Радиотехника и электроника, 2021, T. 66, № 6, стр. 565-570

ВВЕДЕНИЕ

Мода Н₀₁ круглого многомодового металлического волновода имеет очень малые тепловые потери при распространении, что делает привлекательным ее использование в длинных трактах. Ограниченное применение круглых волноводов с Н₀₁ модой в первую очередь связано со сложностью реализации возбудителей, излучателей и элементов тракта этой моды.

Возбудители моды Н₀₁ можно разделить на две группы. К первой из них относятся сосредоточенные возбудители (в виде стыков волноводов с различной формой сечения) [1, 2]. К числу их недостатков относятся сравнительно большие потери на преобразование в другие моды круглого волновода и узкая полоса рабочих частот.

Ко второй группе относятся возбудители моды Н₀₁ круглого металлического волновода в виде плавного перехода от одномодового прямоугольного металлического волновода к многомодовому круглому. Основные идеи построения таких возбудителей были описаны в середине ХХ в.

В возбудителе в виде двух полукруглых волноводов, между которыми располагается возбуждающий одномодовый прямоугольный волновод с отверстиями связи, потери в диапазоне 46…52 ГГц составляют 0.9…1.5 дБ при коэффициенте стоячей волны (КСВ), равном 1.05 [3, 4].

Возбудитель, содержащий два плавных волноводных перехода: от прямоугольного сечения – в сектор (с углом раствора 30°) и далее от секторного сечения – к круглому, как показали расчеты [5, 6], может обеспечить потери 0.15…0.2 дБ при длине L ≈ 50…100 λ (λ – длина волны в свободном пространстве). Большая длина возбудителя объясняется тем, что на участке нерегулярного секторного волновода с большими углами разворота эффективно возбуждаются высшие моды, в частности мода Н₁₁, имеющая в секторе 150°…180° фазовую скорость, близкую к фазовой скорости моды Н₀₁. В работе [7] предложен модифицированный возбудитель такого типа, который состоит из пяти секторных участков с углами (град): 30, 120, 180, 270, 360. Длина третьего участка (120°…180°) выбирается из условия минимального возбуждения моды Н₁₁. Однако даже в этом случае необходимая длина L > 25λ.

В работе [8] описан возбудитель, который состоит из трех участков. На первом участке – переходе от одномодового прямоугольного волновода к ортогональному двухмодовому – через Т-образные промежуточные сечения происходит преобразование моды Н₁₀ в моду Н₂₀. На втором участке прямоугольный волновод с модой Н₂₀ плавно деформируется в крестообразный волновод, а на третьем – крестообразный волновод переходит в круглый. Данный возбудитель не нашел широкого применения из-за сложной конструкции. В дальнейшем возбудитель такого вида исследовался в диапазоне частот 75…95 ГГц. Потери в экспериментальном образце возбудителя при длине порядка 60λ составили 1.2 дБ, уровень паразитной моды Н₁₁ менее –10 дБ [9]. В работе [10] была предложена конструкция подобного возбудителя с более простой формой канала. В частности, винтообразные поверхности крестообразного волновода были заменены плоскими. Потери в преобразователе составили менее 0.5 дБ в относительной полосе частот 5%.

В работах [11, 12] описан возбудитель моды Н₀₁ круглого волновода, который также состоит из трех частей. Первая представляет собой волноводный переход от прямоугольного сечения к секторному с углом сектора 60°. Во второй части сектор плавно расширяется до 360°, а третья представляет собой фильтр, который пропускает только моду Н₀₁. Недостатком этого возбудителя являются большая длина и узкая полоса рабочих частот.

В работе [13] представлен возбудитель в виде плавного перехода прямоугольного волновода в Т-образный волновод с постепенно расширяющейся нижней частью, который переходит в ортогональный прямоугольный двухмодовый волновод с Н₂₀ модой (первая часть возбудителя Марье [8]). Далее две половины этого волновода разворачиваются в круглый. Недостатком устройства является значительная длина (более 20λ) и узкая полоса рабочих частот. Потери в работе не приведены.

В работе [14] представлена еще одна из возможных конструкций перехода от прямоугольного волновода с волной H₁₀, основанная на принципе плавной деформации формы поперечного сечения волновода и структуры поля. Волноводный Е-тройник и две скрутки на углы 90° в противоположных направлениях образуют систему двух прямоугольных волноводов, соединенных узкими стенками, в которых возбуждены моды Н₁₀ с равными амплитудами и противоположными фазами. Затем прямоугольные сечения волновода плавно переходят в секторные с общим ребром. По мере увеличения угла секторных волноводов образуется круглый волновод с продольной металлической перегородкой. Обрыв этой перегородки не меняет структуру электромагнитного поля, и поэтому на выходе перехода имеем моду Н₀₁ в круглом волноводе. Для обеспечения требуемой чистоты возбуждения моды Н₀₁ этот возбудитель также должен иметь длину L $ \gg $ λ.

