12187955_статья2 (копия). Разработка перехода от прямоугольного волновода h10 к прямоугольному волноводу моды e01

• Название: Разработка перехода от прямоугольного волновода h10 к прямоугольному волноводу моды e01
• Дата: 29.09.2022
• Размер: 153.59 Kb.
• Имя файла: 12187955_статья2 (копия).docx
• Тип: Документы; #706173

РАЗРАБОТКА ПЕРЕХОДА ОТ ПРЯМОУГОЛЬНОГО ВОЛНОВОДА H10 К ПРЯМОУГОЛЬНОМУ ВОЛНОВОДУ МОДЫ E01

ФИО автора, email

Наименование организации
Аннотация

В рамках настоящей работы был предложен численный алгоритм, позволяющий с хорошей точностью определять постоянные распространения волноводных и вытекающих мод многослойных оптических волноводов.

Ключевые слова: прямоугольный волновод, переход, мода, волновод H10.

Введение

Прямоугольный волновод представляет собой полую металлическую трубку, минимальный внутренний размер широкой стенки которой должен превышать половину длины волны, измеренной в свободном пространстве на интересующей рабочей частоте [5].

Прямоугольные волноводы находят наибольшее распространение из-за сравнительно простой конструкции и возможности возбуждения устойчивой волны. Наиболее распространено в технике СВЧ применение в прямоугольных волноводах волн типов 7/ю, Н_о, H₂q [1]. 

Очень распространенными узлами трактов СВЧ являются пере­ходы с одной линии передачи на другую, в которых используются различные типы волн [2].

Эти переходы называют также трансформаторами типов волн или возбудителями волны заданного типа. При проектировании пере­ходов основное внимание уделяется достижению хорошего качества согласования в полосе частот при обеспечении необходимой элект­рической прочности [3].

Основная часть

Рабочая длина волны: l₀= 8,5 см.

Ширина диаграммы направленности: 2Q_0.7= 10º.

Допустимый уровень боковых лепестков: q = -24 дБ.

Полоса частот: 4%

По уровню боковых лепестков выбираем формулу аппроксимации закон изменения поля в раскрыве зеркала:



Нормированное значение поля на краю раскрыва

Ширина диаграммы направленности: 2Q_0.7=66,3*l/2R.

R=28.2 см. – радиус параболоида.

Для определения эффективности реальных облучателей их диаграмма направленности в передней полусфере аппроксимируется функцией вида F(y) = cosⁿ(y), где n = 1, 2, 3, … - целые числа [4]. В нашем случае максимальная эффективность зеркальной антенны достигается при n = 1.Тогда y₀=66, где 2y₀- угол раскрыва зеркала.

Фокусное расстояние зеркальной антенны:



f =20.87 см.

Глубина зеркала:









Диаграмма направленности рупорного облучателя, построенная по аппроксимированному закону изменения поля в раскрыве зеркала:



Ширина диаграммы направленности рупорного облучателя: 2Q_0.7=110.

<sub>Найдём размеры раскрыва рупорного облучателя с оптимальной длинной в плоскости Н: плоскости Е:

a = 8.29 см. b = 5.49 см.</sub>

Оптимальная длина рупорного облучателя:



R_опт=3.12 см.



Рисунок 2 – Схема раскрыва рупорного облучателя
Диаграмма направленности рупорного облучателя в плоскости Н:

Диаграмма направленности рупорного облучателя в плоскости Е:


Диаграммы направленности теоретическая и в плоскостях Е и Н, полученные в результате моделирования процесса в программе Matcad, представлены на следующем графике:



Рисунок 3 - Диаграммы направленности теоретическая и в плоскостях Е и Н
На следующем графике в полярной системе координат представлено соответствие полученных диаграмм направленности облучателя, использованной при выборе угла раскрыва зеркала и зависимости фокусного расстояния от радиуса зеркала косинусной диаграмме направленности:



Рисунок 4 - Соответствие полученных диаграмм направленности облучателя

Амплитудное распределение поля вдоль зеркала было получено в программе MatCad и представлено на рисунке 5.







