Разработка коаксиально-волноводных переходов 8-мм диапазона длин волн

Григорьев Андрей Дмитриевич; Ребров Андрей Николаевич; Уланова Татьяна Александровна

Электроника СВЧ

УДК 621.372

А. Д. Григорьев

Санкт-Петербургский государственный электротехнический

университет "ЛЭТИ" А. Н. Ребров, Т. А. Уланова

ЗАО "Светлана-Электронприбор"

п

//

Разработка коаксиально-волноводных переходов 8-мм диапазона длин волн

Предложена методика проектирования широкополосных соосных коаксиально-вол-новодных переходов, использующая декомпозицию устройства на отдельные автономные блоки, оптимизацию параметров каждого блока в отдельности и дальнейшую их реком-позицию. Для расчета и оптимизации характеристик отдельных блоков использованы как аналитические методы, так и программы математического моделирования. Описаны конструкции и характеристики экспериментальных образцов, подтверждающие эффективность разработанной методики и высокое качество изготовленных устройств.

СВЧ-Устройства миллиметрового диапазона, коаксиально-волноводные переходы

Одним из основных направлений развития СВЧ-техники со времени ее возникновения является освоение все более коротких длин волн. Так, в настоящее время ведется освоение 8-мм диапазона, что требует разработки не только генераторов, приемников, антенн, но и других элементов высокочастотного тракта этого диапазона. Поскольку стандартными устройствами передачи сигналов 8-мм диапазона длин волн служат прямо-

2

угольные волноводы сечением 7.2x3.4 мм и коаксиальные линии сечением 2.92/1.27 мм, возникает необходимость применения коаксиально-волноводных переходов (КВП) для соединения этих линий передачи друг с другом. Такие переходы должны удовлетворять жестким требованиям к допустимому уровню коэффициента стоячей волны (КСВ), ширине рабочей полосы частот, максимальной передаваемой мощности и при этом иметь достаточную жесткость конструкции и допустимую трудоемкость ее изготовления.

Несмотря на то, что ведущие отечественные и зарубежные фирмы выпускают разнообразную номенклатуру КВП, проблема остается актуальной, так как не все эти изделия удовлетворяют поставленным требованиям, особенно по прочности и по стоимости. Коаксиально-волноводный переход соединяет две линии передачи, в которых распространяются разные типы волн и которые обладают различными волновыми сопротивлениями. Кроме того, волновое сопротивление прямоугольного волновода зависит от частоты. Поэтому конструкция КВП должна включать трансформатор волновых сопротивлений и преобразователь типа волны.

В настоящей статье рассмотрены методика проектирования и особенности конструирования соосных КВП (СКВП) миллиметрового диапазона длин волн, имеющих ряд преимуществ по сравнению с обычно применяемыми перпендикулярными КВП [1], а также приведены результаты измерений характеристик изготовленных СКВП.

102 © Григорьев А. Д., Ребров А. Н., Уланова Т. А., 2012

Рис. 1

Конструкция прототипа СКВП показана на рис. 1. Переход состоит из отрезка стандартного прямоугольного волновода 1, трансформатора волнового сопротивления 2, выполненного на отрезках П-образного волновода, преобразователя типа волны 3 и отрезка коаксиальной линии передачи 4. СКВП является достаточно сложным устройством, анализ которого можно проводить только методами электродинамического моделирования с большими затратами вычислительных ресурсов, что делает практически невозможной оптимизацию его конструкции. Поэтому целесообразно воспользоваться методом декомпозиции [1], разбив весь переход на автономные блоки, каждый из которых анализируется отдельно от остальных. Далее в настоящей статье рассмотрено проектирование трансформатора волновых сопротивлений и преобразователя

типа волны на примере перехода с прямоугольного волновода сечением 7.2x3.4 мм2 на коаксиальную линию с размерами поперечного сечения 2.92 х 1.27 мм.

Проектирование трансформатора волнового сопротивления. Исходными данными для его проектирования служат граничные частоты рабочего диапазона (полосы пропускания) /1 - 26 ГТц и /тах = 40 ГТц, практически совпадающие с граничными частотами рабочего диапазона прямоугольного волновода, допустимый коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) в рабочем диапазоне частот 1.15, а также волновые сопротивления сопрягаемых линий передачи (ЛП) и Zo2• Методика синтеза ступенчатых

переходов достаточно хорошо известна [2], поэтому в настоящей статье подробно не рассматривается. Для синтеза прототипа трансформатора с чебышевской характеристикой используется метод неопределенных коэффициентов [3], позволяющий сравнительно просто проводить расчет при количестве ступенек N < 4.

