Дослідження дисперсійних характеристик прямокутного хвилеводу із гофрованою нижньою стінкою методом зв’язаних хвиль
DOI:
https://doi.org/10.20535/RADAP.2021.86.29-38Ключові слова:
прямокутний хвилевід, гофрований прямокутний хвилевід, метод зв’язаних хвиль, дисперсійне рівняння, стала поширенняАнотація
Представлено дослідження дисперсійних характеристик прямокутного хвилеводу із гофрованою нижньою стінкою методом зв’язаних хвиль. Прямокутні та круглі хвилеводи із гофрованими стінками зазвичай використовуються у надвисокочастотному діапазоні в якості: смугових фільтрів і фільтрів нижніх частот; опромінювачів багатодіапазонних дзеркальних антен супутникового зв’язку; в радіолокаційних датчиках W-діапазону для виявлення та створення карт космічного сміття та ін. Визначення сталої поширення у прямокутному хвилеводі із гофрованою нижньою стінкою методом зв’язаних хвиль проведено шляхом перетворення однорідного диференціального рівняння з неоднорідними граничними умовами в неоднорідне диференціальне рівняння з однорідними граничними умовами. Електромагнітне поле в чарунках гофри прямокутного хвилеводу із гофрованою нижньою стінкою знаходиться через векторний потенціал, який залежить від радіальної координати. Функція зміни електромагнітного поля вздовж радіальної координати визначається шляхом розв’язку рівняння Бесселя. Вектор напруженості магнітного поля та амплітуди складових напруженостей магнітного поля в поперечному перетині прямокутного хвилеводу і тангенціальна до поверхні чарунки складова напруженості електричного поля знайдені через векторний потенціал. Розрахована тангенціальна складова напруженості електричного поля вздовж вузьких стінок прямокутного хвилеводу. Введено еквівалентний магнітний поверхневий струм вздовж широких та вузьких стінок прямокутного хвилеводу. Для регулярного прямокутного хвилеводу із магнітними струмами на його стінках розв’язки рівнянь, які задовільняють умовам ортогональності, для визначення амплітуд електромагнітних полів у додатньому та від’ємному напрямках вздовж осі регулярного прямокутного хвилеводу надають поправку до сталої поширення хвилі і-го типу k'j. Представлені графіки розрахункових та експериментальних залежностей сталої поширення k'j від відношення λ/a ( λ – довжина хвилі, м) для хвиль типів квазі H10, H20 і H01 у прямокутному хвилеводі WR-112 із розмірами поперечного перетину (a x b) мм = (28,5 x 12,64) мм із гофрованою нижньою стінкою за фіксованих відносних розмірів глибини чарунок – t, відстані між гофрами – s і ширини нижньої основи трапеції, яка утворена поперечним перетином гофри D – δ=t/a; u=s/a та p=D/a. Залежності сталої поширення k'j від відношення λ/a для хвилі типу квазі H10 досліджено в діапазоні частот від 5,2 ГГц до 7,1 ГГц, для хвилі типу квазі H20 – від 10,5 ГГц до 11,8 ГГц, для хвилі типу квазі H01 – від 11,7 ГГц до 18,1 ГГц. Дисперсійні характеристики хвиль типів квазі H10, H20 та H01 прямокутного хвилеводу із гофрованою нижньою стінкою зі зменшенням відносної глибини гофри δ наближаються до дисперсійних характеристик типів хвиль регулярного прямокутного хвилеводу та у випадку границі (δ→0), співпадають із ними. Похибка розрахункових даних відносно експериментальних складає близько 5%, що підтверджує придатність для практичних розрахунків запропонованого методу навіть у першому наближенні. Запропонована методика може бути доцільною для вибору того наближення, яке забезпечує необхідну на практиці точність розрахунку за мінімального об’єму обчислень. Достовірність та обґрунтованість отриманих результатів забезпечується збіжністю результатів розрахунку за граничних умов із відомими результатами та збіжністю отриманих формул за одиницями вимірювання.
