Електродинамічний аналіз індуктивної діафрагми у прямокутному хвилеводі гібридним методом узгодження мод та інтегральних рівнянь
DOI:
https://doi.org/10.64915/RADAP.2026.103.5-15Ключові слова:
електродинамічний аналіз, моделювання електромагнітних полів, метод узгодження мод, інтегральні рівняння, індуктивні діафрагми, прямокутний хвилевід, розподіл поля, базисні функції, поліноми Гегенбауера, хвилевідні компонентиАнотація
Індуктивні діафрагми застосовують у сучасних мікрохвильових фільтрах, диплексерах, поляризаторах і ротаторах на основі хвилеводів. У статті представлено ефективний математичний метод аналізу характеристик електромагнітних хвиль, що розсіюються на індуктивній діафрагмі у прямокутному хвилеводі. За допомогою методу узгодження поперечних компонент поля задачу розсіювання електромагнітних хвиль зведено до системи зв’язаних інтегральних рівнянь, яку перетворено на нову систему розділених (незалежних) рівнянь. Кожне рівняння розв’язано шляхом розкладання електричного поля у вікні діафрагми у ряд за базисними функціями. Цю процедуру реалізовано з використанням систем ортогональних тригонометричних базисних функцій поля апертури, ортогональних базисних функцій на основі поліномів Гегенбауера з ваговою функцією з показником степеня 1/2 або ортогональних базисних функцій на основі поліномів Гегенбауера з ваговою функцією з показником степеня 2/3. У результаті визначено комплексні амплітуди всіх мод у кожній області внутрішнього об’єму (до діафрагми, всередині її вікна та після діафрагми), а також комплексні коефіцієнти відбиття та передачі основної хвилі H10.
Для перевірки достовірності та точності розробленої математичної моделі проведено додаткові розрахунки числовими методами: методом скінченних елементів (FEM) та методом скінченних різниць у часовій області (FDTD), а також експериментальні вимірювання характеристик відбиття для двох індуктивних діафрагм у стандартному прямокутному хвилеводі. Вимірювальні установки включали скалярний або векторний аналізатори кіл (панорамні вимірювачі), одну з двох індуктивних діафрагм, узгоджене навантаження та хвилевідні тракти. Експериментально отримані коефіцієнти відбиття добре узгоджуються з результатами, передбаченими розробленою математичною моделлю та числовими методами.
Розроблена математична модель може бути широко застосована для аналізу характеристик електромагнітних хвиль, які розсіюються на індуктивних діафрагмах у хвилеводах, та для синтезу різноманітних мікрохвильових пристроїв на їх основі.
Посилання
1. Cai, H., Liu, H., Su, G., Yang, N., Liu, J. and Sun, L. (2023). A V-band wideband waveguide filters with inductive iris. 2023 16th UK-Europe-China Workshop on Millimetre Waves and Terahertz Technologies (UCMMT), pp. 1-3. DOI: 10.1109/UCMMT58116.2023.10310325.
2. Kireeff Covo, M., Hassan, T., Duran, J. C., Lambert, K., Bloemhard, P. and Benitez, J. (2024). Inductive iris impedance matching network for a compact waveguide DC break. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 72, no. 12, pp. 6793-6798. DOI: 10.1109/TMTT.2024.3409470.
3. Zhao, X., Glubokov, O., Campion, J., Gomez-Torrent, A., Krivovitca, A., Shah, U. and Oberhammer, J. (2020). Silicon micromachined D-band diplexer using releasable filling structure technique. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 68, no. 8, pp. 3448-3460. DOI: 10.1109/TMTT.2020.3004585.
4. Campion, J., Glubokov, O., Gomez-Torrent, A., Krivovitca, A., Shah, U., Bolander, L., Li, Y. and Oberhammer, J. (2018). An ultra low-loss silicon-micromachined waveguide filter for D-band telecommunication applications. 2018 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium - IMS, pp. 583-586. DOI: 10.1109/MWSYM.2018.8439601.
5. Mehrabi Gohari, M., Glubokov, O. and Oberhammer, J. (2025). Inline waveguide filters with transmission zeros using frequency-variant couplings. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 73, Iss. 6, pp. 3310-3318. DOI: 10.1109/TMTT.2025.3541149.
