выходит через вход Б. Для уменьшения отражений от трансформатора 5 обратно на вход А симметричной полосковой линии его нагружают короткозамкнутым шлейфом 4, который гасит волну. Установка диэлектрической пластинки 3 в трансформаторе 5 позволяет обеспечить необходимый импеданс при неизменных габаритах волновода 2. Переход является взаимным и может трансформировать волну со входа Б на вход А. Такая конструкция перехода обеспечивает минимальные потери и хороший уровень согласования.
Все компоненты заявленного изобретения имеют простую форму и могут быть выполнены из любых проводящих и диэлектрических материалов. Это позволяет сделать процесс массового производства простым и дешевым.
Благодаря компактным размерам данное устройство удачно подходит для применения в антенной решетке. Использование этого устройства позволяет обеспечить плотную упаковку излучающих элементов и минимизировать парусность антенной решетки.
Следует отметить, что приведенный выше вариант выполнения изобретения был изложен исключительно с целью иллюстрации настоящего изобретения, и специалистам должно быть ясно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла настоящего изобретения, раскрытого в прилагаемой формуле изобретения.