15.1.2. Размеры и допуски

Для того чтобы окончательные характеристики системы сверхвысоких частот оказались удовлетворительными, необходимо, чтобы в чертежах и технических условиях были сформулированы точные требования на изготовление. Если в чертеже оговариваются условия механической взаимозаменяемости, то необходимо приводить лишь минимальное количество данных, часто называемых проверочными данными. Например, для соединителя с болтами, показанного на рис. 15.2, в поверочные данные следует включить диаметры, положение и длины отверстий для болтов, прямоугольность контактной поверхности и применение определенных механических калибров. Если же чертеж предназначен для изготовления деталей, то дополнительные сведения для данного примера включали бы материал, второстепенные размеры и допуски, расположение фасок и отделку поверхностей.

Рис. 15. 2. Типовые данные, которые должны указываться на чертежах: а — материал; б - допуски на размеры; в — класс обработки поверхности; г - прямолинейность и прямоугольность; д - фаска на соединительной поверхности; е - подрезка торца; ж - использование проверочных калибров.

Номинальные размеры любой данной конструкции обычно определяются посредством теоретического расчета и электрических измерений макета. Длина волны в волноводе и волновое сопротивление волновода зависят от его поперечного сечения и поскольку сверхвысокочастотные системы часто бывают резонансными, или содержат реактивные проводимости, смещенные на критические расстояния, то необходимо тщательно проверять внутренние размеры. На практике требуемые допуски составляют от длины волны в свободном пространстве и поэтому допуски на размеры для всего диапазона сверхвысоких частот в зависимости от типа прибора или узла находятся в пределах от 0,025 до Небольшой радиус в углах прямоугольного волновода несколько изменяет волновое сопротивление и если это изменение не превышает 0,001, то допустимые радиусы в зависимости от размеров волновода лежат в пределах от 0,05 до 1,27.

Влияние изменения номинального размера на электрические параметры трудно определить на основании практически полученных данных и поэтому конструкцию следует разбить на такие простые элементы, как диафрагмы, трансформаторы, штыри и тройники. Поведение этих элементов в зависимости от допусков может оцениваться индивидуально и при последующей сборке должна допускаться возможность взаимной компенсации.

В качестве примера на рис. 15.3 приведена графическая зависимость допуска на ширину несимметричной индуктивной

диафрагмы нулевой толщины от ширины этой диафрагмы; оба размера выражены через поперечное сечение волновода. Кривые рассчитаны в предположении, что диафрагма используется как согласующее устройство, причем параметром является мнимая часть коэффициента отражения, умноженная на В неопубликованной работе Алисона показано, что допуски на другие типы элементов и диафрагм нулевой и конечной толщины имеют один и тот же порядок.

Допуски становятся особенно жесткими в таких устройствах, как вращающиеся сочленения и поляризаторы, где могут распространяться колебания более чем одного вида.

Рис. 15.3. Влияние допусков на электрическую характеристику. Параметром служат числа, являющиеся произведением мнимой части коэффициента отражения на величину .

Например, небольшая эллиптичность круглого волновода с номинальными размерами вызывает относительный сдвиг фаз двух взаимно перпендикулярных плоских волн Это означает, что из-за несовершенства волновода волна с круговой поляризацией и плоскополяризованная волна будут превращаться в волны с эллиптической поляризацией. Фазовые ошибки были рассмотрены в неопубликованной работе Рича и Сеньора; они могут быть рассчитаны по кривой, показанной на рис. 15.4, если взять величину К и подставить в уравнение

где сдвиг фазы, выраженный через номинальную длину волны в волноводе, а соответственно большая и малая оси.

Например, на частоте в трубе диаметром и длиной в получаются сдвиги фаз 1,6° и 90° при разности осей эллипса соответственно 0,0025 и

Для сверхвысокочастотных конструкций существует ряд допусков на размеры, и если принять, что в любом случае

наибольшее отклонение от размера было бы нежелательным, то пришлось бы применять неоправданно жесткие допуски. Статистические соотношения между КСВН, затуханием и величиной неоднородностей и расстоянием между ними для сверхвысокочастотных конструкций были получены Моором [75], Мулленом и Притчардом [79].

Рис. 15. 4. Кривая для расчета фазовых ошибок в деформированном круглом волноводе.

В их анализе предполагается, что комплексные коэффициенты отражения по напряжению малы и являются аддитивными, так что

Далее предполагается, что длины линий между неоднородностями не зависят друг от друга, а все углы 0 лежат в пределах и являются равновероятными и что общее число неоднородностей велико, например Было показано, что общий коэффициент отражения имеет релеевское распределение

где наиболее вероятное значение

Если есть среднеквадратичное значение то

Вероятность того, что коэффициент отражения меньше определяется выражением

Этот результат может быть выражен через КСВН следующим образом:

На рис. 15.5, а приведена графическая зависимость величины от где параметром служит

Рис. 15. 5. Статистическое распределение коэффициентов отражения: а — интегральная вероятность КСВН; б - вероятность того, что КСВН превышает заданную величину лишь в 10% случаев; в — интегральная вероятность того, что коэффициент отражения меньше в полосе частот

Эти кривые могут быть использованы для расчета вероятности того, что среди большого числа возможных конструкций с подобными системами неоднородностей есть частная конструкция, КСВН которой меньше . Дальнейшие результаты можно получить, если через обозначить коэффициент отражения при вероятности превышения заданной величины лишь в 10% случаев. Используя уравнение (15.5), получим

Соответствующая зависимость от для некоторых значений N представлена графически на рис. 15.5, б. Эти кривые позволяют конструктору предсказать результирующую величину КСВН по данному числу неоднородностей и их типичным величинам. В качестве примерной задачи был рассмотрен вопрос о влиянии изменения частоты. При существенном отклонении частоты, когда средняя электрическая длина между неоднородностями должна измениться на , фазы отдельных коэффициентов отражения расходятся настолько, что сумму их можно рассматривать как новую произвольную переменную. Исходя из этого, число независимых частотных

точек расположенных через интервалы будет определяться выражением

где соответственно ширина полосы, длина линии, частота и длина волны. Совместная вероятность того, что в частотных точках будет случаев, когда коэффициент отражения меньше определяется функцией На рис. 15.5, в приведен график функции где по абсциссе отложены нормированные величины а параметром является

В требованиях, предъявляемых к сверхвысокочастотным конструкциям, верхний предел определяется шероховатостью внутренних поверхностей [42]. Разработаны различные градации качества обработки поверхности [119]; они выражаются либо среднеквадратичным, либо средним значением высоты нерегулярностей и находятся в пределах от до Для коротких отрезков передающей линии, которые встречаются в обычных сверхвысокочастотных устройствах, или, когда работа происходит на относительно низких частотах, высококачественная обработка поверхности не является необходимой, но она становится более важной для объемных резонаторов с высокой добротностью и для устройств на миллиметровых волнах. В обычных случаях [126] неровности поверхности не должны превышать половины глубины поверхностного слоя и поэтому в соответствии с частотой и используемым материалом задают чистоту обработки от 0,05 до

Вообще первичное качество поверхности или шероховатость являются результатом действия режущего инструмента, с помощью которого обрабатывается поверхность. Влияние второстепенных факторов качества поверхности, например волнистости с большим периодом, возникшей в результате несовершенства обрабатывающего инструмента, будет мало при условии, если величина нерегулярностей намного меньше длины волны (что обычно выполняется) и укладывается в пределы заданных допусков. При обработке поверхности, обладающей направленными свойствами или следами обработки, метод изготовления должен быть таким, чтобы эти следы оставались параллельными направлению тока сверхвысокой частоты.