Розрахунок параметрів круглого хвилевода з прямокутною металевою вставкою Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка

диэлектрических экранов. В кн. Тезисы докладов IV Всесоюзной научной конференции по защите от ионизирующих излучений ядерно-технических установок, 10-12 сентября 1985, с. 84-85.

4. Verlan A.F., Sytnyk A.A., Abdusatarov B.B., Miraziz Sagatov. Analysis of power circuits’ dynamics using generalized state-space model. Fourth World on Intelligent Systems for industrial Automation. -Tashkent, Uzbekistan. - November 21-22. - 2006. - C. 168-176.

5. Верлань А.Ф., Ситник О.О., Ключка К.М. Інтегральні рівняння аналізу нестаціонарних електричних систем. Вісник Національного університету “Львівська політехніка” “Електроенергетичні та електромеханічні системи”. Львів - 2009. № 637. С.12-17.

6. Воробьев Г.А. О природе процессов формовки тонкопленочной системы металлдиэлектрик-металл. -Радиотехника и электроника, 1981, т.26, №3, с.655-656.

7. Вайсберг С.Э. Обратимые радиационные эффекты в полимерах. - В кН.: Радиационная химия полимеров. Под ред. В.А.Каргина. - М.: Наука,1973. - 376 с.

8. Петренко Л.Г., Биньков С.Б. О процессе самовосстановления электрической прочности металлизированных диэлектриков. - Электричество, 1984, №3, с. 72-74.

Ситник О.О., Самойлік О.В., Кишенко Я.І. Математичне моделювання електричного поля в діелектричних стуктурах. Отримані зручні для розрахунків співвідношення, які дозволяють визначати розподіл електричного поля, що утворюється накопиченим об ’ємним зарядом в діелектричних плівках з різними способами металізації поверхні.

Ключові слова: діелектричні плівки, накопичений заряд, металізація поверхні

Ситник О.О., Самойлик А.В., Кишенко Я.І. Математическое моделирование электрического поля в диэлектрических структурах. Получены удобные для расчетов соотношения, которые позволяют определить распределение электрического поля, создаваемого накопленным объёмным зарядом в диэлектрических плёнках с разными способами металлизации поверхности.

Ключевые слова: диэлектрические плёнки, накопленный заряд, металлизация поверхности

Sitnik О., Samoilik А., Kishenko Ja. Mathematical modeling of the electric field in dielectric structures. Were obtained suitable for the calculation formulas, which determine the distribution of the electric field generated by the accumulated space charge in dielectric films with different ways of metallization surface.

Key words: dielectric films, accumulated charge, the surface metallization

УДК 621.3.09:004.942

РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ КРУГЛОГО ХВИЛЕВОДА З ПРЯМОКУТНОЮ МЕТАЛЕВОЮ ВСТАВКОЮ

Сидорук Ю.К. Довгань В.М.

При проектуванні НВЧ пристроїв у більшості випадків необхідно знати основні параметри ліній передачі, такі як: фазова швидкість, фазова постійна, довжина хвилі в хвилеводі, хвильовий опір, критичну довжину хвилі та інші. Для стандартних ліній передачі, що мають просту форму попереч-

Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2010.-№42

65

Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка

ного перетину, існують аналітичні вирази, за допомогою яких вказані параметри легко розраховуються, але для ліній з складною формою поперечного перетину одержати аналітичні вирази або дуже складно, або взагалі неможливо. У таких випадках доводиться звертатися до числових методів, які дають задовільні результати і можуть бути реалізовані на доступних електронних обчислювальних засобах.

Постановка задачі.

Маємо круглий хвилевод з прямокутною металевою пластинкою, розташованою в центрі хвилевода, рис. 1, в якому D - внутрішній діаметр круглого хвилевода; h - висота металевої пластинки; T - ширина металевої пластинки. Припускається, що стінки хвилевода і поверхня металевої пластинки мають нескінченно велику провідність. Область існування електромагнітного поля має дві площини симетрії горизонтальну і вертикальну. Граничні умови сформульовані нижче та відтворені на рис. 2.

Рис. 1. Круглий хвилевод з прямокутною металевою пластинкою, розташованою в центрі хвилеводу

Рис. 2. Область розрахунку параметрів хвилевода

Необхідно визначити: фазову швидкість - Уф, фазову постійну - в, довжину хвилі в хвилеводі - Л хв, хвильовий опір - Z хв, найбільшу критичну довжину хвилі H - ^кр, вектор E якої на осях симетрії хвилевода орієнтований вертикально, в залежності від розмірів металевої пластинки відносно діаметра хвилевода.

Щоб виключити появу хвилі T, яка через двозв’язність граничних умов може поширюватись в даному хвилеводі, вважається, що для хвилі H з вертикальною поляризацією горизонтальна площина симетрії є ідеальною електричною стінкою, тобто має нескінченно велику провідність.

Дана задача має практичне значення в тих випадках, коли в круглому хвилеводі необхідно мати дві ортогонально поляризовані електромагнітні хвилі H11 з різними основними параметрами.

