波纹管设计

波纹管设计（共12篇）

波纹管设计 篇1

0 引言

为适应公司发展要求, 公司生产的各个环节均应向提高劳动效率、降低劳动强度的方向发展。作为技术人员在车间指导生产时发现, 在电器路工位电线与波纹管穿线环节中, 仍然属于工人纯手工穿线。这种穿线方式对于工人来说不但穿线速度慢, 而且还会频繁摩擦手指, 导致手指脱皮疼痛。为能解决这一穿线问题, 经过在车间实际调查以及与电器路工人师傅沟通研究, 设计一个能够把电线迅速穿进波纹管里的辅助工具。

1 设计原理

穿线前波纹管和电线是分开的, 穿线后电线在波纹管里 (图1) 。

根据波纹管的特征及特性, 穿线时把波纹管的原缝隙撑开, 同时电线从撑开点进入波纹管里。同时拉动电线及波纹管, 使电线和波纹管有序稳定地合在一起。穿线后波纹管穿线撑开部分能够自动复原, 不影响波纹管的质量。故设计穿线原理图如图2所示。

2 参数选择

现公司使用内直径ф6的波纹管主要用于穿单根电线, 内直径ф8的波纹管主要用于冷藏的单根电线及双根电线穿线。经测量单根电线的外直径为2.5 mm。设计的该穿线工具不但要把单根电线穿进内直径准6的波纹管里, 而且也要把双根电线穿进内直径准8的波纹管里。根据穿线原理图, 确定辅助波纹管穿线工具的主要部件及主要部件的布局 (见图3) , 同时也确定主要部件的尺寸参数。

1.底座2.柄杆3.电线穿线柱4.波纹管导向柱5.波纹管护套

2.1 电线穿线柱参数选择

双根电线直径约5 mm, 预留电线穿过时的间隙, 故电线穿线柱内径选择6 mm。为避免电线导向柱的外径与波纹管过度摩擦, 影响穿线时的速度, 原则上电线导向柱的外径越小越好, 考虑现实情况选择8 mm。

2.2 波纹管护套参数选择

内径ф8的波纹管外径经测量约12.4 mm, 为使波纹管导向柱的作用下撑开部分能够自由张开, 故需给波纹管撑开点预留张开空间, 故选择波纹管护套的内径为16 mm, 外径选择无严格要求, 因考虑到工件整体布局性, 外径选择19 mm。为使穿好的电线的波纹管因拉动时电线不从波纹管中脱离, 故波纹管护套的终端口截面与电线穿线柱终端口截面基本一致。

2.3 波纹管导向柱参数选择

内直径ф8的波纹管与电线穿线柱的水平部分为同轴的, 故波纹管导向柱的外径为8 mm。

2.4 柄杆及底座的选择

该件无底座时可手握柄杆操作, 故柄杆宽约25 mm, 长度约90 mm, 适合手握时不胀手, 也不会感到握不紧;加上底座后, 可固定于一个平台上, 工人双手能够完全解放出来用于穿线和拉线, 对穿较长的线束时效率更高。

3 结语

目前根据该辅助波纹管穿线工具的设计原理, 已经制作简易样品在车间中投入使用 (如图4) , 经检验该原理设计成功有效, 充分得到工人的认可。

波纹管设计 篇2

科标橡塑实验室提供波纹管检测、双壁波纹管测试及HDPE双壁波纹管分析服务。科标橡塑实验室是科标化工分析检测有限公司的下属单位。青岛科标化工分析检测有限公司位于青岛市市北区科标大厦，地处国家化工行业产学研示范基地。是一家专业从事橡塑材料、化工产品的分析测试机构，是化工行业产学研示范基地、中国青岛橡胶化工公共技术服务平台检测板块的运营单位。6

波纹管是指用可折叠皱纹片沿折叠伸缩方向连接成的管状弹性敏感元件。波纹管在仪器仪表中应用广泛，主要用途是作为压力测量仪表的测量元件，将压力转换成位移或力。

波纹管管壁较薄，灵敏度较高，测量范围为数十帕至数十兆帕。它的开口端固定，密封端处于自由状态，并利用辅助的螺旋弹簧或簧片增加弹性。工作时在内部压力的作用下沿管子长度方向伸长，使活动端产生与压力成一定关系的位移。活动端带动指针即可直接指示压力的大小。

波纹管常常与位移传感器组合起来构成输出为电量的压力传感器，有时也用作隔离元件。由于波纹管的伸展要求较大的容积变化，因此它的响应速度低于波登管。波纹管适于测量低压。

波纹管试验检测项目有哪些？

（1）波纹管检测项目

环刚度

局部横向荷载试验

柔韧性试验

抗冲击性试验

外观及规格尺寸检测

5根样品3根不合格，则该批产品不合格，2根不合格，再抽取5根，若仍有2根不合格，则该批产品不合格。

（2）预应力混凝土波纹管检测项目

集中荷载作用下径向刚度试验

均布荷载作用下径向刚度试验

变形测量

承受集中荷载后抗渗漏性能试验

弯曲后抗渗漏性能试验

外观及尺寸检测

检验项目有一项不合格时，则应抽取双倍数目对不合格项目进行复核，若仍有一项不合格，则判定该批产品不合格。

波纹管设计 篇3

关键词：HDPE波纹管；山区公路

一、前言

山岭重丘区河沟纵坡陡，水流流速大，在我国山区公路建设过程中，为满足道路横向排水，一般采用钢筋混凝土盖板涵，对于纵坡≥10%的土质路基河沟，或纵坡≥30%的岩石地基河沟常采用台阶平置式陡坡涵，又称阶梯涵。但是该类涵洞存在水力性能差、施工不便、容易因路基的不均匀沉降产生破坏等缺陷。

HDPE双壁波纹管涵洞身采用HDPE双壁波纹管，简称PE波纹管，是以高密度聚乙烯为原料的一种新型轻质管材，具有重量轻、耐高压、韧性好、施工快、寿命长等特点，其优异的管壁结构设计，与其他结构的管材相比，成本大大降低。并且由于连接方便、可靠，在国内外得到广泛应用。因此双壁波纹管涵可以解决了山区传统涵洞解决不了的问题。

二、HDPE双壁波纹管涵的特点

1、颠覆了山区传统涵洞的设计理念

由于路基填土承载力低、路基沉降不均匀，为防止涵洞结构因路基不均匀沉降发生破坏，传统涵洞基础必须设置在天然地基之上。但是山区河沟往往纵坡较大、纵坡变化较大，所以在以往的工程建设中只能采用阶梯涵的形式。

HDPE双壁波纹管涵为柔性结构，可以较好的适应地基变形，因此可以将基础设置于路基填方区内，克服了河沟纵坡对涵洞纵坡的影响，将涵洞设置为缓坡，大大降低了施工难度，保证了工程质量。

普通钢筋混凝土盖板涵受涵顶以上填土压力影响很大，一般填土高度不宜超过8米。对于山区公路，常常需穿越深沟，填土高度大，超过钢筋混凝土盖板涵适用条件，不得不采用桥梁通过。采用HDPE双壁波纹管涵，由于涵洞设置在填方区内，不受河沟地面线的影响，工程投资大幅减低。

2、大大缩短了工期，减小了施工难度

在山区公路建设中，涵洞工程往往成为控制性工程，涵洞工程完工才能为路基大规模施工创造条件。采用HDPE双壁波纹管涵，可以路基与涵洞同步施工，而且涵洞施工难度大幅减低，缩短了涵洞工期，从而大大缩短工程总工期。

3、水力性能优异

传统山区涵洞由于采用阶梯涵，洞身分台错节，水力性能较差，往往造成淤积堵塞、并且清理困难。HDPE管内表面粗糙系数仅为0.009，且洞身顺直，无错台，不易造成堵塞。

4、使用寿命长

HDPE双壁波纹管的安全使期为50年以上，这一点不仅已为国际标准和新国际所证明。普通涵洞采用钢筋混凝土阶梯涵，由于水泥混凝土为硅酸盐类，长期受到酸碱的腐蚀，寿命大大降低。又因阶梯涵施工难度大、施工质量不易保证、路基不均匀沉降、填土荷载对洞身分布不均匀，容易造成应力集中，加快洞身结构的损坏，缩短了结构使用寿命。全国各地山区公路均有洞身损坏，涵洞淤积堵塞造成丧失使用功能的实例。

三、工程实例

野猫山风电场进场道路工程位于云南省大理白族自治州祥云县东山彝族乡北部一帶，为山岭重丘区，高差大、地形破碎，海拔2500m～2875m 之间，道路等级为四级，路基宽度5.5m，设计速度20km/h。其建设情况关系到场内工程的实施和设备、物资的运输，时间紧、任务急。为实现道路的尽快贯通，本项目在沿线填方高度大于10米的冲沟位置设置了8道 HDPE双壁波纹管涵。该类涵洞的实施大大缩短了路基施工工期，降低了涵洞工程造价。至今，涵洞已完工一年多，经历了风电场大件运输及雨季的考验。涵洞结构无破坏；雨季内涵洞排水通畅，无淤积、无堵塞。

四、结语

通过对HDPE双壁波纹管涵在山区公路应用中的实践发现，HDPE双壁波纹管具有良好的抗变形能力，能有效地避免路基不均匀沉降所引起的涵洞结构破坏；能减小了施工难度，大大缩短工期；水力性能优异，不易造成堵塞；运营过程中养护维修简单，费用低。因此，HDPE双壁波纹管涵在山区公路建设中具有较为广阔的推广应用前景。

参考文献：

[1]顾克明、苏清洪、赵嘉行.公路桥涵设计手册（涵洞）[M].人民交通出版社.

