CC BY
2
Visnyk N'l'UU KP1 Seriia Radiolekhnika tiadioaparatobuduummia, "2022, Iss. 88, pp. 69—76
УДК 621.396.73
Експериментальне дослщження впливу часткового д!електричного заповнення на електродиназшчш характеристики та роззшри прямокутного хвилеводу
Каращук Н. М.1, Маношюв В. П.2, Чухов В. В?, Герасименко В. В.3, Кондратов О. М.4,
Ципоренко В. Г.2, Ставгсюк Р. Л.1
1Житомирський вшськовий ¡еститут ¡мен! С. П. Корольова, м.Житомир, Украша 2Державний ушверситет «Житомирська пол!техшка», м.Житомир, Укра'ша 3Нацшнальний ушверситет оборони Укра'ши ¡мет Гвана Черняховського, м.Кт'в, Укра'ша 4Науково-досл1дний ¡иститут Мшштерства оборони Укра'ши, м.Кшв, Украша
E-mail: knrn7(Фикг.ncl.
Представлено результати експернмепталыюго досл1джеппя впливу часткового д1електрнчпого заповнення (ЧДЗ) па електродппам1чш характеристики та розм!ри прямокутного хвилеводу. Результати експернмепталыюго досл1джеппя пор1вшоються 1з розрахупковими. отримапими за допомогою па-ближепого методу визпачеппя ефектнвпо! д1електрнчпо! пропикпост! та стало! поширеппя частково заповпепого хвилеводу (ЧЗХ). представлепого в [1]. Зокрема паводяться результати теоретичного розрахунку залежностей розмфу широко! стшки ЧЗХ ¡з розм!рами поперечного перер!зу 23x10 мм в!д коефщ!епта заповпешш уздовж широко! стшки хвилеводу па частот! 10 ГГц. довжипи хвиль хви-льового опору ЧЗХ та стало! поширмшя в!д коефщ!епта заповиепия вздовж широко! стшки хвилеводу у смуз! частот 6 14 ГГц для модифшацш ЧЗХ 2 12 (топи д!електричш пластипи бгля бокових стшок) та 1-2 (топка д1електричпа пластина бшя одше! боково! стшки) для хвши типу Н1о. Експеримептальш досл1джеппя проведено за допомогою лабораторпо! установки, яка складалась з генератора НВЧ сигпал1в. вим1рювалыю! лшп (па баз! прямокутного хвилеводу). металевого короткозамикача та вимь рювача в1дпошеш1я папруг. Всередипу прямокутного хвилеводу вим1рювалыю! лшГ! встаповлювались д!електричш пластипи з фторопласту Ф4 шириною 10 мм. товщипою 2 мм та 4 мм. довжипою 25,3 см. Максимальна в1дноспа иохибка результате експеримепталышх досл!джень для модифшацш 2 1 2. 1 2 не перевищуе 15%, зокрема для модифшацп 2 12 вопа мепша шж для 1 2. Отримаш експеримептальш результати шдтвердили достатпьо високу точшсть паближепого методу розрахунку ЧЗХ. паведепого у робот! [1].
Клюноаг слова: прямокутпий хвилев1д: часткове д!електричпе заповпешш: ефективпа д!електричпа иропикшсть: стала поширеппя: електричш розм!ри
DOI: 10.20535/RADAP.2022.88.69-76
Вступ. Постановка проблеми
Порожниста металев1 хвилеводи набули широкого поширеппя в основному через 1х низьш ио-гонш втрати та високу граничну иотужшсть [2]. Проте характеристики частоти зр!зу та громЬд-шсть обмежують доцшыисть гхнього використаиия у деяких вииадках. Змеишеиия иоиеречиих розмь р1в прямокутного хвилеводу зменшуе його середшо иотужшсть. смугу робочих частот, иризводить до появи хвиль вигцих тишв [3]. Для усуиеиия цих не-долпив застосовують ряд коиструктивиих ршень. яш залежать ввд иризиачеиия хвилеводу. Наири-клад. двосторонш гофроваш хвилеводи з дгслоктри-
чиим заиовиеииям для врахуваиия зворотиих тишв хвиль. яш можуть поширюватися иижче за частоту ввдсйкання, використовують для виготовлеиия комиактиих фшьтр1в у системах зв'язку з метою уиикиеиия штерфсренгш мЬк р1зними смугами частот та фазообертач1в для керувания вииромпио-ваииям аиертуриих аитеи радкшокацшиих систем [2.4]. Прямокутш хвилеводи. гцо мштять нооднорвдш метаматер1али з градуйованими ирофшями иока-зиика заломлсиня, використовують у хвилеввдиих згииах. аитеиах з шдсиленим вииромпиованням [5]. Прямокутш хвилеводи 1з частковим д1елсктричним заиовиеииям (ЧДЗ) використовують для втирюва-ння електромагштних характеристик матер1ал1в з
70 Каращук Н. М., Маиойлов В. П., Чухов В. В., Герасименко В. В., Кондратов О. М., Цииореико В. Г., Сташсюк 1'. Л.