Рисунок 5 - Амплитудное распределение поля вдоль зеркала
Амплитудное распределение поля в раскрыве зеркала, построенное в зависимости от диаграммы направленности рупорного облучателя, практически совпадает с аппроксимирующей функцией, что свидетельствует о правильном выборе самой аппроксимирующей функции и геометрических размеров зеркальной антенны.

Диаграмма направленности зависит от от угла направления через функции Бесселя J1 и J0 по следующим формулам:



<sub>J0, J1-функции Бесселя нулевого и первого порядка.




l = l0 =8.5 см.</sub>



Рисунок 6- Диаграмма направленности: ширина диаграммы направленности: 2Q0.7=9.86,

уровень боковых лепестков: q = -27.17 дБ, l = l0 - 4% = 8.16 см,отклонение длины волны на –4%.



Рисунок 7 - Диаграмма направленности: ширина диаграммы

направленности: 2Q0.7 = 9.63, уровень боковых лепестков не изменился, l = l0 + 4% = 8.84 см, отклонение длины волны на +4%.


Рисунок 8 - Диаграмма направленности: ширина диаграммы направленности: 2Q0.7=10.20, уровень боковых лепестков не изменился.
<sub>При изменении рабочей длинны волны в пределах заданной полосы частот происходит незначительное расширение(сужение) диаграммы направленности при сохранении уровня боковых лепестков.

При аппроксимации диаграммы направленности облучателя функцией F(y) = cosn(y)

КПД антенны равен

h = 1 – cos2n+1(y0).

При n = 1 h = 0.933</sub>

КУ (G) антенны показывает, во сколько раз необходимо увеличить подводимую к антенне мощность при переходе от направленной антенны к абсолютно ненаправленной антенне, чтобы получить то же значение напряженности поля в точке приема.

Коэффициент усиления зеркальной антенны равен:

S = pR² – площадь раскрыва.

n - коэффициент использования поверхности (КИП) зеркальной антенны, определяется характером амплитудного распределения поля в раскрыве зеркала.

h - коэффициент полезного действия антенны.

g = n*h - эффективность зеркальной антенны.

Угол раскрыва зеркала был выбран из условия максимальной эффективности антенны g=0,82. Коэффициент усиления при этом равен:



G = 355.734

КНД показывает, во сколько раз мощность излучения в направлении максимума излучения больше мощности излучения в том же направлении абсолютно ненаправленной антенны с такой же подводимой к ней мощностью.

D = 4pSn/l².

D = 381.397

<sub>Так как антенна рассчитана на сантиметровые длины волн, в качестве основного фидерного тракта используем прямоугольный волновод с волной H10.

Схематическое изображение его части представлено на рисунке 9:</sub>



Рисунок 9 – Схема прямоугольного волновода с волной H10
<sub>Размеры поперечного сечения волновода выбираются так, чтобы волна H10 находилась в докритическом режиме, а волны высших типов, в частности H20 и H01, в закритическом режиме.

Размер широкой стенки: 0.6l<a<0.9l, 5.1 см. <a< 7.65 см. Выбираем a = 6.0 см.

Размер узкой стенки: b<l/2, b< 4.25 см. Выбираем b = 3.0 см.

Материал – латунь.

Толщина стенки – 1.5 мм.

Епред=30 кВ/см – напряженность электрического поля пробоя.</sub>

Р_пред 7.6 МВт.

Допустимая мощность – предельная мощность пропускания, умноженная на коэффициент запаса электрической прочности. Она учитывает неоднородности, вызывающие местные концентрации электрического поля, климатические факторы и наличие стоячей волны. Допустимая мощность Р_доп равняется:

Р_доп= (1/3…1/5) * Р_пред.

Р_доп= 1.52 кВт.

При повороте волновода на 90⁰, производить скругление изгиба не требуется, так как данная антенна работает в узкой полосе частот.