В работе [15] представлены результаты анализа и оптимизации возбудителя Марье [8] с использованием численных методов. Потери возбудителя длиной L = 196.8 мм в диапазоне 33…50 ГГц не превысили 0.2 дБ.

В работе [16] с использованием численных методов оптимизирована конструкция возбудителя Н₀₁, содержащего переход от прямоугольного волновода в секторный и, затем, секторный в круглый, принцип построения которого описан в [5, 6]. Потери преобразователя длиной 171 мм в диапазоне частот 34…36 ГГц не превысили 0.15 дБ. Отметим, что в работе [17] описана аналитическая методика расчета коэффициентов возбуждения паразитных мод в секторном переходе от моды Н₁₀ прямоугольного волновода к моде Н₀₁ круглого волновода.

В работе [18] представлены результаты моделирования и измерений макета возбудителя Марье, изготовленного с использованием 3D-печати и спроектированного в соответствии с процедурой, описанной в работе [15]. Экспериментально подтвержденные потери возбудителя длиной 109 мм в диапазоне 67.5…87.6 ГГц – не более 1.5 дБ.

В работе [19] представлена еще одна конструкция, хотя и имеющая большие габариты, но относящаяся скорее к первой группе возбудителей Н₀₁ (см. выше). Круглый волновод возбуждается четырьмя прямоугольными волноводами через отверстия стенке. Волноводы возбуждаются с одного входа с использованием трех делителей мощности. Из результатов моделирования следует, что потери возбудителя в полосе частот 5.8 ГГц и центральной частотой 34 ГГц не превышают 1 дБ.

Похожая конструкция возбудителя Н₀₁ описана в работе [20]. В полосе частот шириной 2 ГГц с центральной частотой 12 ГГц коэффициент отражения не превышает уровень –30 дБ, а коэффициент возбуждения высших мод не превышает уровень –50 дБ.

Недостатками описанных выше возбудителей в виде плавного перехода от волновода прямоугольного сечения в круглый волновод являются сложная конструкция, большие габариты и, как правило, достаточно большие потери.

Цель данной работы – расширение полосы частот, уменьшение длины и потерь на преобразование возбудителя моды Н₀₁ круглого металлического волновода.

1. КОНСТРУКЦИЯ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ВОЗБУДИТЕЛЯ

Рассмотрим возбудитель, который состоит из трех частей (рис. 1а). Первая часть возбудителя (рис. 1б) представляет собой плавный переход одномодового прямоугольного волновода с входным сечением 7.2 × 3.4 мм², верхняя половина которого постепенно сужается по двум координатам, а нижняя – плавно переходит в два волновода треугольного и далее – секториального сечения, радиус которого 7.2 мм, а угол раствора β₁. На входе прямоугольного волновода возбуждается мода Н₁₀, на выходе первой части формируется мода Н₀₁ секторного волновода (рис. 2).

Рис. 1.

Конструкция возбудителя: общий вид (а) и первая часть (б).

Рис. 2.

Структура электрического поля на выходе первой части возбудителя.

Были рассчитаны с использованием метода конечных элементов зависимости от частоты коэффициента отражения на входе первой части возбудителя длиной 42 мм для различных значений размера h, соответствующих различным углам раствора β₁ (рис. 3).

Рис 3.

Зависимость коэффициента отражения от частоты при h = 3 (1), 4 (2), 5 (3) и 6 мм (4).

Из рис. 3 видно, что максимальную ширину полосы по уровню отражения –20 дБ (27…47 ГГц) обеспечивает выбор значения h = 4 мм, соответствующее значение угла β₁ = 31.5°. Длина перехода выбрана из условия обеспечения уровня коэффициента отражения моды Н₀₁ < –20 дБ в полосе частот 27…47 ГГц.

Также были рассчитаны коэффициенты возбуждения паразитных волн (рис. 4). Черными кружками на кривых здесь и далее отмечены соответствующие критические частоты.

Рис. 4.

Зависимость коэффициентов возбуждения (КВ) мод Н₀₂ (кривая 1) и Н₁₁ (кривая 2) первой части возбудителя от частоты, кружком отмечена соответствующая критическая частота.

