Метод вимірювання ефективної діелектричної проникності частково заповнених хвилеводів за допомогою неузгодженого Т-мосту

  • Н. М. Каращук Житомирський військовий інститут імені С. П. Корольова
  • В. П. Манойлов Житомирський державний технологічний університет http://orcid.org/0000-0001-6961-6995
  • О. Л. Сидорчук Житомирський військовий інститут імені С. П. Корольова
  • С. М. Тарасенко Житомирський військовий інститут імені С. П. Корольова
  • В. В. Чухов Житомирський державний технологічний університет, м. Житомир http://orcid.org/0000-0001-7782-9077
Ключові слова: ефективна діелектрична проникність, часткове діелектричне заповнення, метод вимірювання ефективної діелектричної проникності, частково заповнений хвилевід

Анотація

Вступ. У техніці надвисоких частот широко застосовуються хвилеводи, що частково заповнені діелектричним матеріалом – частково-заповнені хвилеводи. Вони мають переваги порівняно із порожнистими хвилеводами, зокрема можливості щодо зменшення розмірів поперечного перетину, збільшення потужності випромінювання та подавлення небажаних типів хвиль. У зв’язку з випуском нових різноманітних діелектричних матеріалів, призначених для використання в пристроях діапазону надвисоких частот з малими втратами, має місце необхідність постійно розвивати методи розрахунку та методи вимірювання характеристик частково-заповнених хвилеводів. 
Постановка проблеми. Теорія хвилеводів, заповнених повністю і хвилеводів з діелектричним заповненням вздовж вузьких стінок, розроблена достатньо повно. Проте її застосування до різних хвилеводних пристроїв потребує розв’язку трансцендентних рівнянь, що можливо лише чисельними методами. Це ускладнює отримання інформації про будь-яку характеристику пристрою. Також впливає велика кількість факторів, від яких залежать характеристики частково-заповнених хвилеводів (ступінь заповнення, положення пластини у хвилеводі, величина діелектричної проникності тощо). Розв’язок електродинамічної задачі для частково-заповнених хвилеводів зводиться до пошуку сталої поширення в хвилеводі. Точний розв’язок рівняння Гельмгольца електромагнітного поля для таких хвилеводів можливий лише в окремих випадках, наприклад, в шаруватих хвилеводах, коли межа розподілу підкоряється кусково-неперервним законом розподілу проникностей. Класичні методи визначення сталих поширення в частково-заповнених хвилеводах зводяться до розв’язку дисперсійного рівняння, отриманого або методом прирівнювання тангенційних складових електричного та магнітного полів на межах розподілу кожного шару, або методом теорії кіл. Для дослідження частково-заповнених хвилеводів з різною висотою зразка, серед інших, пропонується підхід, який базується на поданні відносної діелектричної проникності середовища у вигляді двох дійсних функцій, кожна з яких залежить у поперечному перетині від однієї координати. Це наближена методика визначення власних скалярних і векторних функцій частково-заповнених хвилеводів. Отже, розв’язок електродинамічної задачі для частково-заповнених хвилеводів зводиться до пошуку сталої поширення в хвилеводі точними або наближеними методами. У статті розглядається метод, який дозволяє, вимірявши значення ефективної діелектричної проникності, розрахувати сталу поширення за будь-якої частоти. 
Результати. За результатами проведеного аналізу показано, що відомі методи вимірювання ефективної діелектричної проникності (за допомогою вимірювальної лінії, панорамного вимірювача, мостового вимірювача) мають недоліки щодо залежності від модифікації частково-заповнених хвилеводів, вузькосмуговості, значної відносної похибки вимірювання за збільшення ефективної діелектричної проникності. Зокрема, недоліком мостових вимірювачів є дуже вузький частотний діапазон, в якому міст залишається узгодженим. Практично необхідно узгоджувати міст на кожній частоті, досягаючи відсутності сигналу в плечі Е за однакових навантажень, що підключені до бокових плечей. Для цього мости мають налаштувальні елементи у вигляді штирів, діафрагм та ін. Запропоновано метод вимірювання ефективної діелектричної проникності частково заповнених хвилеводів за допомогою неузгодженого Т-мосту, який вказаних недоліків не має.
Висновки. Наукова новизна запропонованого методу вимірювання ефективної діелектричної проникності частково-заповнених хвилеводів за допомогою неузгодженого Т-мосту полягає у можливості забезпечення широкосмуговості, підвищенні точності вимірювань, універсальності за рахунок застосування панорамного вимірювача коефіцієнта стоячої хвилі за напругою та електронно-обчислювальної машини. Особливістю також є можливість вимірювання ефективної діелектричної проникності у випадках такого частково-заповненого хвилеводу, де інші методи вимірювань не підходять. Отримані результати доцільно застосовувати під час проектування нових антенних систем, до складу яких входять частково-заповнені хвилеводи, а також у навчальному процесі для створення нових або удосконалення існуючих робочих місць для проведення лабораторних та практичних занять з використанням наведеного методу вимірювання.

Біографії авторів

Н. М. Каращук , Житомирський військовий інститут імені С. П. Корольова

Каращук Н. М.,

В. П. Манойлов, Житомирський державний технологічний університет

Манойлов В. П., д.т.н., професор

О. Л. Сидорчук , Житомирський військовий інститут імені С. П. Корольова

Сидорчук О. Л., ст. викладач

С. М. Тарасенко , Житомирський військовий інститут імені С. П. Корольова

Тарасенко С. М.,

В. В. Чухов , Житомирський державний технологічний університет, м. Житомир

Чухов В. В., кандидат технічних наук, доцент кафедри біомедичної інженерії та телекомунікації

Посилання

Chernishov P., Samsonov V.P. and Chernishov M.P. (2006) Tekhnichna elektrodinamika [Technical electrodynamics]. Kharkiv: NTU "KhPI", 290 p.

