Способ передачи электромагнитной энергии по квазиоптическому тракту на сверхразмерных круглых волноводах

 

СОЮЗ .СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)ю Н 01 P 5/12

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21)4878869/09 (22) 30.10.90 (46) 07;01.93. Бюл. М 1 (71) Научно-исследовательский институт радиоэлектроники и лазерной техники МГТУ им. Н.Э.Баумана (72) И.И.Лебедюк, Ю.Д.Шевченко (56) Техника субмиллиметровых волн/ Под ред. P.À.Âàëèòîâa, Сов. радио, 1969, с. 299323.

Schwerlng F., Zarfler А., Beam

Wavegulde Excitation by the Aperture Field of а Tubular Wavegulde, IEEE Trans. on МТТ, March, 1967, р. 191-192. (54) СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭНЕРГИИ ПО КВАЗИОПТИЧЕСКОМУ ТРАКТУ НА CBEPXPA3MEPHblX

КРУГЛЫХ ВОЛНОВОДАХ (57) Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для передачи

„„5LJ,, 1786560 А1 энергии СВЧ по квазиоптическому тракту с малыми потерями. Цель изобретения— уменьшение потерь из-за преобразования волн Н11 и У11 при включении неоднородностей типа кольцеобразный разрыв стенок в сверхразмерном круглом волноводе. При возбуждении волн Н11 и Е11 в сверхразмерном круглом волноводе 5 с нормированными мощностями 0 843 и 0 157 соответственно неоднородности типа кольцеобразный разрыв стенок сверхразмерного круглого волновода 5 располагают на расстояниях от входной апертуры волновода 5, кратных 1,784 0 /А, где Π— диаметр волновода 5, А — рабочая длина волны в свободном пространстве. В кольцеобразных разрывах стенок волновода 6, имеющих длину, равную О, производится установка . различных элементов тракта 1-4 при сохранении в такте малых потерь. 2 ил.

1786560

Изобретение относится к СВЧ-технике и может быть использовано при разработке трактов сложной конфигурации на сверхразмерных круглых волноводах с неоднородностями типа кольцеобразных разрывов металлических стенок волновода и установленных в них крестообразных сочленений и угловых поворотов для передачи с малыми потерями электромагнитной энергии гауссова пучка в коротковолновой части сантиметрового и миллиметрового диапазонов.

Известен тракт, работающий на волне

Но1 сверхразмерйого круглого волновода, позволяющий изменять направление распространения волны с помощью отражателей, ответвлять часть энергии волны установкой в кольцеобразных разрывах стенок волновода крестообразных сочленений с частично-прозрачной плоской структурой в их диагональной плоскости, а также известен способ уменьшения потерь на преобразование рабочей волны Нр> в нежелательную волне Hm на неоднородностях такого типа, заключающийся в том, что длина прямых секций, соединяющих два одинаковые соседние элементы типа уголкового отражателя или частично-прозрачной плоской структуры в диагональной плоскости крестообразного сочленения, на которых эти преобразования происходят, должна быть равна половине длины волны биений между волнами Ho) и Но2.

Недостатками тракта, работающего на волне Но<, являются неполяризованность излучения; непригодность для большей части случаев практического применения формы диаграммы направленности излучения из открытого конца волновода. При этой причине тракты на основе круглых волноводов с волной Нор на своем конце содержат преобразователи волны типа Нр> в волны типов Н, НЕ, гауссов пучок и другие, что неизбежно приводит у усложнению конст. рукции тракта, снижению электрической прочности и дополнительным потерям мощности, тем самым сводя на нет преимущества применения волны Нщ для передачи электромагнитной энергии по круглым волноводам.

Многие мощные генераторные и усилительные приборы миллиметрового и коротковолновой части сантиметрового диапазона имеют на выходе линейно-поляризованное распределение поля, хорошо аппроксимирующееся функцией Гаусса или легко преобразующееся к гауссову распределению.

Известны устройства для передачи электромагнитной энергии, работающее на линейно-поляризованной волне с гауссо55 мированные мощности 0,843 и 0,157 соответственно и иметь каждая свою фазовую скорость. Потери на прямолинейных участках квазиоптического тракта на сверхразмерном круглом волноводе с двухволновым

50 вым или близким к нему распределением поля, обладающие малыми погонными потерями, такие как линзовый или зеркальный лучеводы, позволяющие без заметного увеличения потерь устанавливать в плоскостях фокусировки лучеводов квазиоптические направленные ответвители или угловые повороты соответственно в виде частичнопрозрачных структур или полностью отражающих пластин, расположенных под углом 45 к оси лучевода.

