Разъемное соединение для объединенных коаксиального и круглого волноводов облучателя зеркальной антенны
PLUGGABLE CONNECTION FOR COMBINED COAXIAL AND CIRCULAR WAVEGUIDES OF THE REFLECTOR ANTENNA FEED

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и предназначено для соединения объединенных коаксиального и круглого волноводов (коаксиально-круглых волноводов), используемых в облучателях двухдиапазонных зеркальных антенн. Устройство может быть использовано в системах связи, радиолокации, радионавигации, различной измерительной и специальной радиоаппаратуре.
Из текущего уровня техники известно [Джуринский К.Б. Миниатюрные коаксиальные радиокомпоненты для микроэлектроники СВЧ. Москва: Техносфера, 2006. – 216 с.] большое количество разъемных радиочастотных соединений различных типов, выпускаемых десятками крупных мировых компаний. Основными признаками классификации соединителей являются: предельная рабочая частота (диапазон частот); назначение; особенности конструкции; механизм соединения с ответной частью; типы используемых волноведущих структур и способ соединения с ними; герметичность. Наибольшая часть известных конструкций разъемных соединений предназначена для работы с коаксиальными волноводами, значительным недостатком которых является ограничение частотного диапазона со стороны высоких частот, связанное с возбуждением высших мод электромагнитных колебаний.
Известна система с коаксиальной рупорной антенной [патент US № 6982679B2, опубл. 03.01.2006], содержащая несколько совмещенных рупорных антенн для работы в нескольких частотных диапазонах. В частном случае, когда рупорных антенны две, первая и вторая рупорные антенны расположены соосно, причем первая рупорная антенна запитана коаксиальным волноводом, а вторая круглым волноводом, которые объединены друг с другом. Объединенный волновод состоит из двух соосных трубок, внешней и внутренней. Внутренняя стенка внутренней трубки образует круглый волновод, а внешняя стенка внутренней трубки и внутренняя стенка внешней трубки образуют коаксиальный волновод. Обе рупорные антенны, запитываемые объединенным коаксиально-круглым волноводом, облучают контррефлектор двухзеркальной антенны Кассегрена или Грегори.
Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков является коаксиальный облучатель для многодиапазонной антенны [заявка на патент US № 2020403312A1, опубл. 24.12.2020], содержащий трубчатый высокочастотный волновод и соосный с ним коаксиальный низкочастотный волновод, образующие объединенный коаксиально-круглый волновод. Объединенный коаксиально-круглый волновод подключен к совмещенному рупорному облучателю, облучающему контррефлектор двухзеркальной антенны. Облучатель и контррефлектор образуют облучающую систему основного рефлектора двухзеркальной антенны. Питание облучающей системы осуществляется через объединенный коаксиально-круглый волновод с задней стороны основного рефлектора двухзеркальной антенны.
Существенным недостатком известных конструкций и конструкции-прототипа является то, что при использовании объединенного коаксиально-круглого волновода в двухзеркальных антеннах типа Кассегрена или Грегори, выступающую за плоскость основного рефлектора часть облучающей системы невозможно отсоединить от остальной части конструкции, например, с целью транспортировки антенны в компактном виде. При этом с задней части основного рефлектора, как правило, находится приемо-передающее оборудование, подключенное к облучающей системе через объединенный коаксиально-круглый волновод, что затрудняет демонтаж элементов облучающей системы с задней стороны.
Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение возможности разъемного сочленения объединенных коаксиального и круглого волноводов, повышение удобства и безопасности транспортировки двухзеркальных антенн, в которых они используются.
новым является то, что
Заявляемый технический результат достигается тем, что в разъемном соединении для объединенных коаксиального и круглого волноводов облучателя двухзеркальной антенны, включающем две соосные проводящие трубки разного диаметра, причем внутренняя трубка одновременно является круглым волноводом и проводником коаксиального волновода, а внешняя трубка является экраном коаксиального волновода,  в месте разъемного соединения внутренний диаметр внешней проводящей трубки ступенчато увеличивается и в этом месте размещаются две диэлектрические втулки, а между двумя частями внутренней трубки в месте разъемного соединения имеется зазор.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием разъемного соединения, в котором внутренний диаметр внешней проводящей трубки ступенчато увеличивается.
Существенным отличием является то, что в месте разъемного соединения размещаются две диэлектрические втулки, которые надежно закрепляются внутри внешней проводящей трубки и выступают в качестве опоры для внутренней проводящей трубки.
