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

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.