Недостатком линзового и зеркального лучеводов являются; значительные поперечные размеры, усложняющие экранировку тракта; ограничения мощности для линзового лучевода, связанные с тепловой прочностью диэлектрика линз; необходимость просветления линз для снижения потерь на отражение, а также сложность конструкции зеркал, обеспечивающей их юстировку в лучеводе. По этой причине лучеводы для работы на высоком уровне мощности имеют ограниченное применение: в случае передачи электромагнитной энергии на небольшие расстояния, а также используются совместно с другими видами трактов, например, сверхразмерным круглым волноводам, При возбуждении гауссовым пучком сверхразмерного круглого волновода в последнем возникает целый набор распространяющихся типов волн, каждая из которых имеет в волноводе свою фазовую скорость.

Из известных способов наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ, при котором достигается максимальный коэффициент преобразования рабочих волн круглого волновода в гауссов пучок и, наоборот, — гауссова пучка в рабочие типы волн круглого волновода, Гауссов пучок возбуждается с энергетическим коэффициентом преобразования, близким к единице (0,983), синфазной суперпозицией волн Н и Ец круглого волновода с нормированными мощностями

0,843 и,. 0,157 соответственно. При этом существует оптимальное соотношение между диаметром волновода D и радиусом гауссова пучка на уровне 1/е по мощности рь:

D=4,3 р, (1)

Очевидно, что гауссов пучок при выполнении условий (1) так эффективно возбуждает только волны Hi> и Е11 круглого волновода, которые будут переносить нор1786560 режимом передачи при D/À»1, где Лдлина волны в свободном пространстве, могут быть, как и в случае с режимом работы на волне Но1 незначительными, однако при кольцеобразных разрывах стенок круглого 5 волновода в произвольных сечениях тракта и установке.в этих разрывах крестообразных сочленений с квазиоптическими направленными ответвлениями или отражателей угловых поворотов тракта про- 10 исходит преобразование суперпозиции рабочих типов волн и увеличение потерь передачи электромагнитной энергии.

Недостатком известного способа является отсутствие рекомендации по выбору 15 расстояний от входной аппаратуры сверхразмерного тракта; возбуждаемого гауссовым пучком, на которых следует размещать квазиоптические направленные ответвители и угловые повороты, расположенные в 20 кольцеобразных разрывах круглого волновода, с тем, чтобы потери на преобразование суперпозиции рабочих типов волн Н11 и

Е» были минимальными.

Цель изобретения — уменьшение потерь 25 из-за преобразования волн Н» и Е» при включении неодйородностей типа кольцеобразных разрывов стенок в сверхразмерном круглом волноводе — достигается тем, что неоднородности располагают на рассто- 30 яния от входной аппертуры сверхразмерного круглого волновода, кратных длине волны биений между волнами Н» и Е».

При сравнении предлагаемого и известных способов было установлено, что у дан- 35 ного решения появляются свойства, не совпадающие со свойствами известных решений, при этом делается вывод, что заявленное решение обладает существенной новизной и существенными отличиями. 40

На фиг. 1 изображена схема квазиоптического тракта на сверхразмерном круглом волноводе; на. фиг. 2 — структурная схема экспериментальной установки для измерения потерь в квазиоптическом тракте, 45

Рассмотрим работу квазиоптического тракта на сверхразмерном круглом волноводе, возбуждаемого на входной апертуре гауссовым пучком при соотношении D, р,.:

В таком тракте в сечениях на расстояниях 50

Z=Zn, определяемых из соотношения

Zп,= =-An, (2)

2 2 >2 где Л=,, =1,748 D /Л вЂ” длина

Л1» 1» 55 волны биений волн Н», Е»у» =3,83;

v»=1,84; n=1, 2, 3,..., будет повторяться распределение поля, близкое к гауссову, имеющее уровень боковых лепестков в угловом распределении энергии в случае излучения в свободное пространство — 44 дБ. Зто обстоятельство свидетельствует о малых продольных токах, текущих по стенкам волновода в сечениях Z=Z<, и указывает на возможность разрыва стенок волновода без заметного увеличения потерь передачи энергии для установки крестообразных сочленений с квазиоптическими направленными ответвителями, а также отражателей угловых поворотов тракта.