Функция затухания чебышевского перехода имеет вид

Ь = \ + И2тЦ х , (1)

где Ь = Р{п/РолА - рабочее затухание (/|п, - мощности сигнала на входе и на выходе

КВП соответственно); h - амплитудный параметр; Tn x - полином Чебышева первого

рода п-то порядка; х = cos 9 - частотная переменная, причем S - частотный параметр; 9 = 27il/A - электрическая длина ступеньки (/ - ее физическая длина; Л - длина волны в

линии передачи, образующей ступеньку). В полосе пропускания < 1, поэтому параметр S определяет ширину полосы пропускания перехода по уровню рабочего затухания 1 + h . Тогда, учитывая определение рабочего затухания, получим

0.75

0.5

Irin

= 0.02

0.05

R

Рис. 2

Положив в выражении (1) |cos0| = 1, по-

2 2 —1

лучим Lj = 1 + h Тп S . Значение cos 6 = 1 соответствует нулевой длине отрезков ЛП, образующих переход, т. е. непосредственному соединению ЛП между собой. Для такого

соединения =l/l-|r|2 = R +1 V 4R , где Г - коэффициент отражения; R-Zqi/Z^

- перепад волновых сопротивлении сопрягаемых ЛП. Приравняв полученные значения параметру L[, получим

Тп S~l = R-1 / 2hyfR =С. (2)

С учетом определения полинома Чебышева наИдем необходимое число ступенек:

п = arceos с/arceos S 1, (3)

которое необходимо округлить до ближайшего большего целого.

На рис. 2 приведена зависимость S R при п — 4 для двух значений |г|тах, построенная на основе (4), которая позволяет дать предварительную оценку разрешимости поставленной задачи. Действительно, на границах полосы пропускания eos 0/S = ±1. Отсюда

eos02-^; eos= eos п-&2 =—S. Следовательно, длины волн в ЛП, соответствующие границам полосы пропускания,

Л2 =2nl/arccosS ; Л1=2тс// я - arceos S . (4)

Так как длина отрезка ЛП I - Л0 /4 (Л0 - длина волны в ЛП, соответствующая середине полосы пропускания), формулы (4) можно переписать следующим образом: A2/A0 = л/ 2 arceos S ; А|/А0 = л/2 ti - arceos S . Из этих выражений видно, что с уменьшением значения параметра S полоса пропускания трансформатора расширяется.

При п - 4 волновые сопротивления ступенек определяются следующими соотношениями [3]:

Pl=VÍ; Р2=Я/Рз; р3=у/а/р1; р4=Д/рь (5)

где

4 = - 1/2 -¡2y/ä a-R / Jä + R

a2-R3

R 4ä + R

tg201+tg202 +

+J 1/4 • 2yfä a-R¡ Jä + R 2 - a2-R3 / R yfä + R \ tg2©: + tg2©2 + a/R;

а =

R R-1 / 2tg20^g2©2 + ^R2 R-1 2]/ 4tg401tg4©2 + R3, причем ©^ = arceos eos л/8 ]; 02 = arceos eos Зтг/8 ].

S

1

4

7

Волновое сопротивление прямоугольного волновода сечением 7.2x3.4 мм на центральной частоте 33 ГГц равно 458.9 Ом, а волновое сопротивление последней ступеньки ступенчатого перехода должно быть равно 50 Ом. Отсюда Я = 9.4. Приняв |Г|тах =0.05 КСВНтах =1.1 , по формулам (2) и (3) найдем необходимое число ступенек п — 4 и параметр £ = 0.648. По формулам (5) получим =1.282, р2 = 2.189, р3 = 4.294, р4 = 7.332.

Для реализации ступенчатого перехода выбраны отрезки П-образного волновода с одинаковой шириной выступа м? —1.8 мм. Используя методику расчета таких волноводов, изложенную в [4], найдем длину ступенек I — 2.65 мм и высоту выступов 1\ =0.65 мм,

//2=1.6 мм, = 2.4 мм, и = 2.9 мм.

Расчетная и полученная численным моделированием амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) трансформатора сопротивлений приведены на рис. 3. Различие между результатами расчета и моделирования объясняется тем, что при расчете не учитывались дисперсии в прямоугольном и в П-образном волноводах и зависимость волновых сопротивлений ступенек от частоты.

Проектирование трансформатора типов волн. Поскольку расчет преобразователя очень сложен и на данный момент не существуют теории, которая хотя бы с минимально допустимой точностью позволяла рассчитать геометрические параметры такого трансформатора для проектирования трансформатора типов волн использовалось математическое моделирование конструкции с помощью программного пакета Н^Б. При этом следовало обеспечить минимальную запасенную энергию в трансформаторе, достаточно высокое значение максимальной передаваемой мощности, а также простоту и технологичность его конструкции.

Спроектированный преобразователь состоит из коаксиальной линии передачи, центральный проводник которой 1 (рис. 4) соединен с выступом 2 П-образного волновода последней ступеньки трансформатора сопротивлений. Вырез в этой ступеньке 3 служит для уменьшения реактивной проводимости, подключенной к коаксиальной линии. Зазор Н между выступом и торцевой стенкой волновода необходим для уменьшения краевой емкости и повышения электрической прочности трансформатора. Размеры элементов Н, w, с подобраны с целью получения наилучших результатов. АЧХ оптимизированного преобразователя показана на рис. 5.

