Плоский металодіелектричний хвилевід

Реферат: Плоский металодіелектричний хвилевід належить до мікрохвильової техніки та може бути використаний при побудові хвилевідних пристроїв і радіотехнічних систем на його основі. Хвилевід складається з двох провідних пластин і шаруватої діелектричної структури. Як діелектрична структура використана тонка стрічкова діелектрична пластина з двосторонньою металізацією широких стінок, яка затиснута по широких стінках між паралельними провідними пластинами. Технічним результатом є виключення виникнення повітряних неоднорідностей при контакті провідних пластин з діелектричною смугою та створення конструктивно простої, технологічної, малогабаритної лінії передачі для НВЧ і УВЧ діапазонів, що поєднує переваги порожнистого металевого хвилеводу та смужкових ліній. UA 104907 C2 (12) UA 104907 C2 UA 104907 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до мікрохвильової техніки та може бути використаний при побудові хвилевідних пристроїв і радіотехнічних систем. Відомі порожні металеві хвилеводи прямокутного перерізу (Семенов Н.А. Технічна електродинаміка / Н.А. Семенов. - М. Зв'язок, 1973. - 480 с.), що являють собою порожню металеву трубу, стінки якої виконуються з добре провідного матеріалу. У порожніх металевих хвилеводах, що працюють у високочастотному діапазоні, плоска однорідна електромагнітна хвиля поширюється усередині труби, багаторазово відбиваючись від її металевих стінок. Недоліком порожнього металевого хвилеводу прямокутного перерізу є те, що для довгохвильової частини НВЧ і короткохвильової частини УВЧ діапазону частот, він має досить великі масогабаритні показники, а виходячи із цього, має високу вартість. Так само відомі несиметричні смужкові та мікросмужкові лінії, які являють собою відкриту електродинамічну структуру (Microstrip line and slotlines / [Gupta K.C., Garg R., Bahl I., Bhartia P.]. - London.: Artech House, 1996. - 535 p.). При цьому така лінія передачі має досить великі втрати на випромінювання. На відміну від несиметричної смужкової лінії з низьким значенням відносної діелектричної проникності є у мікросмужковій лінії, у якій дане значення досягає десяти й більш, електромагнітне поле концентрується в області між провідником і заземленою підставою, у зв'язку із чим, втрати на випромінювання виявляються значною мірою ослабленими. Як правило, обладнання, побудовані на основі несиметричних смужкових ліній і мікросмужкових ліній, конструктивно виконуються в екрані. Недоліком таких ліній є те, що вони мають досить великі втрати на випромінювання. А в результаті екранування відбувається деформація електромагнітних полів, що супроводжується погіршенням робочих параметрів даних обладнань. Найбільш близьким технічним рішенням (прототипом) є патент № 4463330 «Діелектричний хвилевід» США МКВ Н01Р 3/16, що складається з діелектричних смуг, затиснутих між двома паралельними провідними пластинами, внутрішні поверхні яких покриті тонкими діелектричними шарами. Інший простір хвилеводу заповнений відповідним діелектричним середовищем, яким може бути повітря або будь-який інший діелектрик з малими втратами, діелектрична проникність якого повинна бути менше, ніж у діелектричній смужці. Наявність у хвилевідній структурі провідних пластин знижує проблему поляризаційної нестійкості, однак такий хвилевід (прототип) складний по конструкції та технології виготовлення й використовується тільки в міліметровому діапазоні довжин хвиль. Задачею винаходу є створення конструктивно простої, технологічної, малогабаритної, дешевої альтернативної лінії передачі для НВЧ і УВЧ діапазонів, що поєднує переваги порожнього металевого хвилеводу та смужкових ліній. На відміну від прототипу, що працює тільки в міліметровому діапазоні, пропонована хвилевідна структура (плоский металодіелектричний хвилевід) може використовуватися як у сантиметровому, так і міліметрових діапазонах. Плоский металодіелектричний хвилевід являє собою тонку стрічкову діелектричну пластину (2) із двосторонньою металізацією широких стінок (креслення 1), яка затискается по широких стінках між двома провідними пластинами (1). Металізація пластини виключає виникнення повітряних неоднорідностей, які мали б місце при контакті провідних пластин з діелектричною смугою. Структуру електромагнітного поля у хвилеводі можна представити як результат складання чотирьох плоских однорідних хвиль, називаних парціальними, багаторазово відбитих від його межових поверхонь х=0; у=0; х=а; у=b. Такими є провідні поверхні та площини розділу двох діелектриків (пластина й повітря) приповному внутрішньому відбитті. Аналіз пропонованого хвилеводу проведений відповідно до навчального посібника (Саламатін В.В. Основи геометричної електродинаміки хвилеводів прямокутного перетину: Навч. посібник / В.В. Саламатін, І.Л. Афонін, С.