Исследование первичных СВЧ-преобразователей на основе измерительной ячейки с тол-стостенной диафрагмой с прямоугольным окном
Цель работы – оценка влияния диэлектрических свойств, формы, геометрических размеров вставок в прямоугольном окне толстостенной диафрагмы волноводного измерителя на коэффициенты отражения и передачи. Проведено компьютерное моделирование оценки влияния геометрических размеров, форм и диэлектрических...
Gespeichert in:
| Datum: | 2016 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
2016
|
| Schriftenreihe: | Техническая механика |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/116687 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Исследование первичных СВЧ-преобразователей на основе измерительной ячейки с тол-стостенной диафрагмой с прямоугольным окном / А.В. Доронин, И.В. Грималюк // Техническая механика. — 2016. — № 2. — С. 123-127. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-116687 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1166872017-05-13T03:02:51Z Исследование первичных СВЧ-преобразователей на основе измерительной ячейки с тол-стостенной диафрагмой с прямоугольным окном Доронин, А.В. Грималюк, И.В. Цель работы – оценка влияния диэлектрических свойств, формы, геометрических размеров вставок в прямоугольном окне толстостенной диафрагмы волноводного измерителя на коэффициенты отражения и передачи. Проведено компьютерное моделирование оценки влияния геометрических размеров, форм и диэлектрических свойств материала частичного заполнения волноводной измерительной ячейки на её резонансные свойства. В качестве аппарата реализации моделирования выбран метод частичных областей. Показано, что форма образца частичного диэлектрического заполнения в измерителях с прямоугольным окном вставки влияет на частотные характеристики измерительной ячейки. Использование диэлектрических образцов в форме параллелепипеда может повысить чувствительность первичных СВЧ-преобразователей по сравнению с использованием образцов цилиндрической формы, а граничнодопустимая площадь поперечного сечения исследуемых материалов не должна превышать 7 мм². Ціль роботи – оцінка впливу діелектричних властивостей, форми, геометричних розмірів вставок у прямокутному вікні товстостінної діафрагми хвилевідного вимірювача на коефіцієнти відбиття й передачі. Проведено комп'ютерне моделювання оцінки впливу геометричних розмірів, форм і діелектричних властивостей матеріалу часткового заповнення хвилевідної вимірювальної комірки на її резонансні властивості. У якості апарату реалізації моделювання обраний метод часткових областей. Показано, що форма зразка часткового діелектричного заповнення у вимірниках із прямокутним вікном вставки впливає на частотні характеристики вимірювальної комірки. Використання діелектричних зразків у формі паралелепіпеда може підвищити чутливість первинних НВЧ-перетворювачів у порівнянні з використанням циліндричної форми, а гранично-припустима площа поперечного перерізу досліджуваних матеріалів не повинна перевищувати 7 мм². The goal of this work is to estimate the effect of the dielectric properties, shape, and geometric dimensions of inserts in a rectangular window of a waveguide meter thick-walled diaphragm `on the reflection and transmission coefficients. The estimation of the effects of the geometric dimensions, forms and dielectric properties of the material for partial filling the measuring waveguide cell on its resonance properties has been simulated on the computer. The method of partial domains has been chosen as an apparatus for modeling. The form of the sample of partial dielectric filling for meters with a rectangular window of an insert was demonstrated to affect the frequency characteristics of the measuring cell. Dielectric samples in the form of a parallelepiped may increase the sensitivity of primary microwave frequency converters in comparison with cylindrical samples. A limiting crosssection area for materials under consideration may not exceed 7 mm². 2016 Article Исследование первичных СВЧ-преобразователей на основе измерительной ячейки с тол-стостенной диафрагмой с прямоугольным окном / А.В. Доронин, И.В. Грималюк // Техническая механика. — 2016. — № 2. — С. 123-127. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 1561-9184 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/116687 621.396 : 681.3.07 ru Техническая механика Інститут технічної механіки НАН України і НКА України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Цель работы – оценка влияния диэлектрических свойств, формы, геометрических размеров вставок в прямоугольном окне толстостенной диафрагмы волноводного измерителя на коэффициенты отражения и передачи. Проведено компьютерное моделирование оценки влияния геометрических размеров, форм и диэлектрических свойств материала частичного заполнения волноводной измерительной ячейки на её резонансные свойства. В качестве аппарата реализации моделирования выбран метод частичных областей. Показано, что форма образца частичного диэлектрического заполнения в измерителях с прямоугольным окном вставки влияет на частотные характеристики измерительной ячейки. Использование диэлектрических образцов в форме параллелепипеда может повысить чувствительность первичных СВЧ-преобразователей по сравнению с использованием образцов цилиндрической формы, а граничнодопустимая площадь поперечного сечения исследуемых материалов не должна превышать 7 мм². |
