3.6. ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ ГОФРИРОВАННЫЕ ЭЛЛИПТИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДЫ (ЭВГ)
Рис. 3.13. Общий вид конструкции эллиптического гофрированного волновода
Таблица 3.10
Основные электрические параметры отечественной серии эллиптических гофрированных волноводов
В отечественной промышленности в конце 60-х годов была разработана серия гофрированных эллиптических волноводов [37]. Общий вид конструкции волновода представлен на рис. 3.13. Здесь 1 — медная гофрированная оболочка (медь марки МОБ, мягкая); 2 — слой вязкой адгезивной массы (ВАМ), служащий для крепления медной оболочки к защитному покрытию 3, предохранения медной оболочки от окисления и защитного покрытия от растрескивания. Защbтное покрытие выполнено из светостабилизированного полиэтилена низкой плотности (полиэтилен марки 153-10К или 102-10К согласно ГОСТ 16336—70). Через 2а1, 2a2, 2a3 и 2b1, 2b2, 2b3 обозначены большие и малые оси эллипсов, образованных внутренними, внешними выступами гофров и наружным покрытием соответственно; Т — шаг (период) гофра; ,2h— глубина гофра.
Основные конструктивные данные и электрические параметры эллиптических волноводов отечественного производства сведены в табл. 3.10.
Рис. 3.14. График зависимости величины большой оси внутренней полости от нижней рабочей частоты ЭВГ
Рис. 3.15. Расчетная зависимость коэффициента затухания ЭВГ от частоты
На рис. 3.14 приведена в логарифмическом масштабе зависимость между величиной большей оси 2a1 внутренней полости и нижней частотой рабочего диапазона ЭВГ. Здесь же на графике под цифрами 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 с помощью горизонтальных отрезков показаны рабочие диапазоны частот ЭВГ.
На рис. 3.15 приведена расчетная зависимость коэффициента затухания ЭВГ от частоты. Как видно из графиков, максимальное значение коэффициента затухания не превышает 0,18 дБ/м.
Технология изготовления эллиптических гофрированных волноводов является частью обширной проблемы цветной, черной металлургии и сварочного производства — изготовления тонкостенных медных, алюминиевых и стальных гофрированных оболочек. Поэтому она заслуживает самостоятельного исследования и изложения и в нашей работе будет рассмотрена кратко.
Общая схема технологического процесса изготовления ЭВГ состоит из следующих операций:
- проверки на соответствие ТУ и ГОСТ и отбраковки исходных материалов — медной ленты, вязкой адгезивной массы, светостабилизированного полиэтилена;
- изготовления сварной трубы, гофрирования ее и профилирования с целью получения эллиптической формы поперечного сечения;
- измерения геометрических размеров в процессе изготовления гофрированной заготовки:
- испытания на герметичность сварного шва путем наблюдения за избыточным давлением внутри гофрированной заготовки;
- наложения защитных покровов — ВАМ и светостабилизированного полиэтилена;
- испытания ЭВГ на соответствие требованиям технических условий;
- маркировки и упаковки волноводов.
В настоящее время существуют различные способы изготовления тонкостенных оболочек и получения на них гофров. Тонкостенные оболочки образуются из лент с помощью формующих устройств и различного вида сварки кромок этих лент. Из всех видов сварки (аргоно-дуговой, радиочастотной, плазменной, электроннолучевой и лазерной) в промышленности нашла массовое применение аргоно-дуговая сварка, т. е. сварка с помощью дуги в атмосфере аргона. Она лучшим образом соответствует условиям кабельного производства и производительности существующих гофрирующих устройств. В случае увеличения этой производительности более предпочтительной будет плазменная сварка.
Из методов гофрообразования, позволяющих вести непрерывный автоматизированный процесс (магнито-импульсная штамповка, гофрообразование коническим пуансоном через эластичную среду и накатка гофров с помощью шайбы), разработчиками технологического процесса выбран метод накатки гофров с помощью шайбы. Этот метод оказался весьма перспективным и при создании волноводов повышенной гибкости, диаметр барабана для намотки которых примерно в 1,5—2 раза меньше, чем у ЭВГ. При изготовлении волноводов повышенной гибкости накатка гофров с помощью шайбы используется для предварительного гофрирования, а окончательные размеры гофра получаются путем осевого поджатия.
Общая схема стана для изготовления гофрированной эллиптической заготовки представлена на рис. 3.16.
Рис. 3.16. Схема стана для изготовления гофрированной эллиптической заготовки:
1 — отдающее устройство; 2 — устройство для очистки медной ленты; 3 — непрерывные ножницы; 4 — формующее устройство; 5 — сварочный узел; 6 — гофрирующее устройство; 7 — профилирующее устройство; 8 — приемный барабан
В устройстве очистки 2 медная лента, поступающая из лентоотдающего механизма 1 емкостью 1500 м, обезжиривается и очищается перхлорэтиленом Ножницы 3 непрерывно подрезают кромку ленты, обеспечивая нужный размер по ширине и образуя «свежий» надрез в целях облегчения сварки. В формующем устройстве 4 происходит образование цилиндрической трубы из плоской ленты при помощи роликов с кольцевыми проточками круглой формы. Сварка в атмосфере аргона идет с помощью дуги, одним из электродов которой является шов волновода, а другим — электрод сварочного узла 5. В гофрирующем устройстве 6 методом обкатно-контактного гофрирования при помощи шайбы с кольцевым формующим выступом на цилиндрической трубе образуется гофрированная структура с заданными размерами. Профилирующее устройство 7 служит для придания круглой гофрированной трубе эллиптической формы заданных размеров. Гофрированная заготовка поступает на приемный барабан 8.
