Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Металлодиэлектрический экранированный волновод с малыми потерями для диапазона частот 90–100 ГГц

https://doi.org/10.38013/2542-0542-2021-2-7-14

Полный текст:

Аннотация

Настоящая работа посвящена разработке новой конструкции экранированного металлодиэлектрического волновода с малыми потерями для диапазона частот 90–100 ГГц. Основным препятствием к реализации традиционных волноведущих трактов в данном диапазоне длин волн является высокий уровень потерь в металле. Задачей работы было формирование предложения по конструкции тракта с потерями менее 0,5 дБ/м, с устойчивой поляризацией волны. Для этого были рассмотрены и проанализированы различные конструкции волноведущих структур, проведены оценки погонных потерь в них и возможность реализации конструкции. Была предложена итоговая конструкция волноведущего тракта и выбраны параметры элементов конструкции, отвечающие поставленной задаче.

Для цитирования:


Крутских В.В., Минкара М.С., Ибрахим Р.А., Мирзоян А.Э., Ушков А.Н. Металлодиэлектрический экранированный волновод с малыми потерями для диапазона частот 90–100 ГГц. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2021;(2):7-14. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2021-2-7-14

For citation:


Krutskikh V.V., Minkara S.M., Ibrahim A.R., Mirzoyan A.E., Ushkov A.N. Shielded low-loss metal-dielectric waveguide for frequency range of 90–110 GHz. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2021;(2):7-14. (In Russ.) https://doi.org/10.38013/2542-0542-2021-2-7-14

Введение

Задача канализации волны КВЧ диапазона между устройствами не нова. Однако периодически возникают потребности передачи сигнала между модулями радиоэлектронной аппаратуры, разнесенными на существенное расстояние (десятки метров). В диапазоне частот 30–70 ГГц этот вопрос можно считать решенным, но на частотах выше 70 ГГц пока нет достойных промышленных решений волноведущих структур с погонными потерями менее 1 дБ/м. Анализ стандартных волноведущих структур, таких как прямоугольный и круглый металлические волноводы, показал, что потери в них могут превышать единицы и десятки децибел на метр в заданном диапазоне частот на основной рабочей моде. Поэтому в настоящей работе рассматриваются другие перспективные конструкции волноводов, приведенные на рисунке 1.

Рис. 1. Поперечные сечения волноведущих структур

Сверхразмерные полые металлические волноводы (см. рис. 1а и б), ничем конструктивно не отличаются от обычных, за исключением увеличенных размеров сечения. Потери в них связаны в основном с затуханием в металлических стенках и преобразованием в высшие моды. На базе таких волноводов строятся лучеводы [1]. При этом любая нерегулярность в такой линии может привести к появлению высших типов волн и соответствующим потерям. Хорошим решением для реализации волноведущего тракта с малыми потерями в данном диапазоне частот являются диэлектрические волноводы (ДВ). Но, к сожалению, это открытые волноведущие структуры. Размещение ДВ в сверхразмерном волноводе является перспективным решением данной задачи. Конструкции (рис. 1в и з) позволяют зафиксировать основную моду и обеспечить поляризационную устойчивость. Эти конструкции рассматривались в работе [2]. Конструкции (см. рис. 1д и е) позволяют уменьшить потери в металлических стенках, но при этом возникают потери в самом диэлектрике, и такая система должна работать на специфических высших типах волн, которые нужно суметь правильно возбудить и потом снять. Для волновода Тишера (см. рис. 1ж) расчет потерь произведен в работах [3] и [4]. Такой волновод вполне может иметь соответствующие потери, но не будет рассматриваться в данной работе в связи с требованием полного экранирования. В итоге для анализа остаются три типа структур (см. рис.1в, г и з).

Применение такого специфического волноводного тракта необходимо в совмещенных интерферометрах и радиометрах для одновременной обработки сигнала о расстоянии и температуре измеряемого объекта. Поэтому, с одной стороны, нужно иметь хорошее согласование и малые потери на заданной частоте, с другой – достаточно широкую полосу частот, включая несколько низкочастотных диапазонов.

1. Оценка потерь в различных волноведущих структурах

Для решения поставленной задачи на первом этапе была проведена оценка потерь в стенках сверхразмерного металлического волновода (см. рис. 1а, б) для основной моды. Были проведены расчеты, позволяющие оценить потери в стенках полых металлических волноводов прямоугольного и круглого сечений. Для этого использовались расчетные соотношения, приведенные в [5][6]. Авторы работы не рассматривали конструкции стандартных металлических волноводов для заданного диапазона, зная априорно, что потери на требуемой частоте составляют более 2 дБ/м.