波纹管设计 篇4

关键词：膨胀节,位移补偿,减震降噪,盲板力

波纹管膨胀节是当今热力管道中进行柔性补偿的主要部件之一, 具有减振降噪, 位移补偿的作用, 目前在热力管网、石油石化、核电等行业得到广泛应用。尤其在核电领域, GB沟中的管道有的较长, 管道布置又紧凑, 当管道在高温的工况下运行时, 往往在有限的调整空间中无法实现热位移的自然补偿, 这时就需要设置一定类型的金属波纹管膨胀节。波纹管膨胀节可对管道轴向、横向和角位移进行吸收, 对管道柔性设计能够起到很好的效果。

在福清核电工程管道设计中, 除了保证在地震工况下管道具有足够的刚度之外, 还要保证管道在高温条件下具有足够的柔性, 即要求管道“刚柔并济, 能伸能缩”。一般情况下, 应该优先选用改变管道走向以及使用弹簧吊架的方法来增加管道柔性。使用弹簧吊架代替刚性支架, 也可以增加柔性。但有时由于受到场地限制, 管径又较大时, 这时采用波纹膨胀节增加管道柔性会有意想不到的效果。尤其核电厂GB沟、GA沟等非核安全级的管道, 波纹膨胀节的使用更为广泛。

一、力学分析过程

( 一) 问题描述。如图1 所示福清核电工程GB沟一段管道, 在承受设计压力、自重和正常工况下的热胀时57 节点热胀应力比为1. 77, 60 节点热胀应力比为1. 37, 不满足规范要求, 计算结果见表1, 因此需要采取相应措施使该管系弯头端点处热胀应力降低, 保证该管系安全运行。

( 二) 应力超限原因分析。该管系直管段太长, 弯头左端有一段79 米多的直管段, 弯头右端有一段将近30 米的直管段, 在热胀载荷作用下, 管道会沿轴向有较大的热胀位移, 同时管道在弯头处垂直于长直管段的管道长度太小, 长管段方向刚度很大, 无法有效吸收这么大的热胀位移, 导致弯头处应力过大, 变形如图2 所示。

( 三) 处理方案。在该管道设计中, 由于受制于管道布置空间的影响, 无法有效增加 π 形弯来改变管道自身柔性, 此时采用膨胀节来增加管道柔性往往取得良好效果。本管系在增加两个型号为16TBSK300 × 8 - F的波纹膨胀节后, 计算结果见表2。从表2 中看出, 热胀载荷引起的管道应力明显下降, 管系的应力水平维持在合理的范围内。

由于波纹管结构的特殊性, 主要承受轴向的压缩。在受到临界压力的时候, 波纹管形状发生变化, 产生屈曲现象。因此还需要对膨胀节的轴向位移进行单独校核, 以保证膨胀节不会发生失效。波纹膨胀节的实际补偿量与校核结果见表3。通过表3 看出, 膨胀节的位移补偿满足要求。

( 四) 需注意的问题。核电工程中往往采用一种通用型波纹膨胀节, 膨胀节是由若干个单波连接而成, 在承受压缩载荷作用下整体补偿均分到每个波上, 如图3 为波纹管承受轴向变形时的有限元示意图。

作为一种弹性元件, 管道在设置膨胀节后, 由于膨胀节材料在弹性模量、膨胀系数等方面与管道不同, 当管道内压较大时, 由内压作用引起的应力和因管道热膨胀使筒体轴向产生伸缩位移而引起的应力会使膨胀节破坏。尤其前者会造成管道在横截面改变处产生一个内压推力, 通常称为盲板力。因此分析膨胀节的盲板力对于膨胀节的正常使用具有重要作用。

盲板力值等于:

式中Pt—内压推力, N;

P—内压, Pa;

A—波纹管的有效计算面积, m2。

管道除了受到内压推力外, 还要受到因波纹管被压缩产生的弹性力N。

式中N—波纹管弹性力, N;

Kn—膨胀节的总刚度, N/m;

△—总位移, m。

由公式 ( 1) 和 ( 2) 得出管道所受的合力为:

可见当管道直径大, 且压力较高时, 这个载荷是异常巨大的, 必须有一个特定结构或固定支架来抵消。而管系中能够承受内压推力的支架为主固定支架。当管系安装一个或几个普通型膨胀节时, 在管系的端点、分支点、弯曲点等处安装主固定支架。主固定支架除了承受内压产生的推力外, 还要承受因膨胀节位移产生的弹性反力或力矩、摩擦力等。

为了保证膨胀节位移满足要求, 避免膨胀节失稳, 必须在膨胀节的两端设置导向支架。根据李永生主编的《波形膨胀节实用技术- 设计、制造与应用》[2], 一般情况下, 膨胀节两端各设置两个导向支架。膨胀节与第一个导向支架之间的距离为管子外径的4 倍, 第一个与第二个导向支架之间的距离为管子外径的14 倍左右, 其余导向支架的距离可采用下面公式得出:

式中Kn—膨胀节的总刚度, N/m;

△—总位移, m;

拉伸时, 取- Kn△; 压缩时, 取+ Kn△。

以本管系为例, 在跟设计者确认后, 在管系中增加两个型号为16TBSK300 × 8 - F的波纹膨胀节, 膨胀节的两端各设置两个导向支架。另外为承受管道的内压推力, 在膨胀节两侧直管段上各设置一个固定支架, 并按照公式 ( 1) 计算出内压推力的值, 最后以集中力的形式加到自重工况下进行计算。计算完后, 本管系热胀应力比值从1. 77 降到0. 37, 本管道所受应力值控制在合理范围内, 达到RCC - M规定的要求。

二、结语

当长直管道布置受限制时采用合适膨胀节会使热胀应力完全控制在合理范围内。一是当管系管径较大且设计温度较高, 管系受制于空间不便布置 π 形弯时, 可考虑使用波纹膨胀节来增加管道柔性; 当使用一个膨胀节仍旧无法满足管系的应力要求时, 可采用多个膨胀节来降低热胀应力。二是为防止由于内压推力的作用而损坏, 使用时一定要在膨胀节的两侧直管段上设置固定支架。当管道接设备时, 设备也可作为固定支架以抵抗盲板力。三是由于波纹管膨胀节主要承受轴向拉压, 为防止横向位移大引起的膨胀节失稳, 要在膨胀节的两端各设置两个导向支架, 导向支架的距离满足一定要求。即膨胀节与第一个导向支架距离为管道外径的4 倍, 每侧两个导向支架距离为管子外径14 倍。

参考文献

[1]波纹金属软管通用技术条件 (GB/T14525-2010)

钢壁波纹管拼装施工技术方案 篇5

一、拼装涵管概况

拼装波纹涵管是由多片波形板片用螺栓拼接而成，具有板片薄，重量轻，便于运输存放，施工工艺简单，现场安装方便，解决北方寒冷地区对桥梁和管涵的结构破坏问题，组装快速，工期短等优点。进行纵向连接成型。连接螺栓采用M20，8.8级高强度螺栓及弧型垫圈，边缝及螺栓用密封胶处理，钢板表面采用热浸镀锌。组装完成后用喷涂沥青。洞口铺砌及护坡采用M7.5 浆砌片石铺砌或采用钢筋混凝土浇筑洞口。

二、施工方案及施工工艺

挖基→施工放样→基础垫层填筑→管身安装→涵背回填→洞口铺砌

1、挖基

1.1有设计要求时，按照设计要求开挖地基;没有设计要求时，地基基础一般采用 2 X 3.m+管直径m，最小宽度为2 X 1m+管直径m 1.2基坑开挖应按要求进行，当基底土为淤泥等不良土层时，应换填处理，应避免超挖，如超挖，应将松动部分清除，其处理方案应报监理、设计单位批准。

1.3挖至标高的土质基坑不得长期暴露，扰动或浸泡，并应及时检查基坑尺 寸、高程、基底承载力。符合要求后，应立即进行基础施工。

1.4各种土质地基的处理方法

(1)优质土地基

未经筛分的砂、，碎石，砂砾土以及砂质土都是比较理想的地基材料，但需清除10cm以上的石块等硬物。

(2)一般性土质地基

承载能力不太高的普通地基，需设一定厚度的基础。但是，若将涵管地基槽原状土经严格穷实(其穷实度到重型击实密实度的90%以上)以后，也可直接将波纹管置于地基上。

(3)岩石地基

除设计要求有规定之外，波纹管不能直接置于岩石或混凝土基床上，因过于刚性的支承，不但会降低管壁本身所具有的良好柔性，而且还会减小涵管的承载能力。所以对岩石地基应挖掉一部分软岩，换填上一层优质土，并认真穷实。开挖软岩沟槽，不能使用烈性炸药和放深孔炮，以避免过多的外层被炸松散。岩石风化层地基不能作为基础，需换填上3倍直径宽度的填土。

(4)软土地基

当涵管处于软土地基上时，需对软土路基进行处理，然后，在其上填一层大于20cm厚的优质砂砾垫层，并穷实紧密。

1.5预留拱度

埋设于一般土质地基上的波纹管，经过一段时间后，常会产生一定的下沉，而且往往是管道中部大于两端。因此，铺设于路堤下的波纹管的管身要设置预留拱度。其大小根据地基土可能出现的不沉量，涵底纵坡和填土高度等因素综合考虑，通常可为管长的0.2%--1%，以确保管道中部不出现凹现或滑坡。

2、施工放样

对施工场地进行平整，尹安排布置各种材料堆放场地，组织所需机械设备。施工前组织测量人员根据设计图纸放出管涵轴线，打好中边桩，在涵管中轴线和基础范围边缘撒上白色灰线，测出原地面高程。

3、基础垫层填筑

基础垫层材料采用碎石土或砂砾填筑

4、管身安装

(1)管身安装前要求准确放出管涵的轴线和进、出水口的位置，拼装时 要注意端头板片和中间板片的位置，管涵的安装必须按照正确的轴线和图纸 所示的坡度敷设。

(2)管身安装应紧贴在砂砾垫层上，使管涵能受力均匀。基础顶面坡度与设计坡度一致，并且在管身沿横向设预拱度为管节长度的0.2%--1 %，以确保管道中部不出现凹陷或逆坡。

