RU2730381C1

RU2730381C1 - Single 90-degree angle bending in n-plane in rectangular waveguide structure

Info

Publication number: RU2730381C1
Application number: RU2019136738A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Ефимович Ионов; Кирилл Андреевич Иванов
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар"
Priority date: 2019-11-15
Filing date: 2019-11-15
Publication date: 2020-08-21

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to microwave devices. Invention is single 90° angular bending in the H-plane, characterized by that between the wide bending walls and perpendicular to them two cylindrical metal rods are installed, the axes of which are located at certain distances from both narrow walls, wherein distance from each outer wall to each of axes of rods is 0.546 × A and 0.172 × A with diameter of each rod 0.126 × A, where A is wide width of waveguide wall.EFFECT: technical result is to ensure operation of angle bend in full working frequency range of used waveguide at level of return losses of not more than -30Db.1 cl, 1 dwg

Description

Заявляется одинарный уголковый изгиб в Н-плоскости в составе прямоугольного волновода с углом изгиба 90°. Уголковый изгиб в составе волновода относится к СВЧ технике и может найти применение при создании волноводных трактов различной конфигурации, соединяющих СВЧ приборы, по-разному ориентированные в пространстве, для компактного поворота тракта в Н-плоскости на 90°.A single corner bend in the H-plane is declared as part of a rectangular waveguide with a bend angle of 90 °. Angular bending in the composition of a waveguide refers to microwave technology and can be used in the creation of waveguide paths of various configurations connecting microwave devices, differently oriented in space, for a compact rotation of the path in the H-plane by 90 °.

Волноводные изгибы являются широко распространенными элементами волноводного тракта, главными требованиями к которым являются компактность, технологичность изготовления и обеспечение заданного согласования (заданных значений коэффициентов отражения и передачи) в заданной полосе рабочих частот. Известные пути удовлетворения каждого из этих требований противоречивы и зачастую не приводят в полном объеме к достижению наиболее простой конструкции волноводного тракта, способного работать с высокими электрическими характеристиками во всем диапазоне рабочих частот волновода.Waveguide bends are widespread elements of the waveguide path, the main requirements for which are compactness, manufacturability, and ensuring the specified matching (specified values of the reflection and transmission coefficients) in a specified operating frequency band. The known ways of satisfying each of these requirements are contradictory and often do not fully lead to the achievement of the simplest design of the waveguide path capable of operating with high electrical characteristics in the entire operating frequency range of the waveguide.

Известен одинарный 90° уголковый изгиб прямоугольного волновода в Н-плоскости [Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. Справочник по элементам волноводной техники. - М.: «Советское радио», 1967; Семенов Н.А. Техническая электродинамика. - М.: «Связь», 1973]. Главный недостаток этого устройства - узкополосность, определяемая резким нарушением структуры поля в зоне поворота волноводного тракта.Known single 90 ° corner bend of a rectangular waveguide in the H-plane [Feldshtein AL, Yavich LR, Smirnov V.P. Guide to the elements of waveguide technology. - M .: "Soviet radio", 1967; Semenov N.A. Technical electrodynamics. - M .: "Communication", 1973]. The main disadvantage of this device is its narrow band, which is determined by a sharp violation of the field structure in the zone of rotation of the waveguide path.