високою точн1стю, для широкосмугових пристрот корування потужшстю НВЧ. у системах зв'язку та РЛС як планарш ренптки. в антенах з витшаючою хвилою та ш. [6 10].
Уповшыгення хвшп у хвиловодо шляхом введения в нього дгслоктричного шару збшынуе критичну довжину хвшп основного типу. Це дозволяе змен-шити електричний поперечний розм1р хвиловоду без змши геометричного. Розв'язок електродина-м1чно! задач1 для частково заповненого хвиловоду (ЧЗХ) зводиться. у першу чергу. до пошуку стало! пошироиия [1]. Тому анатз кшуючих методов для визиачоиия сталих пошироиия та по.шв у ЧЗХ актуалышй.
1 Анал1з останшх дослщжень 1 публжацш
Розроблоио декшька методов для визиачоиия сталих пошироиия та по.шв у прямокутиих хвило-водах 1з ЧДЗ [11.12]. Наближеш вар1ащйш методи. методи тоорШ збуреиь мають достатшо складшсть обчислоиь та не завжди дають високу точшеть роз-рахуншв [11]. Числов1 методи у таких прикладник програмних продуктах НЕББ. СОМБОЬ 1 СБТ. на-приклад. не завжди ефоктивио обчислюють власш числа хвиловодов, що хйстять дгслоктрики з1 змш-иим показииком заломлоиия [8].
Простий наближений метод, представлений в [1]. мае прийнятну на практищ точшеть. по вимагае гром1здких розрахуншв для пошуку стало! пошироиия у прямокутному хвилевод11з ЧДЗ та хвилою типу Ню- Зокрема, отримано вираз [ ] (23) для визна-чення ефективно! д1електрично! ироникность який мштить множннк заповнення для р1зних модифша-цШ ЧЗХ (з одшяо та двома дюлектричними пластинами за 1х довшьного розташування. проникностой та розм1р1в). Проведено пор1вняння результате роз-рахуншв наближоним методом [1] 1з строгими роз-рахунками вар1ащйного методу. Дослвджено вплив на розб1жшсть строгого та наближоного розв'язшв збшыноння д1електрично! ироникност пластин, ко-ефщента заповнення та електричного розхйру ЧЗХ. Наведено значения максимально! ввдносно! похибки наближоного розв'язку для р1зних модифшадой. дь електрично! проникноста та електричного розхйру ЧЗХ. За наближоним методом [1] у [13] доелвдже-но можливоста використання часткового дюлектри-чного заповнення для змши електричних розмь р1в прямокутиих хвиловодов. При цьому враховаио основш модифшацп часткового заповнення: розмь ри олементв дгслоктричного заповнення: вщносну доолоктричну проникшеть матер1алу; коофшденти заповнення хвиловоду уздовж осой [13]. Результата, отримаш в [13]. ие супоречать ввдомим.
Прото в [1]. [13] не наведено результате експори-менталышх доелвджень.
Метою статт е оксперимонталыю дослщжон-ня впливу часткового д1електричного заповнення на електродинам1чш характеристики та розхпри иря-мокутного хвиловоду з 1х подальшим пор1внянням 1з результатами теоретичних розрахуншв наближоним методом.
2 Виклад основного матер1алу
Оскшьки хвилеввд иоперечно-неоднорщний. то вводиться ефоктивиа доолоктрична проникшеть ее-редовища ееф, яка його заиовнюе, для розрахунку основних олоктродинахпчних характеристик.
Зазвичай сталу поширення шукають у такий сиойб:
7 = к £еф - X ,
(1)
до к = 2-^/А - хвильове число вакууму; А - довжи-на хвшп; х _ поперечно хвильове число. Для хвшп типу Н10 х = к/а, де а розм1р широко! стшки прямокутного хвиловоду.
При цьому вираз для ефоктивио! доолоктричнем ироникноста мае вигляд [1]:
£еф = 1 + (ег - 1) V,
(2)
де ц _ мпожиик заповнення.
У Табл. 1 наведено вигляд модифшадой ЧЗХ 2-1-2, 1-2 та значения множника заповнення ц.