Выражение для коэффициента преобразования q1 по мощности суперпозиции волн Н», Е» с нормативными мощностями

0,843 и 0,157 соответственно в зависимости от расстояния Z от входной апертуры с достаточной для практики точностью при

D/Л>1 имеет вид: юу1=0,731+0,252соз(2л2/A). (3)

Таким образом, r1 является периодической функцией от расстояния Z с максимальным и.минимальным значениями 0,983 и

0,48 соответственно. При равномерном законе распределения вероятности выбора расстояния 2, на котором может быть установлен элемент тракта, среднестатическое

r/1--0,73, Потери электромагнитйой энергии на преобразование в кольцеобразных разрывах прямых секций, равных диаметру волновода (Ж=0), оцениваются по формуле для коэффициента преобразования расходящегося пучка в исходный, которая имеет вид:

r/2=1-2,17(Л/О) -12,5(Л/D) . (4)

Расчеты показывают, что при соотношении Л/D=0,114 такой разрыв вносит среднестатические потери, равные 10(g(r/1»

xr/2)=-1,5 дБ, В то же время такой разрыв волновода, расположенный на расстояниях входной апертуры тракта, кратных длине волны биений волн Н11 и Е» вносит потери, равные 1039®)=-0,13 дБ.

Пример конкретной реализации способа передачи электромагнитной энергии по квазиоптическому тракту на сверхразмерных круглых волноводах изображен йа фиг, J. В квазиоптическом тракте с входной апертурой 1 и диаметром волновода, выбранным в соответствии с соотношением (1), гауссовым пучком возбуждаются волны

Н» и Е». Тракт содержит неоднородности типа кольцеобразный разрыв стенок волновода: квазиоптические нап равле нные ответвители 2, установленные в диагональных плоскостях крестообразных сочленений, волноводные изгибы 3 в аиде плоских зеркал в угловых сочленениях,,квазиоптические переключатели 4 в виде вращающегося плоского зеркала, эквивалент антенны 5, Корпуса, этих элементов соединены в тракте

1786560 прямыми секциями 6, длины которых равны ляют в среднем — 0,15дБ. Потери, вносимые (или кратны) длине волны биений между четырехканальным квазиоптическим переволнами Н11 и Е11 ключателем в виде отражателя в крестообЭкспериментальная установка для из- разном сочленении, не превышает -0,2 дБ мерения потерь в квазиоптическом тракте 5 при любом положении отражающего зеркасобрана на базе автоматического измерите- ла. Отражатель, установленный в угловом ля КСВ и затуханий типа.Р2-65 с генерато- сочленении, расположенном на расстоянии, ром качающейся частоты 1 и индикатором 2. равном или кратном половине длины волны

В качестве устройства возбуждения 3 гаус- биений, вносит потери — 2,4 дБ. Эксперисова пучка использовался двумодовый ко- 10 ментальные результаты в пределах погрешнический рупор с корректирующей линзой, ности измерений хорошо согласуются с . эффективно преобразующей волну Н>о од- теоретическими оценками. новолнового прямоугольного волновода в Предлагаемый способ передачи электсинфазную суперпозицию волн Н11, Е11 ромагнитной энергии позволяет уменьшить сверхразмерного круглого волновода, рас- 15 потери в квазиоптическом тракте на сверхпределение поля которой линейно-поляри- размерном круглом волноводе, возбуждаезовано и хорошо аппроксимируется мом гауссовым пучком, в среднем на 1,3 дБ функцией Гаусса. 8 конце исследуемого в каждом элементе, и поэтому он удовлетвотракта также использовался приемный дву- ряет критерию "положительный эффект". модовый конический рупор 4 с корректиру- 20 ющей линзой, нагруженный на Формула изобретения направленный ответвитель прошедшей вол- Способ передачи электромагнитной ны. На экране индикатора затуханий высве- энергии по квазиоптическому тракту на чивалась частотная зависимость затухания .сверхразмерных круглых волноводах, запрошедшей через исследуемый тракт мощ- 25 ключающийся в возбуждении волн Н и Е ности. Таким образом измерялись затуха- в сверхразмерном круглом волноводе с норния, вносимые в тракт включением мированными мощностями 0,843 и0,157совходящих в него элементов, ответственно, отл и ч а ю щи и с я тем, что, Рассмотрим результаты эксперимен- с целью уменьшения потерь из-за преобра тальных исследований тракта. Кольцеоб- 30 зования волн Нц и Ец при включении неоразный разрыв тракта на величину днородностейтипакольцеобразныйразрыв диаметра hZ=0 при А/D=O 114 вносит поте- стенок в сверхразмерном круглом волновори-(0,09...0,2)дБ в диапазоне частот вблизи де, неоднородности располагают на рассторасчетной на расстояниях от входной апер- яниях от входной апертуры туры, равных или кратных долине волны би- . 35 сверхразмерного круглого волновода, кратений, Потери, вносимые отражателем в ных 1,748 0 /А, где 0 — диаметр сверхраз2 угловом сочленении, размещенном в месте мерного круглого волновода, 1 — рабочая расположения указанного разрыва, состав- длина волны в свободном пространстве, 1786560

Составитель М. Бергер

Техред М.Моргентал Корректор Э. Лончакова

Редактор Б, Федотов

Заказ 251 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101