ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА КОПЫТНО-КОНСТРУКТОРСКОЙ РАБОТЕРазработка промышленных технологий создания элементов СВЧ трактов миллиметрового диапазона волн с малыми потерями, обеспечивающих передачу СВЧ энергии с уровнем мощности до 10 кВт, шифр Тракт-ФТехнически презентация

диапазона волн с малыми потерями, обеспечивающих передачу СВЧ энергии с уровнем мощности до 10 кВт», шифр «Тракт-Ф» Технический проект

Технического задания на ОКР «Разработка промышленных технологий создания элементов СВЧ трактов миллиметрового диапазона волн с малыми потерями, обеспечивающих передачу СВЧ энергии уровнем мощности до 10 кВт», шифр «Тракт-Ф» утвержденного 10.08. 2011 Директором Департамента радиоэлектронной промышленности Минпромторга РФ Якуниным А.С. и государственного контракта №11411.68000.114 от 10.08 2011.

миллиметрового диапазона (ММДВ) с высоким уровнем мощности широко применяются в установках термоядерного синтеза, установках микроволновой обработки материалов, ускорителях заряженных частиц, радиолокаторах с высокой разрешающей способностью, системах связи и радиоподавления.
Эти потребности стимулировали разработку мощных СВЧ электронных приборов и в последнее время получены практические результаты по созданию СВЧ электронных приборов в миллиметровом диапазоне волн с уровнем мощности от нескольких киловатт до единиц мегаватт. Однако отсутствие промышленных технологических решений по передаче СВЧ энергии от выхода усилительного прибора до антенны с малыми потерями и уровнем проходящей мощности в единицы киловатт и более в непрерывном режиме серьезно сдерживают развитие этих направлений в РФ.

систем спутниковой связи (СпС) миллиметрового диапазона волн (ММДВ). К ним относятся коммерческие системы СпС ММДВ, например, «Италсат» (Италия) и «Сакура» (Япония) а также ряд военных систем. В ближайшей перспективе на базе искусственных спутников Земли (ИСЗ) перечисленных выше СпС планируется создание объединенной системы спутниковой связи ММДВ США и европейских стран.
Вклад систем СпС миллиметрового диапазона по объему передаваемой информации уже составляет 30-35 % от всех систем СпС. При этом системы СпС миллиметрового диапазона волн обеспечивают устойчивую помехозащищенную связь.
В настоящее время на вооружении частей РЭБ ВС Российской Федерации отсутствуют станции помех СпС миллиметрового диапазона волн и аналогов им не существует. Поэтому задача создания техники РЭП системам СпС миллиметрового диапазона

ОКР промышленной технологии будут использованы при создании:
- создании систем спутниковой связи в ММДВ –создании центральных Земных станций спутниковой связи, реализующих фидерные линии в диапазоне 20/30 ГГц для системы спутниковой связи «Арктика МС-1» (ССС «Арктика МС-1») и системы спутниковой связи «Росинфоком» (ССС «Росинфоком»).
Создание ССС «Арктика МС-1» и ССС «Росинфоком» предусмотрено Федеральной космической программой России на 2006-2015 гг. и Федеральной целевой программой «Мировой океан» (с изменениями от 30.09.2009г. и 12.08.2010г.) в части подпрограммы «Освоение и использование Арктики»;

способностью работающих в миллиметровом диапазоне волн, в том числе в РЛС ММДВ «Маринос» разрабатываемой ФГУП НИРФИ (г.Москва).

-автоматизированных станций помех линиям систем спутниковой связи миллиметрового диапазона волн пол ОКР Былина, отнесенной к перспективным образцам ВВСТ и предназначенной для радиоподавления бортовых ретрансляторов систем спутниковой связи миллиметрового диапазона волн «Милстар», «ГБС», «Скайнет», «Сикрал», «Италсат», «Сакура», используемых для связи в оперативно-стратегическом (ОСЗУ), оперативном (ОЗУ), оперативно-тактическом (ОТЗУ) и тактическом (ТЗУ) звеньях управления ВС ведущих зарубежных стран и НАТО.