Тут коофщент заповнення хвиловоду вздовж вузько! стшки Ьу = 1 (Ъу = 3,/Ъ, й - розм1р д1електри-чио! пластини вздовж вузько! ст1пки хвиловоду; Ь -розхпр вузько! спнки хвиловоду).
Тод1 довжина хви„ш у хвилеводь частково запов-неному д1олектриком буде дор1вшовати:
А
( 2а )
(3)
Критична довжина хви.ш у хвилевод1 з ураху-ванням ефоктивио! д1олектрично! проникност1 [14]:
АКр — 2а\/£еф.
(4)
При цьому розм1р широко! ст1нки хвиловоду. пов'язаний з офективиою дюлоктричною проникш-стю. визначатимоться таким чином [14]:
А,
кр
2 у/ £еф
(5)
Хвильовий ошр прямокутного хвиловоду 1з част-ковим д1олектричиим заповиоииям визначаеться за формулою [14]:
Zy■
Zo
У1^
(6)
де го = 377 Ом - хвильовий ошр вщьного простору.
2
а =
Табл. 1 Множник заповнення для pi3inix модис}лкацш ЧЗХ
Модшркащя ЧЗХ
2 1 2
c НЧ
t:: 1
a
(1 — sinCKtx) tx
2c/a
1 2
(1 — sinc2ntx) tx
с/а
b
ri
t
X
2.1 Дослщження впливу частково-го д!електричного заповнення на електродиналпчш характеристики та розм!ри прямокутного хви-леводу
Отриманий вираз (5) дозволяв провести дослщження впливу коофшдента заповнення хвилеводу вздовж ос1 х - Ьх на змшу геометрнчннх розмь р1в стандартного прямокутного хвилеводу 23 х 10 мм для хвшп типу Ню за вадноспо! д1електричпо1 про-пикпосп д1електрика ЧЗХ ег =2 для модифшацш ЧЗХ 2 1 2. 1 2. вигляд яких та значения множиика заповнення ^ наведено у Табл. .
Графши залежностей а (Ьх) для модифшацш 2-1-2, 1-2 при ег = 2, I = 10 ГГц, побудоваш за виразом (5), показано на Рис. 1.
а (0,174) = 2, 246 см. Звадси д1апазоп робочих частот хвилеводу для хвшп Ню становитиме 6-14 ГГц.
Графши залежностей Ахв (f,tx) для модифшацй' 2-1-2 при tx = 0,174 tx = 0, 348 показано на Рис. , а на Рис. - для модифшацй' 1-2 при tx = 0, 0869, tx = 0,174. Графши залежностей ZXB (f,tx) для мо-диф1кащ1 2-1-2 при tx = 0,174, tx = 0, 348, а також для модифшацй' 1-2 при tx = 0,0869, tx = 0,174 показано на Рис. 4. Графпш залежностей стало! по-ширення 7 (/, для модифшацй' 2-1 -2 при tx = 0,174, tx = 0, 348 показано на Рис. , а для модифь кацй' 1-2 при tx = 0, 0869, tx = 0,174 - показано на Рис. . Bei щ залежносп отримано при ег = 2, для стандартного прямокутного хвилеводу 23 х 10 мм та хвшп типу Ню.
a(tx)
2.3
2.2
a (tx)
. Л 2.1
1.9
Експеримент / 2-1-2
* * J " о *
Розрахунок / **
1-2 « * % * * *
* 4 * 4
0.1
0.2
0.3
0.4
tx
Рис. 1. Графши залежностей a (tx) для модифшацш ЧЗХ 2-1-2 та 1-2 (а, см) при ег = 2, f = 10 ГГц
При цьому, наприклад, розм1р широко! стшки прямокутного хвилеводу для модифжащ! 2 12 становитиме: а (0,174) = 2, 29 см, а (0, 348) = 2, 228 см, а для модифшацй' 1-2 - а (0,0869) = 2,293 см,
iöä(f ,0.174) 01 löä(f ,0.348)
0.05
Л Розрахун ж
Л ЕксперЕ мент
--
6x10
1x10 /
10
1.4x10
10
Рис. 2. Графпси залежностей Ахв (f,tx) для модифь кацй' ЧЗХ 2-1-2 у доапазош частот 6-14 ГГц (Ахв, м) при ег = 2 та tx = 0,174, tx = 0, 348
72 КагавЬсЬик N. N.. МапоПоу V. Р., СЬикЬоу V. V'., Ноганутопко V. V'., Копг1га1,оу Л. М., ТЦурогопко V. С!.. 8(,аууншк К,. Ь.
