CC BY
33
Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка
ТЕХНІКА ТА ПРИСТРОЇ НВЧ ДІАПАЗОНУ. АНТЕННА ТЕХНІКА
УДК 621.372.543
ВЗАЄМОДІЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ПОЛЯ З
НЕОДНОРІДНОСТЯМИ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ КРИСТАЛІВ
Назарько А. І., Тимофєєва Ю. Ф., Нелін Є. А.
Кристалоподібні структури (КС) характеризуються зонним характером проходження хвиль з високою їх розв’язкою в дозволених та заборонених зонах. Один з типів КС — мікросмужкові електромагнітні кристали (ЕК), які значно покращують характеристики пристроїв радіодіапазону. Зонна вибірність КС залежить від ефективності її неоднородностей. Формування характеристик проходження та відбиття різними типами неоднорідностей ЕК розглянуто в [1].
Постановка задачі
Спектральні властивості КС визначаються особливостями взаємодії поля з КС. Резонансна взаємодія приводить до резонансного проходження хвилі в дозволеній зоні та резонансного подавлення в забороненій. Резонансне проходження спостерігається при резонансній взаємодії падаючої хвилі зі стоячою хвилею, сформованою усередені КС [2]. При резонансному проходженні коефіцієнт проходження дорівнює одиниці. Резонансному подавленню відповідає синфазність хвиль, відбитих неоднородностями КС. В результаті формується максимальна за амплітудою сумарна відбита хвиля. Коефіцієнт проходження для ідеальної необмеженої КС дорівнює нулю і мінімальний для реальної КС.
При резонансній взаємодії хвилі і КС спостерігається локалізація поля. Високий ступінь локалізації забезпечить розробку малогабаритних пристроїв обробки сигналів. В роботі проаналізовано особливості взаємодії електромагнітного поля з неоднорідностями ЕК тривимірним моделюванням за допомогою програмного пакета Microwave Studio.
Поодинокі неоднорідності
Розглянемо такі неоднорідності: 1) отвір в заземленому шарі мікросму-жкової лінії; 2) отвір в заземленому шарі і наскрізний отвір в діелектрику; 3) отвір в заземленому шарі і ненаскрізний металізований отвір в діелектрику. Отвори круглі. Перший тип неоднорідностей найбільш поширений в конструкціях ЕК. Третій запропоновано в [3]. Параметри неоднорідностей: товщина діелектричної основи 2,1 мм, товщина мідної фольги 50 мкм, ширина смужкового провідника 2,5 мм, діаметр неоднорідності 8 мм, товщина шару діелектрика неоднорідності 3 0,1 мм, відносна діелектрична проникність 7,0, тангенс кута діелектричних втрат 0,0025 на частоті 10 ГГц.
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2010.-№41
65
Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка
Хвильовий опір мікросмужкової лінії без неоднорідності дорівнює 50 Ом.
На рис. 1, а-г приведено електричні поля мікросмужкової лінії без неоднорідності та з поодинокими неоднорідностями 1-3 у середньому перерізі основи на частотах відповідно 4,80 ГГц, 4,83 ГГц, 4,82 ГГц і 3,60 ГГц. Для неоднородностей частоти середні між першими нулями частотної характеристики коефіцієнта відбиття. У порівнянні з [1] сітка моделювання має більшу кількість ліній на довжину хвилі, що дозволяє уточнити середні частоти.
в г
Рис. 1. Напруженість електричного поля (по модулю) мікросмужкової лінії без неоднорідності (а) і з поодинокими неоднорідностями 1-3 (відповідно б-г).
Рис. 1а ілюструє біжучу хвилю в мікросмужковій лінії без неоднорідності, а рис. 1б-1г — ступінь локалізації поля неоднорідностями
1-3. Незважаючи на те, що діаметр неоднорідності в 3,2 рази перевищує ширину смужкового провідника, вся неоднорідність впливає на формування поля структури. Максимальний ступінь локалізації поля забезпечує неоднорідність 3. Амплітуда біжучої хвилі після неоднорідності, нормована до амплітуди біжучої хвилі в мікросмужковій лінії без неоднорідності, для неоднородностей 1-3 дорівнює відповідно 0,80, 0,64 і 0,19.
Подвійні неоднорідності
Моделювання подвійної неоднорідності дозволяє проаналізувати ефективність одного періоду ЕК. Подвійна неоднорідність утворена двома поодинокими неоднорідностями відповідних типів з наведеними вище параметрами. Відстань між неоднорідностями 7 мм.
Розглянемо особливості внутрішньої і зовнішньої локалізації поля відповідно на частоті першого нуля частотної характеристики коефіцієнта відбиття і на середній частоті між першими нулями. Нулі характеристики відповідають резонансному проходженню хвилі, а область характеристики між першими нулями — забороненій зоні, що формується неодноріднос-тями ЕК.
Рис. 2 ілюструє внутрішню резонансну локалізацію поля подвійними неоднорідністями на частотах 2,26 ГГц, 2,62 ГГц і 1,06 ГГц відповідно.