Вибір методу розрахунку

Очевидно, що простого (аналітичного) методу розв’язку поставленої задачі не існує, тому необхідно застосувати числовий метод. Серед відомих числових методів розв’язку внутрішніх задач електродинаміки найчастіше

66

Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія - Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2010.-№42

Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка

використовуються три: метод інтегральних рівнянь, скінченних різниць та скінченних елементів. В даному випадку доцільно вибрати останній - метод скінченних елементів. Перевага даного методу перед попередніми: він глибоко розроблений методично, при його використанні можна врахувати реальні параметри матеріалів, наявність джерел живлення випромінювання тощо; існують перевірені на практиці і доступні програми розв’язку електродинамічних задач і розрахунків параметрів електромагнітних хвиль.

Використання методу скінченних елементів забезпечує високий ступінь універсальності числових алгоритмів, які досить ефективні для широкого кола задач від аналізу хвилеводних і стрічкових структур до моделювання антен і складних невзаємних пристроїв, що містять гіротропні середовища.

Розв’язок задачі та аналіз результатів розрахунку В даному випадку розглядається регулярний хвилевод, в якому основною хвилею є електромагнітна хвиля H, що має майменшу критичну частоту /кр (найбільшу критичну довжину хвилі Хкр), тому дана задача зво-

диться до розв’язку однорідного рівняння Гельмгольця [1]:

А±Hz + (k - в)Hz = 0,

(1)

де А± = д/ дх2 + д/ ду2 - поперечний лапласіан; z - подовжня координата; k та в - фазові постійні в вільному просторі та хвилеводі відповідно.

Так як AA' є лінією горизонтальної симетрії і ідеальною електричною стінкою, а KK' вертикальною лінією симетрії і магнітною стінкою, то область, в якій розраховується електромагнітне поле може бути обмежена контуром ABLCKA, рис. 2. Границя на контурі KABLC має нескінченно велику провідність, відрізок CK - магнітна стінка.

Для числового розв’язку рівняння (1) з граничними умовами рис. 2. використовувалась програма Ansoft HFSS [2]. Використовуючи Ansoft HFSS можна з високою точністю розрахувати електричні і магнітні компоненти електромагнітного поля, зовнішні параметри НВЧ багатополюсників, матриці розсіяння, матриці імпедансів і адмінтансів, а тому HFSS може бути інтегрована в інші програми проектування. Розраховані S - параметри можуть використовуватись в програмах аналізу лінійних і нелінійних пристроїв, зокрема, у програмі Microwave Office, Serenade Ansoft або ADS. HFSS повністю сумісний з платформою Ansoft Designer, яка призначена для наскрізного проектування радіоелектронних систем.

Всі розрахунки виконувалися в відносних величинах. Розміри пластинки

задавалися відносно діаметру хвилевода

та

, частота сигналу від-

носно критичної частоти порожнього круглого хвилеводу J/r , одержа-

' кр

ний результат в та кр/^ , де ^0 - довжина хвилі в вільному прос-

хв

кр

Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2010.-№42

67

Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка

торі на частоті f, Лхв - довжина хвилі в круглому хвилеводі з металевою пластинкою на тій же частоті f, Хкр - критична довжина хвилі типу Нп порожнього круглого хвилеводу, Хкр: - критична довжина хвилі Нп - в

круглому хвилеводі з металевою пластинкою, площина поляризація якої співпадає з площиною пластинки. Результати розрахунків приведені на графіках рис. 3 ^ 6.

На рис. 3 та рис. 4 приведені залежності

від

D

при трьох фік-

сованих значеннях

Т/

D'

для

1,022 (хвилевод докритичний) рис.3 та

для

0,978 (хвилевод закритичний) рис. 4. Очевидно, що внесена в

докритичний хвилевод прямокутна металева пластинка суттєво впливає на параметри електромагнітної хвилі H11, площина поляризації якої співпа-

дає з площиною пластинки.

68

Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2010.-№42

Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка

Параметр T (товщина пластинки) на зміну Лхв впливає мало. В зоні майбільшого впливу, hD = 0,3 + 0,5, зміна від 0,026 до 0,231 (в 8,88

разів) збільшується, приблизно, в 1,25 разів. Прямокутна металева

пластинка, внесена в закритичний круглий хвилевод, змінює його властивості так, що при певних розмірах пластинки він стає докритичним і в ньому може поширюватись хвиля Ип, площина поляризації якої співпадає

h

з площиною пластинки, рис. 4. В останньому випадку при < 0,5 параметр T значно більше впливає на Лхв ніж в попередньому, але при hD > 0,5 його вплив зменшується. Важливою особливістю кривих рис. 3

та рис. 4 є те, що при збільшенні hD вони стають більш пологими, що розширює робочу смугу частот і послаблює вимоги на допуски при виготовленні пластинки в конкретних пристроях.

Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2010.-№42

69

Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка

На рис. 5 приведені графіки

від

'D

при різних фіксованих зна-

ченнях

1,022, 1,000, 0,978 (порожній круглий хвилевод докритич-

кр

ний, критичний і закритичний) для тонкої металевої пластинки TD = 0,026. Суттєва різниця між ни

при D > 0,6 вони майже збігаються.

TD = 0,026. Суттєва різниця між ними спостерігається при hD < 0,4, а

І

Важливими характеристиками є залежності кр^ від yD для двох

кр

значень TD ~ 0,026 та 0,130, в докритичному порожньому хвилеводі, рис.6. Тут також очевидна мала залежність Хкр1 від товщини пластинки. Зміна TD в 5 разів (від 0,026 до 0,130) приведе до зміни Хкр1 максимум в

1,06 разів. При малих значеннях hD (менше 0,4) критична довжина хвилі в хвилеводі з металевою пластинкою мало відрізняється від критичної довжини хвилі порожнього круглого хвилевода, але при hD > 0,55 різко зро-

стає.

Висновки:

1. Прямокутна металева пластинка, розташована в центрі круглого докритичного і критичного хвилевода без металевої пластинки збільшує його критичну довжину хвилі (зменшує критичну частоту) для хвилі Hn, площина поляризації якої співпадає з площиною пластинки, а закритичний круглий хвилевод без пластинки перетворює в докритичний.

2. Прямокутна металева пластинка, розташована в докритичному без пластинки круглому хвилеводі, може бути використана для диференціації параметрів електромагнітних хвиль Hn, поляризованих в площині пластинки та в площині перпендикулярній площині пластинки, а в закритично-му без пластинки круглому хвилеводі для фільтрації хвилі Hn, поляризованій перпендикулярно до площини пластинки.

3. Для практичного використання в НВЧ пристроях доцільно вибирати

відносну висоту пластинки

в межах 0,55 ^ 0,75, а товщину T, при

<< 1, виходячи з конструктивної доцільності.

Література

1. Сильвестр П., Феррари Р. „Метод конечных элементов для радиоинженеров и ин-женеров-электриков”, М., „Мир”, 1986. - 226 с.

2. Банков С.Е., Курушин А.А. „Проектирование СВЧ устройств и антенн с Ansoft HFSS”, М., 2009. - 736 с.

70

Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2010.-№42

Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка

3. Сабоннадьер Ж.-К., Кулон Ж.-Л. Метод конечных элементов и САПР: Пер. с франц. — М.: Мир, 1989. - 190 с

4. Александров А.К., Ячев И.С., Маринова И.Й., Рыжов С.Ю. „Автоматизированный расчет поля электрических аппаратов методом вторичных источников” М., Издательство МЭИ, 1994, с. 4-5.

Сидорук Ю.К. Довгань В.М. Розрахунок параметрів круглого хвилевода з прямокутною металевою вставкою. Розраховані і проаналізовані основні параметри електромагнітної хвилі Hn в круглому хвилеводі з прямокутною металевою пластинкою в випадках: коли круглий хвилевод без металевої пластинки для хвилі H^ ^ докритичний, критичний і закритичний. Для розрахунків використовувався метод скінченних елементів і програма Ansoft HFSS.

Ключові слова: круглий хвилевод, металева вставка, метод скінченних елементів

Сидорук Ю.К. Довгань В.М. Расчет параметров круглого волновода с прямоугольной металлической вставкой. Рассчитаны и проанализированы основные параметры электромагнитной волны в круглом волноводе с прямоугольной металлической пластинкой в случаях: когда круглый волновод без металлической пластинки для волны H^

докритический, критический и закритический. Для расчетов использовался метод конечных элементов и программа Ansoft HFSS.

Ключевые слова: круглый волновод, прямоугольная металлическая вставка, метод конечных элементов

Sydoruk Yuriy K. Dovgan Vitally M. Calculations of circular waveguide with a rectangular

metal insert. Calculated and analyzed the basic parameters of electromagnetic wave in a circular waveguide with a rectangular metal plate in the following cases: when the circular waveguide without metal plate for a H^ ^ wave of subcritical, critical and supercritical. For

calculations was used a finite element method and Ansoft HFSS program.

Keywords: circular waveguide, metal insert, finite element method

УДК 621.373.12:621.396.61:621.396.62

ЕФЕКТИВНІСТЬ ЗАСОБІВ ЗМЕНШЕННЯ ФАЗОВИХ ШУМІВ ТРАНЗИСТОРНИХ ГЕНЕРАТОРІВ НВЧ

Коцержинський Б. О.

Огляд сучасних наукових публікацій показує, що продовжується інтенсивне вивчення виникнення фазових шумів (ФШ) у транзисторних генераторах НВЧ та пошук засобів зменшення їх рівня, тому що шуми суттєво впливають на ефективність систем зв’язку та використання частотного діапазону. При розробці генераторів мінімізація ФШ є першочерговою проблемою. Джерелами шуму є білий шум пасивних компонентів та шум транзисторів.

Рекомендації щодо зменшення рівня ФШ транзисторних генераторів залежать від моделей генератора та транзистора (лінійна або нелінійна),

Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2010.-№42

71