Расчет погонных потерь сверхразмерных волноводов проводился для основных типов волны: H10 прямоугольного волновода, H11 и Е01 – круглого волновода. На рисунках 2 и 3 приведены зависимости погонных затуханий от частоты для медных сверхразмерных волноводов стандартных сечений, выпускаемых промышленно. Из графиков (см. рис. 2–4) видно, что потери монотонно растут с увеличением частоты, при этом уменьшение потерь пропорционально площади сечения волноводной трубы.

 

 

Волноводные трубы начинают удовлетворять условиям задачи при размере с сечений более 13×6,5 мм для прямоугольных волноводов (выбраны размеры волноводов по ГОСТ 17426-72 «Трубы волноводные металлические» и ГОСТ РВ 51914-2002 «Элементы соединения СВЧ трактов электронных измерительных приборов»), а также с диаметром более 6 мм для металлических волноводов круглого сечения.

Погонное затухание в волноводе определяется формулой:

(1)

где h" = h"м + h"ср – суммарный коэффициент затухания в металле и в диэлектрическом заполнении.

Коэффициент затухания за счет потерь в стенках прямоугольного металлического волновода для волны магнитного типа Hmn записывается в виде:

(2)

где a и b – размеры сечения волновода, σм – проводимость металла, μам – магнитная проницаемость металла.

Коэффициент затухания за счет потерь в стенках круглого металлического волновода для волны магнитного типа Hmn записывается в виде:

(3)

Коэффициент затухания за счет потерь в стенках круглого металлического волновода для волны электрического типа Emn рассчитывается по формуле:

(4)

Анализ потерь за счет изменения материалов показал, что покрытие серебром внутренней поверхности экрана незначительно уменьшает погонные потери на (3–5 %), но значительно удорожает изделие.

На втором этапе проводится анализ потерь в диэлектрических структурах, которые находятся внутри экрана, исходя из физических принципов расчета потерь в волноводах. Погонные потери в диэлектрической среде оцениваются по формуле:

(5)

где σср = ωε0εtgδ – удельная проводимость, ε и tgδ – диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь материала заполняющей среды.

Конечно, в случае экранированного ДВ мощность потерь в диэлектрике будет рассчитываться сложнее, чем в волноводе со сплошным равномерным заполнением. А вклад в суммарные потери будет незначительным. Оценочный расчет показал, что мощность тепловых потерь в полиэтилене на 2 порядка меньше, чем в стенках экрана, для некоторых конструкций.

Погонные потери уменьшаются при уменьшении размеров сечения диэлектрического стержня согласно методике расчета потерь в ДВ, представленной в [7], и возрастают при увеличении диэлектрической проницаемости исходя из формулы (5). Благодаря этим факторам возможно найти не худшие решения для конструкции диэлектрической структуры, удовлетворяющей заданным требованиям. Численный расчет показал, что потери в полиэтиленовом или фторопластовом ДВ становятся приемлемыми только при толщине ДВ менее 1 мм.

В качестве волноведущей структуры с требуемыми потерями можно использовать полуэкранированный ДВ. Расчет таких потерь был произведен по методике, описанной в [4]. Однако такой вариант не будет удовлетворять условию полного экранирования.

В итоге для вышеприведенных структур наилучшим решением задачи будет использование круглого металлического сверхразмерного волновода диаметром более 6 мм c волной типа Н11 в качестве экрана. Достоинством решения будет то, что мода Н11 в круглом волноводе – это мода основного типа и ее возбуждение не представляет трудности. А главный недостаток – поляризационная неустойчивость.

В результате формируется следующая задача: для данного типа волновода сконструировать устройство, удерживающее поляризацию и имеющее суммарные погонные потери не более допустимых 0,5 дБ/м.

2. Физические принципы понижения потерь в металлодиэлектрических структурах

Потери в условно регулярной (реальной) волноведущей структуре складываются из тепловых потерь в металлическом экране, тепловых потерь в диэлектрической конструкции, поляризационных потерь (за счет поворота плоскости поляризации) и потерь модового преобразования. Последний вид потерь возникает только на нерегулярностях и может быть решающим в случае протяженной линии. Поэтому для снижения уровня потерь целесообразно уменьшить:

• тепловые потери в металле – за счет удаления экрана от максимума распределения электрического поля на максимально возможное расстояние;
• тепловые потери в диэлектрических структурах – за счет уменьшения толщины диэлектрических элементов и выбора материала элементов с наименьшими диэлектрическими проницаемостями и тангенсом угла диэлектрических потерь;
• потери из-за изменения угла поляризации – путем фиксации поля в заданном положении при помощи диэлектрических элементов;
• потери модового преобразования – за счет создания конструкции, минимизирующей нерегулярные участки и исключающие локальные нерегулярности (например, зазоры на стыках).