Kolomeytsev V.A., Komarov V.V. and Khomyakov S.V. (2000) Ridged waveguides with thin dielectric slabs. Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 25, Iss. 6, pp. 419-423. DOI: 10.1002/(sici)1098-2760(20000620)25:6<419::aid-mop16>3.0.co;2-7

Ando M., Hirokawa J., Yamamoto T., Akiyama A., Kimura Y. and Goto N. (1998) Novel single-layer waveguides for high-efficiency millimeter-wave arrays. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 46, Iss. 6, pp. 792-799. DOI: 10.1109/22.681202

Scott M.M. and Faircloth D.L. (2013) Microwave Permittivity Determination for Materials With Out-of-Plane and Off-Diagonal Dielectric Anisotropy. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 61, Iss. 6, pp. 2471-2480. DOI: 10.1109/tmtt.2013.2260169

Wang W., Zhong S., Zhang Y. and Liang X. (2006) A Broadband Slotted Ridge Waveguide Antenna Array. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 54, Iss. 8, pp. 2416-2420. DOI: 10.1109/tap.2006.879216

Krenitsky A. P. and Meshchanov V. P. (2001) Sverkhshirokopolosnyye mikrovolnovyye ustroystva [Ultra-wideband microwave devices]. Moscow, Radio and Communications, 554 p.

Neganov V.A., Klyuev D.S. and Tabakov D.P. (2015) Ustroystva SVCH i antenny [Microwave devices and antennas]. Moscow, 724 p.

Somov A.M. and Kabetov R.V. (2016) Proyektirovaniye antenno-fidernykh ustroystv [Designing antenna-feeder devices]. Moscow, Hotline-Telecom, 282 p.

Kuraev A. A., Popkova T. L. and Sinitsyn A. K. (2004) Electrodynamics and radio wave propagation [Elektrodinamika i rasprostraneniye radiovoln], Minsk, Bestprint, 357 р.

Orfanidis S. J. (2008) Electromagnetic Waves and Antennas Textbook, Rutgers University, 819 p.

Karashchuk N. M., Manoylov V. P., Friez S. P. and Chukhov V. V. (2018) Investigation of the influence of partial dielectric filling on the dimensions of a rectangular waveguide [Doslidzhennya vplyvu chastkovoho dielektrychnoho zapovnennya na rozmiry pryamokutnoho khvylevodu], Problems of creation, testing, application and operation of complex information systems}, Vol. 15, рр. 103-117.

Pochernyaev V.N. and Tsibizov K.N. (2003) Teoriya slozhnykh volnovodov [The Theory of Complicated Waveguides] Kyiv: Naukoviy St. 224 p.

Abdullin R.R. and Sokolov R.I. (2016) Experimental research of leaky-wave antenna based on covered rectangular waveguide with transverse slots. 2016 URSI Asia-Pacific Radio Science Conference (URSI AP-RASC), . DOI: 10.1109/ursiap-rasc.2016.7601153

Pochernyaev V.N. and Skrypnik L.V. (1990) Eigenfunctions of a partially filled rectangular waveguide. Radiophysics and Quantum Electronics, Vol. 33, Iss. 12, pp. 1023-1028. DOI: 10.1007/bf01040145

Bovtun V., Kempa M., Kamba S., Pashkov V., Molchanov V., Poplavko Y. and Yakymenko Y. (2013) Microwave characterization of dielectric substrates for thin films deposition. 2013 IEEE XXXIII International Scientific Conference Electronics and Nanotechnology (ELNANO). DOI: 10.1109/elnano.2013.6552081

Koledintseva M.Y., Drewniak J.L. and Hinaga S. (2011) Effect of anisotropy on extracted dielectric properties of PCB laminate dielectrics. 2011 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility. DOI: 10.1109/isemc.2011.6038366

Manoylov V. P. and Chuhov V. V. (2006) Calculation of the waveguied with the shape dielectric fulfills, Visnyk NTUU KPI Seriia - Radiotekhnika Radioaparatobuduvannia, Iss. 33, pp. 91-100. DOI: 10.20535/RADAP.2006.33.91-100

Chukhov V. (2004) Method of dielectric permeability type determination and its measurement. The Fifth International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter, and Submillimeter Waves (IEEE Cat. No.04EX828). DOI: 10.1109/msmw.2004.1346162

Sidorchuk O.L., Manoilov V.P. (2013) Method of measurement of EPR. Microwave & Telecommunication Technology (CriMiCo-2013), pp. 546–547

Manoilov V. P. and Sydorchuk O. L. (2014) Systema dlia nepriamoho vyznachennia antennoi skladovoi efektyvnoi poverkhni rozsiiuvannia aperturnykh anten [The system for the indirect use of an antenna for warehouse warehousing of effective surface apertures]. Patent UA106557

Опубліковано
2019-09-19
Як цитувати
Каращук , Н. М., Манойлов, В. П., Сидорчук , О. Л., Тарасенко , С. М. і Чухов , В. В. (2019) «Метод вимірювання ефективної діелектричної проникності частково заповнених хвилеводів за допомогою неузгодженого Т-мосту», Вісник НТУУ "КПІ&quot;. Серія Радіотехніка, Радіоапаратобудування, (78), с. 6-12. doi: 10.20535/RADAP.2019.78.6-12.
Номер
Розділ
Електродинаміка, пристрої НВЧ діапазону та антенна техніка