Другим существенным отличием является то, что в месте разъемного соединения между внутренними проводящими трубками имеется зазор, тогда как между внешними проводящими трубками нет зазора (имеется гальванический контакт). Это обеспечивает надежный электрический контакт при многократных сочленениях разъема.
Таким образом, перечисленные выше отличительные от прототипа признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».
Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежами: на фиг. 1 показана конструкция двухзеркальной антенны по схеме Кассегрена; на фиг. 2 показана конструкция заявляемого устройства; на фиг. 3 показана эта же конструкция, но с разнесенными частями; на фиг. 4 показан разрез конструкции заявляемого устройства в сборе; на фиг. 5 показана электродинамическая модель заявляемого устройства; на фиг. 6 и 7 показаны результаты расчета S-параметров электродинамической модели устройства, при этом на вставках фиг. 6 и 7 схематически показаны распределения электрического поля мод коаксиального и круглого волноводов, для которых был проведен расчет.
TE
d
d
TE
11
11
Заявляемое разъемное соединение для коаксиально-круглого волновода облучателя зеркальной антенны размещается (фиг. 1), например, с передней стороны параболического рефлектора (1) антенны Кассегрена. Перед параболическим рефлектором (1) расположен гиперболический контррефлектор (2), облучаемый совмещенным рупорным излучателем (3). Питание рупорного излучателя (3) осуществляется по коаксиально-круглому волноводу (4). Для обеспечения возможности быстрой сборки/разборки антенны, например, при ее перемещениях, предусмотрено заявляемое разъемное соединение (5), расположенное у основания параболического рефлектора (1), возле (фиг. 2) крепежной секции (6). С задней стороны параболического рефлектора (1) к крепежной секции (6) подходит коаксиально-круглый волновод (7), а с передней стороны крепежной секции (6) находится разъемное сочленение с гайкой (8). Заявляемое разъемное соединение (фиг. 3) содержит диэлектрические втулки (9) коаксиального волновода и может дополнительно содержать герметизирующие диэлектрические заглушки (10) круглого волновода. Диэлектрические втулки (9) установлены внутри коаксиального волновода, диаметр которого в месте разъемного соединения ступенчато увеличен. Бортики втулок (9) упираются в образованные ступенчатые переходы (11). Проводящие трубки (12) являются одновременно круглыми волноводами, по которым передаются сигналы на верхней частоте (например, 44 ГГц) и центральными проводниками коаксиального волновода, по которому передаются сигналы на нижней частоте (например, 20 ГГц). Для обеспечения одинаковой осевой ориентации частей разъемного соединения предусмотрен штифт (13) со стороны крепежной секции (6) и лыска (14) во фланце волновода (4). Разрез конструкции заявляемого устройства в сочлененном состоянии показан на фиг. 4. Гайка (8) завинчена на резьбу крепежной секции (6) до упора торцевой поверхности цилиндрической части волновода (4) в отверстие волновода (7) крепежной секции (6). При этом диэлектрические втулки (9) плотно прижаты друг к другу, тогда как между трубками (12) остается зазор, например, 0.2 мм. Такое состояние разъема является рабочим, при необходимости разъединения частей облучателя свинчивают гайку (8) и разъединяют волноводы (4) и (7). Диаметры коаксиального и круглого волноводов определяются рабочими частотными диапазонами и условием работы обоих волноводов на волне типа  без возбуждения других (паразитных) типов волн. Величина зазора между трубками (12) выбирается менее /20, где  – диаметр круглого волновода, для того чтобы волна  в круглом волноводе не испытывала существенных отражений. При этом величина указанного зазора должна быть достаточной, чтобы обеспечивать отсутствие гальванического контакта между трубками (12) при многократном соединении/разъединении заявляемого устройства. При наличии в конструкции герметизирующих диэлектрических заглушек (10) в месте сочленения круглый полый волновод плавно (за счет конусовидной формы заглушек) трансформируется в круглый волновод с диэлектрическим заполнением, что незначительно увеличивает коэффициент отражения от места сочленения. Размеры ступенчатого перехода (11) в месте сочленения объединенных коаксиально-круглых волноводов (7) и (4) и длины диэлектрических втулок (9) выбираются таким образом, чтобы образуемая зазором между трубками (12), втулками (9), и пазом в месте соединения волноводов (4) и (7) резонансная система имела полосу пропускания на рабочих частотах коаксиального волновода. Наличие зазора между трубками (12) обеспечивает неизменность высокочастотных электрических характеристик разъемного соединения при многократном соединении/разъединении, которую практически невозможно обеспечить, если бы, например, и внешние, и внутренние проводящие трубки имели бы гальванический контакт.
