Моделирование системы возбуждения низкопрофильного волновода Текст научной статьи по специальности «Физика»

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ НИЗКОПРОФИЛЬНОГО ВОЛНОВОДА

Любовь Васильевна Шебалкова

Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт электронных приборов», 630005, Россия, г. Новосибирск, ул. Писарева, 53, ведущий инженер-руководитель группы, Новосибирский государственный технический университет, старший преподаватель кафедры АИУС, телефон: (383)216-05-48, e-mail: [email protected]

В статье рассмотрен процесс моделирования перехода с коаксиального кабеля на низкопрофильный волновод, оценено влияние качества пайки на основные параметры перехода.

Ключевые слова: волновод, переход, моделирование.

LOW-PROFILE WAVEGUIDE EXITATION SYSTEM SIMULATION

Lyubov V. Shebalkova

Open Joint-Stock Company «Scientific Research Institute on Electronic Devices», Novosibirsk, 630005, Russia, 53, Pisareva St., leading engineer-team manager. Novosibirsk State Technical University, 20, Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russia, senior lecturer of AICS Department tel. (383)216-05-48, e-mail: [email protected]

The process of the coaxial cable to low-profile waveguide transition simulation was described in this article.

Key words: waveguide, transition, simulation.

Переходы являются ключевой частью многих СВЧ устройств и предназначаются для передачи СВЧ колебаний между различными типами линий: с коаксиальной на волновод, с коаксиальной на микрополосковую линию, с микропо-лосковой в волновод и т.п. Проектирование перехода с коаксиального кабеля на низкопрофильный волновод является актуальной задачей.

Переходы с коаксиальной линии на волновод являются постоянным объектом исследований вследствие их широкого применения. Главным требованием коаксиально-волноводного перехода (КВП) является оптимальная матрица рассеяния: минимальные значения коэффициентов отражения на входах Sn и S22, и близкие к 0 дБ значения коэффициентов передачи S12 и S21 в заданной полосе частот.

В прямоугольном волноводе распространяются Н и Е типы волн, основной волной является H10, считается, что оптимальная рабочая полоса частот находится в пределах от 1,25/кр10 до fp20[1]. В отличие от прямоугольного волновода в коаксиальной линии распространяются TM волны, которые не имеют критической частоты. Поэтому полоса КВП определяется полосой волноводной части. Главными целями проектирования являются нахождение оптимального положения возбуждающего зонда относительно задней стенки волновода, его толщины и высоты, выполнение этих условий обеспечивает высокий уровень согласования. В близи зонда образуются все типы волн, но кроме основной

волны остальные типы находятся в закритическом режиме, их амплитуды уменьшаются по экспоненте при удалении от зонда. В рассматриваемом примере импеданс коаксиальной линии составляет 50 Ом, волновое сопротивление волновода примерно 300 Ом, нижняя граница частотного диапазона расположена близко к критической. Традиционный подход к расчету основных размеров КВП не дает точных результатов из-за влияния затухания в волноводе [2] и из-за необходимости применения поворота.

В нашем случае КВП интегрирован с антенной системой, его размеры должны быть выбраны таким образом, что бы обеспечилось хорошее согласование непосредственно с антенной решеткой.

Размеры целесообразно рассчитать методом конечных элементов с использованием электродинамического симулятора.

Современные системы для электродинамического моделирования позволяют производит расчеты требуемых параметров с учетом конструкции объекта, решая внешние и внутренние задачи электродинамики при заданных граничных условиях, определяемых формой и электромагнитными параметрами диэлектриков и проводящих материалов.

Нахождение полей в СВЧ структурах представляет собой сложную математическую задачу, а с учетом особенностей размещения, тем более. Поэтому оптимальным решением для разработчиков в данной области является применение электродинамических симуляторов.

В современных системах электродинамического моделирования реализуются многие численные методы: метод моментов, предназначенный прежде всего для моделирования планарных структур, FDTD (Finite Difference Time Domain) - метод конечных разностей во временной области, позволяющий анализировать более сложные структуры, метод конечных элементов (МКЭ), который эффективен для широкого круга задач от анализа волноводных и полосковых структур до моделирования антенн и сложных СВЧ устройств. С его помощью с высокой точностью рассчитываются S-, Z-, T-матрицы, компоненты электромагнитного поля в структуре, в ближней и дальней зонах излучения, энергетические характеристики антенны, сопротивление входов и многое другое. Этот метод относится к универсальным методам и позволяет моделировать любые задачи, единственным ограничением является целесообразность применения в тех задачах, где лучше использовать геометрическую или физическую оптику. Например, в моделировании зеркальных антенн, модель получается очень большой, разбивается на многое количество элементов и соответственно, увеличивается время счета.

