Гибкий волновод для связи металлических волноводов стандартного и сверхразмерного сечений

Изобретение относится к технике микроволнового диапазона и может быть использовано в диагностической аппаратуре, в частности, в радиоинтерферометрах для измерения параметров быстропротекающих процессов движения различных материальных объектов, ударно-волновых и детонационных фронтов, параметров плазмы.

Расположение объекта исследования в труднодоступных местах или обеспечение безопасности и сохранения приемопередатчика (ПП) радиоинтерферометра при диагностике быстропротекающих ударных процессов требуют пространственного разнесения ПП и объекта исследования на единицы-десятки метров и их связи гибким волноведущим зондирующим трактом.

С этой целью в миллиметровом (мм) диапазоне длин волн широко используются диэлектрические волноводы (ДВ) [1].

В приемо-передающей и контрольно-измерительной аппаратуре мм диапазона волн волноводные выходы выполнены на полых металлических волноводах прямоугольного сечения. Применяются волноводы с сечениями, которые приняты стандартными, т.е. обеспечивающими распространение только основной волны Н₁₀ с минимальными потерями для заданного диапазона длин волн (одномодовый режим работы) [2].

Для связи ДВ с металлическими волноводами (MB) применяются волноводные переходы от металлического волновода стандартного сечения к ДВ [3, 4, 5]. Однако уровень погонных потерь в ДВ от 2 до 6 дБ/м в диапазоне длин волн от 3 до 2 мм при энергетических параметрах современных ПП не обеспечивает возможность применения волноведущего зондирующего тракта на ДВ длиной более единиц метров.

Вместе с тем, диагностика целого ряда ударных быстропротекающих процессов в целях безопасности требует разнесения ПП радиоинтерферометра от объекта диагностики на десятки метров.

Известно, что значительного снижения погонных потерь можно достигнуть применением металлических волноводов сверхразмерных сечений. Так, применение прямоугольных металлических волноводов сверхразмерного сечения 7,2 × 3,4 мм² для диапазона длин волн 3...2 мм обеспечивает в указанном диапазоне погонные потери 0,4…0,8 дБ/м [2]. В этом случае можно обеспечить длину волноведущего зондирующего тракта в десятки метров на MB сверхразмерного сечения с гибкими диэлектрическими волноводами на конечных участках тракта для связи с аппаратурой на прямоугольном MB стандартного сечения с одной стороны и для связи с протяженным MB сверхразмерного сечения с другой стороны.

Наиболее близким к предложенному решению является известный волноводный переход от металлического волновода к диэлектрическому, принятый за прототип [5], который обеспечивает переход диэлектрического волновода к MB со стандартным сечением волноводного канала для одномодового режима работы. Для перехода на MB сверхразмерного сечения необходимо дополнительно использовать переход металлического волновода со стандартного сечения на сверхразмерное сечение. Однако в силу многомодового режима MB сверхразмерных сечений для обеспечения возбуждения только основной моды Н₁₀ такие переходы должны иметь длину от 20 до 100 длин волн [6, 7]. Это усложняет конструкцию гибкого волновода для связи MB стандартного и сверхразмерного сечений, что приводит к дополнительным потерям и рассогласованию в местах фланцевого соединения волноводного перехода MB к ДВ и волноводного перехода с одного сечения прямоугольного MB на другое, значительному увеличению габаритов волноводного перехода от MB сверхразмерного сечения к ДВ.

Техническим результатом предложенного изобретения является улучшение согласования волновых характеристик, уменьшение потерь и упрощение конструкции гибкого волновода для связи металлических волноводов стандартного и сверхразмерного сечений.

Указанный технический результат достигается тем, что в гибком волноводе для связи металлических волноводов стандартного и сверхразмерного сечений, содержащем диэлектрический волновод и волноводные переходы от диэлектрического волновода к металлическому волноводу стандартного сечения с одной стороны и к металлическому волноводу сверхразмерного сечения с другой стороны, включающие отрезок металлического волновода с плавно меняющимся сечением волноводного канала от прямоугольного сечения металлических волноводов на выходах гибкого волновода к крестообразному сечению в центральной части волноводного перехода, переходящему в рупорное расширение для связи с диэлектрическим волноводом, причем сечение диэлектрического волновода равно сечению вертикальной части крестообразного сечения волноводного канала отрезка металлического волновода, в одном из волноводных переходов сечение волноводного канала от крестообразного плавно расширяется до прямоугольного сверхразмерного сечения металлического волновода, площадь сечения которого на выходе волноводного перехода определена соотношением: где λ - рабочая длина волны, при этом длина расширяющегося участка волноводного канала не менее 6λ, и отрезок диэлектрического волновода на этом участке выполнен клинообразным.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими чертежами: на фиг. 1 представлен эскиз конструкции гибкого волновода, на фиг. 2. представлено сечение А-А, на фиг. 3 представлено сечение Б-Б, на фиг. 4 представлено сечение В-В, на фиг. 5 представлено сечение Г-Г и на фиг. 6 - сечение Д-Д.

Гибкий волновод для связи металлических волноводов стандартного и сверхразмерного сечений, представленный на фиг. 1, состоит из диэлектрического волновода 1 и волноводных переходов 2 и 3 к металлическим волноводам сверхразмерного и стандартного сечений соответственно.