Все эти приложения требуют разработки линий передачи, способных передавать сигналы высокой мощности в миллиметровом диапазоне волн с малыми потерями. Обычные одномодовые волноводы, работающие на низшем типе волны, в данном случае неэффективны, так как имеют высокие омические потери (порядка 1 дБ/метр) и невысокую пробивную мощность, обусловленную малыми геометрическими размерами.

выхода источника мощности - СВЧ электронного прибора до антенны требуются различные элементы СВЧ тракта - изгибы (повороты), поляризаторы, направленные ответвители, вращающиеся сочленения, нагрузки и др.
Учеными и специалистами Института прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН) на базе развития теории многомодовых волноводов с использованием высших типов волн выполнены теоретико-экспериментальные разработки по созданию элементов волноводных линий передачи высокой мощности в миллиметровом диапазоне волн с малыми потерями.
При проектировании и практической реализации элементов таких линий передач возникает необходимость обеспечить либо сохранение заданной моды, либо преобразование одной моды в другую при реализации дополнительных требований, таких например как, поворот оси волновода, переход на другое сечение и др.

– разработка промышленных технологий создания элементов СВЧ трактов миллиметрового диапазона волн с малыми потерями, обеспечивающих передачу СВЧ энергии с уровнем мощности до 10 кВт.

расчета элементов тракта на многомодовых волноводах, проведено макетирование и получено практическое их подтверждение.
Практической реализацией многомодовых волноводов является круглый волновод с гофрированными внутренними стенками,диаметр такого волновода выбирается в несколько длин волн и более. Подбором гофрировки на внутренних стенках волновода можно добиться того, что поверхностный импеданс стенок будет близок к бесконечному, токи в стенках при этом будут отсутствовать и потерт будут минимальны. Волна внутри такого волновода будет распостраняться по законам геометрической оптики.

волновода является предпочтительнее в данном проекте. Мода НЕ11 удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к волноводному тракту
- НЕ11 мода обладает низкими омическими потерями (малое поле на стенке волновода),
- имеет простую структуру (коэффициент связи с Гауссовым пучком >98%), низкий уровень боковых лепестков при излучении из волновода (-30дБ),
- линейную поляризацию,
- вращающиеся сочленения волноводов технически просто выполнить на НЕ11 моде с вращающейся поляризацией,
- мода хорошо согласуется с модой ТЕ10 стандартного прямоугольного волновода с помощью профилированных волноводных переходов.

Из формулы следует, что в случае отсутствия в тракте интерференционных явлений по волноводу диаметром 40мм в нормальных условиях максимальная передаваемая мощность в моде НЕ11 составляет 4МВт, а в волноводе диаметром 63,5мм – 10МВт. Эти расчеты показывают, что заданная по ТЗ проходящая мощность 10 кВт в непрерывном режиме и 180 кВт в импульсном режиме обеспечивается с более чем 20 кратным запасом

Таким образом, мода НЕ11 в данном конкретном случае является предпочтительной в качестве рабочей моды волноводного тракта и всё дальнейшее проектирование элементов СВЧ тракта будет вестись на моде НЕ11.

в нижеперечисленном составе:
- регулярный волновод на частоты 26,0-32,0 ГГц длиной до30 м
- регулярный волновод на частоты 43,0-46,0 ГГц длиной до30м
- изгибы волноводной линии на диапазон 26,0-32,0 ГГц:-30°,45° ,90°
- изгибы волноводной линии на диапазон 43,0-46,0 ГГц:-30°,45° ,90°
- поляризатор на диапазоне 26,0-32,0 ГГц;
- поляризатор на диапазоне 43,0-46,0 ГГц;
- калориметрическая согласованная нагрузка:
- на диапазон 26,0-32,0 ГГц;
- на диапазон 43,0-46,0 ГГц;
- направленные ответвители :
- на диапазон 26,0-32,0 ГГц;
- на диапазон 43,0-46,0 ГГц;
- преобразователи типов волн (мод) Н10 - ТЕ11 - ТЕ01:
- на диапазон 26,0-32,0 ГГц;
- на диапазон 43,0-46,0 ГГц;
- преобразователи типов волн (мод) Н10 - ТЕ11 - ТЕ12:
- на диапазон 27,5-31,0 ГГц;
- на диапазон 43,5-45,5 ГГц;
- вращающиеся в двух плоскостях сочленения:
- на диапазон 26,0-32,0 ГГц;
- на диапазон 43,0-46,0 ГГц.;