| format |
Article |
| author |
Доронин, А.В. Грималюк, И.В. |
| spellingShingle |
Доронин, А.В. Грималюк, И.В. Исследование первичных СВЧ-преобразователей на основе измерительной ячейки с тол-стостенной диафрагмой с прямоугольным окном Техническая механика |
| author_facet |
Доронин, А.В. Грималюк, И.В. |
| author_sort |
Доронин, А.В. |
| title |
Исследование первичных СВЧ-преобразователей на основе измерительной ячейки с тол-стостенной диафрагмой с прямоугольным окном |
| title_short |
Исследование первичных СВЧ-преобразователей на основе измерительной ячейки с тол-стостенной диафрагмой с прямоугольным окном |
| title_full |
Исследование первичных СВЧ-преобразователей на основе измерительной ячейки с тол-стостенной диафрагмой с прямоугольным окном |
| title_fullStr |
Исследование первичных СВЧ-преобразователей на основе измерительной ячейки с тол-стостенной диафрагмой с прямоугольным окном |
| title_full_unstemmed |
Исследование первичных СВЧ-преобразователей на основе измерительной ячейки с тол-стостенной диафрагмой с прямоугольным окном |
| title_sort |
исследование первичных свч-преобразователей на основе измерительной ячейки с тол-стостенной диафрагмой с прямоугольным окном |
| publisher |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України |
| publishDate |
2016 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/116687 |
| citation_txt |
Исследование первичных СВЧ-преобразователей на основе измерительной ячейки с тол-стостенной диафрагмой с прямоугольным окном / А.В. Доронин, И.В. Грималюк // Техническая механика. — 2016. — № 2. — С. 123-127. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| series |
Техническая механика |
| work_keys_str_mv |
AT doroninav issledovaniepervičnyhsvčpreobrazovatelejnaosnoveizmeritelʹnojâčejkistolstostennojdiafragmojsprâmougolʹnymoknom AT grimalûkiv issledovaniepervičnyhsvčpreobrazovatelejnaosnoveizmeritelʹnojâčejkistolstostennojdiafragmojsprâmougolʹnymoknom |
| first_indexed |
2025-07-08T10:49:51Z |
| last_indexed |
2025-07-08T10:49:51Z |
| _version_ |
1837075574568255488 |
| fulltext |
123
УДК 621.396 : 681.3.07
А. В. ДОРОНИН, И. В. ГРИМАЛЮК
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРВИЧНЫХ СВЧ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ
ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЯЧЕЙКИ С ТОЛСТОСТЕННОЙ ДИАФРАГМОЙ С
ПРЯМОУГОЛЬНЫМ ОКНОМ
Цель работы – оценка влияния диэлектрических свойств, формы, геометрических размеров вставок в
прямоугольном окне толстостенной диафрагмы волноводного измерителя на коэффициенты отражения и
передачи. Проведено компьютерное моделирование оценки влияния геометрических размеров, форм и
диэлектрических свойств материала частичного заполнения волноводной измерительной ячейки на её
резонансные свойства. В качестве аппарата реализации моделирования выбран метод частичных областей.
Показано, что форма образца частичного диэлектрического заполнения в измерителях с прямоугольным
окном вставки влияет на частотные характеристики измерительной ячейки. Использование диэлектриче-
ских образцов в форме параллелепипеда может повысить чувствительность первичных СВЧ-
преобразователей по сравнению с использованием образцов цилиндрической формы, а гранично-
допустимая площадь поперечного сечения исследуемых материалов не должна превышать 7 мм2.
Ціль роботи – оцінка впливу діелектричних властивостей, форми, геометричних розмірів вставок у
прямокутному вікні товстостінної діафрагми хвилевідного вимірювача на коефіцієнти відбиття й передачі.
Проведено комп'ютерне моделювання оцінки впливу геометричних розмірів, форм і діелектричних влас-
тивостей матеріалу часткового заповнення хвилевідної вимірювальної комірки на її резонансні властивос-
ті. У якості апарату реалізації моделювання обраний метод часткових областей. Показано, що форма зраз-
ка часткового діелектричного заповнення у вимірниках із прямокутним вікном вставки впливає на частот-
ні характеристики вимірювальної комірки. Використання діелектричних зразків у формі паралелепіпеда
може підвищити чутливість первинних НВЧ-перетворювачів у порівнянні з використанням циліндричної
форми, а гранично-припустима площа поперечного перерізу досліджуваних матеріалів не повинна пере-
вищувати 7 мм2.