Для уменьшения коэффициента отражения и увеличения широкополосности зону поворота волноводного тракта удлиняют, заменяя, например, одинарный 90° изгиб двойным изгибом (2×45°) [Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. Справочник по элементам волноводной техники. - М.: «Советское радио», 1967. - С. 182, рис. 4.22], либо плавным изгибом 1, [Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. Справочник по элементам волноводной техники. - М.: «Советское радио», 1967. - С. 182, рис. 4.25]. Такие конструктивные решения позволяют увеличить ширину рабочей полосы частот изгиба (при заданном допустимом уровне КСВн), однако при этом усложняется технология изготовления изгиба, и существенно возрастают габариты тракта, что наиболее ощутимо в диапазонах сантиметровых и дециметровых волн и не всегда допускается конструктивными и массо-габаритными требованиями к тракту.To reduce the reflection coefficient and increase the broadbandness, the turning zone of the waveguide path is lengthened, replacing, for example, a single 90 ° bend with a double bend (2 × 45 °) [Feldstein A.L., Yavich L.R., Smirnov V.P. Guide to the elements of waveguide technology. - M .: "Soviet radio", 1967. - S. 182, fig. 4.22], or by smooth bending 1, [Feldshtein AL, Yavich LR, Smirnov VP. Guide to the elements of waveguide technology. - M .: "Soviet radio", 1967. - S. 182, fig. 4.25]. Such design solutions make it possible to increase the width of the operating frequency band of bending (at a given permissible level of VSWR), however, this complicates the manufacturing technology of the bend, and significantly increases the dimensions of the channel, which is most noticeable in the ranges of centimeter and decimeter waves and is not always allowed by design and weight-dimensional requirements for the path.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому устройству является одинарный 90° уголковый изгиб прямоугольного волновода в Н-плоскости, содержащий два одинаковых взаимно ортогональных отрезка регулярного металлического прямоугольного волновода, первая пара узких стенок которых образует внутреннее ребро, перпендикулярное широким стенкам, а вторая пара узких стенок соединена перемычкой, расположенной под углом 135° к этим стенкам, отличающийся тем, что между широкими стенками изгиба перпендикулярно им вставлен цилиндрический металлический стержень, ось которого находится в плоскости симметрии изгиба, проходящей через внутреннее ребро и середину перемычки, при этом расстояние от внутреннего ребра до середины перемычки составляет (0,9-1,1)×А, где А - ширина широкой стенки волновода, расстояние от середины перемычки до ближайшей к ней точки поверхности цилиндрического металлического стержня - (13/16…15/16)×А, а диаметр цилиндрического металлического стержня -(1/32…2/32)×А (Патент RU 16044 U1).The closest in terms of the totality of essential features to the claimed device is a single 90 ° corner bend of a rectangular waveguide in the H-plane, containing two identical mutually orthogonal segments of a regular metal rectangular waveguide, the first pair of narrow walls of which forms an internal rib perpendicular to the wide walls, and the second pair of narrow the walls are connected by a bridge located at an angle of 135 ° to these walls, characterized in that a cylindrical metal rod is inserted between the wide walls of the bend perpendicular to them, the axis of which is in the plane of symmetry of the bend, passing through the inner edge and the middle of the bridge, while the distance from the inner edge to the middle of the bridge is (0.9-1.1) × A, where A is the width of the wide wall of the waveguide, the distance from the middle of the bridge to the nearest point on the surface of the cylindrical metal rod - (13/16 ... 15/16) × A, and the diameter of a cylindrical metal rod is (1/32 ... 2 / 32) × A (Patent RU 16044 U1).

Основным недостатком описанной полезной модели является относительная технологическая сложность реализации конструкции и невозможность функционирования в полной рабочей полосе частот волновода.The main disadvantage of the described utility model is the relative technological complexity of the design implementation and the impossibility of functioning in the full operating frequency band of the waveguide.

Перед авторами стояла задача создания уголкового изгиба волноводного тракта, лишенного перечисленных недостатков.The authors were faced with the task of creating a corner bend of the waveguide path, devoid of the listed disadvantages.

Эта задача решается тем, что в прямоугольном волноводе, заполненном диэлектриком или без заполнения, с одинарным 90° уголковым изгибом в Н-плоскости, содержащим два одинаковых взаимно ортогональных отрезка регулярного металлического прямоугольного волновода, одна из пар узких стенок которого образует внутреннее ребро, а вторая пара - наружное ребро, отличающимся тем, что между широкими стенками изгиба перпендикулярно им вставлены два цилиндрических металлических стержня, оси которых находятся на определенных расстояниях от обоих узких стенок, при этом расстояние от наружных узких стенок до каждой из осей стержней составляет соответственно Y=0,546×A и Х=0,172×А, где А - ширина широкой стенки волновода. Диаметр стержней D составляет D=0,126×A.This problem is solved by the fact that in a rectangular waveguide filled with a dielectric or without filling, with a single 90 ° angular bend in the H-plane, containing two identical mutually orthogonal segments of a regular metal rectangular waveguide, one of the pairs of narrow walls of which forms an internal rib, and the second pair - an outer rib, characterized in that between the wide walls of the bend, two cylindrical metal rods are inserted perpendicular to them, the axes of which are at certain distances from both narrow walls, while the distance from the outer narrow walls to each of the axes of the rods is respectively Y = 0.546 × A and X = 0.172 × A, where A is the width of the wide wall of the waveguide. The diameter of the rods D is D = 0.126 × A.