63,5мм (на отдельных участках волноводного тракта).
Гофрировка волновода для диапазона 26-32 ГГц показана на рис.
Для обеспечения герметичности волноводного тракта на торцах волноводных секций выполняются дроссельные канавки и канавки для резиновых колец. Геометрия дроссельных канавок показана на Рис.4б) и Рис. 5б).
Внутренняя поверхность волноводов покрывается Хим.окс.Э, наружняя поверхность покрывается эмалью ПФ-115.

поворачивающие излучение на заданный угол (90°). Поворот излучения можно осуществлять по крайней мере двумя способами –
- плавным изгибом волновода с сохранением поперечного сечения волновода;
- зеркалом, расположенным на пересечении волноводов соединяемых под заданным углом.

учётом потерь на разрыве волновода.

собой законченные компоненты и могут соединяться между собой произвольным образом. Однако конструкцию можно упростить, если расстояние между плоскими зеркалами уголков сделать равным длине биений НЕ11 и НЕ12 мод гофрированного волновода. Как сказано выше, моды НЕ11 и НЕ12 на зеркале уголка при соответствующей взаимной фазе образуют Гауссов пучок (с плоской фазой) с коэффициентом связи около 0,99. Оценим длину биений мод НЕ11 и НЕ12 в гофрированном волноводе радиусом R (Таблица 2).

размещения устройства вращения и уменьшения потерь в уголках конструктивно предпочтителен вариант с гофрированным волноводом диаметром 63,5мм. Для возбуждения смеси мод НЕ11и НЕ12 используем рассчитанный выше преобразователь волноводного изгиба 90° (уголка). Геометрия модельной задачи показана на Рис.23.

плоскостях

относительно положения плоских зеркал и коэффициент передачи заданной смеси мод через сочленения волноводов уменьшается (Рис.23).
Поле с вращающейся поляризацией при прохождении через уголки 1 обеспечивает фиксированный уровень потерь независимо от углов поворота антенны антенны. Уголок 2, размещённый непосредственно перед антенным излучателем (выход гауссова пучка - Рис.23), выполняет функции поляризатора. Плоское зеркало с гофрировкой преобразует круговую поляризацию мод гофрированного волновода в линейную.
Так как гибридные моды НЕ11 и НЕ12 имеют малые поля на стенке волновода, то при длине разрыва L << λ, а L ~ 0.5 мм потери рассматриваемых мод (при любой взаимной фазе) очень малы. Дроссельная канавка (Рис. 5б и 4б), размещённая за разрывом, также уменьшает потери во вращающемся сочленении.

волноводе биений ∅63,5 мм

к антенне в диапазоне 26,0-32Гц. Схема вращающегося в двух плоскостях сочленения волноводов показана на Рис. 26.
Вращающееся сочленение включает в себя следующие компоненты (Рис.26):
Преобразователь моды НЕ11 в смесь мод НЕ11 и НЕ12. Представляет собой профилированный гофрированный переход ∅40-∅63,5мм. В схеме используется преобразователь волноводного изгиба 90° (уголка) с плоским зеркалом.
Корпус волноводного уголка с плоским зеркалом имеет внутри гофрированный волновод ∅63,5мм и может быть соединён как с преобразователем уголка, так и с регулярным волноводом ∅63,5мм.
Вращающееся сочленение волновода ∅63,5мм представляет собой две секции гофрированного волновода установленных на подшипниках с волноводным разрывом (0,5 мм) между ними.
Уголок-поляризатор представляет собой описанный далее поляризатор, преобразующий вращающуюся моду НЕ11 в моду с фиксированной линейной поляризацией.
Секция гофрированного волновода ∅63,5мм может быть использована как антенный облучатель, так как структура поля в выходном сечении (Гауссов пучок) имеет низкий уровень боковых лепестков и кросс-поляризации.