Максимальная скорость получения гофрированной оболочки 15 м/мин. В процессе изготовления через каждые 3—5 м производится измерение геометрических размеров гофрированной заготовки. Для наложения защитных покровов отбираются лишь те заготовки, которые выдерживают испытания избыточным давлением на герметичность.
Наложение вязкой адгезивной массы осуществляется при проходе заготовки через ванну с этой массой, а светостабилизированного полиэтилена — при помощи шприц-пресса. Из шприц-пресса волновод поступает в ванну с проточной водой для охлаждения, а затем на приемный барабан. В процессе наложения оболочек через каждые 3—5 м производится измерение наружных геометрических размеров для определения их соответствия ТУ и контроля за ходом всего технологического процесса.
Изготовленные и намотанные на барабаны ЭВГ направляются далее для проведения электрических, климатических и механических испытаний.
На рис. 3.17 представлен общий вид отрезков гофрированных эллиптических волноводов марок ЭВГ-2, ЭВГ-3, ЭВГ-4 [37] отечественного производства.
Рис. 3.17. Общий вид отрезков эллиптических гофрированных волноводов (ЭВГ) отечественной серии марок ЭВГ-2, ЭВГ-3 и ЭВГ-4
Следует заметить, что гофрообразование при помощи шайбы с кольцевым формующим выступом ведет к получению спирального гофра. Оболочка со спиральной формой гофра обладает большим сопротивлением изгибу и большей «продольной» жесткостью, чем оболочка с кольцевой формой гофра при той же устойчивости поперечного сечения. Для получения кольцевой формы гофра В. А. Горбацевич разработал устройство, в котором гофрообразование ведется при помощи шайбы с винтовым формующим выступом. Волноводы с кольцевой формой гофра обладают большей гибкостью, чем волноводы со спиральной формой гофра при одинаковых электрических параметрах.
Вместе с разработкой гофрированных эллиптических волноводов в отечественной промышленности были разработаны оконечная арматура к ЭВГ и соединительные переходы к другим типам линий: прямоугольным, круглым волноводам и коаксиальным линиям. Эллиптические волноводы могут быть изготовлены оканчивающимися непосредственно необходимым соединителем или фланцем с внутренним отверстием эллиптической формы. Второй путь построения оконечной арматуры более предпочтителен, так как при соединении ЭВГ между собой будут исключены переходы к другим типам линий, ухудшающие фазовую характеристику тракта.
Оконечная арматура разделяется на съемную и несъемную, каждая из которых классифицируется по применению либо в помещении, либо на открытом воздухе. Общий вид одного из вариантов съемной оконечной арматуры показан на рис. 3.18.
В работе [24] предлагается другая конструкция съемной арматуры. В ней нет четко выраженного фланца, что затрудняет соединение волноводов между собой и приводит к необходимости применять для этого специальные хомуты.
Рис. 3.18. Съемная оконечная арматура
Такая арматура имеет большие массу и габариты, чем показанная на рис. 3.18.
Соединительные переходы к прямоугольным и круглым волноводам обеспечивают плавное изменение эллиптического сечения к сечению нужного профиля. Общая длина перехода L может быть приближенно определена из условия
(3.65)
где |Г| — модуль заданного коэффициента отражения; Ζпр и Ζэл — волновые сопротивления волноводов; β = 2π/λ.
Внутренняя поверхность переходов большей частью представляет собой поверхность, образованную пересечением эллиптического усеченного конуса и пирамиды или призмы.
Рис. 3.19. Общий вид формы перехода от эллиптического к прямоугольному волноводу
Рис. 3.20. Общий вид формы перехода от эллиптического к круглому волноводу
При выбранной длине перехода угол при вершине конуса определяется тем, что контур сечения волновода нужного профиля должен быть вписан в эллипс основания конуса (рис. 3.19, 3.20). Углы при вершине усеченной пирамиды, меньшее сечение которой представляет собой сечение нужного профиля, выбираются так, чтобы ее длина не превышала длины перехода (см. рис. 3.19). Такая форма перехода позволяет обрабатывать поверхности оправки на фрезерном или токарном станке.
При переходе, предложенном в работе [24] (рис. 3.21), эллиптический конус также пересекается с призмой. Однако в этом случае вершина конуса обращена внутрь перехода.
Поверхность пересечения этих тел очень сложна, поэтому изготовление оправки (см. рис 3.21) не может быть осуществлено путем фрезерования по плоскости или обточки на токарном станке, как это имеет место в данном случае.
Следует отметить, что переход, показанный на рис. 3.21, обладает и меньшей электрической прочностью, так как в области максимума электрического поля контур поперечного сечения имеет изломы.
Рис. 3.21. Общий вид формы перехода от эллиптического волновода к прямоугольному (а) и последовательность изменения контура поперечного сечения (б) согласно работе [24]
Рис. 3.23. Общий вид переходов от эллиптического волновода к круглому
Рис. 3.22. Общий вид переходов от эллиптического волновода к прямоугольному
Рис. 3.24. Общий вид перехода от эллиптического волновода к коаксиальной линии
На рис. 3.22 и 3.23 показаны переходы от эллиптического волновода к прямоугольному и круглому. Собственный коэффициент отражения от каждого из этих переходов не превышает 0,025. Увеличивая длину перехода, можно уменьшить величину коэффициента отражения. Изготовлений переходов производится методами точного литья или путем гальванопластики.
Разработка и изготовление переходов от эллиптических волноводов к коаксиальным линиям в основном аналогичны разработке и изготовлению таких переходов от прямоугольных и круглых волноводов к коаксиальным линиям. Общий вид перехода от эллиптического волновода к, коаксиальной линии при взаимно перпендикулярном расположении их oceй приведен на рис. 3.24. Собственный коэффициент отражения от коаксиально-волноводного перехода не превышает 10% в рабочей полосе частот эллиптического волновода.
