Способ передачи электромагнитной энергии по квазиоптическому тракту на сверхразмерных круглых волноводах

Способ передачи электромагнитной энергии по квазиоптическому тракту на сверхразмерных круглых волноводах

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

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