КСВН

1.24

1.16

1.08 1.0

25

30 35

Рис. 3

Л ГГц

Рис. 4

I

И

1

2

3

с

КСВН

1.7 -

1.5 -

1.3

КСВН 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0

26 28 30 32 34 36 Рис. 5

¡5

38 /, ГГц ¡4 ¡3

22.5 ¡2

27.5 32.5 Рис. 6 1 И

37.5

/ ГГц

Рис. 7

Характеристики перехода. Компьютерное моделирование каскадного соединения трансформатора и преобразователя, т. е. всего волноводно-коаксиального перехода, показало, что его КСВН в рабочей полосе частот выше максимально допустимого. Поэтому проведена дополнительная оптимизация перехода с учетом технологических и конструктивных ограничений на его размеры:

• длина ступеньки I (см. рис. 4), к которой крепится центральный проводник коаксиальной линии, для надежного крепления должна быть не менее 3 мм;

• высота выреза с не должна превышать 0.85 мм;

торцевая стенка волновода должна иметь закругления, обусловленные технологией изготовления (фрезерованием).

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

АЧХ оптимизированной конструкции показана на рис. 6. При оптимизации добавлена еще одна ступенька перехода длиной /1 (рис. 7).

Как видно на рис. 6, КСВН в рабочем диапазоне 26.. .40 ГГц не превышает 1.07. Учитывая, что было необходимо разработать коаксиально-волноводный переход с характеристиками не хуже чем у аналогов, имеющих КСВН не более 1.15, полученного запаса достаточно для отклонений, вносимых погрешностями производства. Практика показывает, что при изготовлении на предприятии аналогичных КВП в других частотных диапазонах, для соблюдения размеров КВП экспериментальные характеристики соответствуют результатам моделирования.

На рис. 7 показана геометрическая схема оптимизированного перехода, имеющего следующие размеры: =1.15 мм, /2 = 4.3 мм, /3=1.49 мм, /4 = 1.72 мм, /5 = 2.49 мм, к =

= 0.19 мм, 1^ = 0.19 мм, ^ = 2.7 мм, й?2=2-8мм, й?3=2.36мм, й?4=1.56мм, ¿/5= 0.57 мм,

с = 0.85 мм, г = 1.5 мм.

В настоящей статье описана методика проектирования широкополосных соосных СКВП с низким уровнем отражений КСВН <1.15 . Методика предполагает разделение перехода на два автономных блока - трансформатор волновых сопротивлений на основе ступенчатого перехода и преобразователь типа волны. Синтез трансформатора проведен аналитическим мето-

======================================Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2012. Вып. 4

дом неопределенных коэффициентов, а проектирование преобразователя осуществлено математическим моделированием. Эти же программы использованы для окончательной оптимизации конструкции с учетом технологических ограничений на форму и размеры деталей.

Приведен пример разработки КВП миллиметрового диапазона, характеристики которого находятся на уровне лучших зарубежных образцов.

Список литературы

1. Никольский В. В., Никольская Т. И. Декомпозиционный подход к задачам электродинамики. М.: Наука, 1983. 304 с.

2. Фельдштейн А. Л., Явич Л. Р. Инженерный расчет чебышевских ступенчатых переходов // Радиотехника. 1960. Т. 15, № 1. С. 23-29.

3. Фельдштейн А. Л., Явич Л. Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М.: Связь, 1971. 388 с.

4. Волноводы сложных сечений / Г. Ф. Заргано, В. П. Ляпин, В. С. Михалевский и др. М.: Радио и связь, 1986. 124 с.

А. D. Grigoriev

Saint-Petersburg state electrotechnical university "LETI" A. N. Rebrov, T. A. Ulanova JSC "Svetlana-Electronpribor"

Design of 8-millimeter waveband waveguide-coaxial adapters

A procedure for wide-band high quality waveguide-coaxial adapters is considered. The adapter is divided on two parts: impedance transformer and wave mode converter. The first part is synthesized by the analytical method of undetermined coefficients and the second parts - by computer simulation code. Such method makes possible independent design of both parts, so simplifying the problem. After that both parts are united and undergoing additional numerical optimization. The results given in the article demonstrate high efficiency of the proposed procedure.

Millimeter wave devices, waveguide-coaxial adapters

Статья поступила в редакцию 2 декабря 2011 г.

УДК 621.37

С. Н. Артёменко, Г. М. Самойленко

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Коэффициент полезного действия и коэффициент усиления резонансных СВЧ-компрессоров типа SLED*

Проанализированы варианты оптимизации системы накопления СВЧ-энергии типа SLED. Получены соотношения для расчета энергетических характеристик этой системы для получения максимального КПД, максимальной эффективности накопления энергии и максимального усиления мощности.

СВЧ-Энергия, СВЧ-импульс, компрессия

Система резонансной компрессии СВЧ-импульсов типа SLED (Stanford linear energy doubler - удвоитель энергии Стэнфордского линейного ускорителя) используется и развива-

Design of 8-millimeter waveband waveguide-coaxial adapters

Текст научной работы на тему «Разработка коаксиально-волноводных переходов 8-мм диапазона длин волн»