ГИБКИЙ КРУГЛЫЙ ГОФРИРОВАННЫЙ ОДНОМОДОВЫЙ ВОЛНОВОД

Изобретение относится к технике СВЧ, а именно к линиям передачи высокочастотной энергии предпочтительно в диапазонах Кu, Ka, Q, U, Е.

Известен круглый диафрагмированный волновод (Parini C.G., Clarricoats P.J.В., Olver A.D. Single-mode operation of low-attenuation corrugated waveguide. Electronic Letters. 1977, v. 13, №1, pp. 16-17), представляющий собой прямолинейную круглую металлическую трубу, внутри которой расположены кольцевые диафрагмы. При выборе определенных соотношений геометрических размеров элементов конструкции такого волновода в нем образуется импедансная структура, обеспечивающая распространение гибридной волны ЕН₁₁ в одномодовом режиме с аномально малыми потерями.

Однако на основе такого волновода невозможно создать гибкий фидерный тракт.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является техническое решение, известное из статьи Альховский Э.А., Ильинский А.С. Численные исследования постоянных распространения симметричных волн в круглом гофрированном волноводе // Радиотехника и электроника. 1979 г., том XXIV, стр. 1684-1685 и патента US 4429290. Данное решение представляет собой круглый гофрированный гибкий волновод с плавной формой гофра для распространения моды TE₀₁.

Однако такой волновод не может быть использован в качестве двухполяризационного волновода.

Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании гибкого круглого гофрированного волновода с плавным характером изменения поперечных размеров вдоль продольной оси и с соотношением размеров, обеспечивающих наряду с требуемыми механическими характеристиками одномодовый режим распространения гибридной волны ЕН₁₁ с малыми потерями.

Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение потерь при повышении допустимой мощности передаваемого сигнала по сравнению с регулярными одномодовыми прямоугольным и круглым волноводами при обеспечении двухполяризационного режима распространения рабочей волны ЕН₁₁ и при сохранении гибкости волновода.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в гибком круглом гофрированном одномодовом волноводе, представляющем собой трубу из токопроводящего материала круглого сечения с кольцевыми гофрами, расположенными вдоль продольной оси волновода, размеры трубы выбраны в пределах

0,785≤R/λн≤0,95;

0,354≤a/λн≤0,38;

0,524≤T/λн≤0,533;

0,2≤b/T≤0,5;

где R - внешний максимальный радиус трубы;

λн - длина волны, соответствующая нижней частоте одномодового диапазона для моды ЕН₁₁;

а - глубина гофра;

Т - период следования гофра;

b - ширина выемки гофра на половине его глубины.

При этих значениях геометрических параметров гофрированного волновода в рабочем диапазоне длин волн от λн до λв, соответствующих нижней и верхней границам одномодового диапазона, единственной распространяющейся модой является ЕН₁₁.

Сущность заявляемого изобретения поясняется с помощью фиг. 1-8, на которых изображено:

на фиг. 1 - продольный разрез заявляемого волновода;

на фиг. 2 - зависимости коэффициента перекрытия и значений геометрических параметров волновода, нормированных к максимальной граничной длине волны одномодового диапазона, от величины b/Т;

на фиг. 3 - зависимости нормированного коэффициента затухания от величины b/Т;

на фиг. 4 - результаты расчета коэффициента фазы β и коэффициента затухания α для примера конструкции волновода А;

на фиг. 5 - результаты расчета коэффициента фазы β для примера конструкции волновода Б;

на фиг. 6 - результаты расчета коэффициента фазы β для примера конструкции волновода В;

на фиг. 7 - результаты расчета коэффициента фазы β для примера конструкции волновода при a/R=0,3; T/R=0,34; b/Т=0,2;

на фиг. 8 - результаты расчета коэффициента фазы β для примера конструкции волновода при а/λн=0,46; T/R=0,71; b/Т=0,2.