Технический результат заявленного уголкового изгиба в составе прямоугольного волновода, заполненного диэлектриком или без заполнения, состоит в обеспечении его работы в полном рабочем диапазоне частот используемого волновода при уровне обратных потерь не более - 30Дб, что соответствует КСВн <1,06, с предельно простой конструкцией.The technical result of the claimed corner bend as part of a rectangular waveguide, filled with a dielectric or without filling, consists in ensuring its operation in the full operating frequency range of the waveguide used at a return loss level of no more than - 30 dB, which corresponds to VSWR <1.06, with an extremely simple design.

Указанный технический результат достигается благодаря установке в зоне поворота волноводного тракта двух цилиндрических металлических стержней, которые выступают в роли согласующих элементов. В конструкции прототипа положение полосы согласования изгиба в пределах диапазона рабочих частот определяется положением перемычки (перестройка полосы согласования в пределах диапазона рабочих частот осуществляется изменением расстояния R1 от внутреннего ребра изгиба до середины перемычки в пределах (0,9-1,1)×А, при этом подстройка уровня КСВн осуществляется изменением расстояния R2 от середины перемычки до ближайшей к ней точки поверхности металлического стержня в пределах (13/16-f 15/16)×А в зависимости от положения полосы рабочих частот внутри диапазона рабочих частот волновода, ее ширины и заданного предельно допустимого уровня КСВн). Подбор оптимальных значений R1 и R2 при заданной полосе рабочих частот внутри диапазона рабочих частот волновода осуществляется расчетным либо экспериментальным путем.The specified technical result is achieved due to the installation in the zone of rotation of the waveguide path of two cylindrical metal rods, which act as matching elements. In the design of the prototype, the position of the bend matching band within the operating frequency range is determined by the position of the jumper (adjustment of the matching band within the operating frequency range is carried out by changing the distance R1 from the inner bending rib to the middle of the jumper within (0.9-1.1) × A, with In this case, the VSWR level is adjusted by changing the distance R2 from the middle of the jumper to the nearest point on the surface of the metal rod within (13/16-f 15/16) × A, depending on the position of the operating frequency band within the operating frequency range of the waveguide, its width and a given maximum allowable VSWR level). The selection of the optimal values of R1 and R2 for a given band of operating frequencies within the range of operating frequencies of the waveguide is carried out by calculation or experiment.

Заявленный уголковый изгиб в составе прямоугольного волновода иллюстрирует Фиг. 1, на которой показано сечение предлагаемого устройства плоскостью, параллельной широким стенкам отрезков волновода.The claimed corner bend in a rectangular waveguide is illustrated in FIG. 1, which shows a section of the proposed device with a plane parallel to the wide walls of the waveguide segments.

Предлагаемый уголковый изгиб (Фиг. 1) содержит: одинаковые взаимно ортогональные отрезки 1 и 2 регулярного прямоугольного металлического волновода и цилиндрические металлические стержни 3, перпендикулярные широким стенкам. Первая пара узких стенок 4 и 4 соответственно отрезков 1 и 2 волновода образует внутреннее ребро 5, перпендикулярное широким стенкам отрезков волновода. Вторая пара узких стенок 6 и 6 отрезков волновода образует наружное ребро 7. Отрезки 1 и 2 волновода имеют общие непрерывные изогнутые широкие стенки А с поворотом на 90°.The proposed corner bend (Fig. 1) contains: the same mutually orthogonal segments 1 and 2 of a regular rectangular metal waveguide and cylindrical metal rods 3, perpendicular to the wide walls. The first pair of narrow walls 4 and 4, respectively, of sections 1 and 2 of the waveguide forms an inner rib 5, perpendicular to the wide walls of the sections of the waveguide. The second pair of narrow walls 6 and 6 of the waveguide segments forms the outer edge 7. The waveguide segments 1 and 2 have common continuous curved wide walls A rotated by 90 °.

Цилиндрические металлические стержни 3 при отсутствии перемычки принципиально предельно упрощают конструкцию и технологию изготовления изгиба (по сравнению с прототипом) и могут быть закреплены между широкими стенками посредством сварки, пайки, резьбового соединения и др.Cylindrical metal rods 3, in the absence of a jumper, fundamentally simplify the design and manufacturing technology of the bend (compared to the prototype) and can be fixed between wide walls by welding, soldering, threaded connections, etc.

Введение двух цилиндрических металлических стержней 3 не уменьшает электрической прочности устройства (по сравнению с прототипом).The introduction of two cylindrical metal rods 3 does not reduce the dielectric strength of the device (compared to the prototype).

Предлагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device works as follows.