(3)管身采用Q235热轧钢板几块连接一周整体成型后再进行纵向连接。由中心向两端对称进行安装。安装时先安装底片，然后分别向上拼接。每安装5m进行一次管节的圆度和位置校正。如出现偏位，采用千斤顶在偏位的方向向上顶管节进行纠偏。

(4)管节安装需在管节内外搭设施工脚手架，以方便施工操作。

5、密封胶

管节全部拼装完成后，应检查管节位置是否和合设计要求。并在管身内侧所有钢板拼缝采用密封胶进行密封防止泄漏。

6、涂刷沥青

涵管出厂时，涵管及配套附件己经过镀锌处理。其镀锌厚度大于等 于63微米，平均厚度84微米，在没有盐碱水或有害工业废水浸泡以及涵管内经常流水的情况下。其镀膜即可防止锈蚀，否则，可在管节内外水位以下管壁涂上或喷上含有石棉纤维的厚沥青一道；建议内外全部喷涂。或涂涮两遍沥青和石油的拌和物，以加强防腐蚀作用。从外观看管壁内外均匀的涂成了黑管即可。但是必须要等到沥青晾干后方可安装。一般沥青涂层的厚度要达到0.4—0.5mm。此外，还可采用加厚管壁的办法，一般管壁每年蚀耗厚度为O.Olmm--0.03mm。可按计划使用年数和此数值估计增加厚度。两种涂涮剂的配合比 和涂涮方法如下: •含有石棉纤维的厚沥青涂料

涂料的溶剂是高质量的沥青，石棉粉的含量≥30%。喷涂方法:可用气压喷涂，或毛刷涂刷，每次喷涂层厚7mm—8mm，喷涂用量为lkg/m2左右。被喷涂物表面应特别干爽，无油污。涂刷在废水浸泡或常水位以下部分的涵管。

•沥青与煤油的拌和物涂料

涂料沥青与煤油之配合比为54: 46，使用此涂料时应涂刷2遍，使涂刷层总厚度达到0.4mm—0.5mm，涂刷用量为0.6kg/m2。有条件时用喷枪喷涂，效果更好，涂刷部位与上述相同。

7、管背回填

(1)为保证管底的回填质量，管底棋形部位处的回填可采用5种

方案: 采用粗沙“水密法”振荡器密实。

2、采用级配良好的天然砂砾(含水量要求比最佳含水量2%左右)，人工用木棒在管身外向内侧进行夯实，木棒作用点必须紧贴管身，每个凹槽部位都必须夯实到位。

3、采用液态粉煤灰回填。

4、采用轻型混凝土回填。

5、最大粒径不超过3cm的级配碎石回填。然后用小型夯实机械斜向夯实，确保管底的回填质量。

(2)涵背两侧的部位回填采用级配良好的天然砂砾或与路基同材料的回填料。在管身最大直径两侧30cm外使用18T压路机碾压，30cm范围内使 用小型夯实机械夯实，以避免压路机等大型机械设备对管涵的撞击。

(3)填筑时应分层填筑、分层压实，松铺厚度为20cm，压实度要求达 到95%方可进行下层填筑。

(4)填筑必须在涵管两侧同步对称进行。

(5)管顶填土厚度大于或等于0.5m时，才允许施工运输车辆通过。

(6)管体两侧及顶部20米范围内不允许使用强夯机械。

8、洞口铺砌及护坡防护

洞口采用端墙型式或与路基同坡率的斜口形式。洞口铺砌及护坡防护为M7.5浆砌片石，应选择几何尺寸相对长和短的石块交错在同一层使之形成错锁结构，保证错缝砌筑，不得出现竖缝、通缝。外露面要选择石块质地适当，细致色泽均匀，无风化剥落无裂纹的大石块进行凿面凿纹，确保工程外露面的平整和准确的几何尺寸.三、质量保证措施

1、健全质量保证体系，严格质量管理制度，做到优必奖，劣必罚。

2、严格施工前的技术交底，对作业人员定期进行质量教育和考核，教育作业队人员应严格按设计及规范要求施工，确保工程质量。

3、严格控制施工工序，上道工序不合格决不进行下道工序，严格执行“三检”制度，即施工队自检、技术复检、监理工程师检查，对于特别工序实行岗位责任制，使每个过程均受控。

4、规范化管理，是保证质量的有效手段，坚持作业人员持证上岗制，工地作业人员持牌制，质量“三检制”：自检、互检、专检。质量“三工序”制：检查上道工序质量，保证本道工序质量，创造或提供为下道工序的质量条件。

5、实行工程质量持牌管理，增强施工人员责任感。将工程规模，开工日期，质量目标，岗位负责人一一明示，以利于增强透明度和责任感。

6、严把原材料采购、进场、使用、检验关。

外购材料必须三证（出厂证、合格证、检验证）齐全，进场后需按规定抽检，合格后方可使用。材料必须选择质量好，信誉高的厂家订购。

四、安全目标及措施

1、抓生产，首先抓安全，建立安全保证体系，严格安全管理制度，做到违规必纠，有章可依。

2、按照“三不放过”的原则处理所发生的事故，使施工人员吸取事故教训，防止类似事故再发生，对新工人进行‘三级教育”，特种作业人员必须进行专门培训，合格后发证，严禁无证上岗。

3、进入工地必须戴安全帽，高空作业必须系安全带。做好工地用电管理，电器开关必须设防雨棚，配触电保护器。卷扬机提升时设联系信号，由专人指挥，严禁违章指挥、违章作业。

五、文明施工及环境保护措施

1、建立健全管理组织机构。工地成立以项目经理为组长，各部长和生产班组为成员的文明施工和环保管理组织机构。

2、强教育宣传工作，提高全体职工的文明施工和环保意识。

3、制定各项规章制度，并加强检查和监督。

4、合理布置施工场地，合理定置各种施工设施。

星河“波纹” 篇6

时尚外形

NB30改变以往的钢琴烤漆外观，采用的是暗藏式的波纹感官设计风格，乍一看犹如奔流不止的河水，如果仔细看下去的话还会有一种立体图画的感觉。在机身正面的右侧则印有银色的厂商LOGO，让整体看起来不再单一，而更像一个浓缩的银河一样。在机身的四周合理的运用了慢坡状边缘设计，在方正的整体中包含着圆润之美。机身背面和前方的设计大体相同，唯有电池的颜色稍有改变，这也方便了使用者拔、插电池。NB30的内饰颜色是高雅而又代表神秘的黑色，在屏幕的下方印有厂商的白色LOGO。值得一提的是，NB30的键盘采用了符合人体工程学的巧克力键盘设计，在得到了美观的同时也不缺使用性。键盘的下方则是触摸面板，在面板上的设计还是比较中规中矩的。

电源、无线网络等的指示灯也和一般笔记本不同，它们分布在键盘的下边，但是该设计略有不佳。因为一般来说，在操作电脑的时候手已经完全的覆盖了指示灯，这样使用户不能很好的了解到电脑的状态。

在接口方面，NB30的全部接口分布在机身的两侧，左侧提供音频输入、输出接口，1个USB2.0接口，RJ45接口以及电源插孔，机身右侧则提供了2个USB2.0接口，VGA接口以及安全锁孔，机身前端提供了读卡器位，另外，电源开关也设计在机身前端。总体来看，NB30有着前卫和个性的外表，符合了80后白领潮人们体现个性自我的需求。

强劲性能

NB30采用10.1英寸WSVGA LED背光液晶宽屏，在大小如一本杂志上安装10.1英寸的屏幕，应该是相当不错的配置了。在屏幕的上方配有30万像素的高清摄像头，让用户在开视频会议的时候也能游刃有余。NB30不仅有一个美丽的外表，它还具备一个强劲的“心脏”：处理器采用新一代AtomN450处理器，核心频率为1.66GHz，内建512KB的二级缓存，支持超线程技术，整体平台比上代下降了50％，这也意味着上网本将变得更加纤薄。该机采用的是N450集成GMA3150显卡，支持DX9规范，不支持H.264硬件加速，可以播放720p影片，不过到了1080p就会出现严重掉帧现象。不过如果定位在商务本的概念，这款显卡还是绰绰有余的。存储方面，该本提供1GB内存以及250GB硬盘，并且在安全保护方面也做得非常好，增加了内置重力传感器的硬盘保护技术。有效保护硬盘磁头的安全，防止数据丢失。而在网络方面，NB30配有支持802.11b／g／n的无线网卡和10／100M以太网卡，办公应用绝对没问题。

此外，NB30附带正版Windows 7HomeBasic家庭普通版操作系统，但是以上网本的硬件标准运行Win 7确实有点慢。如果您是Win 7系统的忠实“粉丝”的话，建议还是增加个内存条为好。

享受生活

三星上网本NB30以至轻至薄的机身设计理念来贯穿全“身”，无论是在外地出差，还是带着去开会都会让拥有该机的人在大家面前展现个性的自我。在电池上，NB30的6芯电池带来超长续航时间的支持下，为商务人士的便携工作提供了足够帮助，既彰显了身份，同时也将自身的品味大大提高。这主要得益于其柔润的外观设计，不仅独特得足以吸引眼球，而且防滑效果不错，也摆脱了指纹收集器的恶名。