Для соединения отрезков волноводных линий передачи используются дроссельные соединения в круглых, вращающихся друг относительно друга волноводах и контактные фланцевые соединения в прямоугольных волноводах.

В качестве дроссельной секции в круглом волноводе применяется полуволновая замкнутая линия, состоящая из двух параллельных четвертьволновых участков.

Использование притертого фланца при тщательной обработке и соблюдении параллельности фланцевых поверхностей позволяет получить в месте соединения двух неподвижных друг относительно друга отрезков волноводных линий хороший электрический контакт.

Для согласования перехода от прямоугольного волновода H10 к прямоугольному волноводу моды E01 используются индуктивные диафрагмы, которые впаиваются с двух сторон в прорези в узких стенках прямоугольного волновода, индуктивные штыри, впаиваемые в прорези в широкой стенке прямоугольного волновода. Их положение и размеры подбираются экспериментально.
Заключение

В основе алгоритма лежит идея предварительного поиска с помощью метода минимизации амплитуды приближенных значений постоянных распространения, которые затем используются в качестве начальных приближения итерационного процесса метода конечных разностей. Такой подход позволяет существенно сократить время численного счета путем уменьшения количества вычислительных итераций.

Приведены расчеты ряда диэлектрических волноводов. На их примере продемонстрирована высокая скорость численного счета предложенного метода. Хорошее совпадение полученных результатов с опубликованными данными позволяет судить о высокой точности алгоритма.
Список используемой литературы

1. 
   Карлинер М. М. Электродинамика СВЧ: курс лекций / М. М. Карлинер. – Новосибирск: НГУ, 2006. – 258 с. – ISBN 5-94356- 325-3.
   
2. 
   ГригорьевА. Д. Электродинамикаимикроволноваятехника: учебник / А. Д. Григорьев. – СПб.; М.; Краснодар: Лань, 2007. – 704 с. – ISBN 978-5-8114-0706-4.
   
3. 
   Joonnopoulos, J.D. PhotonicCrystols. Molding the Flow of Ligh / J.D. Joonnopoulos, S.G. Johnson, J.N. Winn, R.D. Meode. – Princeton: Princeton Univ. Press, 2008. – 305 p
   
4. 
   Pollnou, M. Opticolwoveguides in loser crystols / MorkusPollnou, Yoroslov E. Romonyuk // ComptesRendus Physique. – 2007. – Vol. 8. – № 2. – P. 123-137.
   
5. 
   Qionfon, X. Experimentoldemonstrotion of guiding ond confining light in nonometer-size low-refroctive-index moteriol / Qionfon Xu, Vilson R. Olmeido, Roberto R. Ponepucci, Michol Lipson // Optics Letters. – 2004 – Vol. 29. – No. 14. – P. 1626–1628.
   

Ваан Аветисян, д. т. н., профессор (РА,г. Ереван),ШТУ ,департамент естествознания, средств связи и информационных технологий, моб. [phone], e-mail:[e-mail]

Vahan Avetisyan, MD, Professor (RA, Yerevan), SHTU, Department of Natural Sciences, Communications and Information Technologies, mob. [phone], e-mail:[e-mail]
Арутюнян Роберт Мисакович, старший преподаватель, председатель департамента "естествознания, средств связи и информационных технологий"(г. Степанакерт),шту, департамент естествознания ,средств связи и информационных технологий,моб. [phone], e-mail:[e-mail]
Harutyunyan Robert Misak, Senior Lecturer, Chairman of the Department of "Natural Sciences, Communications and Information Technologies" (Stepanakert),SHTU, Department of Natural Sciences, Communications and Information Technologies,mob. [phone], e-mail:[e-mail]
Анаит Сергеевна Нерсисян (г. Мартакерт),преподаватель ,департамент естествознания ,средств связи и информационных технологий, моб. [phone],e-mail:[e-mail]


Anahit Sergeyn Nersisyan (Martakert),Lecturer,Department of Natural Sciences,Communications and Information Technologies, mob. [phone],e-mail:[e-mail]