0.3
т(/, 0.0869) >£а(/ ,0.174)
0.2
0.1
0
6x10'
^ Розрахунок
Д Експери 1ент
3 Пг-1*--
1x10 /
10
1.4x10
10
200
у (/■ ,0.0869) 100 у (Г,0.174)
Розрахунок
X Експеримент
6x10
1x10 /
10
1.4x10
10
Рис. 3. Графиш залежностей Ахв (/, для модифь кащ! ЧЗХ 1-2 у д1апазош частот 6-14 ГГц (Ахв, м) при ег = 2 та гх = 0, 0869, = 0,174
Рис. 6. Графши залежностей 7 (/, за ег = 2 та Ьх = 0,0869 ^х = 0,174 для модиф1кащ1 ЧЗХ 1-2 у д1апазош частот 6 14 ГГц
800
800 0.174) 700
2оа^, 0.348) Ш [/',0.0869) [/',0.174)
600
500
370 400
V и № ^^ 2-1-2
2-1 Експеримент /
Розрахунок 1
6x10
610
1x10
/
10
1410
1.4x10 ,9
10
Рис. 4. Графпш залежностей ^хв (/, ) за ег = 2 та гх = 0,174, гх = 0, 348 для модифшащ! ЧЗХ 2-1-2 та Ьх = 0,0869, Ьх = 0,174 для модифшащ! ЧЗХ 1-2 у д1апазош частот 6-14 ГГц (Z!ÍB, Ом)
200
у (У ,0.174) 100 г (/",0.348)
0
Розрахунок ч
Експеримент
6x10
1x10 /
10
1.4x10
10
Рис. 5. Графши залежностей 7 (/, tx) за, ег = 2 та гх = 0,174 = 0, 348 для модифжагщ ЧЗХ 2-1-2 у д1апазош частот 6 14 ГГц
2.2 Експериментальне дослщження впливу часткового д!електрично-го заповнення на електродина-м!чш характеристики та розлпри прямокутного хвилеводу
Для експериментального достджоння прямокутного хвилеводу 1з ЧДЗ було використа-но втпрювальну установку, структурну схему та зовшшнш вигляд яко1 зображено на Рнс. 7.
3 виходу генератора 1 через коакйалышй кабель, коакаально-хвиловвдний иорехщ 2, вентиль 3 олоктромагштш коливаиия поступають на вхвд втирговально! лпш на баз1 прямокутного хвилеводу 5, до виходу яко1 присднано короткозамикач 9. 3 виходу детектора 7 втирговалыго! лпш сигнал надходить на втпрювач ввдношень напруг 8.
У прямокутний хвнлеввд втирговалыго! лпш 5 розьйрами 23 х 10 мм вставлено доелектричш пласти-ни 10 (розьпри кожно1 253х10х2мм (ДхШхВ)), впготовлеш з фторопласту Ф4 13 £г = 2 [ ] (Рис. ).
Втпрюваною величиною с довжина хвшп у такому ЧДЗ.
Значения довжини хвшп в ирямокутному хви-левод1 розраховуемо як середне арифметичне Ахв е за трьома втирюваннями. За експериментально ви-ьпряними значениями Ахв е будуються залежноста Ахв е (/) (Рис. , Рис. ), з виразу ( ) виводиться екс-перимеитальие значения офоктивно1 д1олоктрично1 проникноста £еф е, шсля шдстановки якого у ( ) зна-йдено експериментальш залежносп ае (¿ж) (Рис. ), У ( е (/,*,) (Рис. ), в ( ) - 7е (/,^) (Рис. ,
Рис. 6).
3 4
Y 5
Рис. 7. Структурна схема та зовшшнш вигляд втпрювальнся установки для достджоння електродинамь
чних характеристик ирямокутного хвилеводу i3 ЧДЗ
3 Анал1з отриманих даних
31 збшьшенням коефдаента заиовнення Ьх для двох модифжацШ ЧЗХ довжина хвшп у хвиловодо зменшусться (Рис. 2. Рис. 3). Це дозволяе змпиова-ти електричний розм1р ирямокутного хвилеводу без змши геометричного.
Результата пор1внялыгого анал1зу виливу моди-фжащ! ЧЗХ на змшу значения поперечного перерь зу прямокутного хвилеводу а х Ь (Рис. ) наведено у Табл. 2.