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太赫兹波段波纹喇叭天线设计研究 篇7

关键词：波纹喇叭天线,方向图,增益

1 引言

20世纪60年代中期, 科学家提出了波纹喇叭天线的设计概念, 此后研究波纹喇叭天线的学者络绎不绝, 学者们从不同角度出发设计出了各种不同类型结构的波纹喇叭天线。在早期, Minnett, Thomas, B.M.Thomas和Prof.P.J.B严格的推导了波纹喇叭天线的辐射方向图公式[1,2,3]。Prof.P.J.B.clarricoats等学者对波纹喇叭天线的剖面方程进行了深入的研究[4]。Z.Frank提出了增加波纹喇叭天线工作带宽的方法[5]。X.Zhang深入的分析了波纹喇叭天线模式变换段的工作机理[6]。与其他喇叭天线相比, 波纹喇叭天线具有非常优越的性能, 如波纹喇叭天线的辐射方向图具有非常好的轴对称性比较大的波束效率、很小的交叉极化水平、良好的回波损耗和很小的旁瓣和后瓣电平, 因此在所有的馈源天线中具有黄金天线的美名[7]。这些优越的特点来源于波纹喇叭天线传播的是混合模式 (TE11和TM11) , 当电磁波经过天线的模式变换段时, 它激励起具有相同相速度的TE11和TM11模, 这些模式的结合就形成了HE11或者EH11模[8]。学术界对波纹喇叭天线的研究主要集中在20GHz以下的频率波段, 对于高频波段即太赫兹频率波段 (TFB) 的研究相对比较少。最近几年, 学术界对工作在TFB的波纹喇叭天线的研究表现出了极大的兴趣[9]。TFB是处于微波和可见光之间的一个波段, 因此对于微波来说, 它的频率又比较高, 但是比可见光的频率要低, 它的辐射特性在一定程度上都体现了微波和可见光的特性[10]。波纹喇叭天线广泛应用于无线通讯、无线电天文学、星追踪、雷达和遥感等领域。传统的波纹喇叭天线在结构上可分为小张角喇叭和大张角喇叭, 小张角喇叭的波纹周期垂直于对称轴, 而大张角喇叭的波纹周期垂直于喇叭壁, 他们的结构示意图分别如图1和图2所示。

基于波纹喇叭天线的设计理念, 本文提出了一种全新的波纹喇叭天线结构即波纹周期均匀变化的波纹喇叭天线。此周期渐变波纹喇叭天线的中心频率为340GHz, 带宽为280GHz到410GHz。本文首先介绍了波纹喇叭天线的工作原理, 接着介绍了波纹喇叭天线的设计步骤和详细设计方法, 然后借助CST Microwave仿真了中心频率为340GHz带宽在280GHz到410GHz之间的周期渐变波纹喇叭天线, 最后给出相应的仿真结果。

2 波纹喇叭天线的工作原理

波纹喇叭天线主要由四部分构成, 即模式变换段, 波纹的几何尺寸, 张角和口径。模式变换段的波纹作用是激励起TE11和TM11摸。假设这两种模式的比例为rγ, 当γ为0时喇叭传播的模式仅有TM11, 当γ=∞时, 喇叭传播的只有TE11模。当波纹的深度为λ/4时, 波纹喇叭传播的是号称平衡混合模式的HE11模。为了实现具有轴对称性, 低交叉极化电平的辐射场, 波纹喇叭天线的口径电场必须是线性的, 单纯的TE模或者是TM模无法实现这种特性, 因为他们的口径电场是非线性的, 只有混合模式即HE11模才具有这种特性。混合模式HE11模横截面的场分布为:

式中J0 (Kr) 和J2 (Kr) 是bessel函数, K和k分别为横向和自由空间波数, A1, A2是振幅系数, X和Y分别为波纹表面的阻抗和导纳。在r=a的边界上,

式中Z0为自由空间波阻抗, 从式 (2) 中可以看出, 当X-Y=0时, Ey=0, 则波纹喇叭天线中没有交叉极化存在。所以, 只要找出相应的方位角φ, 使得X-Y接近0, 就可以实现波纹喇叭天线低交叉极化水平的特性。为了实现波纹喇叭天线良好的性能, 喇叭长度中必须有足够多的周期能够保证在r=a处Eφ=0, 则X=0。对于深度为四分之一波长, 宽度很小的波纹, 这些波纹在终端开路和终端短路相互转换电路中起着短传输线的作用, 所以没有由Hφ产生的轴向电路注入, 因此只要Hφ=0, 则Y=0, 就实现了低交叉极化的特性。本文所设计的天线每个波长有四个周期波纹, 波纹的深度不小于λ/4。

3 波纹喇叭天线的设计过程

这一部分阐述了工作在太赫兹波段 (290GHz到380GHz) 的波纹喇叭天线的详细设计过程, 该天线的半截面结构如图3所示。

根据设计过程, 得出天线结构参数的优化值。输入圆波导的半径ai=1.5*λc/pi=0.42mm, 其中λc=0.88mm为中心频率 (340GHz) 的波长。初始设计最大方向性为, θ为喇叭仰角。根据文献[11]得出喇叭口径半径为a0=2.5mm, 喇叭长度L=8mm。对于模式变换段, 波纹深度从λc/2逐渐变换到λc/4, 最后波纹的周期深度保持不变, 变换段的周期数为6。波纹周期中, 空气柱宽度和金属柱宽度之比, 为了实现波纹喇叭天线的优越性能, 喇叭长度每个波长中需要合适的周期数, 因此, 接下来仿真分析每个波长中分别具有3, 4, 5个周期, 即喇叭中分别有N=27, 36, 45个周期的波纹喇叭天的驻波系数、增益和方向图。

4 仿真结果

采用CST Microwave Studio 2011对波纹周期均匀变化的波纹喇叭天线进行仿真, 仿真结果如图4所示。从图4中可以看出三种结构的驻波系数在工作频段内均小于1.3, 且具有一定的对称性。由图示可以看出, 仿真结果显示随着波纹数的增加驻波系数越来越小, 且低频段的VSWR大于高频段的VSWR, 但是, 当频率大于380GHz时以上结论恰好相反。图5显示了三种结构的增益, 从图中可以看出, 三种结构基本上可以达到设计目标, 当频率为360GHz左右时增益最大, 当N取27和36时波纹喇叭天线的增益平坦度比较好, 并且N值取为45时该结构的波纹喇叭天线在工作频段为360GHz时增益最大。图6和图7表明, 在中心频率 (340GHz) 处波纹喇叭天线具有很低的旁瓣和后瓣电平, H面的最低增益比E面的最低增益低20dB。

5 结束语

本文详细阐述了了波纹喇叭天线的设计过程, 并比较了工作在THZ频段的 (290GHz到380GHz) 不同波纹周期数时天线的性能。在保证高增益, 宽频带和低旁瓣和后瓣电平的条件下, 天线基本上实现23dB的增益, 驻波系数小于1.3, 天线E面和H面的方向图形状基本一致。

参考文献

[1]H.Minnett, B.Thom.A method of synthesizing radiationpatterns with axial symmetry[J].IEEE Trans.Antennas Propag, 1966, 14 (5) .

[2]B.MacA.Thomas.Theoretical Performance of prime-focusparaboloids using cylindrical hybrid-mode feeds[J].Proc.IEE, 1971, 118 (11) .

[3]P.J.B.clarricoats.Propagation and radiation behaviour ofcorrugated feeds[J].PROC.IEE, 1971, 118 (9) .

[4]C.Granet, Profile options for Feed Horn Design[C].Granet, C.Microwave Conference.Sydney:2000.

[5]Z.Frank.Very Wideband Corrugated Horns.Electronics Letters, 1975, 11 (6) .

[6]X, Zhang.Design of Conical Corrugated Feed Horns for Wide-BandHigh-Frequency Applications[J].IEEE Transactions On MicrowaveTheoryandTechniques, 1993, 41 (8) .

[7]James W.Lamb.Low-Noise, High-Efficiency Optics DesignFor ALMA Receivers[J].IEEE Trans On Antennas andPropag, 2003, 51 (8) .

[8]T.A.Milligan, “Modern Antenna Design[M].Hoboken:NewJersey, 2005.

[9]Guo-Qi Wang, Sheng-Cai Shi.Comparison of the Performance ofCorrugated, Smooth-Walled and Diagonal Horns at 500GHz[C].IEEE, 2008.

[10]T.W.Crowe.Opening the terahertz window[J].IEEE CSICDigest, 2004, 6 (5) .

波纹管设计 篇8

在波纹钢腹板桥梁的设计过程中,如何确定波纹钢腹板的形状,是设计中的关键问题之一。目前,在进行波纹钢腹板桥梁设计时,一般类比已有设计进行波型选择,然后再进行验算,这种做法设计概念不够明晰。表1为部分已建波纹钢腹板桥梁的波型参数,从中可见,一般跨度较大的桥梁,板厚较大,直板段长度较大,但也有一些例外;另一方面,波高、波折角与跨度的相关性则很不明显。因此有必要对此进行分析探讨。

考虑到波纹钢腹板的主要作用是承受桥跨结构的剪力,因此在选择波纹钢腹板时,首要原则是满足腹板的屈曲稳定要求和抗剪强度,即在桥梁最不利荷载布置时,保证波纹钢腹板中的应力小于临界应力。同时考虑到经济性,一个合理的设计应该是使波纹钢腹板在满足抗剪条件下,用钢量最低。此外,波纹钢腹板的波高确定还要考虑到腹板与顶、底板间的连接构造要求。结合这些条件,本文对波纹钢腹板的优化选择问题进行分析探讨。

2 波纹钢腹板屈曲稳定与剪切屈服临界状态

波纹钢腹板主要承受竖向剪力,一般有以下3种临界状态控制设计,它们分别为:(1)弹性局部剪切屈曲,见图1(a);(2)弹性整体剪切屈曲,见图1(b);(3)剪切屈服。

2.1 弹性局部剪切屈曲

梯型波纹钢腹板是目前最常用的腹板形式,如图2所示。

其弹性局部剪切屈曲应力可以由下式给出[1]:

式中:E、υ、a和w分别为钢腹板材料的杨氏模量、泊松比、最大直板段长度和板厚。对于一般采用混凝土翼缘的组合梁,局部屈曲系数k1是在板短边固定、长边简支的情况下得到的,计算公式如下[1]:

式中:h为波纹钢腹板的腹板高度。

2.2 弹性整体剪切屈曲

弹性整体剪切屈曲应力τge,Easley提出的计算公式如下[2]:

