Устройство возбуждения волны Н01 в круглом волноводе на основе противофазных диполей

THE EXCITATION DEVICE FOR Н01 MODE IN A CIRCULAR WAVEGUIDE BASED ON ANTIPHASED DIPOLES

Letavin D. A., Mitelman Yu. E.

Ural Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin

19, Mira str., Ekaterinburg, 620002, Russian Federation

Ph.: [phone], e-mail: *****@***ru

Abstract – this paper describes the design of the compact excitation device for TE01 mode of the circular waveguide based on antiphased dipoles. Numerical investigation of the developed device is conducted. As a result, it was found that the device has a transfer index at the frequency of 6.2 GHz, approximately –1 dB. Ways and methods of reducing in the transformation losses and widening of the frequency band are also described.

УСТРОЙСТВО ВОЗБУЖДЕНИЯ ВОЛНЫ Н01 В КРУГЛОМ ВОЛНОВОДЕ НА ОСНОВЕ ПРОТИВОФАЗНЫХ ДИПОЛЕЙ

,

Уральский федеральный университет имени первого Президента России

г. Екатеринбург, 620002, Россия

, e-mail: *****@***ru

Аннотация – в данной работе предложена конструкция компактного устройства возбуждения волны Н01 круглого волновода на основе противофазно возбужденных диполей. Проведено численное моделирование разработанной конструкции. В результате чего было получено устройство, имеющее коэффициент передачи на частоте 6,2 ГГц примерно -1 дБ. Так же рассмотрены пути и методы уменьшения потерь на трансформацию и расширения рабочей полосы частот.

I. Введение

Первые разработки по возбуждению волны Н01 начались в 1940-е года в США, Великобритании, СССР, Франции, Японии и Германии. На сегодняшний день существует множество решений по возбуждению данной волны [1, 2, 3]. Например, в [1] используются торцевые щели, а в [2, 3] показана конструкция перехода от прямоугольного волновода с волной Н10 к круглому волноводу с волной Н01, основанная на принципе плавной деформации формы поперечного сечения волновода. Однако большинство из предлагаемых методов и устройств не пригодны для практической реализации, поскольку в их описании не указаны конкретные алгоритмы для их конструирования, а рассмотрены лишь общие принципы их работы. Также большая часть устройств основана на плавных переходах между волноводами, что приводит к достаточно большим их размерам.

II. Основная часть

Интерес к разработке устройства возбуждения связан с тем, что волна Н01 имеет иной характер зависимости  коэффициента ослабления от частоты в отличие от других типов волн. Волна имеет продольные и поперечные магнитные поля, которые в свою очередь возбуждают поперечные и продольные токи соответственно. У волны Н01 отсутствуют продольные токи, которые приводят к увеличению потерь. Поэтому эта волна, в отличие от других практически используемых типов волн, обладает аномальной дисперсией – затухание монотонно уменьшается с ростом частоты при неизменном диаметре волновода (рис. 1). Но волна Н01 является одной из высших, что приводит к наличию в спектре собственных волн на рабочих частотах большого количества паразитных волн, распространяющихся в том же направлении что и рабочая волна. Так же стоит учесть, что их количество будет только расти с увеличением частоты. Соответственно, устройство возбуждения должно эффективно подавлять эти паразитные волны.

Рис. 1 Затухание волн круглого волновода

Fig. 1 Modes attenuation of circular waveguide

При разработке была поставлена задача получить устройство возбуждения волны Н01 в круглом волноводе из основной волны коаксиальной линии с коэффициентом передачи не менее –2 дБ и подавить паразитные типы волн, тем самым обеспечив максимальный коэффициент передачи устройства.

Рис. 2 Конструкция устройства возбуждения:
1 – коаксиальный вход, 2 – диполи,
3 – фильтр типов волн

Fig. 2 Design of excitation device: 1 - coaxial input,
2 – dipoles, 3 - filter of modes

Полученная конструкция состоит из отрезка круглого волновода и двух диполей установленных внутри, которые возбуждаются с помощью коаксиальной линии (2 на рис. 2). Если учитывать ортогонально поляризованные несимметричные волны, то нужная нам волна Н01 оказывается седьмой в порядке увеличения критических частот.

Данная конструкция отличается от многих других устройств, описанных в литературе, своей простотой: возбуждение волны производится двумя диполями, возбуждаемыми в противофазе через торцевую стенку волновода. Противофазность диполей обеспечивается их обратным включением (к одному плечу первого диполя подключается внутренний проводник коаксиальной линии, а к другому внешний, а на втором диполе наоборот), Данный способ включения обеспечит широкую полосу частот, т. к. не требует установки внешнего фазовращателя. Роль симметрирующего устройства выполняет оплетка коаксиальной линии, замкнутая изнутри на торцевую стенку волновода. Одним из недостатков данного устройства является сложность точной установки диполей в волноводе.

Рис. 3 Конструкция коаксиального входа

Fig. 3 Design of coaxial input

Для устранения влияния паразитных волн, используются фильтры специальной конструкции в виде многолучевой звезды из тонких проводников (рис. 4). Данная конструкция фильтра позволяет добиться подавления паразитных типов волн без подавления рабочей, т. к. только для нее соблюдаются граничные условия – тонкие проводники устанавливаются перпендикулярно силовым линиям вектора E рабочей волны и рабочая волна проходит сквозь фильтр без ослабления, а остальные волны отражаются от него.

Рис. 4 Фильтр типов волн

Fig. 4. Filter of modes

Для расширения полосы частот и увеличения коэффициента передачи применяется несколько фильтров, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. При оптимизации было получено количество фильтров – 5, т. к. при дальнейшем увеличении фильтров изменение характеристик были незначительными.

Результаты компьютерного моделирования устройства с помощью специализированного ПО ANSYS HFSS для круглого волновода диаметром 76 мм представлены на графике зависимости потерь на трансформацию от частоты (рис. 5).

Рис. 5 Коэффициент передачи разработанного устройства

Fig. 5. Insertion loss of the developed device

III. Заключение

1. Разработанное устройство обеспечивает потери на трансформацию менее 1 дБ в пределах рабочей полосы частот около 4 % вблизи центральной частоты 6,15 ГГц.

2. Использование торцевого возбуждения позволяет использовать данную конструкцию для создания компактных эффективных устройств возбуждения.

3. Возможно дальнейшее улучшение характеристик разработанного устройства с использованием резистивной пленки на стенках волновода, благодаря которой все волны, кроме Н0n будут испытывать поглощение;

4. Для усовершенствования устройства также можно использовать в возбуждающем устройстве цилиндрический резонатор, состоящий из колец, на которых будут разрываться продольные поверхностные токи всех типов волн, кроме Н0n, не имеющей продольных токов. Такой резонатор относительно сложен в изготовлении, поэтому чаще используют резонатор на основе спиральной конструкции [2, 4].

IV. References

[1] Malov E. E., Mitelman Yu. E. Razrabotka ustroistva vozbuzhdeniya volny H01 v kruglom volnovode [The development of the excitation device for H01 mode in circular waveguide]. VNKSF-20, Izhevsk, Russia, conference proceedings. PP. 460–462.

[2] Lebedev I. V. Tekhnika i pribory SVCH [Machines and microwave appliances]. In 2 parts, part 1/ Lebedev I. V. M.: High school, 1970. 440p.

[3] Southworth G. C. Principles and applications of waveguide transmission. Van Nostrand, Inc., New York, 1950.

[4] Neganov V. A. Teoriya i primenenie ustroystv SVCH [Theory and Application of microwave devices]  Neganov V. A., Yarovoi G. P. – M.: Radio and communication, 2006. 720p.