Посилання
Перелік посилань
Овечкин В. С. Варианты построения гофрированных волноводных фильтров / В. С. Овечкин, Н. О. Попов // Москва : Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Приборостроение. – 2018. – № 4. – С. 45–58. doi: 10.18698/0236-3933-2018-4-45-58.
Габриэльян Д. Д. Исследование частотных характеристик облучателя четырехдиапазонной антенны на основе гофрированного рупора / Д. Д. Габриэльян, В. И. Демченко, А. Е. Коровкин, Д. Я. Раздоркин, А. В. Шупилин, Ю. И. Полтавец // Москва : Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. – 2018. – Т. 5, №1. – С. 58–64. doi: 10.30894/issn2409-0239.2018.5.1.58.64.
Юровский Л. А. Формирование сверхмощных микроволновых импульсов в системах стретчер-усилитель-компрессор / Л. А. Юровский, И. В. Зотова, Э. Б. Абубакиров, Р. М. Розенталь, А. С. Сергеев, Н. С. Гинзбург// Журнал радиоэлектроники. – 2020. – № 12. – С. 1–11. doi.org/10.30898/1684-1719.2020.12.21.
Haas D. Calculations on Mode Eigenvalues in a Corrugated Waveguide with Varying Diameter and Corrugation Depth / Haas D., Thumm M., Jelonnek J. // Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. – 2021. – Vol. 42. – PP. 493–503. doi.org/10.1007/s10762-021-00791.
Doty F. D. New insights from broadband simulations into small overmoded smooth and corrugated terahertz waveguides and transitions for NMR-DNP / Doty F. D., Doty G. N., Staab J. P., Sizyuk Y., Ellis P. D. // Journal of Magnetic Resonance. – 2021. – Vol. 6–7. – PP. 1–22. doi.org/10.1016/j.jmro.2020.100009.
Dubroca T. A quasi-optical and corrugated waveguide microwave transmission system for simultaneous dynamic nuclear polarization NMR on two separate 14.1 T spectrometers / T. Dubroca, A. N. Smith, K. J. Pike, et al. // J Magn. Reson. – 2018. – Vol. 289. – PP. 35–44. doi.org/10.1016/j.jmr.2018.01.015.
Lau C. Circular corrugated miter bend and gap losses for broadband frequency applications / C. Lau, M. C. Kaufman, E. J. Doyle, G. R. Hanson, W. A. Peebles, G. Wang, A. Zolfaghari // IEEE Trans. Microw. Theory Tech. – 2019. – Vol. 67 (1). – PP. 38–49. doi.org/10.1109/TMTT.2018.2879808.
Abbasi M. W-band corrugated and non-corrugated conical horn antennas using stereolithography 3D-printing technology / M. Abbasi, D. S. Ricketts // 2016 Asia-Pacific Microwave Conference (APMC), IEEE. – 2016. – PP. 1-3. doi. org/10.1109/APMC.2016.7931300.
Patel A. Oversized circular corrugated waveguides operated at 42 GHz for ECHR application / A. Patel, P. Bhatt, K. Mahant, A. Vala, K. Sathyanarayana, S.V. Kulkarni, D. Rathi // Prog. Electromagn. Res. – 2020. – Vol. 88. – PP. 73–82. doi.org/ 10.2528/pierm19102302.
Каращук Н. М., Манойлов В. П., Сидорчук О. Л., Тарасенко С. М., Чухов В. В. Метод вимірювання ефективної діелектричної проникності частково заповнених хвилеводів за допомогою неузгодженого Т-мосту / Вісник НТУУ ''КПІ''. Серія Радіотехніка, Радіоапаратобудування. – 2019, №78. – С. 6-12. doi: 10.20535/RADAP.2019.78.6-12.