式中:a1、a2、H、θ分别为水平直板段长度、倾斜直板段长度、波高和波折角。Dx和Dy分别为单个波对平行于梁纵向的轴线和平行于梁高的轴线的抗弯刚度,。弹性整体屈曲系数依赖于边界条件,在36至68.4之间变化,对于组合梁,建议取平均值50[1]。

2.3 剪切屈服

由于波纹钢腹板的轴向刚度很小,因此可以认为波纹钢腹板只承受剪力,根据形状改变能密度理论,剪切屈服应力的计算公式如下:

式中:fy为腹板材料的屈服强度。

2.4 波纹钢腹板形状各参数的影响分析

一般在进行波型选择时,直板段长度与其稳定性直接相关,为此,在设计中一般尽量使波型中的水平直板段和倾斜直板段长度接近,故下文在进行相关分析时都假设两者相等,即a=a1=a2。由于剪切屈服强度只与材料强度有关,而与波纹钢腹板的形状无关,因此以下主要针对弹性局部剪切屈曲和弹性整体剪切屈曲进行讨论,取a=250 mm、θ=35°、h=1 500 mm、w=10 mm为基本参数,在对其中一个参数进行讨论时,其它参数保持不变。图3为波纹钢腹板形状各参数与弹性局部剪切屈曲和弹性整体剪切屈曲的关系。

从图3中可得到如下几点:

(1)随着板厚的增加,弹性局部剪切屈曲和弹性整体剪切屈曲的临界剪应力都明显增加,其中弹性整体剪切屈曲的临界剪应力增幅相对更大。此外,在板厚小于7~8 mm时,上述2种失效模式的临界剪应力都比较小,因此,建议一般选择大于8 mm的板厚。

(2)随着腹板高度的增加,弹性局部剪切屈曲的临界剪应力在经过一段明显的下降后趋于平缓,而弹性整体剪切屈曲的临界剪应力则持续下降,在高度大于6~7 m时,其数值变得非常小,常规波型已无法很好地满足抗剪强度,因此波纹钢腹板桥型在大跨度桥梁上的运用还有待进一步研究。

(3)随着直板段长度的增加,弹性局部剪切屈曲的临界剪应力不断下降,而与此相反,弹性整体剪切屈曲的临界剪应力则不断增加,因此,在选择直板段的长度时,一般宜在100~450 mm内进行选择。

(4)随着波折角的增加,弹性局部剪切屈曲的临界剪应力没有变化,弹性整体剪切屈曲的临界剪应力则不断增加。由于在波折角小于10°时,弹性整体剪切屈曲的临界剪应力很小,因此,一般使波折角大于10°。

3 波纹钢腹板的材料用量

由于波纹钢腹板的造价相对较高,因此在波纹钢腹板满足抗剪的条件下,应尽量减少材料用量,达到经济合理的目的。下面以单位长度用钢量为指标进行讨论,图4为波纹钢腹板的一个波长。

如图4所示,一个波长内的用钢量可用下式表示:

则单位长度内的用钢量可以表示为:

在满足抗剪强度的前提下,根据公式6)计算得到的单位长度内的用钢量Vu越小,波纹钢腹板的选择相对就越经济。

4 波纹钢腹板形状的选择方法及其步骤

由波纹钢腹板的屈曲与抗剪临界状态讨论可知,只要出现任何一种临界状态,就可以认为其已经达到极限状态。文献[3]研究并提出了一个耦合应力的概念,并用下式进行计算:

根据上述公式,可以得到波纹钢腹板的抗剪承载能力计算公式:

式中:τin为耦合应力;Fin是根据耦合应力τin得到的剪力;n为控制曲线过渡形状的指数,Elgaaly在文献[4]中建议偏于保守的取n=1。

在选择波纹钢腹板的形状时,首先假定直板段长度(a1=a2),利用公式(8)可以求得波折角θ与板厚w的关系,然后代入公式(6),将公式(6)中的波折角θ表示成板厚的函数,变化板厚来求得单位长度最小用钢量,即在假定的直板段长度下的最优波型。以下给出单位长度用钢量Vu的计算公式:

综上所述,选择波纹钢腹板形状的一般步骤如图5所示。

5 数例分析

利用上述方法,求解高度为1.5 m的波纹钢腹板在以下各竖向剪力情况下的最优波型。参数分析结果如表2及图6所示。

由上述分析可得到以下结论:

(1)在给定剪力水平下,直板段长度和波折角在变化的过程中会有一个最优值,如图6(a)、6(b)所示。

(2)在需要承担的剪力值发生变化时,以最小用钢量为目标,则板厚、直板段长度、波折角三者之间有着互相制约的关系。从图6(c)、6(d)可以看出,直板段长度与波折角之间有此消彼涨的互补关系,即需要相互调整以达到最优。

(3)如表2所示,在需承担的剪力增加时,波高呈增加趋势,但总体上比较小,为了加强与顶底板结合面的连接构造,可以在最优波型基础上适当增加波高。

6 结论

利用本文提出的方法在各种剪力情况下进行波型参数分析,可以发现在给定剪力水平下,直板段长度和波折角在变化过程中会有一个最优值;板厚、直板段长度、波折角三者之间有着互相制约的关系,需相互调整以达到最优。在满足稳定性及经济性要求的前提下,得到波纹钢腹板的最优形状之后,还需考虑腹板与顶底板结合面的连接构造要求,最终确定波纹钢腹板的形状。

参考文献

[1]A El Metwally,R E Loov.Corrugated steel webs for pre-stressed concrete girders[J].Materials and Structures,2003(36):127-134.

[2]Easley,J T.Buckling formulas for corrugated metal shear diaphragms[J].Journal of the Structural Division,ASCE101(ST7),1975:1403-1417.

[3]A,El Metwally.Prestressed composite girders with corrugated steel webs[D].Department of Civil Engineering,University of Calgary,Calgary,Canada,1999.

钢波纹圆管涵的设计与施工技术 篇9

关键词：涵洞,钢波纹管,设计,施工

江苏高等级公路建设规模巨大, 由于江苏范围内河流纵横及农业灌溉的需求, 涵洞工程建设是公路建设的重要内容。目前的小桥涵绝大部分仍采用钢筋混凝土或圬工材料, 在工程应用中, 传统钢筋混凝土涵洞应用中存在问题的日趋明显, 尤其软土地区刚性涵洞开裂渗水会造成路基病害并影响路面结构使用耐久性, 而高强度的柔性钢波纹管涵洞具有非常大的管轴向变形补偿能力, 可以提供适应地基变形的材料伸展余地[1]。

1 工程概况

钢波纹圆管涵属于柔性的涵管, 因其采取波纹化壁面处理, 使其管壁的截面惯性矩急剧加大, 大大增强管的整体抗压能力与稳定性, 而且管轴向有很大的适应变形能力, 因此不仅能够很好的适应软弱地基的变形, 还可以降低地基处理要求, 按照路基段的同等要求来对待采用钢波纹的涵洞段, 这正符合软土地区的公路工程特点要求[2]。钢波纹管涵洞的应用还可以带来路基使用过程中不出现涵洞段与一般路基段的差异沉降, 能够带来路表行车的顺畅舒适, 符合高等级公路建设的发展需求。某双向四车道带中央分隔带的一级公路, 标段全长6.731km, 需要建设多道过水涵洞和人行通道, 其中两道涵洞拟采用钢波纹管结构, 采用分段的螺旋型整体管节, 通过法兰联接拼装。钢波纹管的主要尺寸参数包括波形、直径和厚度, 本工程中波纹管的波形为150mm*50mm, 直径D为4m, 厚度t为4mm。由于该路段路面高程较大, 部分路段填土较大, 拟采用钢波纹管路段的填土高度H为10m。为保证工程的顺利实施, 需对钢波纹管涵的受力情况进行分析和计算, 并对钢波纹管涵的结构安全性进行验证。在具体工程施工中, 还应严格按照施工技术环节提出的要求及注意事项开展施工操作, 从而确保钢波纹管涵洞的施工质量。

2 钢波纹圆管涵的设计计算

在公路工程中, 涵洞钢波纹管主要承受垂直和水平土压力、涵管自重、车辆荷载等荷载作用, 由于钢波纹管厚度较小, 自身质量较小, 对其受力特性的计算分析也主要针对土体荷载和车辆荷载, 涵管受到的土体荷载随着高度的增加而增加, 受到的车辆荷载随着路基填土高度的增加而减小[3]。本工程中涵洞钢波纹管的设计荷载主要考虑管顶以上填土高度恒载和行车荷载的综合作用。土体荷载可以由填土高度H和土体的重度ω计算, 土体荷载DL=ωH, 计算结果为200 KN/m2。公路车辆荷载按照公路—I级荷载进行布置, 其对涵洞作用按车轮着地面积边缘向下作30°角分布, 通过计算横向扩散区长度a和纵向扩散区长度b来确定车辆荷载对涵管的作用力, 车辆荷载LL=车轮荷载/ (a*b) , 计算结果为2.63 KN/m2。对于覆土高度H大于等于管直径D的情况, 总荷载对涵管的作用有所减小, 需要对总荷载进行折减, 可由压实度与荷载系数K的关系图查得荷载系数K, 实际工程中一般采用85%的压实度, 对应的荷载系数取0.86, 涵管受到的总荷载PV为PV=K (DL+LL) , 结算结果为174.3 KN/m2。在荷载作用下, 钢波纹管会产生一定得形变, 荷载过大会导致变形过大, 引起钢波纹管结构的失稳。因此, 需要通过计算确定钢波纹管的环向压力C, 通过与管壁应力的容许值的比较来评定结构的安全性。作用于管面的应力PV和波纹管环向压力C之间的关系为C=PV×D/2, 计算结果为348.5 Kg/cm。钢波纹管涵洞的极限应力fb与管涵直径D与截面回转半径r的比值存在一定的关系, 当D/r≤294时, 极限应力取230 MPa;当294<D/r<500时, 极限应力可按fb=275-0.00058 (D/r) 2计算求解, 当D/r>500时, 极限应力按照fb=3.4×107 (D/r) 2计算求解。因此, 本工程中D为4m, r为17.375mm, 则极限应力为230MPa。当取安全系数为2时, 极限应力为115 MPa。为保证钢波纹管结构的安全使用, 必须确保其设计应力小于极限应力, 而设计应力一般通过环向压力C与面积计算确定, 面积可由美国钢铁研究学会AISI出版《钢结构排水和公路结构手册》根据钢波纹管波纹参数查得, 结算结果为721.8 kg/cm2, 小于波纹管涵管的极限应力, 这表明在本工程中采用波形150mm*50mm, 直径D=4m, 厚度t=4mm的钢波纹管涵洞在10m填土高度公路—I级荷载作用下能够满足截面强度要求。钢波纹管涵在无支撑时可能会产生一定的变形, 因此要保证其结构的刚度满足施工要求, 通常采用柔度系数FF来衡量, 柔度系数FF与波形的组合、金属层厚度有关, 柔度系数FF可以根据FF=D2/EI计算求解, 结算结果为0.05, 满足钢波纹管涵洞施工的技术要求。