3. Конструктивные решения экранированного волновода с малыми потерями

Моделирование распределений поля в сверхразмерном волноводе диаметром 20 мм показано на рисунке 5а. Возбуждение происходило волной H11. На распределении поля видно, что в данном волноводе будет иметь место многомодовый режим, непригодный для выполнения поставленной задачи. Поэтому данную конструкцию далее обсуждать не будем. Добавим лишь, что рассчитанные по точным формулам из [6] и моделируемые при помощи пакетов потери для участка длиной 1 м различаются на 30–40 %. Такое различие обусловлено появлением волн высших типов и наличием поворота плоскости поляризации в случае расчетной модели.

 

Рис. 5. Распределение полей в поперечном сечении круглого МВ диаметром 20 мм при возбуждении волны H11 без стержня (а), с диэлектрическим стержнем диаметром 1 мм (б) и с диэлектрической пластиной толщиной 0,2 мм (в)

 

Исходя из физических явлений и проведя анализ диэлектрических элементов, приняли решение исследовать ряд конструкций волноведущей диэлектрической структуры:

• соосная конструкция с круглым диэлектрическим стержнем в центре металлического экрана круглого сечения (см. рис. 1г);
• конструкция с диэлектрической пластиной в плоскости симметрии металлического экрана круглого сечения (см. рис. 1з);
• гибридная конструкция, включающая в себя стержень и тонкую пластину из диэлектрика в плоскости симметрии трубы.

Естественным достоинством первой конструкции является то, что используются два стандартных волновода: круглые металлический и диэлектрический. Реализовать модель такой конструкции теоретически достаточно просто, а технологически заметно трудней. После проведения анализа соотношений размеров и потерь для численного эксперимента были выбраны диэлектрические стержни диаметрами от 0,1 до 1,5 мм. Результаты моделирования погонного затухания приведены на рисунке 6. Отметим, что для стержня диаметром 1 мм (1/3 длины волны) и экрана диаметром 20 мм погонные потери составляют от 0,4 до 0,55 дБ/м в исследуемой полосе частот и при повышении частоты выше 96 ГГц возрастают.

Рис. 8. Зависимость дополнительных потерь от угла плоскости поляризации в круглом волноводе

С точки зрения технологичности вторая конструкция кажется более сложной, но все же реализуемой в лабораторных условиях. Диэлектрическая пластина зажимается между двумя половинами продольно разрезанной трубы – экрана. На рисунке 1з изображено поперечное сечение такой структуры, а на рисунке 5в – распределение поля Е. Из распределений видно, что поле «прижато» к плоскости симметрии металлического экрана. Вблизи металлического экрана поле минимально, и основной вклад вносят потери в диэлектрической пластине, что видно из рисунка 7. Экспериментально установлено, что толщина диэлектрической пластины для условий задачи должна быть менее 0,2 мм. Это составляет менее 6 % от длины волны на заданной частоте в полиэтилене. Такой диэлектрический волновод называют слабо замедленным, и этот волновод хорошо исследован в теории диэлектрических волноводов [7]. Зная при этом, что размеры экрана больше 3–5 длин волн, можно применять теорию расчета потерь для бесконечной диэлектрической пластины в полуэкранированном диэлектрическом волноводе [4].

4. Оценка дополнительных потерь

К дополнительным потерям можно отнести потери, вносимые за счет поворота плоскости поляризации волны, и потери за счет перекачки энергии в другие моды. Суммарные потери в волноводе могут быть оценены по следующей формуле:

ΔΣ = (Δмет + Δдиэл) + Δпол + Δмод. (6)

Потери, вносимые поворотом плоскости поляризации, вызванные слабыми нерегулярностями, можно оценить по графику зависимости потерь от угла поворота плоскости поляризации (рис. 8). Этот график получается из геометрических соображений при условии установки приемной и передающей секций в одной плоскости и некоторой плавной нерегулярности, вносящей вклад в поворот плоскости поляризации внутри волновода.

Оценка потерь за счет модовых преобразований оказывается сложной задачей, требующей конкретизации типа нерегулярности. В данной работе эта задача не рассматривалась.