Габриэльян Д. Д. Построение облучателей многодиапазонных зеркальных антенн систем спутниковой связи / Габриэльян Д. Д., Демченко В. И., Коровкин А. Е., Раздоркин Д.Я., Гвоздяков Ю.А., Полтавец Ю.И.// Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. Москва: – 2017. – Т. 4, №1. – С. 40–45.doi: 10.17238/issn2409-0239.2017.1.40.
Курушин Е. Н. Дифракция электромагнитных волн на анизотропных структурах / Е. Н. Курушин, Е. И. Нефедов, А. Т. Фиалковский. – Москва : Наука, 1975. – 240 с.
Нефедов Е. И. Асимптотическая теория дифракции электромагнитных волн на конечных структурах / Е. И. Нефедов, А. Т. Фиалковский. – Москва : Наука, 1972. – 320 с.
Шаров Г. А. Волноводные устройства сантиметровых и миллиметровых волн/ Г. А. Шаров . – Москва: Горячая линия – Телеком, 2016. – 640 с.
Егоров Ю. В. Частично заполненные прямоугольные волноводы / Ю. В. Егоров// – Москва: Сов. радио, 1967. – 216 с.
Buldyrev V. S. Asymptotic methods in the problems of asoustics propagation in ocean waveguide and their number realization/V. S. Buldyrev,V. S. Buslaev// Zap. Nauchn. Sem. LOMI. – 1981. – Vol. 117. – pp. 39-77.
Бабич В. М., Булдырев В. С. Асимптотические методы в задачах дифракции коротких волн. – Москва: Наука, 1972. – 456 с.
Манойлов В. П. Широкосмугові рупорні антени зі складною формою поперечного перерізу: монографія / В.П. Манойлов, В.В. Павлюк, Р.Л. Ставісюк. – Житомир : Видавець О. О. Євенок, 2016. – 212 с.
Гнатюк М. О. Розвиток методу інтегральних рівнянь часткових областей, що перетинаються, для розв'язання хвилеводних задач дифракції: автореф. дис. канд. фіз.-мат. наук : 01.04.03 "Радіофізика" / М. О. Гнатюк; М-во освіти і науки України, Харків. нац. ун-т радіоелектроніки. – Харків, 2021. – 20 с.URI: https://openarchive.nure.ua/handle/document/15556.
Komarov's V. V. Waveguide microwave filters technical solutions, development trends and calculation methods / V. V. Komarov's, M.A. Lukyanov // Journal of Radio Electronics. – 2021. – Vol. 1. – pp. 1684–1719. doi:10.30898/1684-1719.2021.1.9.
Петров Б. М. Электродинамика и распространение радиоволн / Б. М. Петров. – Москва : Горячая линия – Телеком, 2003. – 358 с.
Вайнштейн Л. А. Электромагнитные волны / Л. А. Вайнштейн. – Москва : Радио и связь, 1988. – 440 с.
Федоров Н. Н. Основы электродинамики: учебное пособие для вузов / Н. Н. Федоров. – Москва: Высшая школа, 1980. – 399 с.
Лавренко Ю. Е. Распространение волн в многомодовом волноводе с потерями в стенках / Ю. Е. Лавренко // Санкт-Петербург: изв. ЛЭТИ. – 1977. – № 216. – С. 3–6.
Иларионов Ю.А., Раевский С.Б., Сморгонский В.Я. Расчет гофрированных и частотно-заполненных волноводов / Ю.А. Иларионов, С.Б.Раевский, В.Я. Сморгонский. – Москва: Сов. радио, 1980. – 200 с.
References
Ovechkin V. S., Popov N. O. (2018). Varianty postroeniya gofrirovannyh volnovodnyh fil'trov [Alternate Design of Corrugated Waveguide Filters]. Bauman Moscow State Technical Universiti. Journal of Instrument Engineering, No. 4. pp. 45–58. doi: 10.18698/0236-3933-2018-4-45-58. [In Russian].