сочленений) перед антенным облучателем. В отличие от обычного уголка с плоским зеркалом, в поляризаторе плоское зеркало заменено на зеркало с мелкой гофрировкой (Рис.32).
Профиль гофрировки в системе координат зеркала

ответвитель для измерения проходящей СВЧ мощности выполняется в одном из волноводных уголков на плоском зеркале.
В плоском зеркале выполнены отверстия связи, обеспечивающие ответвление СВЧ мощности, передаваемой в линии передачи в измерительный канал, представляющие собой прямоугольный стандартный одномодовый волновод 7,2x3,4мм. Восемь отверстий связи расположены симметрично относительно центра плоского зеркала.

с направленным ответвителем и детекторной головкой

уголка (канал высокой СВЧ мощности),
2-Выходной волновод уголка,
3-Плоское зеркало уголка,
4-Прямоугольный волновод (7,2x3,4),
5-Отверстия связи (8 шт.) в плоском зеркале,
6-Согласованная нагрузка,
7-СВЧ детектор.

полной выходной СВЧ мощности гиро-ЛБВ в процессе выполнения регламентных и наладочных работ усилителя, волноводного тракта и антенного устройства.
В состав согласованной калориметрической нагрузки входят следующие компоненты:
- поглощающая секция (нагрузка),
- термоблок (термисторы и электронагреватель погружены в ОЖ, прокачиваемую через поглощающую секцию),
- дифференциальный балансный усилитель, с вольтметром,
- регулируемый источник питания электронагревателя.

Рабочее тело нагрузки – водный раствор этиленгликоля (ОЖ - охлаждающая жидкость) прокачивается через поглощающую секцию калориметрической нагрузки с помощью насоса

Макет единой калометрической нагрузки
диапазонов 26-32 ГГц и 43-46 ГГц.

отдельных компонентов на малом уровне мощности необходимо разработать возбудитель моды НЕ11 гофрированного волновода с вращающейся поляризацией. Такой преобразователь-возбудитель кроме того, может быть использован для измерения частотных характеристик выходного вакуумного окна гиро-ЛБВ. Основанная мода стандартного прямоугольного ТЕ10 с помощью гладкого волноводного перехода трансформируется в стоячую моду ТЕ11 круглого одномодового волновода. Затем на эллиптическом волноводе-поляризаторе мода ТЕ11 со стоячей поляризацией преобразуется в моду с вращающейся поляризацией нужного направления вращения. Последующий аксиально-симметричный преобразователь трансформирует эту моду в желаемую волну НЕ11 гофрированного волновода.

с оптимизированным профилем переменного радиуса,
гофрированного волновода с переменным импедансом и оптимизированным профилем огибающей стенки волновода,
гладкого входного преобразователя ТЕ11-НЕ11 и гофрированного выходного перехода с модой НЕ11.
Все эти технические решения отличаются сложностью изготовления и полосой рабочих частот.
.

гофрированного волновода ∅40 мм на диапазон 26,0 – 32ГГц
Диапазон рабочих частот 26,0 – 32 ГГц.
Входная мода – ТЕ11 круглого одномодового волновода ∅10 мм.
Желаемая выходная мода – НЕ11 гофрированного волновода (бесконечный импеданс) ∅40мм

с переменной глубиной гофрировки

частот 27,5-31 ГГц

исполнение.

Преобразователь мод состоит из трёх секций: перехода с прямоугольного волновода на круглый, эллиптического волновода переменного сечения, профилированного гофрированного перехода круглого сечения ∅10 - ∅40. Необходимо обеспечить возможность присоединения перехода с прямоугольного волновода на круглый непосредственно к профилированному переходу круглого сечения ∅10 - ∅40 (без эллиптического волновода).

собой плавный переход с прямоугольного сечения на круглое длиной 70мм

на круглый. Волновод состоит из двух конических секций, включенных на встречу друг другу. Входное сечение секции - круглый волновод радиусом 5 мм линейно переходящий в эллипс сечением 4,69 x 5,31мм (размеры полуосей эллипса). Длина каждой из конических секций 50мм. Оси эллипса повёрнуты на 45° относительно осей входного сечения 3,4x7,2 мм прямоугольного волновода.

