Металодіелектричний хвилевід

Реферат: Металодіелектричний хвилевід належить до мікрохвильової техніки і може бути використаний при побудові хвилевідних пристроїв і радіотехнічних систем на його основі. Металодіелектричний хвилевід, який виконаний тонкою плоскопаралельною діелектричною пластиною прямокутного перерізу з двосторонньою металізацією широких стінок, при цьому у короткохвильовій частині ультрависоких частот і довгохвильовій частині надвисоких частот діапазонів вузькі бічні стінки пластини металізуються. Технічним результатом є виключення випромінювання електромагнітної хвилі з хвилеводу, виключення впливу зовнішніх факторів і завад на структуру електромагнітного поля та зменшення масогабаритних показників і собівартості, та спрощення технології виготовлення хвилеводу. UA 99003 C2 (12) UA 99003 C2 UA 99003 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до мікрохвильової техніки і може бути використаний при побудові хвилевідних пристроїв і радіотехнічних систем на його основі. Відомі несиметричні смужкові лінії і мікросмужкові лінії, які являють собою відкриту електродинамічну структуру (Microstrip line and slotlines / [Gupta К.С, Garg R., Bahl I., Bhartia P.]. London.: Artech House, 1996. - 535 p.). При цьому така лінія передачі має чималі втрати на випромінювання. На відміну від несиметричної смужкової лінії з низьким значенням відносної діелектричної проникності ε у мікросмужковій лінії, в якій ε досягає десяти і більше, електромагнітне поле концентрується в області між провідником і заземленою підставою, в зв'язку з чим втрати на випромінювання виявляються в значній мірі ослабленими. Як правило, пристрої, побудовані на основі несиметричних смужкових лініях і мікросмужкових лініях, конструктивно виконуються в екрані. Недоліком таких ліній є те, що вони мають чималі втрати на випромінювання. І в результаті екранування відбувається деформація електромагнітних полів, що супроводжується погіршенням параметрів цих пристроїв. Так само відомі порожнисті металеві хвилеводи прямокутного перерізу (Семенов Н.А. Техническая электродинамика / Семенов Н.А. - М.: Связь, 1973. - 480 с.), що є порожнистою металевою трубою, стінки якої виконуються з добре провідного матеріалу. У порожнистих металевих хвилеводах, що працюють у високочастотному діапазоні, плоска однорідна електромагнітна хвиля поширюється усередині труби, багато разів відбиваючись від її металевих стінок. Недоліком порожнистого металевого хвилеводу прямокутного перерізу є те, що для довгохвильової частини НВЧ і короткохвильової частині УВЧ діапазону частот, він має чималі масогабаритні показники, а виходячи з цього, має високу вартість. Найбільш близьким технічним рішенням (прототипом) є патент № 446330 «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, яке може бути повітрям або будь-яким іншим діелектриком з малими втратами, діелектрична проникність якого має бути менше, ніж в діелектричній смужці. Недоліком діелектричного хвилеводу є нестійкість площини поляризації. При поширенні хвилі відбувається безперервне взаємне перетворення ортогональних лінійно поляризованих хвиль, в результаті якого збуджена лінійно поляризована хвиля перетвориться в еліптично поляризовану. Наявність у діелектричному хвилеводі провідних пластин знижує проблему поляризаційної нестійкості, проте такий хвилевід (прототип) використовується лише в міліметровому діапазоні довжин хвиль. Задачею винаходу є створення альтернативної лінії передачі, що поєднує достоїнства порожнистого металевого хвилеводу, смужкових ліній і діелектричного хвилеводу, а так само зменшення розмірів поперечного перерізу хвилеводу. Металодіелектричний хвилевід є тонкою стрічковою діелектричною пластиною (1) з чотиристоронньою металізацією, як широких, так і вузьких стінок (2) (фіг. 1). Плоска хвиля поширюється в хвилеводі, відбиваючись від кожної з його стінок. Суперпозиція полів падаючих і відбитих плоских хвиль утворює неоднорідну хвилю, яка поширюється уздовж хвилеводу. Структуру електромагнітного поля в хвилеводі можна представити як результат складання чотирьох плоских однорідних хвиль, званих парціальними, багато разів відбитих від його граничних поверхонь (Саламатин В.