3 钢波纹管涵洞的施工技术

波纹钢管桥涵是用钢制波纹管或波纹结构板替代了钢筋混凝土涵洞和小桥中钢筋混凝土管体或小桥支承结构体后完成的一种新型桥涵, 具有施工便捷、适应能力强、运行寿命长、性价比高等特点[4]。钢波纹管涵洞的施工可采用路堤法或反开槽回填法, 一般较多采用反开槽回填法, 主要包括沟槽施工、基础施工、涵管敷设、密封防腐处理、回填和洞口处理等六方面的内容。钢波纹管涵洞的施工先按施工图设计要求标记圆管涵位置, 开挖沟槽。波纹钢管涵洞基础一般为柔性基础, 涵洞基底的沉降和两侧路基的沉降是一致的, 所以在涵洞构筑时不必单独对波纹钢管的基底进行特别处理。本工程处于软土地基路段, 涵洞地基处理方法与路基处理方法相同, 还需在其上填上一层大于30cm厚的优质砂砾垫层, 并保证密实度达到设计要求。波纹钢管涵洞经过一段时间后, 常会产生一定的下沉, 而且往往是管道中部大于两端, 因此, 应在基础上纵向预留0.3%~1%的预拱度, 以确保管道中部不出现凹陷或滑坡。整体圆管涵拼接时端部对齐、端面平行, 管体旋转对齐法兰螺栓孔, 端面间置入弹性密封件, 用配供的螺栓螺母均匀收紧。圆管涵敷设就位、桥涵拼装完成后回填前进行密封防腐处理的现场作业。波纹钢管桥涵敷设、密封处理完成后及时回填, 采用一般土质填筑即可。回填时坚持先底部两侧楔形部位、后管体两侧、最后管体顶部的原则, 并且保证在涵管两侧对称且均衡的状态下作业。波纹钢管桥涵常用的洞口形式有八字式、端墙式、锥坡式、平头式、直管或直管延长式等, 对于有流水冲刷的涵洞进出口处沟床和小桥两端处河床需设置相应的调治构筑物, 同时依两侧地形条件作必要的保护处理, 以降低洞口冲刷防止波纹钢管端口和底部垫层的流失, 保证流水畅顺的同时提高波纹钢管桥涵的耐久寿命[5]。调治保护构筑物的基础和构筑应在桥涵基础施工起同步进行。工程施工实践表明钢波纹管涵洞不仅现场施工简单、工期短, 而且工程的总体造价与钢筋混凝土圆管涵比也并无大的增加, 如果考虑取消对软土地段实施处治的费用, 其实际工程造价还得到了极大的降低, 而且其不仅对路基沉降的要求可以降低到与一般路基段相同, 还可以明显改善后期使用过程中的路面行驶舒适性 (不容易出现行车纵向的错台跳车) 。

4 结论

通过对钢波纹管涵洞受力特性的分析, 可以验证钢波纹管涵洞在工程应用中的可靠性, 通过加强施工管理与监控, 可以保证钢波纹管涵洞在工程应用的耐久性和安全性。相比传统水泥混凝土桥涵, 钢波纹管涵洞的工程建设周期短、造价低、施工方便, 可以减少涵洞的质量病害, 提高涵洞的使用寿命, 减少重建及养护成本, 具有非常广泛的工程推广应用前景。

参考文献

[1]谭国湖.钢波纹管涵在软土路基中的应用[J].湖南交通科技, 2011, 37 (2) :144-146.

[2]王军刚, 刘强.钢波纹管涵在山区高速公路中的应用[J].中外公路, 2009, 29 (2) :165-168.

[3]刘成志.钢波纹管涵洞在公路建设中应用技术分析[J].公路交通技术, 2009 (4) :103-105.

[4]金继伟.高速公路钢波纹管涵的研究及应用[J].河南科学, 2012, 30 (5) :630-634.

波纹管设计 篇10

环焦天线在国外通常称为抛物线焦轴偏移轴对称双镜天线, 它在卫星通信地球站天线中有独特的地位。特别是在中小型卫星通信地球站天线中, 用这种天线可以克服作为初级馈源的波纹喇叭所引起的遮挡大于副镜所造成的次级遮挡的缺点, 从而开辟了中小口径天线低旁瓣化和高极化鉴别率的新途径。

环焦天线常用于小型VSAT地面站和动中通天线中, 在天线面较小的情况下, 相对于前馈以及其他双反射面天线, 环焦天线具有以下优势:较低的旁瓣功率, 较小的驻波比, 较高的增益和G/T。

小型Ku波段环焦天线经常采用帽形馈源。帽形馈源天线概念首先在1986年由挪威人Per-Simon K ild al提出, 帽形辐射体最初的模型是由溅散板天线演化而来的[1]。帽形馈源反射板较小, 辐射方向图波束很宽, 适用于小焦径比的反射面天线, 使得结构紧凑。此外, 这种天线馈电波导和副反射面直接由介质相连, 可以自支撑副反射面, 消除支杆遮挡, 降低近轴旁瓣, 提高天线效率[2]。

目前, 我国VSAT通信和小型动中通天线属于较新兴的领域, 此方面研究较少, 中国电科54所的孙立杰等人设计了一种适用于小口径环焦天线的帽型馈源, 给出了该设计的仿真结果[3]。本设计借鉴了该文的设计, 并在其基础上加以改良, 对于波纹的参数通过遗传算法而不是理论分析加以优化, 获得了更好的仿真结果。

环焦天线分为两类:一类是副反射面母线为椭圆形的, 另一类是副反射面母线是双曲面形的。我们选用了具有广阔应用前景的副反射面母线为椭圆形的环焦天线反射面天线, 如图1所示。

图1中, 源为馈源喇叭的相位中心, 是椭圆的一个焦点, 它位于环焦天线的对称轴AA上;BP是主镜抛物线的母线;O'是该线的焦点, 又是椭圆的另一个焦点;K1是馈源喇叭的口面中心;D是环焦天线的口面直径;O"是以AA为轴、与抛物线BP对称的另一抛物线B'P'的焦点;T是副反射面的顶点 (在AA轴上) ;DS是副面的直径;θV是抛物线BP上任一点与O'的连线与BO'的夹角;θv m是与PO'与BO'的夹角、是θV的最大值;θ是副面母线上任一点与馈源喇叭相位中心O的连线AA轴的夹角;θ'm是副面母线边缘M与O的连线与AA轴的馈源喇叭波纹槽的内半径ah[4]。

2 目前馈源筒存在的问题

一般的馈源筒外壁会传导干扰性的反射电磁波, 方向与主波束相近。我国卫星天线入网标准中的旁瓣性能要求主要针对主波束20度内的性能, 馈源筒 (如图2所示) 反射干扰对其影响不能忽略。在同样的口径下, 影响环焦天线性能的因素以及其和近馈源筒反射电磁波的影响如下:

(1) 副反射面遮挡。自天线面的反射波在副反射面投影之下的部分, 都会受到副反射面的遮挡, 从而不能汇入主波束。这部分被遮挡的能量将以旁瓣的形式发散出去, 导致天线旁瓣升高, 主波束变宽。

近馈源筒反射波基本沿馈源筒外侧传播, 反射角小, 最终会被副反射面遮挡, 造成以上后果。

(2) 馈源照射效率。馈源能量被主天线面接收到的效率, 照射到天线面外的辐射能量不能被利用。

(3) 主反射面功率分布不均。主反射面功率分布过于集中, 而一些部分的功率过低, 其效果相当于一部分主反射面没有得到利用, 间接减小了天线的口径。

近馈源筒反射如果功率很大, 就会导致功率集中于天线面中央, 加剧了主反射面功率分布的不均。

(4) 驻波。一般的天线都要求较低的驻波比。驻波比为1时表示能量全部被天线辐射出去, 而无穷大则为全部反射回馈源。驻波比直接地显示了天线的品质, 而较差的驻波比性能不仅降低了辐射功率, 而且会造成干扰。

近馈源筒反射的一部分功率会反射返回馈源, 会造成驻波比增大。

(5) 主副反射面的精度。可见, 其中 (1) , (3) , (4) 都与近馈源筒反射相关, 所以减少近馈源筒辐射理论上可以提高天线的性能。

由图2中的普通馈源筒仿真得其功率分布如图3, 图3中, X轴为副反射面的反射波和馈源之间反射角度, Y轴为辐射场强。黑线之间的部分为±10度之间, 这部分电磁波靠近馈源筒, 可见这部分场强较强, 功率较集中。这部分电磁波处于副反射面阴影之下, 不能被天线面利用, 还会对反射后的功率主瓣产生干扰。

3 波纹结构馈源筒的设计与仿真

在本设计中, 模拟的应用为Ku波段交叉极化双向通信。Ku频段为12GHz-18GHz。在仿真和测试中, 采用14GHz作为模拟频率, 为实际卫星通信应用中发射频率的最低值 (14GHz-14.5GHz) 。由微波的频段特性可知, 频率越高, 指向和增益都呈会显著提高故, 本实验中模拟的是实际应用中最糟糕的情况, 理论结果应好于本次实验的仿真结果。