The goal of this work is to estimate the effect of the dielectric properties, shape, and geometric dimensions
of inserts in a rectangular window of a waveguide meter thick-walled diaphragm `on the reflection and transmis-
sion coefficients. The estimation of the effects of the geometric dimensions, forms and dielectric properties of the
material for partial filling the measuring waveguide cell on its resonance properties has been simulated on the
computer. The method of partial domains has been chosen as an apparatus for modeling. The form of the sample
of partial dielectric filling for meters with a rectangular window of an insert was demonstrated to affect the fre-
quency characteristics of the measuring cell. Dielectric samples in the form of a parallelepiped may increase the
sensitivity of primary microwave frequency converters in comparison with cylindrical samples. A limiting cross-
section area for materials under consideration may not exceed 7 mm2.
Ключевые слова: сверхвысокие частоты, толстостенная диафрагма,
волновод, коэффициенты отражения и передачи, относительная диэлек-
трическая проницаемость.
Введение. Тонкие волноводные диафрагмы с окнами приобрели широ-
кое распространение в технике сверхвысоких частот (СВЧ). Они использу-
ются преимущественно как элементы фильтров или согласований [1]. При
увеличении толщины диафрагмы в прямоугольном волноводе она приобрета-
ет вид вставки. При этом характер распространения электромагнитных волн в
окне диафрагмы претерпевает качественные изменения: в этом окне могут
наблюдаться резонансные явления. Поэтому основное внимание при иссле-
дованиях диафрагм как неоднородностей в запредельных волноводах уделя-
лось частотным характеристикам коэффициентов отражения или передачи [2,
3]. В таких случаях частотные характеристики резонаторов зависят от тол-
щины диафрагмы и формы окна. Кроме того, при наличии частичного ди-
электрического заполнения окна на резонансные явления значительное влия-
ние оказывают геометрические размеры, форма, местоположение и диэлек-
трические свойства такого заполнения.
Все это делает применение толстостенных диафрагм с окнами различной
А. В. Доронин, И. В. Грималюк, 2016
Техн. механика. – 2016. – № 2.
124
формы перспективным для проведения измерений диэлектрической проница-
емости различных материалов или изготовления контрольно-измерительной
аппаратуры и элементов к ней для электромеханической перестройки СВЧ-
устройств.
Цель исследований – оценка влияния диэлектрических свойств, формы,
геометрических размеров вставок в прямоугольном окне толстостенной диа-
фрагмы волноводного измерителя на коэффициенты отражения и передачи.
Постановка эксперимента. На практике для измерения диэлектриче-
ских свойств материалов применяются методы, использующие измеритель-
ную ячейку, в которой исследуемый образец полностью заполняет попереч-
ное сечение прямоугольного волновода [1, 2].
Такой подход хорошо зарекомендовал себя при проведении лаборатор-
ных измерений, но является практически непригодным для проведения экс-
пресс-измерений, так как конструктивное изготовление самого образца, точ-
но повторяющего форму измерительной ячейки, требует достаточно дли-
тельного времени.
Более удобным представляется метод измерения, когда диэлектрик за-
полняет объем окна толстостенной диафрагмы частично. Однако резонанс-
ные свойства такой волноводной системы будут зависеть не только от
свойств диэлектрика, но и от его размеров, формы, а также от места распо-
ложения в прямоугольном окне.
В качестве аппарата реализации моделирования был выбран метод ча-
стичных областей, который по существу представляет собой не один, а груп-
пу методов, в основе которых лежит разбиение исходной структуры на ряд
частичных областей, в каждой из которых известно решение уравнений
Максвелла. Размер областей должен быть достаточно мал для того, чтобы
поле в её пределах можно было описать простой функцией или набором
функций с неизвестными коэффициентами. Благодаря своей широкой уни-
версальности метод получил широкое распространение при исследовании
резонансных эффектов в коаксиальных резонаторах [3, 4].
На данном этапе проводились исследования влияния размеров и формы
диэлектрика внутри волноводной толстостенной вставки с прямоугольным
окном на изменение структуры электромагнитного поля во вставке, а также
на поведение коэффициентов передачи и отражения.
Продольное расположение диэлектрика внутри измерительной ячейки
обусловлено наличием большего участка с линейным характером перестрой-
ки частоты, чем в случае, когда диэлектрик расположен поперек продольной
оси прямоугольного окна, что обеспечивает преимущество при использова-
нии в перестраиваемых СВЧ-устройствах.
Было проведено моделирование волноводной ячейки прямоугольного
волновода, выполненного из материала с идеальной проводимостью. Основ-
ные параметры волновода приведены на рис. 1.
При моделировании рассматривался волновод сечением 23×10×40 мм.
Размеры толстостенной диафрагмы принимались равными 23×10×12,88 мм.
Высота окна принималась равной высоте N диэлектрического материала
заполнения для варианта с поперечным сечением в форме квадрата и диамет-
ру N для сечения в форме круга.
