Irregularities in a metal-dielectric shielded waveguide with low losses for the frequency range 90–100 GHz

Full Text

Введение

В современных радиотехнических устройствах, работающих в КВЧ диапазоне, активно исследуется вопрос передачи сигнала от генератора к излучающему устройству или от антенны к применику. В диапазоне 90-100 ГГц одним из решений такой задачи является применение диэлектрического волновода. Такая линия передачи обладает малыми погонными потерями, менее 1 дБ/м [1], но при этом имеет все недостатки открытой линии. Задачи экранированного диэлектрического волновода (ЭДВ) решаются с 70-х годов прошлого века и отражены в литературе [2; 3]. При этом обычно рассматривается задача анализа влияния различного рода нерегулярностей на протекание электромагнитных волн в ЭДВ с полосой, эквивалентной металлическому в односигнальном режиме. Данная работа посвящена исследованиям нерегулярностей в широкополосных ЭДВ в диапазоне 90–100 ГГц.

Базовой задачей исследования экранированного ДВ, в указанном диапазоне, являлась передача двух видов сигналов на расстояние нескольких десятков метров, отраженная в работах [4; 5], где один из сигналов, дуплексный – это сигнал интерферометра, а второй – симплексный, широкополосный сигнал для радиометра.

Создание регулярной линии передачи длинной в несколько метров создает технологические трудности, поэтому стыковка участков ЭДВ неизбежна. И в этом случае, особый интерес представляют резкие нерегулярности, которые вызывают сильное изменение параметров волноводной структуры на участке относительно малой протяженности. Например, излом или стык двух участков волновода со смещениями, зазор или перелом. Такие случаи широко распространены на практике и оказывают негативное воздействие [6].

Не тривиальной проблемой изучения данного типа нерегулярностей является сложность их аналитического описания. Поэтому исследуемые в работе волноведущие конструкции рассчитываются и моделируются при помощи приближенных методов расчета, опирающихся на методы используемые в пакетах симуляции СВЧ-структур [7]. Численный и физический эксперимент были взяты за основу исследования.

Конструкция волноводного тракта и особенность прохождения через него электромагнитных волн

Согласно главной цели исследования была выбрана конструкция волноведущего тракта, изображенная на рис. 1 и наиболее подробно рассмотренная в работах [1; 2]. Поэтому не будем углубляться в особенности конструкции, а обсудим лишь методы оценки потерь.

Проводя грубую оценку, потери ЭДВ можно разбить на две составляющих по характеру происхождения: металлические и диэлектрические. Тогда суммарные потери регулярного участка записываются в виде

${\Delta }_{\Sigma }={\Delta }_{\text{мет}}+{\Delta }_{\text{диэл}},$ (1)

где диэлектрические потери также имеют составной характер

${\Delta }_{\text{диэл}}={\Delta }_{\text{ст}}+{\Delta }_{\text{пр}},$ (2)

где ${\Delta }_{\text{ст}}$ – потери в стержне; ${\Delta }_{\text{пр}}$ – потери в пространстве между экраном и стержнем.

 

Рис. 1. Базовая конструкция волноведущего тракта: а – поперечное сечение волновода; б – продольное сечение волновода; в – волновод в цилиндрической системе координат

Fig. 1. The basic design of the waveguide: a – the cross section of the waveguide; b – the longitudinal section of the waveguide; c – the waveguide in a cylindrical coordinate system

 

Из [8] известно, что погонные диэлектрические потери для материалов с  таких как фторопласт, полиэтилен, воздух, много меньше чем в металлических конструкциях. Поэтому для оценки диаметра экрана было принято решение опираться только на потери в металле, оцениваемые по общеизвестной формуле приведенной в [9]

${\Delta }_{\text{пог}}\approx \mathrm{8,686}\cdot h\text{'}\text{'}\left[\text{дБ}/\text{м}\right],$ (3)

где $h\text{'}\text{'}$ – коэффициент затухания для конкретных формы сечения металлической трубы и типа распространяющейся в нем волны.

Диэлектрические потери имеющие преимущественное место в стержне конструкции рассчитывались по соотношениям для волны основного типа в диэлектрической пластине и окружающем ее пространстве, отмеченных в книге [10].

Затухание энергии волны внутри экрана соответственно имеет следующий вид:

${\alpha }_{\text{z}}=\sum _{i=\epsilon ,\mu }\sum _{i=\mathrm{1,2}}{\alpha }_{k,i}{K}_{i,k},$ (4)

где $K_{i,k}$ – структурный коэффициент затухания; $k=\epsilon ,\mu$ – природа затуханий связанная с диэлектрическими и магнитными потерями; $i=\mathrm{1,2}$ – внутренняя и внешняя среда распространения волны; коэффициент затухания однородной плоской волны в среде с параметрами принимает вид

${\alpha }_{k,i}=\frac{\pi \sqrt{{\epsilon }_i{\mu }_i}\text{\hspace{0.17em}tg\hspace{0.17em}}{\delta }_{k,i}}{\lambda },$ (5)

где $\text{tg\hspace{0.17em}}\delta$ – тангенс диэлектрических потерь.