Як бачимо. у модифшагщ 2 12 д1електричш пластини розташоваио у мпимумах електричиого поля хвилеводу. Коли значения Ьх мале, то пластини зиаходяться у мпимумах електричного поля \ практично не впливають на сталу пошнрення. поле спо-творюсться слабо. У такому раз1 розхйри поперечного перер1зу хвилеводу можна змпиовати незначно. 31 збшьшенням Ьх д1електрпчш пластини поступо-во входять в область да електричиого поля. яке. ввдповвдио до граничних умов, не мае розриву. Це
збшынуе вплив д1електрика. поле спотворюсться. змщуеться до пластин, майже повшетю переходить у д1електрик. Цей д1слектричний ефект спричиияс нелшшну залежшеть розм1р1в хвилеводу ввд коефь щента заповнення Ьх. Зазначпмо, що поминпй влив д1слектричних пластин починаеться 1з критичного значения Ьх = 0, 35 (Рис. ). Пор1впюючи хвилеводи 1з одшяо д1слектричною пластиною та двома. можна стверджувати. що для досягнення одного \ того ж ефекту хвилеввд 1з двома пластинами потребуй майже в дв1ч1 бшыного об'сму д1електрнка.
Також з1 збшьшенням коефдаепта заповнення 1Х (Рис. 5.6) стала поширеиня збшынуеться для обох розглядуваиих модифшащй ЧЗХ. Це призводить до збшынення затухания повздовжньоТ та поиеречних складових електромагштного поля у хвилсводи на що впливас також зменшення хвильового опору (Рис. ). У випадку / = /кр хвильовий ошр р1зко зростас.
Максимальна вщносна похибка експерименталь-них доелвджеиь но псрсвищус 15% (Рис. 1 Рис. 6).
8
1
2
74 Karashchuk N. N.. Manoilov V. P., Chukhov V. V'., Horasvmonko V. V'., Kondratov Л. M., Tsyporenko V. G., Stavysiuk R. L.
Табл. 2 Необхвдний pcmiip поперечного nepepÍ3y в прямокутному хвилевод1 залежно вщ модифшацп' ЧЗХ за ty = 1, / = 10 ГГц
Модифшащя ty а х 6 см, (ег = 2)
Розрахунок Експернмент
2 1 2 1 0,174 (2, 29 х 1,145) (2, 24 х 1,12)
1 0,348 (2, 228 х 1,114) (2,16 х 1,08)
1 2 1 0,0869 (2, 293 х 1,1465) (2, 241 х 1,1205)
1 0,174 (2, 246 х 1,123) (2, 223 х 1,1115)
Проведет сксперименталыи дослвдження пока-зують, що вираз (2) можна використовувати зависть точного при £г < 5 для модифшацш 2-1-2 та 1-2 за будь-яких значень í^ та ty = 1 для розрахунку антен, фазообертач1в, узгоджувалышх трансфор-MaTopiB. тогцо, а також BiiMipiOBaiini д1слектрично1 npoiiHKiiocTi матер1ал1в [8].
Висновки
1. Експериментальне дослщження впливу част-кового д1слектричного заповнення на електроди-naMÍ4iii характеристики та розхйри ирямокутного хвилеводу шдтвердило доцшыисть та достатшо точ-iiicTb наближеного методу [1]. який вщлзняеться ввд iciiyiOHiix тим. що для визначоння сталих поширен-ня у прямокутному хвилевод1 Í3 ЧДЗ не потр1бно розв'язувати трансцендснтш дисперсшш piBirainra.
2. Максимальна ввдносна похнбка результате експернменталышх дослщжень впливу часткового д1слектричного заповнення на слектродинам1чш характеристики та po3MÍpn ирямокутного хвилеводу для модифшащй 2 12. 1 2 не перевищус 15%. зокрема для модифшацп' 2 12 вона менша шж для 1 2.
3. Достов1ршсть та об1"рунтовашсть отриманих результате забсзпечуеться зб1жшстю результате розрахунку за граничних умов Í3 вщомими результатами та зб1жшстю отриманих формул за одини-цями втпрювання, а також шляхом зктавлення експернменталышх результате з вздомими теорети-чними результатами.
4. Практнчннм значениям результате достд-жень с можлившть прооктування антен 3Í зменше-ним попорочним перер1зом хвилеводу за незмшних його електрнчннх po3MÍpÍB.
Перелж посилань
1. Мапойлов В. 11. Розрахупок хвиловодш :¡ частковим дюлоктричшш заиовитшям / В. 11. Мапойлов, В. В. Чухов // Bíciiuk НТУУ „Kill". Радютехшка. Радюаиа-ратобудувапия. "2006. Вии. 33. С. 91 100. DOl: 10.20535/RADAP.2006.33.91-100.
2. Castillo-Tapia, Р., Mesa, F., Yakovlev, Л., V'alorio, G., Quevedo-Teruel, O. Study of Forward and Backward Modos in Doublo-Sidod Dielectric-Filled Corrugated Waveguides / P. Castillo-Tapia, F. Mesa,
Л. Yakovlev, G. V'alorio, O. Quevodo-Teruel // Sensors. 2021. Vol. 21(18), 6293. pp. 1-15. https://doi.org/10.3390/s21186293.