Выводы

  1. В ходе проделанной работы было установлено, что существует возможность реализации закрытого волноведущего тракта электромагнитных волн в диапазоне от 90 до 100 ГГц с конструкцией, приведенной на рисунке 1з, или комбинированная конструкция, сочетающая приведенные на рисунках 1г и з.
  2. Наилучшим вариантом экрана для вышеуказанного волноводного тракта является медная труба диаметром от 6 длин волн и более.
  3. Толщина диэлектрической пластины может варьироваться в диапазоне от 3 до 6 % от рабочей длины волны.
  4. Рабочей волной признается волна H11 круглого металлического волновода (она же H10 прямоугольного). Этот тип волны имеет наименьшие потери на поверхности экрана и одновременно существенно упрощает конструкции переходов на стандартные фланцы.
  5. С точки зрения конструкции тонкая пленка, являющаяся составной частью волноведущего диэлектрического канала, будет не худшим решением для системы крепления диэлектрического стержня внутри экрана.
  6. При сочетании широкополосных и узкополосных свойств полученный тракт может быть пригоден как для радиометрических, так и интерферометрических измерений.
  7. Для достижения заданных параметров данный тракт может быть исполнен только в жестком линейном исполнении, а устройства поворота и переходы требуют дальнейшего исследования.
  8. Конструкция волноведущего тракта может быть использована в приборах, совмещающих в себе радиометр и интерферометр, для одновременного измерения температуры объекта и расстояния до него.
  9. В данной работе исследованы только возможные конструкции волноведущих трактов. Другие важные элементы, такие как устройства поворота, возбудители и модовые корректоры, требуют дальнейшего исследования.

 

Список литературы

1. Костенко А. А. Квазиоптика: исторические предпосылки и современные тенденции развития Радиофизика и радиоастрономия. 2000. Т. 5, № 3. С. 221–246.

2. Взятышев В. Ф. и др. Защищенный диэлектрический волновод с малыми фазовыми искажениями, код «ШИПР» // Научно-технический отчет. 1998. 126 с.

3. Гутцайт Э. М. Типы волн в Н-образном металлодиэлектрическом волноводе // Радиотехника и электроника. 1962. Т. 7, № 2. С. 310–314.

4. Крутских В. В. Функциональные узлы на полуэкранированных диэлектрических волноводах: дис. … канд. техн. наук. М.: МЭИ, 2005. 207 с.

5. Лебедев И. В. Техника и приборы СВЧ. Т. 1. М.: Высшая школа, 1970. 440 с.

6. Баскаков С. И. Основы электродинамики. М..: Сов. радио, 1973. 248 с.

7. Взятышев В. Ф. Диэлектрические волноводы. М.: Сов. радио, 1970. 217 с.


Об авторах

В. В. Крутских
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет “МЭИ”»
Россия

Крутских Владислав Викторович – кандидат технических наук, доцент кафедры «Основ радиотехники».
Область научных интересов: радиотехника.

Москва



М. С. Минкара
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет “МЭИ”»; «Митэль»
Россия

Минкара Мохамад Саадала – кандидат технических наук, инженер кафедры «Основ радиотехники» 
Область научных интересов: радиотехника

Москва ;
Лебабон, Бейрут, Ливанская Республика



Р. А. Ибрахим
Колледж наук университета
Ирак

Ибрахим Али Рашид – кандидат технических наук, доцент кафедры «Прикладной математики»
Область научных интересов: радиотехника.

Анбара, Рамади, Ирак 



А. Э. Мирзоян
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет “МЭИ”»
Россия

Мирзоян Артавазд Эдуардович – аспирант кафедры «Основ радиотехники».
Область научных интересов: радиотехника. 

Москва



А. Н. Ушков
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет “МЭИ”»
Россия

Ушков Андрей Николаевич – студент кафедры «Основ радиотехники»
Область научных интересов: радиотехника 

Москва



Для цитирования:


Крутских В.В., Минкара М.С., Ибрахим Р.А., Мирзоян А.Э., Ушков А.Н. Металлодиэлектрический экранированный волновод с малыми потерями для диапазона частот 90–100 ГГц. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2021;(2):7-14. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2021-2-7-14

For citation:


Krutskikh V.V., Minkara S.M., Ibrahim A.R., Mirzoyan A.E., Ushkov A.N. Shielded low-loss metal-dielectric waveguide for frequency range of 90–110 GHz. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2021;(2):7-14. (In Russ.) https://doi.org/10.38013/2542-0542-2021-2-7-14

Просмотров: 101


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)