Gabriehlyan D. D., Demchenko V. I., Korovkin A. E., Razdorkin D. Ya., Shupilin A. V., Poltavec Yu. I. (2018). Issledovanie chastotnykh kharakteristik obluchatelya chetyrekhdiapazonnoj antenny na osnove gofrirovannogo rupora [The Research of Exciter Frequency Characteristics of a Quad-Band Antenna Based on a Corrugated Horn]. Raketno-kosmicheskoe priborostroenie i informacionnye sistemy [Rocket-space device engineering and information systems], Vol. 5, No. 1. pp. 58–64. doi: 10.30894/issn2409-0239.2018.5.1.58.64. [In Russian].
Yurovskij L. A., Zotova I. V., Abubakirov E. B., Rozental R. M., Sergeev A. S., Ginzburg N. S. (2020). Generation of ultra-powerful microwave pulses in stretcher-amplifier-compressor systems. Journal of Radio Electronics, No. 12. pp. 58–64. doi:10.30898/1684-1719.2020.12.21.
Haas D., Thumm M., Jelonnek J. (2021). Calculations on Mode Eigenvalues in a Corrugated Waveguide with Varying Diameter and Corrugation Depth. Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, Vol. 42. pp. 493–503. doi:10.1007/s10762-021-00791.
Doty F. D., Doty G. N., Staab J. P., Sizyuk Y., Ellis P. D. (2021). New insights from broadband simulations into small overmoded smooth and corrugated terahertz waveguides and transitions for NMR-DNP. Journal of Magnetic Resonance Open, Vol. 6–7, pp. 1–22. doi:10.1016/j.jmro.2020.100009.
Dubroca T., Smith A. N., Pike K. J., Froud S., Wylde R., et al. (2018). A quasi-optical and corrugated waveguide microwave transmission system for simultaneous dynamic nuclear polarization NMR on two separate 14.1 T spectrometers. Journal of Magnetic Resonance, Vol. 289, pp. 35–44. doi: 10.1016/j.jmr.2018.01.015.
Lau C., Kaufman M. C., Doyle E. J., Hanson G. R., Peebles W. A., Wang G., Zolfaghari A. (2019). Circular Corrugated Miter Bend and Gap Losses for Broadband Frequency Applications. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 67, Iss. 1, pp. 38–49. doi: 10.1109/TMTT.2018.2879808.
Abbasi M., Ricketts D. S. (2016). W-band corrugated and non-corrugated conical horn antennas using stereolithography 3D-printing technology. Asia-Pacific Microwave Conference (APMC). doi:10.1109/APMC.2016.7931300.
Patel A., Bhatt P., Mahant K., Vala A., Sathyanarayana K., Kulkarni S. V., Rathi D. (2020). Oversized Circular Corrugated Waveguides Operated at 42 GHz for ECHR Application. Progress In Electromagnetics Research M, Vol. 88, pp. 73–82. doi: 10.2528/pierm19102302.
Karashchuk N. M., Manoilov V. P., Sidorchuk О. L., Tarasenko S. M. and Chukhov V. V. (2019). Method of Measuring Effective Dielectric Permittivity of Partially Filled Waveguides Using a Mismatched T-Bridge. Visnyk NTUU KPI Seriia - Radiotekhnika Radioaparatobuduvannia, Vol. 78, pp. 6-12. doi: 10.20535/RADAP.2019.78.6-12.
Gabriehlyan D. D., Demchenko V. I., Korovkin A. E., Razdorkin D. Ya., Gvozdyakov Yu. A., Poltavec Yu. I. (2017). Postroenie obluchatelej mnogodiapazonnykh zerkal'nykh antenn sistem sputnikovoj svyazi [Building of exciters of multiband mirror antennas for satellite communication systems]. Raketno-kosmicheskoe priborostroenie i informacionnye sistemy [Rocket-space device engineering and information systems], Vol. 4, No. 1. pp. 40–45. doi: 10.17238/issn2409-0239.2017.1.40. [In Russian].