3. Tnopin електромагштиого ноля та оспови техшки НВЧ / Соколов С. В. та in. за заг. род. Г. С. Воробиова. Су ми: Сумськии доржавииц ушверситет. 2011. 393 с.
4. Kyoung-Ho Kim, Q-Han Park. Effective medium characterization of partially-lilled rectangular waveguides / Kyoung-Ho Kim, Q-Han Park // Journal of the Korean Physical Society. 2014. Vol. 64, No. 6. pp. 771 774. https://doi.org/10.3938/jkps.64.771.
5. Wong Q., Lin Q., Wu H. An Efficient Semianalytical Modal Analysis of Rectangular Waveguides Containing Metamaterials with Graded Inhomogeneity / Wong Qi-anru, Lin Qian, Wu Haifeng // International Journal of Antennas and Propagation. Vol. 2021, Article ID 6107378. https://doi.org/10.1155/2021/6107378.
6. Moradi, A. Electrostatic theory of rectangular waveguides filled with anisotropic media / A. Moradi // Scientific Reports. 2021. Vol. 11, Article No. 24522. pp. 771 774. https://www.nature.com/articles/s41598-021-04293-6.
7. Bogle A. et al. Electromagnetic Material Characterization using a Partially-Filled Rectangular Waveguide / A. Bogle, M. Havrilla, D. Nyquis, L. Kempel, E. Rothwell // Journal of Electromagnetic Waves and Applications. 2012. Vol. 19, No. 10. pp. 1291-1306. doi: 10.1163/156939305775525909.
8. Casula, G. A., et al. A Review on Improved Design Techniques for High Performance Planar Waveguide Slot Arrays / G. A. Casula, G. Mazzarella, G. Montisci, G. A. Muntoni // Electronics. 2021. Vol. 10(11), 1311. pp. 1-24. https://doi.org/10.3390/eloctronicsl0111311.
9. Kapusuz K. Y., et al. Partially Filled Half-Mode Substrate Integrated Waveguide Leaky-Wave Antenna for 24 GHz Automotive Radar / K. Y. Kapusuz, A. V. Berghe, S. Lemey, H. Rogier // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2021. Vol. 20, No. 1. pp. 33-37. https://ieeoxplore.ieoe.org/documont/9261094.
10. Почерпяев В. M., Сивкова Н. М. llpucipiu уиравлшия иотужшстю НВЧ на частково заповиепому д1електри-ком прямокутному хвиловод! // В. М. Почерпяев, Н. М. Сивкова // 1пфокомушкащиш та комичоторш тохпологй'. 2022. Vol. 1, No. 01. pp. 81-89. DOl: 10.36994/2788-5518-2021-01-01-06.
11. Егоров Ю. В. Частично заполненные прямоугольные; волноводы / Ю. В. Егоров. Москва: Сов. Радио, 1967. 216 с.
12. Вергер М. Н., Капилевич В. Ю. Прямоугольны« волноводы с диэлектриками / М. П. Вергер, В. Ю. Капилевич. М.: Сов. радио, 1973. 256 с.
13. Каращук Н. М.. Маиойлов В. П.. Фриз С. П.. Чухов
B. В. Досшджеиия виливу часткового дюлоктричцо-i'o заиовиеиия lia po3MÍpu ирямокутного хвилеводу / Н. М. Каращук. В. 11. Маиойлов. С. 11. Фриз. В. В. Чухов // Проблеми створеиия. вииробуваиня та за-стосуваиия складиих шформащйиих систем: 36ipiiiik иаукових ираць. Житомир: ЖВ1. '2018. Вии. 15.
C. 103 117.
14. Електродииамжа та иоширеиня радшхвиль. Ч. '2. Ви-ироммювшшя та иоширеиня електромагштинх хвиль / Шокало В. М. та iu.; за ред. В. М. Шокало. Харк1в: ХНУРЕ. Колепум. 2010. 435 с.
15. Фторопласт Ф-4 листовий 6-05-810-88. 1111 «Стандарт Комплект».
References
[1] Manoilov V. P.. Chukhov V. V. (2006). Calculation of the waveguied with the shape dielectric fulfills. Visnyk N'l'UU KP1 Seriia tiadi.otekhni.ka tiadioaparatobuduvannia, Vol. 33. pp. 91 100. doi: 10.20535/RADAP.2006.33.91-100. [In Ukrainian].