66
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія - Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2010.-№41
Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка
Поля на рис. 2а-2в, як і раніше, розраховано у середньому перерізі основи. Для неоднорідності 3 поле локалізоване, в основному, в межах шару діелектрика, а середній переріз основи знаходиться під цим шаром. На рис. 2г показано поле цієї неоднорідності у середньому перерізі шару діелектрика.
Резонансна стояча хвиля компенсує хвилеві неоднорідності структури, так що падаюча хвиля резонансно проходить структуру. Без врахування втрат при резонансному проходженні амплітуди падаючої хвилі і хвилі, що пройшла, рівні. В даному випадку втрати малі. Розподіли поля на вході і виході структури ілюструють резонансне проходження хвилі.
а
б
Рис. 2. Напруженість електричного поля мікросмужкової лінії з подвійними неоднородностями 1, 2 і 3 (відповідно а, б і в, г) на частоті першого нуля частотної характеристики коефіцієнта відбиття.
в
г
а
б
Рис. 3.
Напруженість електричного поля мікросмужкової лінії з подвійними неоднородностями 1-3 (відповідно а-в) на середній частоті
На рис. 3 приведено розподіли поля на частотах 4,46 ГГц, 5,60 ГГц і 3,86 ГГц відповідно. Нормовані амплітуди хвилі після другої неоднорідності подвійних неоднородностей 1-3 дорівнють відповідно 0,49, 0,20 і 1,5*102.
Завдяки високій локалізації поля подвійною неоднорідністю 3, хвиля практично не проникає в ЕК на основі таких неоднородностей. Зростання ступеня зовнішньої локалізації хвилі призводить до формування заборонених зон.
Вісник Національного технічного університету України ”КПІ” Серія - Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2010.-№41
67
Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка
Висновки
Аналіз взаємодії поля і КС дозволяє виявити особливості внутрішньої і зовнішньої локалізації поля, що безпосередньо визначає формування характеристик КС. Поодинокі та подвійні неоднорідності у формі металізованих отворів в діелектричній основі забезпечують високу локалізацію поля, необхідну для високоефективних ЕК.
Література
1. Назарько А.І., Тимофєєва Ю.Ф., Нелін Є.А Ефективність неоднорідностей електромагнітних кристалів // Вісник НТУУ «КПІ». Серія — Радіотехніка. Радіо-апаратобудування. — 2010. — Вип. 40. — С. 141-143.
2. Нелин Е.А. Импедансная модель для “барьерных” задач квантовой механики // УФН. — 2007. — Т. 177. — №3. — С. 307-313.
3. Тимофєєва Ю.Ф., Назарько А.І., Нелін Є.А. Фотоннокристалічний пристрій.
Патент України на корисну модель № 47242. — 2010. — Бюл. №2.__________
Назарько А. І., Тимофєєва Ю. Ф., Нелін Є. А. Взаємодія електромагнітного поля з неоднорідностями електромагнітних кристалів. Розглянуто особливості взаємодії електромагнітного поля з різними типами неоднорідностей електромагнітних кристалів. Приведено розподіли напруженості електричного поля.
Ключові слова: кристалоподібна структура, електромагнітний кристал._____
Назарько А. И., Тимофеева Ю. Ф., Нелин Е. А. Взаимодействие электромагнитного поля с неоднородностями электромагнитных кристаллов. Рассмотрены особенности взаимодействия электромагнитного поля с разными типами неоднородностей электромагнитных кристаллов. Приведены распределения напряженности электрического поля.
Ключевые слова: кристаллоподобная структура, электромагнитный кристалл._
Nazarko A. I, Timofeeva, Yu. F., Nelin E. A. Interaction of electromagnetic field with the inhomogeneities of electromagnetic crystals. The interaction of electromagnetic field with different types of electromagnetic crystals ’ inhomogeneities is considered. Distributions of electric field are presented.
Keywords: crystal-like structure, electromagnetic crystal.______________
УДК 621.396.67
УЛЬТРАШИРОКОСМУГОВА РУПОРНА АНТЕНА ДІАПАЗОНУ ЧАСТОТ 1-20 ГГЦ З НИЗЬКИМ РІВНЕМ БІЧНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
Дубровка Ф.Ф., Сушко О.Ю.
Рупорні антени широко використовуються для приймання та передавання радіосигналів у НВЧ діапазоні частот завдяки простій конструкції, легкому збудженню та високій ефективності. Основні області їх використання - опромінювачі дзеркальних антен та вимірювальні антени. Недоліком класичних рупорних антен (РА) є недостатньо широка робоча смуга частот, що не дозволяє використовувати їх в системах моніторингу електромагнітної обстановки та інших ультраширокосмугових (УШС) радіосистемах з необхідним перекриттям по частоті 2:1 і більше. Для таких застосувань ще в 1961 році запропонована Шіміцу [1] ребриста рупорна антена
68
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2010.-№41