6. Bartlett, C., Glubokov, O., Kamrath, F. and Höft, M. (2023). Highly selective broadband mm-wave diplexer design. IEEE Microwave and Wireless Technology Letters, vol. 33, no. 2, pp. 149-152. DOI: 10.1109/LMWC.2022.3205425.
7. Bulashenko, A. V., Piltyay, S. I., Kalinichenko, Y. I. and Zabegalov, I. V. (2021). Waveguide polarizer for radar and satellite systems. Visnyk NTUU KPI Seriia - Radiotekhnika Radioaparatobuduvannia, no. 86, pp. 5-13. DOI: 10.20535/RADAP.2021.86.5-13.
8. Piltyay, S. (2021). Square waveguide polarizer with diagonally located irises for Ka-band antenna systems. Advanced Electromagnetics, vol. 10, no. 3, pp. 31-38. DOI: 10.7716/aem.v10i3.1780.
9. Zhang, Y., Wang, Q. and Xin, H. (2014). A compact 3 dB E-plane waveguide directional coupler with full bandwidth. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 24, no. 4, pp. 227-229. DOI: 10.1109/LMWC.2013.2296297.
10. Hao, L., Zhang, B., Niu, Z., Li, D. and Liu, Y. (2025). A waveguide directional coupler with interleaved coupling holes. 2025 IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series (IMWS-AMP), pp. 1-3. DOI: 10.1109/IMWS-AMP66175.2025.11136788.
11. Fu, P.-H., Chao, C.-Y. and Huang, D.-W. (2021). Ultracompact silicon waveguide bends designed using a particle swarm optimization algorithm. IEEE Photonics Journal, vol. 13, no. 1, 6600509. DOI: 10.1109/JPHOT.2020.3043828.
12. Prabha, P. U. K. and Raju, G. S. N. (2016). Analysis of L-band waveguide H-plane Tee junction. 2016 International Conference on ElectroMagnetic Interference & Compatibility (INCEMIC), pp. 1-4. DOI: 10.1109/INCEMIC.2016.7921485.
13. Khorsandy, M., Salari, A., Pilevar, A. and Erricolo, D. (2019). An optimized broadband waveguide magic-T for X-band applications. 2019 PhotonIcs & Electromagnetics Research Symposium - Spring (PIERS-Spring), pp. 207-211. DOI: 10.1109/PIERS-Spring46901.2019.9017712.
14. Piltyay, S., Bulashenko, A. and Shuliak, V. (2022). Development and optimization of microwave guide polarizers using equivalent network method. Journal of Electromagnetic Waves and Applications, vol. 36, no. 5, pp. 682-705. DOI: 10.1080/09205071.2021.1980913.
15. Stutzman, W. L. (2018). Polarization in electromagnetic systems. Artech House, Norwood, 256 p.
16. Virone, G., Tascone, R., Peverini, O. A., Addamo, G. and Orta, R. (2008). Combined-phase-shift waveguide polarizer. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 18, no. 8, pp. 509-511. DOI: 10.1109/LMWC.2008.2001005.
17. Tribak, A., Mediavilla, A., Cano, J. L., Boussouis, M. and Cepero, K. (2009). Ultra-broadband low axial ratio corrugated quad-ridge polarizer. European Microwave Conference (EuMC), pp. 73-76. DOI: 10.23919/EUMC.2009.5295927.
18. Güvenç, M., Şişman, I. and Ergin, A. A. (2023). Design and optimization of a wide-band quad-ridged polarizer for satellite communications. 2023 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC-URSI Radio Science Meeting (USNC-URSI), pp. 1477-1478. DOI: 10.1109/USNC-URSI52151.2023.10237410.
19. Polo-Lopez, L., Masa-Campos, J. L. and Ruiz-Cruz, J. A. (2017). Design of a reconfigurable rectangular waveguide phase shifter with metallic posts. 2017 47th European Microwave Conference (EuMC). DOI: 10.23919/EuMC.2017.8231036.
20. Deutschmann, B. and Jacob, A. F. (2020). Broadband septum polarizer with triangular common port. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 68, no. 2, pp. 693-700. DOI: 10.1109/TMTT.2019.2951138.
21. Güvenç, M., Şişman, I. and Ergin, A. A. (2023). Design, optimization and fabrication of a X-band septum polarizer for satellite communication. 2023 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation (USNC-URSI), pp. 1347-1348. DOI: 10.1109/USNC-URSI52151.2023.10237446.
