CC BY
16
https://doi.org/10.38013/2542-0542-2021-2-7-14 УДК 621.372.825
Металлодиэлектрический экранированный волновод с малыми потерями для диапазона частот 90-100 ГГц
В. В. Крутских1, М. С. Минкара12, Р А. Ибрахим3, А. Э. Мирзоян1, А. Н. Ушков1
1 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет "МЭИ"», Москва, Российская Федерация
2 «Митэль», Лебабон, Бейрут, Ливанская Республика
3 Колледж наук университета Анбара, Рамади, Ирак
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.
Ключевые слова: экранированный диэлектрический волновод, малые потери, волновод с малыми потерями, дисперсионная характеристика, инженерный расчет
Для цитирования: Крутских В. В., Минкара М. С., Ибрахим А. Р., 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. С. 7-14. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2021-2-7-14
For citation: Krutskikh V. V., Saadallah M. M., Ali R. I., Mirzoyan A. E., Ushkov A. N. Shielded low-loss metal-dielectric waveguide for frequency range of 90-110 GHz // Vestnik Koncerna VKO "Almaz - Antey". 2021. No. 2. P. 7-14. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2021-2-7-14
Поступила 17.03.2021 Отрецензирована 29.03.2021 Одобрена 27.05.2021 Опубликована 18.06.2021
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 волнове-дущих структур с погонными потерями менее 1 дБ/м. Анализ стандартных волноведущих структур, таких как прямоугольный и круглый
© Крутских В. В., Минкара М. С., Ибрахим А. Р., Мирзоян А. Э., Ушков А. Н., 2021
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. _
Сверхразмерные полые металлические 2 волноводы (см. рис. 1а и б), ничем конструк- == тивно не отличаются от обычных, за исключе- £ нием увеличенных размеров сечения. Потери ч
в них связаны в основном с затуханием в ме- а
те
таллических стенках и преобразованием в выс- | шие моды. На базе таких волноводов строятся о лучеводы [1]. При этом любая нерегулярность | в такой линии может привести к появлению о
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 обеспе-^ чить 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 ди-^ электрике, и такая система должна работать Д на специфических высших типах волн, кото-5 рые нужно суметь правильно возбудить и потом снять. Для волновода Тишера (см. рис. 1ж) о расчет потерь произведен в работах [3] и [4]. 00 Такой волновод вполне может иметь соответ-о. ствующие потери, но не будет рассматриваться ^ в данной работе в связи с требованием полного
О т-.
ьй экранирования. В итоге для анализа остаются
| три типа структур (см. рис.1 в, г и з).
§ Применение такого специфического вол-
ш новодного тракта необходимо в совмещенных интерферометрах и радиометрах для од-
2 новременной обработки сигнала о расстоянии
й и температуре измеряемого объекта. Поэтому,
ю с одной стороны, нужно иметь хорошее согла-
:! сование 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: Н10 прямоугольного волновода, Н11 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 волновод-ной 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:
'дБ
Д^ «8,686-й
(1)
А"
1
tw»
2 а„
f * Jk
i-lfj
(2)
.V
2a „
2 2
(3)
Коэффициент затухания за счет потерь в стенках круглого металлического волновода для волны электрического типа Етп рассчитывается по формуле:
А" =
2a „
(4)
1-
/
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:
а г — „
Р = ^ I I FI
пот.пог.диэл J I '
(5)
где к" = к"м + И"ср - суммарный коэффициент затухания в металле и в диэлектрическом заполнении.
Коэффициент затухания за счет потерь в стенках прямоугольного металлического волновода для волны магнитного типа Нтп записывается в виде:
где а и Ь - размеры сечения волновода, ом -проводимость металла, цам - магнитная проницаемость металла.
Коэффициент затухания за счет потерь в стенках круглого металлического волновода для волны магнитного типа Нтп записывается в виде:
где сср = Ю808tg8 - удельная проводимость, 8 и tg8 - 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 с волной типа Нп в качестве экрана. Достоинством решения будет то, что мода Нп в круглом волноводе - это мода основного типа и ее возбуждение не представляет трудности. А главный
те
X ф
Ч те 0.
те
О
О.
£
V
ц
(Ч
0
Рис. 2. Зависимость погонного затухания от частоты в полом прямоугольном медном волноводе с волной основного типа Н10 для различных сечений
--7,2x3,4 мм;--9x4,5 мм;
--13x6,5 мм;--16x8 мм
0,4
0 -
60 70 80 90 100 110 120
f, ГГц
Рис. 3. Зависимость погонного затухания от частоты в полом круглом медном волноводе для различных
сечений с волной типа И11 --6 мм;--10 мм;--16 мм;--20 мм
см о см
< I
(0 те
s
о
CQ
О.
Ф
О
о
V
со
см ■clin 9 см ■clin см
(П (П
0,8
0,6
ч
о с <1
0,4
0,2
0
60
70
80
100
110
120
90 £, ГГц
Рис. 4. Зависимость погонного затухания от частоты в полом круглом медном волноводе различных сечений для волны Е01 --6 мм;--10 мм;--16 мм;--20 мм
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 Н11. На распределении поля видно,
О 10 20 (тт)
в
Рис. 5. Распределение полей в поперечном сечении круглого МВ диаметром 20 мм при возбуждении волны Н11 без стержня (а), с диэлектрическим стержнем диаметром 1 мм (б) и с диэлектрической пластиной толщиной 0,2 мм (в)
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.