Волноводный переход 2 в сечении А-А имеет фланец 4 для стыковки с металлическим волноводом сверхразмерного сечения, волноводный переход 3 в сечении Б-Б имеет фланец 5 для стыковки с металлическим волноводом стандартного сечения.

В корпусе волноводного перехода 2 реализован волноводный канал переменного сечения. В центральной части волноводного перехода 2 в сечении В-В волноводный канал имеет крестообразное сечение с вертикальной частью сечения, равной сечению диэлектрического волновода 1. На участке волноводного перехода от сечения В-В до сечения А-А длиной 6λ волноводный канал 6 плавно расширяется от крестообразного сечения до сверхразмерного сечения прямоугольного металлического волновода, площадь сечения S которого выбирается из соотношения а диэлектрический волновод выполнен клинообразным от сечения В-В до сечения А-А.

На участке волноводного перехода 2, от сечения В-В до сечения Д-Д, волноводный канал выполнен с плавным рупорным расширением 7.

Конструкция волноводного перехода 3 отличается от конструкции перехода 2 изменением сечения волноводного канала от крестообразного сечения в центре перехода до прямоугольного стандартного сечения волноводного канала в сечении Б-Б, 8 - рупорное расширение волноводного канала перехода 3.

Гибкий волновод для связи металлических волноводов стандартного и сверхразмерного сечений работает следующим образом.

Гибкий волновод фланцем 5 волноводного перехода 3 стыкуется с выходным металлическим волноводом стандартного сечения приемо-передающей аппаратуры.

Основная волна Н₁₀ металлического волновода прямоугольного сечения по мере распространения по волноводному каналу волноводного перехода 3 переходит в волну крестообразного волновода, близкую по структуре волне Н₁₀ прямоугольного металлического волновода, при этом электрическое поле волны концентрируется в основном в отрезке ДВ 1, заполняющем вертикальную часть крестообразного волноводного канала [5].

Волна на крестообразном волноводном участке в волноводном переходе 3 благодаря концентрации в вертикальном сечении (в сечении ДВ) эффективно переходит в основную волну НЕ₁₁ ДВ по мере распространения в рупорном расширении 8 волноводного перехода 3.

Аналогичным образом, при распространении волны НЕ₁₁ по ДВ 1 происходит обратное преобразование волны НЕ₁₁ в Н₁₀ на крестообразном участке волноводного перехода 2.

На плавно расширяющемся участке волноводного канала перехода 2 от сечения В-В до сечения А-А по мере расширения сечения возможно преобразование основной моды волновода в высшие моды, число которых пропорционально площади сечения S волновода и определяется по формуле Однако, выбирая сверхразмерное сечение волновода на выходе из фланца 4 (сечение А-А) из соотношения , можно обеспечить минимальное преобразование основной моды волновода в высшие типы мод на длине расширяющегося участка волноводного канала от сечения В-В до сечения А-А, равной 6λ, при выполнении диэлектрического волновода на всей длине этого участка клинообразным.

При такой конструкции волноводного перехода в сечении А-А обеспечивается минимальное преобразование основной моды волновода в высшие типы мод благодаря концентрации электромагнитного поля основной моды внутри клинообразного участка ДВ.

Был реализован макет гибкого волновода для связи металлических волноводов стандартного сечения 2,4 × 1,2 мм² и сверхразмерного сечения 7,2 × 3,4 мм² для длины волны, равной 3 мм, диэлектрический волновод был выполнен из фторопласта сечением 2,3 × 1,0 мм². Экспериментальная проверка макета в диапазоне 90-100 ГГц показала, что общие потери в гибком волноводе при длине диэлектрического волновода 0,5 м не превышают 1,1 дБ, при этом потери в каждом из волноводных переходов не превышают 0,3 дБ.

Литература

1. Взятышев В.Ф. Диэлектрические волноводы. Изд-во «Сов. радио», М., 1970, с. 212

2. Техника субмиллиметровых волн. Под ред. Валитова Р.А. Изд-во «Сов. радио», М., 1969, с. 250-256.

3. Орехов Ю.И., Марков А.В., Корнев Н.С. и др. Микроволновый одноканальный радиоинтерферометр с волноведущим зондирующим трактом. Патент РФ №2569581, Н01Р 5/00. Опубл. 27.11.2015. Бюл. №33.

4. Взятышев В.Ф., Рожков Г.Д., Рябов Б.И. Переход от металлического волновода к диэлектрическому. Авт. св-во СССР 333642, Н01Р 5/08. Опубл. 21.03.1972. Бюл. №11.

5. Взятышев В.Ф., Орехов Ю.И., Панкратов А.Г. и др. Волноводный переход от металлического волновода к диэлектрическому. Патент РФ №2557472, Н01Р 5/08. Опубл. 20.07.2015, Бюл. №20.

6. Вершинина Л.Н., Мериакри В.В. Субмиллиметровый волноводный тракт. Радиотехника и электроника, №12, 1967, с. 1815-1817.

7. Терещенков А.И., Должиков В.В. О выборе оптимальной формы многоволнового прямоугольного волноводного перехода. Изв. вузов. Радиотехника т. VIII, №1, 1965, с. 48-54.