Конструкция второй части возбудителя (рис. 5а) состоит из четырех нерегулярных по углам поворота и разворота секторных волноводов (винтовых переходов) с начальным значением угла раствора β₁/2 и конечным β₂ = 45° того же радиуса r (рис. 5б). Выход второй части возбудителя представляет собой крест из четырех 45-градусных секторных волноводов с синфазно возбужденными модами Н₀₁ (рис. 6).

Рис. 5.

Конструкция второй части возбудителя: общий вид (а) и нерегулярный секторный волновод (б).

Рис. 6.

Структура электрического поля на выходе второй части возбудителя.

Также методом конечных элементов были рассчитаны и представлены частотная зависимость коэффициента отражения (кривая 1) на входе нерегулярного секторного волновода длиной 36 мм и коэффициенты возбуждения мод Н₀₁, H₁₁ и Н₀₂ на его выходе (кривые 2–4 соответственно).

Длина перехода выбрана из условия обеспечения уровня коэффициентов отражения моды Н₀₁ и возбуждения паразитных мод менее –20 дБ в диапазоне частот 27.5…47 ГГц.

Конструкция третьей части возбудителя содержит четыре симметричных секторных разворота (рис. 8а) от угла β₂ = 45° до угла β₃ = 90° с постоянной угловой скоростью, которые в конце образуют круглый волновод (рис. 8б).

Рис. 7.

Зависимость коэффициентов отражения (кривая 1) и возбуждения мод Н₀₁ (2), H₁₁ (3) и Н₀₂ (4) второй части возбудителя от частоты, кружочками отмечены соответствующие критические частоты.

Рис. 8.

Третья часть возбудителя: один из четырех симметричных секторных разворотов (а) и круглый волновод (б).

Рассчитанные частотные зависимости коэффициентов отражения на входе и возбуждения моды Н₀₁ на выходе третьей части возбудителя длиной 24 мм представлены на рис. 9 (кривые 1 и 2 соответственно). Там же показаны коэффициенты возбуждения паразитных мод на выходе возбудителя (кривые 3, 4) (в каждом из секторных волноводов). Длина перехода выбрана из тех же условий, что и для второй части возбудителя.

Рис. 9.

Зависимости коэффициентов отражения на входе S₁₁ (кривая 1) и возбуждения моды Н₀₁ на выходе (кривая 2), а также коэффициентов возбуждения паразитных мод H₁₁ (3) и H₀₂ (4) на выходе возбудителя.

Далее с использованием электродинамического моделирования был проведен анализ возбудителя длиной 102 мм, состоящего из трех оптимизированных выше частей, выполненных из латуни.

На рис. 10 приведены частотные зависимости коэффициента отражения на входе возбудителя, рассчитанные с использованием методов конечных элементов и конечных разностей во временной области. Как видно из рисунка, в полосе частот 27.3…46.95 ГГц (относительная полоса частот 53%) коэффициент отражения не превышает уровень –15 дБ.

Рис. 10.

Зависимости коэффициента отражения S₁₁ на входе возбудителя от частоты, рассчитанные с использованием методов конечных элементов (кривая 1) и конечных разностей во временной области (кривая 2).

На рис. 11 в тех же обозначениях приведены частотные зависимости коэффициента возбуждения (передачи) моды Н₀₁, также рассчитанные двумя методами. Видно, что в указанной выше полосе частот потери моды Н₀₁ менее 0.15 дБ.

Рис. 11.

Зависимости коэффициента возбуждения моды Н₀₁ от частоты, рассчитанные с использованием методов конечных элементов (кривая 1) и конечных разностей во временной области (кривая 2).

На рис. 12 приведены частотные зависимости коэффициентов возбуждения паразитных мод на выходе возбудителя, рассчитанные методом конечных элементов. Из рисунка видно, что уровень возбуждения паразитных волн не превышает –20 дБ.

Рис. 12.

Зависимости коэффициентов возбуждения паразитных мод на выходе возбудителя от частоты, рассчитанные с использованием метода конечных элементов: Н₁₁ (1), Н₂₁ (2), Е₁₁ (3), Е₂₁ (4), Н₄₁ (5).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы.

1. Предложенная и исследованная конструкция возбудителя моды Н₀₁ при относительно небольшой собственной длине (менее 10 длин волн на нижней частоте диапазона) обеспечивает сверхширокополосный режим работы при потерях менее 0.15 дБ, уровне коэффициента отражения ниже –15 дБ, а коэффициента возбуждения паразитных волн – ниже –20 дБ.

2. Достоверность полученных характеристик возбудителя обеспечена проведением численного эксперимента с использованием двух апробированных методов электродинамического моделирования (конечных элементов и конечных разностей во временной области).