От величины b/Т зависят как механические характеристики гофрированного волновода, т.е. гибкость, технологические ограничения при производстве и т.д., так и его электрические параметры, т.е. критические частоты и частоты запирания типов волн, значения их коэффициентов фазы и затухания и т.д.

Представленные на фиг. 3 зависимости нормированного коэффициента затухания к верхнему и нижнему значению длины волны на частотах, ограничивающих одномодовый режим, и на частоте, соответствующей минимальному значению коэффициента затухания, показывают, что коэффициент затухания уменьшается при приближении формы гофра к прямоугольной. Уменьшение коэффициента затухания может быть достигнуто за счет уменьшения диапазона частот.

Для примера на фиг. 4, 5 и 6 приведены результаты расчета коэффициента фазы β нескольких типов волн и коэффициента затухания α типа волны ЕН₁₁ для круглого гофрированного волновода с геометрическими размерами, соответствующими трем вариантам (А, Б, В) значений.

На фиг. 4 приведены результаты расчета варианта А.

Абсолютные размеры волновода соответствуют значениям: R=5,0 мм, Т=3,34 мм, а=2,25 мм при b/Т=0,2, что соответствует относительным размерам R/λн=0,785, Т/λн=0,524, а/λн=0,353 для нижней частоты одномодового диапазона fн=47,1 ГГц. Из графика (фиг. 4) видно, что существует полоса частот от fн=47,1 ГГц до fв=50,63 ГГц, в пределах которой единственным распространяющимся типом волны является ЕН₁₁. Коэффициент затухания α волны ЕН₁₁ в одномодовом диапазоне частот изменяется от 0,8 дБ/м на fн=47,7 ГГц до 0,6 дБ/м на частоте fв=50,05 ГГц. Для сравнения, коэффициент затухания α волны Н₁₀ в одномодовом прямоугольном волноводе типа WR-22 составляет 1,6 дБ/м на частоте fн=47,7 ГГц и 1,35 дБ/м на частоте fв=50,05 ГГц.

На фиг. 5 приведены результаты расчета варианта Б.

Абсолютные размеры волновода соответствуют значениям: R=5,0 мм, T=3,34 мм, а=2,25 мм при b/Т=0,2, что соответствует относительным размерам R/λн=0,785, Т/λн=0,524, а/λн=0,354 для нижней частоты одномодового диапазона fн=47,7 ГГц. От fн=47,7 ГГц до fв=51,27 ГГц волна ЕН₁₁ распространяется в одномодовом режиме.

На фиг. 6 приведены результаты расчета варианта В.

Абсолютные размеры волновода соответствуют значениям: R=5,0 мм, T=2,8 мм, а=2,0 мм при b/Т=0,5, что соответствует относительным размерам R/λн=0,95, Т/λн=0,533, а/λн=0,38 для нижней частоты одномодового диапазона fн=52,04 ГГц. В пределах полосы частот от fн=52,04 ГГц до fв=56,35 ГГц единственным распространяющимся типом волны является ЕН₁₁.

При величинах параметров гофра, лежащих за пределами заявляемых интервалов геометрических размеров волновода, волна ЕН₁₁ распространяется либо в многомодовом режиме, как, например, для случая при R=5,0 мм, Т=1,7 мм, а=1,52 мм при b/Т=0,2, что соответствует относительным размерам a/R=0,3 и T/R=0,34 (фиг. 7), либо как, например, при R=5,0 мм, Т=3,55 мм, а=2,3 мм при b/Т=0,2, что соответствует относительным размерам а/λн=0,46 и T/R=0,71 (фиг. 8), волна ЕН₁₁ распространяется в узком частотном диапазоне с высоким уровнем погонных потерь.

Заявляемое устройство может быть изготовлено следующим образом.

Трубка из токопроводящего материала - металла, сплава из нескольких металлов, биметаллического состава или токопроводящего пластика - в соответствующей матрице подвергается гидроформованию, за счет чего трубка приобретает заданную форму. Заготовка получает требуемые геометрические размеры, обеспечивающие свойства гибкого круглого гофрированного одномодового волновода.