Разъемное соединение для коаксиально-круглого волновода облучателя двухзеркальной антенны работает следующим образом. Поскольку антенна является взаимным устройством, рассмотрим только случай, когда оба волновода используются для передачи СВЧ сигналов. Сигналы от двух СВЧ передатчиков поступают (фиг. 4) по объединенному коаксиально-круглому волноводу (7) через крепежную секцию (6) к разъемному соединению, которое находится в рабочем состоянии, т. е. гайка (8) завинчена на резьбу крепежной секции (6) до упора. Сигнал «высокочастотного» диапазона проходит по круглым волноводам, образованным проводящими трубками (12). Поскольку между трубками (12) есть зазор, возникает неоднородность в круглом волноводе, которая, тем не менее, несущественно сказывается на его работе. Сигналы «низкочастотного» диапазона распространяются по коаксиальному волноводу. Для них разрыв центрального проводника, образованного зазором между проводящими трубками (12), является последовательной емкостью малой величины. Указанная емкость на рабочих частотах коаксиального волновода компенсируется индуктивностью ступенчатого перехода (11) в его внешнем проводнике. Диэлектрические втулки (9) выполняют роль крепежных и центрующих для внутренней проводящей трубки, и при этом их длина подобрана так, чтобы на центральной частоте рабочего диапазона частот коаксиального волновода в них наблюдался полуволновый резонанс. В результате для коаксиального волновода зазор между трубками (12), диэлектрические втулки (9), паз в месте соединения волноводов (4) и (7) образуют резонансную систему, которая имеет полосу пропускания на рабочих частотах коаксиального волновода. Далее электромагнитные волны от СВЧ передатчиков по объединенному коаксиально-круглому волноводу (4) поступают (фиг. 1) к двухдиапазонному рупорному облучателю (3), излучаются в свободное пространство, отражаются от гиперболического контррефлектора (2) и, затем, от параболического рефлектора (1).
-4
7
Для иллюстрации работоспособности заявляемого устройства создана его электродинамическая модель (фиг. 5). Модель полностью соответствует приведенному описанию заявляемого устройства, за исключением отсутствия в модели крепежных элементов, которые не влияют на электрические характеристики. Модель имеет следующие основные размеры: внутренний диаметр внешней проводящей трубки коаксиально-круглого волновода 10 мм, внешний диаметр внутренней проводящей трубки 6 мм, внутренний диаметр внутренней проводящей трубки 4.5 мм, величина зазора между внутренними проводящими трубками 0.2 мм, длина втулки 6.4 мм, длина ступенчатого перехода во внешней проводящей трубке 2.4 мм, глубина паза 1.4 мм, материал втулок – фторопласт-4 (относительная диэлектрическая проницаемость 2.1, тангенс угла диэлектрических потерь 2×10), материал проводящих трубок – алюминий (проводимость 3.56×10 См/м).
На фиг. 6 и 7 показаны результаты расчета S-параметров электродинамической модели заявляемого устройства. Расчет проведен методом конечных элементов с учетом тепловых потерь. Из зависимости на фиг. 6 видно, что коэффициент отражения S11 от входа коаксиального волновода ниже минус 30 дБ в полосе частот от 19 до 20 ГГц (относительная ширина полосы частот 5.1%). Зависимость на фиг. 7 показывает, что коэффициент отражения S11 от входа круглого волновода ниже минус 37 дБ в полосе частот от 42 до 46 ГГц (относительная ширина полосы частот 9.1%). При этом в обоих случаях коэффициент передачи S21 близок к 0 дБ, то есть практически вся энергия сигналов в указанных диапазонах передается заявляемым устройством без поглощения и отражения.
Согласно указанным параметрам электродинамической модели был изготовлен макет разъемного соединения для коаксиально-круглого волновода облучателя двухзеркальной антенны. Результаты измерений S-параметров устройства подтвердили на практике корректность численных расчетов и достижение технического результата: устройство является простым и удобным в эксплуатации, выдерживает многократные соединения/разъединения с сохранением электрических характеристик, и повышает удобство и безопасность транспортировки двухзеркальных антенн, в которых используются объединенные коаксиальный и круглый волноводы.