[2] Castillo-Tapia. P.. Mesa. F.. Yakovlev. A.. Valerio. C.. Quevedo-Teruel. O. (2021). Study of Forward and Backward Modes in Double-Sided Dielectric-Filled Corrugated Waveguides. Sensors, Vol. 21(18). Iss. 6293. pp. 1-15. DOI: 10.3390/s"21186293.
[3] Vorobiov H. S.. Cokolov S. V. eds. (2011). Teoriia elektromahnitnoho polia ta osnovy tekhniky NV'Ch [Electromagnetic field theory and microwave engineering]. Sumy. Sumskyi derzhavnyi universytet Publ.. 393 p. [In Ukrainian].
[4] Kyoung-Ho Kim. Q-Han Park (2014). Effective medium characterization of partially-filled rectangular waveguides. ■Journal of the Korean Physical Society, Vol. 64. Iss. 6. pp. 771 774. DUl:10.3938/jkps.64.771.
[5] Weng Q.. Lin Q.. Wu H. (2021). An Efficient Semianalyti-cal Modal Analysis of Rectangular Waveguides Containing Metamaterials with Craded Inhomogeneity. International ■Journal of Antennas and Propagation, Vol. 2021. Article ID 6107378. DOI: 10.1155/2021/6107378.
[6] Moradi. A. (2021). Electrostatic theory of rectangular waveguides filled with anisotropic media. Scientific Reports, Vol. 11. Article number: 24522. pp. 771 774. DOI: 10.1038/s41598-0'21-04293-6.
[7] Bogle A.. Havrilla M. Nyquis D.. Kempel L.. RothwellE. (2012). Electromagnetic Material Characterization using a Partially-Filled Rectangular Waveguide. .Journal of Electromagnetic Waves and Applications, Vol. 19. Iss. 10. pp. 1291-1306. DOI: 10.1163/156939305775525909.
[8] Casula. C. A.. Mazzarella. C.. Montisci. C.. Muntoni. C. A. (2021). A Review on Improved Design Techniques for High Performance Planar Waveguide Slot Arrays. Electronics, Vol. 10. Iss. 11. ID 1311. pp. 1-24. DOI: 10"3390/electroni-csl0111311.
[9] Kapusuz K. Y.. Berghe A. V.. Lemey S.. Rogier H. (2021). Partially Filled Half-Mode Substrate Integrated Waveguide Leaky-Wave Antenna for 24 CHz Automotive Radar. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 20. Iss. 1. pp. 33-37. DOI: 10.1109/LAWP.2020.3038201.
[10] Pochernyaev V. N. & Syvkova N. M. (2022). Microwave power control device on a rectangular waveguide partially filled by dielectric, lnfocom.rn.unicati.on and computer technologies, Vol. 1. Iss. 1. pp. 81-89. DOI: 10.36994/27885518-2021-01-01-06. [In Ukrainian],
[11] Ehorov Yu. V. (1967). Chastychno zapolnennye pri-amouholnye volnovody [Partially Filled Rectangular Waveguides]. Moskva. Sov. radyo Publ.. '216 p. [In Russian].
[12] Berher M. N.. Kapylevych B. Yu. (1973). Priamouholnye volnovody s dielektrykamy [Rectangular waveguides with dielectrics]. Moskva. Sov. radyo Publ.. "256 p. [In Russian].
[13] Karashchuk N. M„ Manoilov V.P.. Fruz S. P.. Chukhov V.V. (2018). Doslidzhennia vplyvu chastkovho dielektrychnoho zapovnennia na rosmiry priamokutnoho khvylevodu [Investigation of the influence of partial dielectric filling on the dimensions of a rectangular waveguide]. Problemy stvorennia, vyprobuvannia ta zastosuvannia skladnykh informatsiinykh system: Zbimyk naukovykh prats, Vol. 15. pp. 103 117. [In Ukrainian].
[14] Shokalo V. M.. eds. ("2010). Elektrodynamika ta poshyrennia radiokhvyl. Ch."2. Vvprominiuvannia ta poshyrennia elektromahnitnykh khvyl [Electrodynamics and propagation of radio waves. P."2. Radiation and propagation of electromagnetic waves]. Kharkiv, KhNUtiE, Kolehium Publ., 435 p. [In Ukrainian].
[15] Ftoroplast F-4 sheet 6-05-810-88. PE "Standard K".
Экспериментальное исследование влияния частичного диэлектрического заполнения на электродинамические характеристики и размеры прямоугольного волновода
Каращук Н. Н., Маиойлов В. Ф., Чухов В. В., Герасименко В. В., Кондратов А. М., Ципоренко В. Г., Стависюк Р. Л.