Методы исследования воздействия нерегулярности

Для анализа влияния резкой нерегулярности на протекание электромагнитной волны в волноведущем тракте используется представление в виде участка регулярной линии с нерегулярным узлом или несколькими различными регулярными участками и нерегулярного узла, рис. 2.

 

Рис. 2. Модель волноведущего тракта: а – регулярная линия с нерегулярным участком; б – протекание электромагнитных волн через нерегулярный участок

Fig. 2. Model of the waveguide path: a – regular line with an irregular path; b – the flow of electromagnetic waves through an irregular section

 

Обычно ставится задача нахождения отраженной и прошедшей волны того же типа, что и падающая. Поэтому важными компонентами решения задачи будут значения параметров прямой и отраженной волн. При некоторых условиях, могут возникнуть и потери на модовое преобразование. Для их определения в работе применены матричные методы описания волноводной линии, примененные в работе [11]. Оптимальным из них оказался расчет матрицы рассеяния S.

В связи с тем, что на практике исследуемые волноводные линии передачи используются в одноволновом режиме, то в данной работе не производится численный расчет процессов преобразования падающей волны в другие типы волн.

Базой исследований являются наиболее важные и существенные нерегулярности для круглых металлодиэлектрических волноводов, рис. 3, следующих типов:

• зазор в волноведущем тракте;
• поворот плоскости поляризации.

 

Рис. 3. Исследуемые в работе нерегулярности: а – зазор в волноведущем тракте; б – поворот плоскости поляризации

Fig. 3. Irregularities investigated in the study: a – gap in the waveguide path; b – rotation of the polarization plane

 

Стоит оговорится, что указанные типы неоднородностей в реальных условиях могут встречаться одновременно на одном и том же участке. При этом в работе они специально рассмотрены независимо друг от друга, что позволяет провести оценку влияния отдельного типа нерегулярности на участок регулярной линии.

Таким образом следует, что нас больше всего будут интересовать параметры $S_{\text{12}}$ и $S_{\text{11}},$ которые характеризуют отношение энергий прошедшей и отраженной волн. Воспользовавшись связью коэффициента передачи и потерь, рассмотренной в работе [12], получим вы выражение

$\Delta =1-\left|S_{\text{12}}\right|,$ (6)

где передаточный коэффициент представлен в виде

$S_{\text{12}}^2=\frac{P_{\text{пр}}}{P_{\text{п}}},$ (7)

$P_{\text{п}}$ – мощность волны на входе линии; $P_{\text{пр}}$ – мощность волны на выходе линии.

Таким образом, экспериментальное исследование $S_{12},$ позволяет дать оценку потерь, вносимых за счет нерегулярности определенного типа. Сравнение проходной характеристики регулярного тракта, рис. 4, с трактом обладающим нерегулярностью дает возможность анализа природы возникновения потерь в линии.

 

Рис. 4. Передаточная характеристика исследуемой волноводной линии без нерегулярностей

Fig. 4. Transfer characteristic of the waveguide line under study without irregularities

 

Нерегулярность типа зазор в волноведущем тракте

Нерегулярность типа зазор волноводного тракта и распределение поля в нем отражены на рис. 5. При малых зазорах наблюдюдается преобразование волны в высшие моды. Также заметна структура распространяющейся волны. Энергия поля преимущественно скапливается в цилиндрическом стержне и не значительно прилегающих пластинах.

 

Рис. 5. Металлодиэлектрический волноводный тракт с нерегулярностью типа зазор

Fig. 5. Metal-dielectric waveguide path with a gap-type irregularity

 

Зависимость передаточной характеристики показана на рис. 6. Даже при малых величинах зазора она приобретает изрезанный характер, что связано с возникающими переотражениями падающей волны от нерегулярности. Вследствие этого порожденная нерегулярностью волна в большинстве случаев оказывается в противофазе по отношению к падающей и при интерференции оказывает негативное воздействие на передаточную характеристику. Увеличение зазора также приводит к появлению большего числа провалов, максимумы которых достигают –11,5 дБ.

На рис. 7 отмечена характеристика $S_{12}$ волноведущего тракта. Из графика следует, что при величине зазора до $\mathrm{0,1}\lambda$ характеристика может быть описана выражением

 

Рис. 6. Передаточная характеристика металлодиэлектрического волноводного тракта с нерегулярностью типа зазор

Fig. 6. Transfer characteristic of a metal-dielectric waveguide path with a gap-type irregularity

 

Рис. 7. Зависимость передаточной характеристики от относительной величины зазора

Fig. 7. Dependence of the transfer characteristic on the relative size of the gap

 

$S_{\text{12}}\left(h\right)=ah+b,$ (8)

где коэффициент $a=-\mathrm{2,}$ а коэффициент $b=-\mathrm{0,02.}$

При увеличении зазора характеристика становится нестабильной и колеблется в диапазоне от –0,5 дБ до –4 дБ. В этом случае полученное ранее выражение является аппроксимацией экспериментальных значений $S_{12}.$

Нерегулярность типа поворот плоскости поляризации

Нерегулярность типа поворота плоскости поляризации представлена на рис. 8. Из распределения поля следует, что при малых отклонениях возникают высшие типы колебаний и характерное разрушение структуры поля. Следствием этого является сильное ослабление энергии поля в тракте до 35 дБ в критических случаях. Среднее ослабление передаточной характеристики составляет 15 дБ, что подтверждает высокие требования к поляризационной устойчивости устройств СВЧ.

