Зачем нужен переход
Большая часть СВЧ-аппаратуры имеет коаксиальные разъёмы, а антенны, мощные тракты и миллиметровые узлы — волноводные фланцы. Коаксиально-волноводный переход соединяет два мира: он превращает волну в коаксиальной линии в волну основного типа в прямоугольном волноводе и обратно. Без него не подключить рупор к анализатору, волноводный фильтр к усилителю с разъёмом SMA или волноводный тракт радара к измерительному прибору.
Как он работает
Центральный проводник коаксиальной линии входит в волновод штырём, параллельным узкой стенке, — как маленькая антенна. Штырь возбуждает поле, волна расходится в обе стороны. Со стороны, где волна не нужна, волновод закрыт стенкой на расстоянии четверти длины волны в волноводе: отражённая от неё волна возвращается к штырю в фазе с прямой и уходит вместе с ней в рабочую сторону.
Угловой переход вводит штырь сбоку, торцевой — с торца волновода, с изогнутым штырём или ступенчатым согласованием.
Длина волны в волноводе больше, чем в свободном пространстве, и зависит от частоты. Поэтому расстояние λв/4 точно выдерживается только на одной частоте, а в остальной полосе согласование держат форма штыря, его толщина, ступеньки и диэлектрические втулки. Для средней частоты стандартных сечений:
| Сечение | Широкая стенка a, мм | Средняя частота, ГГц | λв, мм | λв/4, мм |
|---|---|---|---|---|
| WR284 | 72,14 | 3,2 | 122,9 | 30,72 |
| WR187 | 47,50 | 4,9 | 81,2 | 20,29 |
| WR112 | 28,45 | 8,1 | 48,7 | 12,18 |
| WR90 | 22,86 | 10,1 | 39,1 | 9,78 |
| WR62 | 15,75 | 14,6 | 27,0 | 6,74 |
| WR42 | 10,67 | 21,7 | 18,2 | 4,54 |
| WR28 | 7,11 | 32,6 | 12,1 | 3,02 |
| WR15 | 3,81 | 57,8 | 7,1 | 1,77 |
| WR10 | 2,54 | 90,1 | 4,4 | 1,10 |
Из таблицы видно, как быстро уменьшаются размеры: на WR284 штырь стоит примерно в трёх сантиметрах от стенки, на WR10 — чуть больше миллиметра, и ошибка в десятую долю миллиметра там уже сдвигает согласование заметно. Поэтому переходы миллиметрового диапазона изготавливают с допусками в микроны, а их разъёмы — самые хрупкие элементы тракта: 1,0 мм и 1,85 мм требуют аккуратного обращения и тарированного ключа.
Угловой или торцевой
Угловой переход — разъём перпендикулярен оси волновода. Это самая распространённая и технологичная конструкция: хорошо согласуется во всей полосе волновода, даёт низкие потери и компактен по длине. Торцевой переход — разъём на оси волновода, кабель и волновод идут в одну сторону. Он удобен, когда переход продолжает тракт в линию: в стойке, в антенном узле, на измерительном стенде. Торцевой сложнее согласовать, поэтому бывает длиннее.
| Параметр | Угловой | Торцевой |
|---|---|---|
| Направление кабеля | под 90° к волноводу | вдоль оси волновода |
| Длина | короче | длиннее |
| Согласование | проще, КСВН обычно ниже | сложнее, нужна ступенчатая трансформация |
| Где удобнее | на корпусе, у стенки | в линию, в антенном узле |
Какой разъём на какое сечение
Разъём выбирают по верхней частоте волновода и по мощности. Большие сечения до 5 ГГц работают с разъёмами N и 7/16 и фидерными разъёмами для кабелей большого диаметра; средние сечения до 18 ГГц — с N и SMA; выше 18 ГГц — 2,92 и 2,4 мм; миллиметровый диапазон — 1,85 и 1,0 мм. Карта по всем переходам каталога:
Строки — сечения волновода от самых больших к самым маленьким, столбцы — серии коаксиальных разъёмов.
Разъём не должен ограничивать полосу. Если верхняя частота разъёма ниже верхней частоты волновода, переход будет работать только в части его полосы. На сечениях выше 26,5 ГГц выбирайте 2,92 мм и меньше.
Потери, КСВН и мощность
Хороший переход теряет 0,2–0,5 дБ и имеет КСВН 1,15–1,35 во всей полосе волновода. На миллиметровых частотах потери растут до 1 дБ и больше: сказываются потери в миниатюрном разъёме и точность изготовления. Мощность ограничивает не волновод, а разъём: переходы с разъёмом SMA держат десятки ватт, с N — до сотни, исполнения повышенной мощности с разъёмами N и 7/16 — сотни ватт.
Для особых задач есть переходы на Н-образные двухгребневые волноводы с полосой в несколько октав, переходы для круглого волновода и переходы с волновода на микрополосковую линию — чтобы ввести сигнал с волноводного фланца прямо на плату.