22. Kirilenko, A., Mospan, L. and Tkachenko, V. (2002). Extracted pole bandpass filters based on the slotted irises. 2002 32nd European Microwave Conference, pp. 1-4. DOI: 10.1109/EUMA.2002.339448.
23. Deng, C., Zhang, R. and Fan, X. (2016). V-band waveguide band-pass filter with tuning screws. 2016 IEEE International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT), pp. 416-418. DOI: 10.1109/ICMMT.2016.7761793.
24. Peverini, O. A., Virone, G., Addamo, G. and Tascone, R. (2011). Development of passive microwave antenna-feed systems for wide-band dual-polarisation receivers. IET Microwaves, Antennas & Propagation, vol. 5, no. 8, pp. 1008-1015. DOI: 10.1049/iet-map.2010.0340.
25. Kirilenko, A., Mospan, L. and Steshenko, S. (2018). A way to realize a multi-frequency polarization plane rotator. 2018 9th International Conference on Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals (UWBUSIS), pp. 218-221. DOI: 10.1109/UWBUSIS.2018.8520246.
26. Kirilenko, A. A., Steshenko, S. O., Derkach, V. N. and Ostryzhnyi, Y. M. (2019). A tunable compact polarizer in a circular waveguide. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 67, no. 2, pp. 592-596. DOI: 10.1109/TMTT.2018.2881089.
27. Kirilenko, A., Steshenko, S. and Ostryzhnyi, Y. (2024). Compact filter-rotator of polarization plane with uniform angular response. Radioelectronics and Communications Systems, vol. 67, pp. 258-264. DOI: 10.3103/S0735272724050054.
28. Meixner, J. (1972). The behavior of electromagnetic fields at edges. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 20, no. 4, pp. 442-446. DOI: 10.1109/TAP.1972.1140243.
29. Marchetti, S. and Rozzi, T. (1991). Electric field singularities at sharp edges of planar conductors. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 39, no. 9, pp. 1312-1320. DOI: 10.1109/8.99039.
30. Krähenbühl, L., Buret, F., Perrussel, R., Voyer, D., Nicolas, P. and Nicolas, L. (2011). Numerical treatment of rounded and sharp corners in the modeling of 2D electrostatic fields. Journal of Microwaves, Optoelectronics and Electromagnetic Applications, vol. 10, no. 1, pp. 66-81. DOI: 10.1590/S2179-10742011000100008.
31. Martyniuk, S. Y., Dubrovka, F. F., Zakharchenko, O. S. and Stepanenko, P. Y. (2021). Effective high-precision analysis of thin asymmetric inductive diaphragm in rectangular waveguide using integral equation method. Radioelectronics and Communications Systems, vol. 64, pp. 80-91. DOI: 10.3103/S0735272721020035.
32. Reimer, M. (2003). Gegenbauer polynomials. In Multivariate polynomial approximation (pp. 19-20). Birkhäuser, Basel. DOI: 10.1007/978-3-0348-8095-4_2.
33. Gradshteyn, I. S. and Ryzhik, I. M. (2014). Table of integrals, series, and products (8th ed.). Academic Press, 1133 p. DOI: 10.1016/C2010-0-64839-5.
34. Jin, J.-M. (2014). The finite element method in electromagnetics (3rd ed.). Wiley-IEEE Press, 876 p. DOI: 10.1002/9781119127505.
35. Piltyay, S. I., Bulashenko, A. V. and Herhil, Y. Y. (2021). Numerical performance of FEM and FDTD methods for the simulation of waveguide polarizers. Visnyk NTUU KPI Seriia - Radiotekhnika Radioaparatobuduvannia, no. 84, pp. 11-21. DOI: 10.20535/RADAP.2021.84.11-21.
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2026 С. І. Пільтяй
Ця робота ліцензується відповідно до ліцензії Creative Commons Attribution 4.0 International License.
1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у нашому журналі.
2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована нашим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у нашому журналі.
3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення рукопису роботи авторами в мережі Інтернет (наприклад, на arXiv.org або на особистих веб-сайтах). Причому рукописи статей можуть бути розміщенні у відкритих архівах як до подання рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання. Це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії, позитивно позначається на оперативності ознайомлення наукової спільноти з результатами Ваших досліджень і як наслідок на динаміці цитування вже опублікованої у журналі роботи. Детальніше про це: The Effect of Open Access.