针对传统环焦天线馈源筒反射产生回波的问题, 我们为馈源筒加入数个波纹状吸波结构, 可以从理论上减少副反射面阴影下反射的电磁波。通过遗传算法, 我们对波纹的宽度、厚度和两个波纹之间的厚度差三个变量进行优化。优化的参考值为驻波比和几个反射角的功率谱, 分别取适当的权重。由于VSAT天线的规定中对于VSW R要求较高, 设置VSWR必须小于1.3。通过仿真得到结果进行修正设计的波纹馈源筒如图4。

图5中蓝线为波纹馈源筒馈源筒近场 (至天线面) 场强分布图, 红线为图3中普通馈源筒近场 (至天线面) 场强分布图。X轴为副反射面的反射波和馈源筒之间角度, Y轴为辐射场强。黑线之间的部分为±10度之间。可见与普通馈源筒相比, 波纹结构馈源筒在黑线之间, 也就是副反射面遮盖的部分场强较小, 而在10度以上的角度场强较高, 这一部分天线面没有遮挡, 可以最大地利用其功率。

但是, 只有馈源筒的电场仿真还不能说明天线的性能得到了改善, 因为虽然到达天线有效面积 (角度为10~90度) 的电磁波能量提高了, 仍需要证明有多少电磁波可通过反射面成为主波束。因此, 我们通过一个小型天线面进行天线的仿真验证。

4 天线的仿真验证

我们使用波纹结构馈源筒和传统的馈源筒在同一个天线面下进行仿真测试, 其副反射面和其他部分都相同。该天线面为一环焦抛物面, 如图6所示。

表1是有波纹和无波纹的馈源比较, 图7为波纹馈源筒和普通馈源筒在仿真软件中测试的结果。直观可见在0度时, 波纹馈源筒的发射增益高于普通馈源筒;而在±2.5度内, 波纹馈源筒随着偏离中心衰减更快, 所以主波束更窄, 对临星干扰更小。

但是结果也显示虽然波纹馈源筒可使主波束更窄、增益更高, 但是在偏离轴向7.5度左右的位置产生的第二旁瓣略高于普通馈源筒, 可能对临星干扰性能造成影响, 在将来的研究中将寻求进一步的改进。

5 结束语

由以上实验结果可以得出以下结论:

(1) 馈源筒外侧的波纹可以改变副反射面反射波在天线面上的分布, 场强分布角度显著增大, 而靠近馈源柱附近的反射波减弱。仿真实验结果和理论分析一致。

(2) 根据天线理论认为, 减小馈源柱附近的反射波可以减少遮挡的无用反射, 并将部分能量分布于反射角较大的天线面区域, 使得能量在反射面的分布更均匀, 可以提高主反射面的利用率, 从而提高天线的增益。实验结果表明, 馈源筒外侧的波纹结构可以提高小型环焦天线的增益, 馈源筒外侧的波纹结构可以使主波束更窄。

(3) 采用波纹馈源筒的天线第二旁瓣增高, 不利于天线的临星干扰性能。在天线设计中, 主瓣性能和旁瓣性能往往是相互矛盾的变量:当降低旁瓣时, 能量被挤向主瓣, 导致主瓣变宽。在未来的研究中, 可能需要将主反射面和馈源作为一个整体进行优化解决, 这将大大增加仿真的工作量。

(4) 采用波纹馈源筒的馈源可用于提高船载动中通等小型天线的增益, 在同等增益性能的情况下减小口径, 缩小体积。

摘要：本文针对Ku波段小型环焦动中通天线目前的主流设计, 分析了馈源筒附近反射对天线性能的影响, 并设计了一种具有波纹结构的馈源筒, 可以减少此类电磁波并提高天线整体增益。通过仿真软件模拟, 验证了该设计具备提高天线增益的能力。

关键词：VSAT动中通,环焦天线,HFSS软件仿真,馈源设计

参考文献

[1]P.-S.Kildal, --The hat feed:A dual-mode rear-radiating waveguide antenna having low cross polarization, ‖IEEE Trans.Antennas Propag., vol.35, no.9, pp.1010-1016, Sep.1987.

[2]孙立杰, 张文静, 杜彪, 董忠文.一种Ku波段帽型组合馈源设计分析.天线与伺服技术

[3]付光宇, 寇松江, 开敏.一款Ku频段帽形馈源馈电环焦天线的设计

[4]伍捍东, 王英英, 李科娟, 王立志, 潘云飞.Ku波段静中通环焦反射面天线的设计

供热管网波纹补偿器的合理布置 篇11

关键词；补倦器应用问题台理布置节约造价

1概述

随着国民经济的迅速发展，以及内蒙古自治区通辽市房地产业的迅速突增，供热管网敷设范围也随之扩大，供热管网一般是在常温下敷设的。为了扩大供热面积，提高管网运行效率，现在管网一般都采用间接供热。由于间接供热输送的热介质的一级网温度在110-120℃之间变化，一级网回水温度在50-60℃之间变化，且通辽市施工大部分都在10月之后进行，使管路产生热胀冷缩，由此在管路内部产生较大的热应力，并有可能导致管路破裂。因此，在管路设计时必须考虑热膨胀，进行合理地补偿，不仅要保证管网运行的安全，而且还要降低工程造价。

2波纹补偿器的特点

2.1波纹补偿器优点：我们大家都知道，城市供热管网不同于小区供热或厂内热网，它的影响面大，要求热网运行可靠。由于城市热网的走向和敷设方式受城市规划和地理位置的限制，因此要求波纹补偿器以其结构紧凑、补偿量大、流动阻力小、零泄漏、不用维修等诸多优点从80年末期开始使用，90年代得以大力推广，在热网中的应用越来越广泛。

2.2波纹补偿器缺点：耗费钢材，占地面积大，而且例如轴向型波纹补偿器对固定支架产生压力推力，造成固定支架推力大；另外波纹补偿器管壁较薄不能承受扭力、振动，安全性差；安装波纹补偿器后使设备投资高、设计要求严、施工安装精度高、往往达不到预期寿命等一系列缺点。特别是在大口径的供热主干线上，波纹补偿器是且前唯一的补偿设备，一旦发生问题后果十分严重，『必须引起高度重视。

所以要认真分析波纹管补偿器在设计、生产、施工和运行管理各方面存在的问题，并在此基础上提出解决问题的方法。

3热网管线中波纹管补偿器的选型及应用

3.1波纹管的腐蚀开裂的原因：波纹管的腐蚀开裂应是外层逐层向内各层波纹管发展的，只是各层波纹管腐蚀破坏在时间上的先后关系，才出现各层腐蚀开裂程度上的明显差异。腐蚀来自波纹管外，在进入波纹管层间后，连续并加快了腐蚀的产生。

3.2波纹管开裂原因之一应力的存在：应力的存在是导致应力腐蚀开裂的必要条件之一，应力的来源主要有：波纹管加工成型过程中产生的形变应力和残余应力；在服役期间的工作应力；装配不当导致的装配应力过大；腐蚀产物引起的楔入应力。

3.3补偿器补偿量的选择：由于城市供热管网线路走向及敷设方式应征得当地城市规划部门的同意，其原则是不影响城市观瞻，尽量做到美观大方。一般来说，城市架空管网沿次马路规划红线或沿单位围墙敷设，地沟或直埋管道则沿人行道规划线位敷设，且管线长度较长。不允许补偿器数量过多。经设计核实计算，要准确计算出该管段的伸长量，计算补偿量要小于设计补偿量，不要使设计补偿器已临近产品补偿量极限。

3.4经过计算允许可以增加补偿器的补偿量来降低工程造价：采用低碳钢材质的直埋热水管道，直管段不设补偿器或尽量少设置补偿器强度也能够满足要求。经过实际测算，减少设置补偿器不仅能减少事故点，而且也大大降低了工程造价。如从2006年度开始通辽市集中供热管网主分支工程的补偿器补偿量由200毫米调整至300毫米，补偿性能和补偿器小室尺寸大小不变的前提下，由于检查室和固定支架数量减少，使管网结构简单，土建施工工程量少，施工的难度低，施工周期大大缩短，工程造价大大降低。补偿器数量减少，以后维护工作量也降低了。

3.5热网补偿器的布置：按照通常做法，轴向型波纹补偿器均布置在紧靠固定支架旁，然后紧接两个导向支架。距离分别4Dg、14Dg，主要目的以防止其轴向失稳，热水直埋管主要靠与保温材料形成整体由土壤、沙层控制。我认为，这种布置方式出发点是好的，但在实际运用中受地形限制，架空管系支架过多，则布置困难：直埋管系地下障碍物过多，可能有过多翻弯产生，要求补偿器只能布置在直管段，这种在固定支架侧设补偿器的形式，可能会因管线位移造成波纹补偿器每个波节吸收位移的工作能力传递不均，发挥的补偿能力不充分。我认为解决补偿器轴向失稳问题除与其布置、设置位置有关外，更主要的是取决于补偿器自身的性能与质量，只布置在固定支架侧的补偿器性能与质量要求应更高一些，管线分段距离一般应小一些，进行选型时一定要选自导向性好，抗失稳能力强的补偿器，设计布置按照基本原则，根据工程的实际情况，灵活对待处理。实践情况证明，无论是架空还是直埋地沟，只要做好导向结构控制，波纹补偿器可以设置在两固定支架的任一位置。