Исходя из физических явлений и проведя анализ диэлектрических элементов, приняли решение исследовать ряд конструкций волно-ведущей 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 металли- _ ческий и диэлектрический. Реализовать модель | такой конструкции теоретически достаточно * просто, а технологически заметно трудней. 5 После проведения анализа соотношений раз- ^ меров и потерь для численного эксперимен- ^ та были выбраны диэлектрические стержни I диаметрами от 0,1 до 1,5 мм. Результаты мо- £ делирования погонного затухания приведе- § ны на рисунке 6. Отметим, что для стержня о
0
91
92
93 ^ ГГц
94
95
Рис. 6. Частотная зависимость погонного затухания для круглого экранированного ДВ с диаметром стержня 1 мм и диаметром экрана 20 мм --расчет;--интерполяция
0
-0,5
а -1
-1,5
и
С <1 -2
-2,5
-3
\-0,331
/
\-1,829
92
92,5
93 £ ГГц
93,5
94
Рис. 7. Частотная зависимость погонного затухания для круглого МВ с продольной диэлектрической пластиной, расположенной в плоскости симметрии --пленка 0,2 мм;--пленка 0,6 мм
Рис. 8. Зависимость дополнительных потерь от угла плоскости поляризации в круглом волноводе
см о см
™ 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 чах стот и при повышении частоты выше 96 ГГц I возрастают.
со „
£| С точки зрения технологичности вторая
конструкция кажется более сложной, но все
о же реализуемой в лабораторных условиях.
оз Диэлектрическая пластина зажимается меж-га
* ду двумя половинами продольно разрезанной
з1 трубы - экрана. На рисунке 1з изображено
£ поперечное сечение такой структуры, а на ри-
| сунке 5е - распределение поля Е. Из распреде-
о лений видно, что поле «прижато» к плоскости
00 симметрии металлического экрана. Вблизи металлического экрана поле минимально,
9 и основной вклад вносят потери в диэлек-
5 трической пластине, что видно из рисунка 7.
г 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:
А* = (Амет + &диэл) + Кол + Код. (6)
Потери, вносимые поворотом плоскости поляризации, вызванные слабыми нерегуляр-ностями, 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 Н11 круглого металлического волновода (она же Н10 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 вол-новедущего 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 мо-довые 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
Крутских Владислав Викторович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Основ радиотехники», федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет "МЭИ"», Москва, Российская Федерация. Область научных интересов: радиотехника.
те
X ф
ч
Минкара Мохамад Саадала - кандидат технических наук, инженер кафедры «Основ радиотехники», федеральное о. государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследователь- ^ ский университет "МЭИ"», Москва, Российская Федерация; «Митэль», Лебабон, Бейрут, Ливанская Республика. х Область научных интересов: радиотехника. £■
<и (Ч
m
Ибрахим Али Рашид - кандидат технических наук, доцент кафедры «Прикладной математики», колледж наук университета Анбара, Рамади, Республика Ирак. Область научных интересов: радиотехника.
Мирзоян Артавазд Эдуардович - аспирант кафедры «Основ радиотехники», федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет "МЭИ"», Москва, Российская Федерация. Область научных интересов: радиотехника.
Ушков Андрей Николаевич - студент кафедры «Основ радиотехники», федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет "МЭИ"», Москва, Российская Федерация. Область научных интересов: радиотехника.
Shielded low-loss metal-dielectric waveguide for frequency range of 90-110 GHz
Krutskikh V. V.1, Minkara S. M.12, Ibrahim A. R.3, Mirzoyan A. E.1, Ushkov A. N.1
1 National Research University"Moscow Power Engineering Institute" (MPEI), Moscow, Russian Federation
2 Meatel, Lebabon, Beirut, Lebanon
3 College of Science University of Anbar, Ramadi, Iraq
This study is dedicated to the development of a new design of the shielded low-loss metal-dielectric waveguide for the frequency range of 90-100 GHz. High level of losses in metal is a major challenge complicating implementation of commonly used waveguides in the specified wavelength range. The study objective was to develop the proposal regarding the waveguide design with losses lower than 0.5 dB/m, with persistent wave polarisation. To address the problem, we analysed various waveguide design solutions and estimated losses per unit length along with the possibility to implement the proposed design. We proposed the final variant of ,_ waveguide design and selected parameters of structural members to solve the problem at hand.
CM
° Keywords shielded dielectric waveguide, low losses, low-loss waveguide, dispersion characteristic, engineering ™ calculation
< I
s
Information about the authors
Krutskikh Vladislav Viktorovich - Cand. Sci. (Engineering), Assoc. Prof., National Research University "Moscow Power
g Engineering Institute" (MPEI), Moscow, Russian Federation.
Science research interests: radio engineering.
ii Saadallah Mohamad Minkara - Cand. Sci. (Engineering), engineer, National Research University "Moscow Power ^ Engineering Institute" (MPEI), Moscow, Russian Federation; Meatel, Lebabon, Beirut, Lebanon.
cL Science research interests: radio engineering. j
i
Ibrahim Ali Rashid - Cand. Sci. (Engineering), Assoc. Prof., College of Science University of Anbar, Ramadi, Iraq. s Science research interests: radio engineering.
i-
o <u
cq Mirzoyan Artavazd Eduardovich - postgraduate student, National Research University "Moscow Power Engineering g Institute" (MPEI), Moscow, Russian Federation. cp Science research interests: radio engineering.
CM t m
™ Ushkov Andrey Nikolaevich - student, National Research University "Moscow Power Engineering Institute" (MPEI),
w Moscow, Russian Federation. £¡2
— Science research interests: radio engineering.