типов мод).

в области механообработки сочетание высоких точностей и сложных форм деталей.
Основные характерные особенности технологических процессов в области СВЧ измерений – высокоточные измерения малых величин затухания и КСВ в диапазоне частот до 46 ГГц и измерения на высоком уровне мощности (более 10 кВт).
Для создания промышленной технологии изготовления элементов СВЧ тракта кроме применения технологических процессов общего применения в рамках настоящей ОКР разрабатываются технологические процессы:
- технология изготовления гофрированных волноводов - основного элемента построения элементов СВЧ тракта;
-технология проверки и испытаний элементов СВЧ тракта в диапазоне до 46 ГГц при уровне проходящей мощности не менее 10 кВт.

правильность принятых решений по реализации элементов волноводных трактов для чего необходимо измерить основные характеристики разрабатываемых устройств:
- величины потерь и КСВ элементов волноводного тракта;
- обеспечение передачи СВЧ сигналов с уровнем мощности не менее 10 кВт в непрерывном режиме.

был использован стенд ИПФ РАН оснащенный гиротроном - источником СВЧ колебаний с выходной мощностью не менее 10 кВт в непрерывном режиме в диапазоне 31 -34 ГГц. Исследования комплексированного СВЧ тракта проводились на частоте 31 ГГц при выходной мощности гиротрона - 12,8 кВт в непрерывном режиме

ГГц.
2.Входная мощность тракта в непрерывном режиме (выходная мощность гиратрона) – 12,8 кВт.
3.Мощность на выходе макетного СВЧ тракта 10,5 кВт.
4. Суммарное затухание в макетном СВЧ тракте ( 8 элементов) -0,55 дБ.
5 Время непревывной работы – 24 часа.
Испытания на проходящую мощность 180 кВт в импульсном режиме на этапе техпроекта не проводились из-за отсутствия источника СВЧ мощности. Выполнение требований ТЗ подтверждено расчетным путем (раздел 4.1.4).

правильность принятых решений.
2.Элементы СВЧ тракта разрабатываемые по настоящей ОКР обеспечивают в соответствии с ТЗ передачу сигналов с уровнем мощности не менее 10 кВт в непрерывном режиме с малыми потерями (допустимые потери по ТЗ- 1.2 дБ,фактически 0,55 дБ.)

стойкости к внешним воздействиям.

Принятые схемотехнические и конструкторские решения по реализации элементов СВЧ трактов  обеспечивают:
- соответствие заданным требованиям при эксплуатации в диапазоне температур: – 50…+ 50°С.
- соответствие заданным требованиям в условиях воздействия повышенной влажности воздуха до 98 % при температуре до 35°С.
- соответствие требованиям при эксплуатации по группе 1.10 по ГОСТ РВ 20.39.304-98 (устройства, работающие на открытом воздухе), в том числе соответствие заданным требованиям в условиях воздействия атмосферных осадков в т.ч. инея и росы, статической и динамической пыли, соляного тумана.
Требования к опытным образцам по воздействию акустического шума, компонент ракетного топлива не предъявляются.

результаты:

1. Выбран оптимальный тип колебаний (мода) в волноводе для реализации элементов волноводного тракта ММДВ с малыми потерями и возможностью передачи сигналов с уровнем мощности не менее 10 кВт ы непрерывном режиме и до 180 кВт в импульсном режиме.
2. Проведены электрические расчеты, выбрана и обоснована конструкции элементов волноводного тракта ММДВ.
3.Проведено макетирование и испытания основных элементов волноводного тракта ММДВ. Испытания подтвердили правильность принятых технических решений, соответствие достигнутых параметров требованиям ТЗ, и целесообразность реализации разработанных конструкций в КД и ТД.
4. Проведена оценка технологичности изделия.
5. Проанализированы ожидаемые технико-экономические показатели.
Также в представляемых материалах подтверждено соответствие другим требованиям ТЗ.