Представлены результаты экспериментального исследования влияния частичного диэлектрического заполнения (ЧДЗ) па электродинамические характеристики и размеры прямоугольного волновода.
Результаты экспериментального исследования сравниваются с расчетными, полученными с помощью приближенного метода определения эффективной диэлектрической проницаемости и постоянной распространения частично заполненного волновода (ЧЗВ). представленного в [1]. Приближенный метод отличается от существующих тем. что для определения постоянной распространения в прямоугольном волноводе с ЧДЗ по пужпо решать трансцендентные дисперсионные уравнения. В частности, приводятся результаты теоретического расчета зависимостей размера широкой степки ЧЗВ с размерами поперечного сечения 23x10 мм от изменения коэффициента заполнения вдоль широкой степки волновода па частоте 10 ГГц. длины волны, поперечного волнового сопротивления ЧЗВ и постоянной распространения от изменения коэффициента заполнения вдоль широкой степки волновода в полосе частот 6 14 ГГц для модификации 2 12 (топкие диэлектрические пластины возле боковых стенок) и 1 2 (топкая диэлектрическая пластина возле одной боковой степки) для волны типа Ню.
76 Karashchuk N. N.. Manoilov V. P., Chukhov V. V'., Horasymonko V. V'., Kondratov Л. M., Tsyporenko V. G., Stavysiuk R. L.
Экспериментальные псследовашш проведепы с помощью лабораторной установки, состоящей из генератора сигналов, измерителя отношений напряжений, измерительной лилии па базе прямоугольного волновода, к выходу которой присоединялся короткозамыкатель. Внутрь прямоугольного волновода измерительной липли устанавливались диэлектрические пластины (фторопласт Ф4) шириной 10 мм. толщиной 2 мм и 4 мм. дли-пой 253 мм. Максимальная относительная погрешность результатов экспериментальных исследований для модификаций 2-1-2. 1-2 по превышает 15%, в частности для модификации 2-1-2 она меньше, чем для 1-2.
Представленные результаты подтверждают целесообразность и высокую точность расчетов электродинамических характеристик ЧЗВ приближенным методом [1].
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается достаточно высокой сходимостью результатов расчета с экспериментальными, при граничных условиях с известными результатами, сходимостью полученных формул по единицам измерения.
Ключевые слова: прямоугольный волновод: частичное диэлектрическое заполнение: эффективная диэлектрическая проницаемость: постоянная распространения: электрические размеры
Experimental Study of the Effect of Partial Dielectric Filling on Electrodynamic Characteristics and Rectangular Waveguide Dimensions
Karashchuk N. M., Manoilov V. P., Chukhov V. V., Негаяутепко V. V., Kondratov A. M., Тяурогепко V. G., Stavysiuk R. L.
The results of an experimental study of the effect of partial dielectric filling (PDF) on the electrodynamic characteristics and dimensions of a rectangular waveguide are presented.
The results of the experimental study are compared with the calculated ones obtained using an approximate method for determining the effective permittivity and propagation constant of a partially filled waveguide (PWF) presented in [1]. The approximate method differs from the existing ones in that it is not necessary to solve transcendental dispersion equations to determine the propagation constant in a rectangular waveguide with a PDF. In particular, the results of a theoretical calculation of the dependences of the size of the wide wall of the PWF with cross-sectional dimensions of 23x10 mm on the change in the fill factor along the wide wall of the waveguide at a frequency of 10 GHz. the wavelength, the wave impedance of the PWF, and the propagation constant on the change in the fill factor along the wide wall, waveguide in the frequency band 6 14 GHz for modification 2 12 (thin dielectric plates near the side walls) and 1 2 (thin dielectric plate near one side wall) for the Hio type wave are presented.
Experimental studies were carried out using a laboratory setup consisting of a signal generator, a voltage ratio meter, a measuring line based on a rectangular waveguide, to the output of which a short circuit was connected. Dielectric plates (PTFE <M) 10 mm wide, 2 mm and 4 mm thick, and 253 mm long were installed inside the rectangular waveguide of the measuring line. The maximum relative error of the results of experimental studies for modifications 2-1-2, 1-2 does not exceed 15%, in particular, for modification 2-1-2 it is less than for 1-2.
The presented results confirm the feasibility and high accuracy of calculating the electrodynamic characteristics of the PWF by the approximate method [1].
The reliability and validity of the results obtained is ensured by a sufficiently high convergence of the calculation results with the experimental ones, under boundary conditions with known results, the convergence of the obtained formulas in units of measurement.
Keywords: rectangular waveguide: partial dielectric filling: effective permittivity: constant distribution: electrical dimensions