В. Основы геометрической электродинамики волноводов прямоугольного сечения: Учеб. Пособие / Саламатин В.В., Афонин И.Л., Бердышев С.Н. Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2008. - 220 с.). Парціальна хвиля в загальному випадку може мати лінійну, кругову або еліптичну поляризацію. Напрям вектора Пойнтінга плоскої хвилі визначається трьома кутами ( x, у, z), утвореними з осями координат (фіг. 2). Направляючі 2 2 2 косинуси цих кутів, сума квадратів яких дорівнює одиниці (cos x + 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 і магнітного полів. Вказана пара двох ортогональних лінійно поляризованих парціальних хвиль інтерпретується як система власних полів прямокутного хвилеводу будь-якої поперечної структури. Променеве трактування явищ у хвилеводі дозволяє визначити структуру електромагнітного поля в хвилеводі, параметри направляючої системи, дисперсійні рівняння і параметри власних хвиль. Такий підхід до питань опису електродинамічних процесів хвилевідних структур забезпечує фізичну наочність і простоту розуміння просторової картини поля на всіх етапах 1 UA 99003 C2 5 вирішення задачі, приводячи до кінцевих виразів для складових векторів поля, параметрів хвилеводів і власних хвиль, які повністю збігаються з вирішеннями рівнянь Максвелла. Амплітуди складових векторів E і H залежать від направляючих косинусів цих векторів. Усі амплітуди можна виразити через одну з них, наприклад Hzm . Складові векторів поля типу Hmn запишуться у вигляді: n b H zm cos m x a sin n y b sin t k z z ; n a H zm sin m x a cos n y b sin t k z z ; m a H zm sin m x a cos n y b sin t k z z ; n b H zm cos m x a sin n y b sin t k z z ; a Ex 2 kc a 2 kc Ex Ez 0; kz Hx 2 kc kz Hy 2 kc Hz m x a H zm cos cos n y b , cos t k z z . де m=0, 1, 2,...; n=0, 1, 2,... - ціле число півхвиль електричної або магнітної складової векторів поля, що укладаються на розмірі а або b хвилеводу відповідно; 2 kz 10 2 kc k2 x 2 k cos z 2 1 кр - коефіцієнт поширення; кр k 2 - поперечне хвилеве число, де k x y k cos x ,k y k cos y ,k a a. У металодіелектричному хвилеводі основним є тип хвилі H10. Для цього типу хвилі направляючий косинус кута y , дорівнює нулю cos 0. Отже, синус кута sin sin2 z z 0 , оскільки n = дорівнює sin2 x y cos y x. 2 15 При m = 1 видно, що 2а, a sin кр cos z x 2a , cos z 1 2a . Співвідношення для довжини хвилі, фазової і групової швидкостей у металодіелектричному хвилеводі для хвилі типу H10 запишуться в наступному вигляді: 0 в 2 0 2 кр 1 2 2 ; 1 кр 2 Vф V cos c 1 2a c 1 20 , 2 z 2a де с - швидкість електромагнітних хвиль у вільному просторі. 2 1 Vгр V cos z c 2a . Структуру поля хвилі типа Н10 отримуємо з наступними параметрами: 2 cos y 0; sin z cos x 2a , cos z 1 2a ; kx a Вирази для складових векторів поля мають вигляд: 25 2 ; kz 2 . в UA 99003 C2 Ex 0; E z 0; H y 0; Z0 Ey H zm sin k cos x x sin t k z z sin z 2a x 2 Z0 H zm sin sin t z ; a в в cos z Hx H zm sin k cos x x sin t k cos sin z 2a x 2 H zm sin sin t z ; a в в Hz H zm cos k cos xx cos t k cos zz zz H zm cos x cos a t 2 z . в Хвилевий опір хвилеводу для хвилі типу Н10 дорівнює відношенню поперечних складових напружень електричного і магнітного полів Zв Ey Z0 Z0 в Hx 1 5 . 2 2a Технічний результат полягає в створенні альтернативної лінії передачі, що поєднує достоїнства порожнистого металевого хвилеводу, смужкових ліній і діелектричного хвилеводу, а так само виключенні випромінювання електромагнітної хвилі з хвилеводу, виключення впливу зовнішніх факторів і завад на структуру електромагнітного поля, зменшенні масогабаритних показників, собівартості і спрощенні технології виготовлення хвилеводу. 10 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 Металодіелектричний хвилевід, який виконаний у вигляді тонкої плоскопаралельної діелектричної пластини прямокутного перерізу з двосторонньою металізацією широких стінок, який відрізняється тим, що в короткохвильовій частині ультрависоких частот і довгохвильовій частині надвисоких частот діапазонів вузькі бічні стінки пластини металізовано. 3 UA 99003 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 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