Электромагнитная волна, поступающая на вход отрезка 1 или 2 прямоугольного волновода, проходит до уголкового изгиба с углом изгиба 90°. Уголковый изгиб является неоднородностью и вызывает частичное отражение электромагнитной волны. Установленные в месте изгиба волновода два цилиндрических металлических стержня (индуктивных штыря) также являются неоднородностями, от каждого из которых также частично отражается электромагнитная волна. При соблюдении описанных размерных параметров конструкции уголкового изгиба, диаметров и расположения металлических стержней возникает эффект взаимопогашения всех отражений от всех неоднородностей при суперпозиции всех волн в зоне уголкового изгиба, что позволяет обеспечить работу одинарного 90° уголкового изгиба в Н-плоскости в составе прямоугольного волновода, заполненного диэлектриком или без заполнения, в полном рабочем диапазоне частот используемого волновода при уровне обратных потерь не более -30Дб, что соответствует КСВн <1,06.An electromagnetic wave arriving at the input of section 1 or 2 of a rectangular waveguide passes to a corner bend with a bend angle of 90 °. Corner bending is a discontinuity and causes partial reflection of the electromagnetic wave. Two cylindrical metal rods (inductive pins) installed in the place of the waveguide bend are also inhomogeneities, from each of which an electromagnetic wave is also partially reflected. If the described dimensional parameters of the corner bend design, diameters and arrangement of metal rods are observed, the effect of mutual cancellation of all reflections from all inhomogeneities arises when all waves are superposed in the corner bend zone, which makes it possible to ensure the operation of a single 90 ° corner bend in the H-plane as part of a rectangular waveguide filled dielectric or without filling, in the full operating frequency range of the used waveguide at a return loss level of not more than -30 dB, which corresponds to VSWR <1.06.

Таким образом, устройство обеспечивает конструктивный поворот волноводного тракта, заполненного диэлектриком или без заполнения, с внесением двух согласующихся неоднородностей в волноводный тракт, обеспечивающих низкий уровень отражения СВЧ сигнала от уголкового изгиба во всей рабочей полосе частот.Thus, the device provides a constructive rotation of the waveguide path, filled with a dielectric or without filling, with the introduction of two matching inhomogeneities in the waveguide path, providing a low level of reflection of the microwave signal from the corner bend in the entire operating frequency band.

Устройство полностью взаимно. Его характеристики передачи не зависят от направления распространения волны.The device is completely mutual. Its transmission characteristics are independent of the direction of wave propagation.

Предлагаемое устройство, как и устройство-прототип, может быть изготовлено несколькими известными способами, например, методом литья, методом фрезерования, методом сварки и другими.The proposed device, like the prototype device, can be manufactured by several known methods, for example, by casting, by milling, by welding and others.

Так же, как и для прототипа, при конструировании волноводных трактов достаточно обеспечить длину отрезков 1 и 2 регулярного волновода не менее 1/5А. При выборе этих отрезков любой большей длины существенных изменений частотной характеристики КСВн изгиба не будет.As well as for the prototype, when designing the waveguide paths, it is sufficient to provide the length of segments 1 and 2 of the regular waveguide at least 1 / 5A. When choosing these segments of any greater length, there will be no significant changes in the frequency response of the VSWR bending.

Из описания видно, что заявляемое изобретение может быть реализовано промышленным способом.The description shows that the claimed invention can be implemented in an industrial way.

Литература:Literature:

1. Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. Справочник по элементам волноводной техники. - М: «Советское радио», 1967.1. Feldshtein A.L., Yavich L.R., Smirnov V.P. Guide to the elements of waveguide technology. - M: "Soviet Radio", 1967.

2. Семенов Н.А. Техническая электродинамика. - М: «Связь», 1973 г.2. Semenov N.A. Technical electrodynamics. - M: "Communication", 1973

Claims

A single 90-degree corner bend in the H-plane as part of a rectangular waveguide filled with a dielectric or without filling, containing two identical mutually orthogonal segments of a regular metal rectangular waveguide, one of the pairs of narrow walls of which forms an internal rib, and the second pair - an external rib, which differs by the fact that between the wide walls of the bend, two cylindrical metal rods are inserted perpendicularly to them, the axes of which are at certain distances from both narrow walls forming the outer edge, while the distance from each narrow outer wall to each of the axes of the rods is 0.546 × A and 0.172, respectively × А with the diameter of each rod 0.126 × А, where А is the width of the wide wall of the waveguide.