125
N – параметр размера образца частичного диэлектрического заполнения
Рис. 1
Величина N при исследовании влияния размеров поперечного сечения
диэлектрических образцов с поперечным сечением в форме квадрата на резо-
нансные эффекты изменялась в диапазоне значений от 0,25 мм до 4 мм. Для
случая исследования цилиндрических образцов диаметр поперечного сечения
также изменялся в диапазоне значений от 0,25 мм до 4 мм.
Анализ. На рис. 2 представлено изображение распределения модуля
электрического поля E11 внутри толстостенной диафрагмы на поверхности
исследуемого диэлектрика для случая, когда он находится в центре волново-
да, с вариациями размеров и формы поперечного сечения (квадрат и диск)
при относительной диэлектрической проницаемости материала ε =10.
Рис. 2
Полученные в результате моделирования зависимости резонансных ча-
стот от размеров и диэлектрических свойств материалов для варианта с квад-
ратным поперечным сечением исследуемого материала представлены на
рис. 3.
Наличие на зависимостях резонансной частоты от относительной ди-
электрической проницаемости образца frez(ε) линейных участков в области
рабочего диапазона частот для данного типа волноводов (в пределах от 8 до
12,5 ГГц) является необходимым условием для построения работоспособных
измерителей диэлектрических свойств материалов.
126
0 2 4 6 8 10
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,5
10,0
10,5
f
rez
,ГГц
d=0,25 мм; d=0,5 мм; d=1 мм;
d=2 мм; d=3 мм
Рис. 3
На рис. 4 представлены результаты исследования зависимости резонанс-
ной частоты измерительной ячейки для диэлектрика в форме цилиндра. Диа-
пазон изменений относительной диэлектрической проницаемости материа-
лов, как и в предыдущем случае, составлял от 1 до 10.
0 2 4 6 8 10
6
7
8
9
10
11
f
rez
,ГГц
0,25x025 мм; 0,5x0,5 мм; 1x1 мм;
2x2 мм; 3x3 мм; 4x4 мм
Рис. 4
Кроме этого, для цилиндров диаметром d=2 мм и d=3 мм и ε>6 также
присутствуют резонансные явления, но они и находятся за пределом рабоче-
го диапазона волноводной измерительной ячейки.
На рис. 5 для сравнения показаны частотные зависимости frez от относи-
тельной диэлектрической проницаемости ε для диэлектриков с квадратной
127
формой сечения (кривая 1) с размерами 0,25х0,25 мм и frez(ε) для диэлектри-
ков с сечением в форме круга с диаметром 0,25 мм (кривая 2).
Использование образцов цилиндрической формы в первичных СВЧ-
преобразователях, построенных на основе таких измерительных ячеек позво-
лит охватить более широкий диапазон значений относительной диэлектриче-
ской проницаемости, что видно по меньшему углу наклона графика частот-
ной зависимости frez(ε) (Рис. 5).
0 2 4 6 8 10
8,4
8,6
8,8
9,0
9,2
9,4
9,6
9,8
f
rez
,ГГц
параллелепипед; цилиндр
Рис. 5
Выводы. Построение элементов измерительной СВЧ-техники и первич-
ных преобразователей для измерения комплексной диэлектрической прони-
цаемости материалов с применением толстостенных волноводных вставок с
частичным диэлектрическим заполнением зависит как от формы, так и от
размеров площади поперечного сечения материалов диэлектрика. Для изме-
рительных ячеек площадь поперечного сечения материалов не должна пре-
вышать 7 мм2 (рис. 3 и рис. 4). Следует отметить, что использование диэлек-
трика в форме параллелепипеда может повысить чувствительность таких из-
мерителей по сравнению с использованием диэлектриков цилиндрической
формы.
1. Evanescent-mode bandpass filters based on ridged waveguide sections and inductive strips / A. Kirilenko,
L. Rud, V. Tkachenko, D. Kulik // IEEE MTT-S, Microwave Symposium Digest. – 2001. – V. 2. – P. 1317 –
1320.
2. Craven G. F. Waveguide band-pass filters using vanescent modes / G. F. Craven // Electron. Lett. – 1966. –
Vol. 2, No 7. – P. 251 – 252.
3. Шестопалов В. П. Резонансное рассеяние волн. Т. 2. Волноводные неоднородности /
В. П. Шестопалов, А. А. Кириленко, Л. А. Рудь. – Киев : Наук. думка, 1986. – 216 с.
4. Вычислительные методы в современной радиофизике : [монография] / В. Ф. Кравченко, О. С. Лабунько,
А. М. Лерер, Г. П. Синявский. – М. : ФИЗМАТЛИТ, 2009. – 469 с.
Институт технической механики Получено 12.05.2016,
Национальной академии наук Украины и в окончательном варианте 21.06.2016
Государственного космического агентства Украины,
Днепропетровск
|