В современных мощных продуктах объединяются несколько методов, например метод моментов, методы геометрической и физической оптики -(FECO) Такое сочетание позволяет уменьшить затраты ресурсов прежде всего оперативной памяти при моделировании объектов с размерами много большими длины волны (больше 10). В результате появляется возможность решения таких задач, как рассеяние радиоволн на самолете или корабле и распространение радиоволн в условиях городской застройки.

Также в последних версиях ANSYS (13 и 14) добавлен еще метод

конечных интегралов, который использует двумерные базисные функции, описывающие токи на поверхностях, в том числе объектов с конечной проводимостью, что позволяет описывать диэлектрические и металлические объекты с потерями. Можно провести расчет поперечной площади рассеяния, расчет антенны, расположенной на большом объекте; расчет коэффициента связи между удаленными антеннами; расчет электромагнитной совместимости [3].

В зависимости от типа решаемых задач расчеты проводятся в частотной и временной областях, а также можно определять частоты собственных колебаний в резонирующих структурах.

Рассмотрим конкретный пример моделирования КВП и оценим влияние высоты пайки на его основные параметры. Трехмерная модель перехода представлена на рис. 1, основные части - кабель, прямоугольный волновод, возбуждающий зонд, диэлектрическая шайба, воздушная камера, внутри которой размещен уголковый поворот, цилиндр, имитирующий припой, используемый для паяного соединения жилы кабеля с зондом. Материалы структуры выбраны из стандартной базы, определены порты и полоса частот. Именно наличие уголкового поворота является сложным моментом в проектировании данного КВП

Зонд

Рис. 1. Модель КВП

На рис. 2 показан график КСВН в полосе частот, его минимум составляет 1.0082 на частоте 9.12 ГГц, рабочая полоса по уровню КСВН равному 2 превышает 2ГГц, по уровню 1.4 составляет примерно 1 ГГц. На рис. 3 показана зависимость модуля коэффициента передачи от частоты, его значения показывают, что мощность передается из порта 1 в порт 2 практически без потерь. Оптимальные геометрические размеры: высота зонда 3.68 мм (0.17Х , Хв - длина волны в волноводе), его диаметр 1.6 мм в волноводной части, 2 мм в воздушной

камере и в диэлектрической шайбе, диаметр камеры 5.4 мм, диаметр диэлектрической шайбы 5.4 мм, расстояние до короткозамкнутой стенки 5.5 мм (0.25 Хв).

Рис. 2. Значение КСВН в полосе частот

Рис. 3. Значение модуля коэффициента передачи

Рассмотрим влияние высоты слоя припоя на параметры КВП в месте паяного соединения жилы коаксиального кабеля с зондом, тем самым моделируя ситуацию наличия наплывов или натеков припоя (в реальной конструкции перехода жила помещается в прорезь зонда и опаивается).

На рисунке 4 видны зависимости КСВН от изменения переменной $0^0, определяющей толщину слоя припоя и изменяющейся от 50 до 1000 мкм, хорошо просматривается тенденция увеличения значения КСВН при увеличении данного параметра. На рисунке 5 показана зависимость минимального значения КСВН от толщины припоя. Видно, что КСВН начинает ухудшаться при высотах от 600 мкм, но учитывая, что при изготовлении КВП многие факторы могут

повлиять на его параметры, следует минимизировать риски, в том числе за счет качества выполнения паяного соединения.

2.00

1.80

1.60

HFSSDesign1 AM>uJT

1.40

1.20

1.00

8.40

J0 9.40

GHz]

Рис. 4. Значение КСВН в полосе частот при разных толщинах припоя

Рис. 5. Минимальные значения КСВН при разных толщинах припоя

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

1. Collin R E. Field Theory of Guided Waves, McGraw-Hill, 1960

2. Н. А. Семенов. Техническая электродинамика: Учебное пособие для электротехнических институтов связи. - М.: Связь, 1973. - 480 с.

3. Банков С.Е., Гутцайт Э.М., Курушин А.А. Решение оптических и СВЧ задач с помощью HFSS - М., ООО «Оркада», 2012

XY Plot 1

© Л.В. Шебалкова, 2013