 

Рис. 8. Металлодиэлектрический волноводный тракт с нерегулярностью в виде поворота оси стержня

Fig. 8. Metal-dielectric waveguide path with irregularity in the form of rotation of the axis of the rod

 

Передаточная характеристика $S_{12},$ представленная на рис. 9, нестабильна и имеет колебательный характер.

Зависимость передаточной характеристики от угла поворота плоскости показана на рис. 10 и имеет выраженную экспоненциальную зависимость. В диапазоне поворота $\Delta \phi$ от $0^{\circ }$ до $3^{\circ }$ характеристика может быть описана выражением

$S_{\text{12}}\left(\phi \right)=a{e}^{\phi b}+c,$ (9)

где коэффициенты $a=-\mathrm{7,7}\cdot {10}^{-3},$ $b=\mathrm{1,92}$ и $-\mathrm{5,2}\cdot {10}^{-3}.$

В сравнении с ситуацией с зазором данный случай обладает большими потерями в частотной области.

 

Рис. 9. Передаточная характеристика металодиэлектрического волноводного тракта с нерегулярностью типа поворота плоскости поляризации

Fig. 9. Transfer characteristic of a metal-dielectric waveguide path with an irregularity of the type of rotation of the polarization plane

 

Рис. 10. Зависимость передаточной характеристики от угла поворота плоскости

Fig. 10. Dependence of the transfer characteristic on the angle of rotation of the plane

 

Результаты

1. В ходе проделанной работы были выявлены основные физические принципы возникновения потерь в регулярной металлодиэлектрической волноводной линии передачи, большинство из которых связано с интерференцией падающих и отраженных от нерегулярности волн.
2. В результате исследования было выявлено, что характер зависимостей $S_{12}$ от ширины зазора носит строго линейный характер в пределах от $0$ до $\mathrm{0,1}\lambda$ и близкий к линейному вне этого участка.
3. В результате исследования было выявлено, что наибольшие потери, до 35 дБ наблюдаются при повороте плоскости поляризации, поэтому для создания регулярной линии с малыми потерями необходима высокая точность изготовления волноводного тракта.
4. Для нерегулярностей всех рассматриваемых типов характерны потери на преобразование моды и возникновением нестабильности передаточной характеристики, вызванное фазовым распределением волн в области нерегулярности.

Заключение

Диэлектрические волноводы ограничено применяются в радиолокационных системах, а также устройствах связи. Задача канализации энергии в КВЧ диапазоне от генератора к передающей части и от антенной системы к приемнику является наиболее перспективной. При проектировании волноводных линий особое внимание уделяется точности изготовления функционального узла. Отклонения от заданной конструкции и дефекты при стыковке оказывают сильное влияние на работу устройства. В этой статье предложена новая информация о воздействии нерегулярности на характеристики экранированного диэлектрического волновода. В работе рассмотрены нерегулярности в виде зазора и поворота плоскости поляризации, а также проведена оценка физического происхождения потерь. Опираясь на экспериментальные данные и результаты моделирования были получены приближенные зависимости передаточной функции от величины нерегулярности. Результаты этой работы позволят оценить потери влияние величины нерегулярности, а также выдвигают требования к точности разрабатываемых металлодиэлектрических конструкций.

About the authors

Vladislav V. Krutskikh

National Research University «Moscow Power Engineering Institute»

Email: KrutskichVV@mpei.ru

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Fundamentals of Radio Engineering of the V.A. Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics

Russian Federation, 14, Krasnokazarmennaya Street, Moscow, 111250

Andrey N. Ushkov

National Research University «Moscow Power Engineering Institute»

Email: UshkovAN@mpei.ru

Student

Russian Federation, 14, Krasnokazarmennaya Street, Moscow, 111250

Husam Ariqat

National Research University «Moscow Power Engineering Institute»

Email: ArikatAK@mpei.ru

Postgraduate Student

Russian Federation, 14, Krasnokazarmennaya Street, Moscow, 111250

Denis O. Zavitaev

National Research University «Moscow Power Engineering Institute»

Email: ZavitayevDO@mpei.ru

Student

Russian Federation, 14, Krasnokazarmennaya Street, Moscow, 111250

Artavazd E. Mirzoyan

National Research University «Moscow Power Engineering Institute»

Author for correspondence.
Email: MirzoyanAE@mpei.ru

Postgraduate Student

Russian Federation, 14, Krasnokazarmennaya Street, Moscow, 111250

References

Supplementary files