Н. Бердишев. - Севастополь: Изд. СевНТУ, 2008. - 220 с.). Парціальна хвиля, у загальному випадку, може мати лінійну, кругову або еліптичну поляризацію. Напрямок вектора Пойнтинга плоскої хвилі визначається трьома кутами (x, y, z), утвореними з осями координат. Напрямні косинуси цих кутів, сума квадратів яких дорівнює 2 2 2 одиниці (cos х+cos у+cos z=1), є функціями довжини хвилі, поперечних розмірів хвилеводу, електродинамічних параметрів середовищ, що заповнюють хвилевідну структуру, індексів власних полів. Парціальна хвиля будь-якої поляризації може бути представлена сумою двох лінійно поляризованих плоских хвиль, що мають взаємно перпендикулярні вектори напруженості електричного й магнітного полів. Зазначена пара двох ортогональних лінійно поляризованих парціальних хвиль E mn і E mn інтерпретується як система власних полів y x прямокутного хвилеводу будь-якої поперечної структури. 1 UA 104907 C2 5 Променеве трактування явищ у хвилеводі дозволяє визначити структуру електромагнітного поля у хвилеводі, параметри спрямовуючої системи, дисперсійні рівняння й параметри власних хвиль. Такий підхід до питань опису електродинамічних процесів хвилевідних структур забезпечує фізичну наочність і простоту розуміння просторової картини поля на всіх етапах розв'язання завдання, приводячи до кінцевих виразив для складових векторів поля, параметрів хвилеводів і власних хвиль, що повністю збігаються з розв'язуванням рівнянь Максвелла. Основним типом хвилі в пропонованому хвилеводі є E 00 . Структура електромагнітного поля y даного типу хвилі має такий вигляд:       E y  E ym cos k x x  x 0   cos t  k z z  x 0 ; 2  2    10     a1 x0  x0     Hx  E ym  sin  x  cos k x x    cos t  k z z  ;   a1 2  2       a1       Hz  E ym  cos  x  sin k x x  x 0   sin t  k z z  x 0 ;  a1 2  2     E x  0;  E z  0;   H y  0.  де m=0, 1, 2, …; n=0, 1, 2, ... - ціле число півхвиль електричної або магнітної складової векторів поля, що укладаються на розмірі a або b хвилеводу відповідно; a1, а1 - абсолютні діелектрична й магнітна проникності діелектрика; kх=kcosx, kz=kcosz - проекції хвильового вектора k на осі координат х і z ; k    a1 a1 ; 15 20 x0 - фаза коефіцієнта відбиття від межі х=0.     sin 2  x  2 2   11   ;  x 0  2  arctg 1  2  cos  x       де 1 й 2 - відносні діелектричні проникності діелектрика й повітря, 1 і 2 - відповідно, відносні магнітні проникності. Щоб хвилевідна структура для даного типу хвилі зберігала свої спрямовуючі властивості та могла передавати енергію уздовж поздовжньої осі, необхідне виконання наступної умови: кут x повинен бути більше критичного, тобто 2 . 1 Довжина хвилі, при якій досягається рівність х=x кр, називається критичною. Критична довжина хвилі моди E 00 визначається величиною розміру  (ширина діелектричної пластини), а y  x   х кр  arcsin 25 також залежить від параметрів 1 і 2 (1 і 2 вважаємо рівними одиниці).  кр  2 1   2 , (1) Дисперсійне рівняння для хвилі типу E 00 має такий вигляд: y    30  1 cos  x . (2)  2  2  sin  x   1  arctg   cos  x       З даного рівняння по відомих параметрах хвилевідної структури (1, 2, і ) можна знайти на будь-якій довжині хвилі  напрямний кут x. При цьому y=90°, а z=90°-x. Наявність провідних пластин у хвилевідній структурі виключає випромінювання електромагнітної енергії з кутових областей межі розділу двох діелектриків. 2 UA 104907 C2 5 10 15 Глибина проникнення поля 5, у повітряну підкладку дорівнює відстані уздовж нормалі до грані хвилеводу при віддаленні від площини розділу діелектричних середовищ, при якому амплітуда напруженості електричного або магнітного поля зменшується в e раз (e=2,718...). Вона визначається по формулі:  .  2 2 2 1 sin  x  1 Глибина проникнення поля =min на мінімальній робочій довжині хвилі min дорівнює min=0,4. Поклавши d=4min=1,6 (креслення), одержимо поперечний розмір хвилевідної структури, який дорівнює A=+2d=4,2. При кp=min з (1) одержуємо:  min .  2 1   2 Так, наприклад, при min=8 см; 1=10; 2=1, =1,36 см; А=5,71 см. З формули (2) при заданих значеннях , 1, 2 і  визначаємо кут x. Співвідношення для довжини хвилі (в), фазової (Vф) і групової (Vгр) швидкостей у плоскому металодіелектричному хвилевіді для хвилі типу E 00 запишемо в наступному вигляді: y в  Vф  Vгр  20  1 sin  x c 1 sin  x ; ; c  sin  x . 1 Характеристичний опір хвилеводу дорівнює: ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 Плоский металодіелектричний діелектричної структури, який тонка стрічкова діелектрична затиснута по широких хвилевід, що складається з двох провідних пластин і шаруватої відрізняється тим, що як діелектрична структура використана пластина з двосторонньою металізацією широких стінок, яка стінках між паралельними провідними пластинами. 0 1 0 . Zc  sin  x Технічний результат полягає в створенні альтернативної лінії передачі електромагнітної енергії в мікрохвильовому діапазоні частот, що поєднує переваги та виключає недоліки порожнього металевого хвилеводу та смужкових ліній. 3 UA 104907 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4