Kurushin E. N., Nefedov E. I., Fialkovskij A. T. (1975). Difrakciya elektromagnitnykh voln na anizotropnykh strukturakh [Diffraction of electromagnetic waves by anisotropic structures]. Moskva, Science, 240 p. [In Russian].
Nefedov E. I., Fialkovskij A. T. (1972). Asimptoticheskaya teoriya difrakcii elektromagnitnykh voln na konechnykh strukturakh [Asymptotic theory of diffraction of electromagnetic waves on finite structures]. Moskva, Science, 320 p. [In Russian].
Sharov G. A. (2016). Volnovodnye ustrojstva santimetrovykh i millimetrovykh voln [Waveguide devices of centimeter and millimeter waves]. Goryachaya liniya – Telekom, 640 p. [In Russian].
Egorov Yu. V. (1967). Chastichno zapolnennye pryamougolnye volnovody [Partially filled rectangular waveguides]. Moskva: Sov. radio, 216 p. [In Russian].
Buldyrev V. S., Buslaev V. S. (1981). Asymptotic methods in the problems of asoustics propagation in ocean waveguide and their number realization. Zapiski Nauchnykh Seminarov LOMI, Vol. 117. pp. 39–77. [In English].
Babich V. M., Buldyrev V. S. (1972). Asimptoticheskie metody v zadachah difrakcii korotkih voln [Asymptotic methods in problems of diffraction of short waves]. Moskva, Nauka, 456 p. [In Russian].
Manojlov V. P., Pavljuk V. V., Stavisjuk R. L. (2016). Shyrokosmugovi ruporni anteny zi skladnoju formoju poperechnogo pererizu: monografija [Broadband horn antennas with a complex cross-sectional shape: a monograph]. Zhytomyr: Vydavec' O. O. Jevenok, 212 p. [In Ukrainian].
Gnatyuk M. O. (2021). Rozvizok metodu іntegralnikh rіvnyan chastkovikh oblastej, shcho peretinayutsya, dlya rozvyazannya khvilevodnikh zadach difrakcіi: avtoref. dis. kand. fіz.-mat. nauk: 01.04.03 "Radіofіzika" [Development of the method of integral equations of intersecting partial domains for solving waveguide diffraction problems: author's ref. dis. Cand. physical and mathematical Sciences: 01.04.03 "Radiophysics"]. Open Electronic Archive of Kharkov National University of Radio Electronics, 20 p. [In Ukrainian].
Komarov V. V., Lukyanov M. A. (2021). Waveguide microwave filters technical solutions, development trends and calculation methods. Journal of Radio Electronics, Vol. 1. pp. 1684-1719. doi:10.30898/1684-1719.2021.1.9. [In Russian].
Petrov B. M. (2003). Ehlektrodinamika i rasprostranenie radiovoln [Electrodynamics and propagation of radio waves]. Moskva, Hotline – Telekom, 358 p. [In Russian].
Vaynshteyn V. A. (1988). Elektromagnitnye volny [Electromagnetic waves]. Moskva, Radio and communication, 1988. 436 p. [In Russian].
Fedorov N. N. (1980). Osnovy ehlektrodinamiki: uchebnoe posobie dlya vuzov [Fundamentals of electrodynamics: a textbook for universities]. Moskva, High school, 399 p. [In Russian].
Lavrenko Yu. E. (1977). Rasprostranenie voln v mnogomodovom volnovode s poteryami v stenkakh [Wave propagation in a multimode waveguide with losses in the walls]. Leningrad National Technical Institute, No. 216. pp. 3–6. [In Russian].
Ilarionov Yu. A., Raevskij S. B., Smorgonskij V. Ya. (1980). Raschet gofrirovannykh i chastotno-zapolnennykh volnovodov [Calculation of corrugated and frequency-filled waveguides]. Moskva, Sov. radio, 200 p. [In Russian].
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2021 Оlha Sydorchuk
Ця робота ліцензується відповідно до 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.