Переходы на гребневые и круглые волноводы
Двухгребневый волновод работает в полосе в несколько раз шире обычного — например, 2–18 ГГц одним сечением. Переход на такой волновод сложнее: штырь подключают к гребню, и согласование держат плавным сужением. Такие переходы стоят на входе широкополосных рупоров для испытаний на ЭМС и выдерживают сотни ватт на нижних частотах.
Переход на круглый волновод нужен для вращающихся сочленений и облучателей с круговой поляризацией: круглое сечение поддерживает любую ориентацию поля. Полоса такого перехода уже — около 20 %, потому что у круглого волновода следующий тип волны близко к основному.
Переход на микрополосковую линию
Когда сигнал из волновода нужно завести прямо на печатную плату, без коаксиального кабеля, используют переход волновод — микрополосковая линия. В волновод вводится зонд, выполненный прямо на подложке, или ступенчатый гребень, переходящий в полоску. Такие переходы применяют в модулях приёмопередатчиков миллиметрового диапазона, где каждый разъём — лишние потери и лишний размер. Потери у торцевых и угловых исполнений каталога — 0,2 дБ, КСВН 1,25.
Переходы между сечениями волноводов
Иногда нужно соединить два волновода разных сечений. Между соседними сечениями, например WR112 и WR90, ставят плавный или ступенчатый переход: рабочая полоса — общая часть их диапазонов. Между несмежными сечениями переход длиннее и уже по полосе. Отдельный класс — переходы с прямоугольного волновода на круглый. В каталоге такие переходы есть от 1 до 261 ГГц.
Подстройка согласования
Если переход и нагрузка вместе дают заметное отражение на конкретной частоте, его компенсируют волноводным согласующим трансформатором — отрезком волновода с тремя настроечными винтами. Винты вносят в тракт регулируемую реактивность, и по анализатору её подбирают так, чтобы отражение исчезло. Это рабочий инструмент при отладке трактов передатчиков и антенн, где КСВН нужно довести до 1,05–1,1 на рабочей частоте.
Герметичность и давление
Волноводные тракты радаров и радиорелейных станций часто держат под небольшим избыточным давлением сухого воздуха: влага внутри увеличивает потери и вызывает пробой на большой мощности. Переход в таком тракте должен быть герметичным — с уплотнением фланца и герметичным разъёмом, иначе через него уходит давление. Для открытых трактов на улице переход защищают от попадания воды и конденсата.
Фланцы
Переход должен стыковаться с фланцем тракта. Для прямоугольных волноводов распространены квадратные фланцы с отверстиями под винты, круглые прецизионные для миллиметрового диапазона и фланцы с канавкой под уплотнительное кольцо для герметичных трактов. Для стыковки нужны одинаковый тип и совпадающая разметка отверстий: перед заказом сверьте обозначение фланца на обоих концах.
Как проверить переход
Переход проверяют парой: два одинаковых перехода соединяют волноводными фланцами и измеряют анализатором цепей передачу и отражение с коаксиальных сторон. Потери одного перехода — половина общих. Для точных измерений на волноводе анализатор калибруют волноводным калибровочным набором через переходы, и тогда их влияние исключается.
Типичные ошибки
- Ставят переход с разъёмом SMA на сечение выше 26,5 ГГц — разъём режет полосу.
- Путают фланцы с похожей разметкой: волновод стыкуется со щелью и даёт отражение.
- Затягивают разъём перехода без ключа и разбивают штырь при повторных подключениях.
- Берут переход с разъёмом SMA для передатчика и перегревают центральный проводник.
- Не учитывают потери двух переходов при измерении волноводного узла на коаксиальном стенде.
- Оставляют фланец без защитной крышки, и в волновод попадают пыль и стружка.
Как выбрать переход
- Сечение и фланец волновода — по тракту.
- Разъём: серия с верхней частотой не ниже верхней частоты волновода, пол — под ответную часть.
- Угловой или торцевой — по компоновке.
- Потери и КСВН во всей рабочей полосе.
- Мощность: для передатчиков — исполнения повышенной мощности с разъёмами N или 7/16.
- Материал и покрытие: медь с серебрением для миллиметров, алюминий — для больших сечений.
- Герметичность — для трактов под давлением и на улице.
- Для измерений — пара одинаковых переходов, чтобы проверять их друг на друге.
Модели KADAMM
Все переходы — в разделе волноводных переходов KADAMM.
| Частоты | 320 МГц – 110 ГГц |
| Моделей | 41 |
| Частоты | 320 МГц – 110 ГГц |
| Моделей | 41 |
| Частоты | 1,13 – 18 ГГц |
| Моделей | 28 |
| Частоты | 2,6 – 40 ГГц |
| Моделей | 13 |