3.6现场变更对热网补偿器的布置的影响：热力管网有时虽然原始设计很好，但由于进行施工后经常遇到障碍，现场实际情况与设计往往出入很大，不得不做大量的实际设计变更，对自然补偿管道只要处理适当不会产生很大影响。但对轴向补偿器管路影响非常大，不少施工单位对此没有充分认识，某些固定支架在管道改变走向后，原来不承受压力推力改为承受压力推力或者产生较大弯距，支架受力结构形式发生重大变化，处置不当很容易推坏固定支架，导致事故发生。在管线变更较大情况下，应特别注意管道的受力形式是否符合补偿器布置基本原则，通过合理分段，保证管线呈直线，控制拐点产生，减少作用于固定支架与导向支架的弯矩及侧向推力，进而保证管系安全合理。这对于设计人员最为重要，除了不断积累经验外，一定要形成明确设计思路，才能提高设计补偿器管系的水平。

3.7波纹补偿器选型的一般程序：

3.7.1变复杂管系为简单管段变复杂管系为典型管段。无论多么复杂的管系均可以通过固定座将它们分解为形状简单、独立的典型管段如直管段、“L”型弯管段、”z”型弯管段等。

3.7.2选择合适的波纹膨胀节类型。

3.7.3计算典型管段工作膨胀量，确定波纹补偿器的数量。

3.7.4在装有无约束型波纹补偿器的管段上，设置主固定支座。而装有约束型波纹补偿器的管段上，设置次固定支座。

3.7.5根据波纹补偿器的变形轨迹及稳定性要求设置相应的支吊架。

4结束语

波纹管设计 篇12

波导管是用来传送超高频电磁波的金属管或内覆金属层的导管, 主要应用于通信、卫星地面站、微波测量等领域, 是现代通信和雷达设备的微波/天馈子系统中不可或缺的传输器件。机载、舰载和车载等不稳定传输环境常用矩形软波导作为其柔性传输器件。为提高矩形软波导弯曲特性, 一般将其设计为周期性的波纹结构波导腔体。软波导虽然力学性能有所改善, 但波纹的设计使波导结构存在周期性变化, 因此会产生周期性的耦合波, 并引起阻抗失配的问题。

用渐变线理论设计波纹结构的目的是使导波系统的特性阻抗满足期望的特性阻抗函数, 尽可能实现传输线与电磁波的良好匹配。从理论上来说, 一个阻抗匹配的波纹结构有无数可能的形式来实现, 常见的波纹形式为正弦、直线渐变线等。Klopfenstein理论便是在这些可能的渐变线中选出最优的, Klopfenstein渐变就是这个最优的设计[1,2]。对于给定的渐变线长度, Klopfenstein渐变线的波导反射系数在整个通带内是最小的;反之, 如果在通带内限定了最大反射系数, Klopfenstein的渐变线的长度最短, 匹配效率最高。

1 理论分析

沿电磁波传播方向结构出现周期性变化的波导, 可定义为周期性结构的波导传输系统。其特点是把周期性导波系统沿传播方向移动空间周期的整数倍距离时, 系统的电磁特性不发生变化, 根据Floquet定律[3], 对于沿周期性结构z方向传播的电磁波可描述为:

式中β为相位常数, p为波导结构变化的周期, n为整数。矩形软波导传输的主模为TE10波, 因此只需要描述电场的y分量。令为z的周期函数, 代入Maxwell方程, 得:

式中a为矩形波导宽边长度, k0为电磁波自由空间波数, f (z, p) 为波导结构尺寸与传播方向z的关系函数, 是p的周期函数。对于给定的f (z, p) , 由上式可求出确定的场解。由Floquet定律可知, 如果ψ (z) 为式 (2) 的解之一, 则ψ (z+np) 也为式 (2) 的解。整个软波导系统周期性的结构变化会有周期性耦合波产生, 因此即使给定f (z, p) , 要根据传统的电磁波理论得到一个最优的结构设计也相当困难。

虽然在整个传播方向难以得到最优的结构设计, 但周期波导在一个周期的传播空间内却有最合理的匹配设计。R.W.Klopfenstein提出, 阶梯式Tchebyshev阻抗变换器节数增大到无限大时, 传统的阶梯式结构可以用平滑的Klopfenstein渐变线代替, 此时通带内的反射系数最小[4]。根据Klopfenstein理论, 对称波纹结构的矩形软波导在半个周期长度的传播空间内, 特性阻抗Z (z) 满足下式时, 匹配度最好, 反射系数最小。

式中Z0、Zl分别为软波导波纹结构波谷处和波峰处的特性阻抗;l为对称波纹结构的半个周期长度, 即l=;Γ0为零频率时的反射系数;A为与传输边界条件有关的常数;为贝塞尔函数。

对于渐变传输线, 利用小反射理论可知, 总的反射系数为所有带有适当相移的局部反射之和, 即:

将式 (4) 代入式 (5) 可得基于Klopfenstein理论设计的反射系数:

由上式可知, 当βl≤A时, 反射系数最大值为Γ0;当βl≥A时, 反射系数最大值为。根据双曲函数的性质, 有, 而软波导的传输特性要求其工作在小反射区, 因此将βl≥A定义为通带。由式 (6) 可知, 在通带内, Γ (θ) 在之间振荡。图1为Klopfenstein反射系数幅值与频率关系的曲线, 可见在通带范围内Klopfenstein渐变线可使反射系数较小, 具有等波纹效应, 易于控制通带内的反射系数。

2 设计与仿真

为更好地说明Klopfenstein渐变线的优越性, 分别对Klopfenstein渐变线和波纹设计中常用的直线、正弦渐变线进行建模。我们使用Matlab数值计算软件和HFSS电磁仿真软件进行联合仿真, 并分别从阻抗匹配、电压驻波比、S12参数和Brillouin曲线方面对这三种渐变线进行评估。三种结构波导端口统一采用Ka波段的标准波导BJ320, 尺寸为3.556mm×7.112mm, 每个波纹匹配段长1mm, 高0.5mm。

2.1 阻抗匹配

利用Matlab的数值计算功能分别对直线、正弦和Klopfenstein渐变线的矩形软波导阻抗曲线进行了仿真, 仿真结果如图2所示。矩形软波导传输系统传输的主模为TE10, 特性阻抗为:

式中Z00为真空中的波阻抗[5], a为矩形波导端口的长边长度, b为矩形波导端口的短边长度, λ为中心波长。

将标准的Ka波段波导端口尺寸代入式 (7) , 可知匹配段需要完成从Z0=376.4Ω到Zl=423Ω的阻抗转换。由图2可知, 三种渐变线都可以完成从Z0到Zl的匹配, 但是正弦渐变线特性阻抗变化的速度急剧减小, 匹配段不够均匀平缓;直线渐变线阻抗变化虽然在半个周期长度的空间中转变平稳, 但在整个周期波纹结构中, 波峰和波谷处会有斜率的突变, 无法平滑匹配;而Klopfenstein渐变线的特点是在边界平缓匹配, 其他部分则以较短的匹配节完成较大的阻抗匹配。很明显, 三种渐变线中Klopfenstein渐变线的效率最高, 匹配性能最好。

2.2 电压驻波比

在HFSS电磁仿真软件中, 对三种渐变线分别进行建模。Ka波段频率范围为26.5～40GHz, 因此求解时设定频率为35GHz。求解方式为线性拟合法, 拟合点数量取100个。

图3为直线、正弦和Klopfenstein三种渐变线的电压驻波比仿真曲线。很明显, 直线渐变线因存在边界突变, 在波纹结构的波峰和波谷处有不平滑的过渡, 因此电压驻波比较大。正弦和Klopfenstein渐变线的电压驻波比仿真结果均比直线的好。但是正弦渐变线的驻波存在等频率增大的现象, 很明显带宽比Klopfenstein渐变线更窄。另外Klopfenstein渐变线是基于小反射理论和阶梯式Tchebyshev阻抗变换的理论模型, 反射参数易于控制, 由仿真结果可见, Klopfenstein渐变线可以将电压驻波比降到1.16。

2.3 S12参数

S12参数是导波系统最重要的参数之一, 用于表征波导损耗。利用HFSS参数建模时, 因默认导体表面为理想的, 因此仿真结果得到的S12参数只能反映波耦合产生的损耗。图4为直线、正弦和Klopfenstein三种渐变线的S12参数仿真曲线。由图4可知, 直线和正弦渐变线的S12参数最小值接近-0.03dB;Klopfenstein渐变线S12参数最小为-0.02dB, 显然, Klopfenstein渐变线的S12参数比直线和正弦渐变线的更好。

2.4 Brillouin曲线

图5为直线和Klopfenstein渐变线的Brillouin曲线。对于Brillouin曲线, 相速vp=2πf/β, 为曲线上点到原点连线的斜率;群速为vg=2πdf/dβ, 为曲线上点的切线的斜率。正弦和Klopfenstein渐变线的Brillouin曲线差别非常小, 基本重合为一条曲线, 因此图5中并未列出正弦渐变线的Brillouin曲线。由图5可知, 虽然Klopfenstein渐变线的截止频率与直线渐变线基本一致, 但群速和相速均比直线的要低, 因此从色散性能上来看Klopfenstein渐变线更好。

3 结论

通过上述对直线、正弦和Klopfenstein三种不同渐变线波纹结构的Ka波段矩形软波导进行Matlab数值计算和HFSS电磁仿真可知, 三种渐变线都可以完成从Z0到Zl的阻抗转换。但Klopfenstein波纹矩形软波导比直线和正弦渐变线波纹的矩形软波导匹配度更高、带宽更宽、色散性能更好。在HFSS电磁软件的仿真结果中, Klopfenstein渐变线波纹矩形软波导的电压驻波比最大值为1.16, S12参数最小值为-0.02dB。另外Klopfenstein渐变线在通带内具有等波纹效应, 比直线和正弦渐变线更容易控制反射系数等参数。

参考文献

[1]POZAR D M.Microwave engineering[M].3rd ed.America:John Wiley&Sons Lnc, 2005.

[2]钟玲玲.超宽带圆极化天线及其小型化研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2008.

[3]BRILLOUIN L.Wave propagation in periodicstructure[M].America:Dover publications, 1953.

[4]KLOPFENSTEIN R W.A transmission line taper ofimproved design[C]∥Proceedings of the IRE.1956, 44:31-35.