Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК НЕОДНОРОДНО ЗАПОЛНЕННЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ

Линии передачи предназначены для передачи высокочастотной энер­гии, и на сегодняшний день используются в большинстве областей техники, таких как системы связи, вещательные сети, антенно-фидерные системы, компьютерные сети, автоматические системы управления, системы сигнали­зации и автоматики, системы измерения и контроля, каналы связи различных радиоэлектронных устройств мобильных объектов, внутриблочные и меж­блочные связи в составе радиоэлектронной аппаратуры, каналы связи в бы­товой и любительской технике, военная техника и другие области специаль­ного применения. Кроме того, отрезки линий передачи можно использовать в качестве элементов линий задержки, трансформаторов, симметрирующих и согласующих устройств, фильтров.
В рамках рассматриваемой работы нас будут интересовать в основном волноводные направляющие системы. Они применяются для передачи высо­кочастотной энергии в радиоаппаратуре. Основным преимуществом этих си­стем является широкий диапазон частот, обеспечивающий возможность по­лучения практически неограниченного числа частотных каналов [1].
В большинстве случаев волноводные линии передачи используются в диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн, так как в этом диапазоне они имеют небольшие габаритные размеры и на этих частотах можно увели­чить информационную емкость линии, по сравнению с работой на меньших частотах.
В связи с развитием техники появляются новые типы линий передачи, в том числе линии, выполненные на основе неоднородных (многослойных) структур, к которым и обращен наш интерес. Применение неоднородного за­полнения позволяет добиваться новых свойств линий передачи: можно в ши­роких пределах управлять постоянной распространения, критическими дли­нами волн, распределением потока мощности в поперечном сечении и дру­гими характеристиками. Также появляются дополнительные возможности по
увеличению предельной пропускаемой волноводом мощности, подавлению нежелательных типов волн и созданию более благоприятных условий для распространения выбранных типов волн. Улучшение характеристик волно­водов при частичном заполнении диэлектриком сопровождается, как прави­ло, уменьшением их поперечных размеров и большей стабильностью этих характеристик в диапазоне частот. Недостатком металлических волноводов, заполненных диэлектриком, является повышенный уровень затухания за счет потерь в диэлектрике. Но эта проблема решается путем разработки высоко­качественных диэлектриков, имеющих малые потери на СВЧ, так что этот недостаток может быть сведен к минимуму [2].
На основе неоднородно заполненных металлических волноводов мож­но строить такие устройства как фазовращатели, широкодиапазонные атте­нюаторы с большой разрешающей способностью, частотные фильтры, дис­криминаторы паразитных типов колебаний, различные колебательные систе­мы и другое. Широкие перспективы использования неоднородно заполнен­ных экранированных волноводов открываются при введении в них тонких резистивных пленок. На основе таких волноводов конструируют широкодиа­пазонные направленные ответвители и аттенюаторы, волноводные фильтры, согласованные нагрузки и другое [3].
В связи с высоким затуханием радиоволн в подземных шахтах и огра­ничением на излучаемую мощность коммуникационными устройствами, особенно для угольных шахт, на технологии беспроводных коммуникаций накладываются множество ограничений, и они могут реализовываться только в ограниченых условиях. На данный момент, в связи со сложной структурой шахт и опасными условиями работы, для коммуникации используют провод­ные линии, однако, представляя шахту и прилегающие к туннелям слои зем­ли как волновод, можно организовать эффективную беспроводную коммуни­кационную систему.
Диэлектрические волноводы находят широкое применение в качестве
линий передачи (оптическое волокно). Работая в диапазоне сантиметровых,
3
миллиметровых, дальних инфракрасных и световых электромагнитных волн они могут с успехом использоваться не только в качестве линии передачи, но и для построения всевозможных функциональных узлов и измерительных схем, а так же диэлектрические волноводы могут использоваться в качестве диэлектрических антенн. [4]
Если размеры сечения волновода примерно равны длине волны или даже меньше её, то тогда большая часть энергии, распространяющейся вдоль диэлектрического волновода, будет сосредоточена в диэлектрике, а скорость распространения волны составит 70-90% от скорости света. При этом даже при изгибах волновода радиусом кривизны в 10-20 длин волн, не будет про­являться заметное излучение.
За счет применения высококачественных диэлектриков типа фторопла­ста, полиэтилена или полистирола, затухание в сантиметровом диапазоне оказывается таким же, как и в полом металлическом волноводе, а в милли­метровом - в несколько раз меньше.
Более того, в области очень коротких электромагнитных волн, соответ­ствующих дальнему инфракрасному и световому диапазонам, диэлектриче­ский волновод является единственной приемлемой одноволновой и регуляр­ной линией передачи. В связи с этим всестороннее развитие получают воло­конно-оптические системы связи.
Оптоволоконная линия передачи представляет собой многослойный диэлектрический волновод. В случае стандартного одномодового волокна - это двухслойный волновод, а в случае градиентного многомодово­го волокна - волновод с неограниченно большим количеством слоев.
Таким образом, изучение неоднородно заполненных линий передачи позволит впоследствии гибко управлять параметрами линии передачи и раз­рабатывать широкий спектр устройств. Для исследования многослойных структур необходимо получить дисперсионные уравнения, решения которых позволяют анализировать свойства линии передачи.
Купить

В ходе работы над магистерской диссертацией были построены мате­матические модели многослойных металлического и диэлектрического вол­новодов, написаны алгоритмы по определению критических частот, построе­нию частотных зависимостей постоянных распространения, вычислению хроматической дисперсии (для диэлектрического волновода).
Неоднородное заполнение металлического волновода открывает ряд новых свойств, так, например, используя диэлектрический стержень, можно изменить тип основной волны с И11 на Е01, что может быть полезно для устройств с вращающимися сочленениями, используя диэлектрическую втулку можно увеличить одноволновый диапазон рабочих частот. Применяя диэлектрическую втулку можно обеспечить разделение между волнами И01 и Е11, которые вырождены в пустом волноводе, а использование волны И01, благодаря её аномальной дисперсии, полезно при необходимости обеспече­ния дальней связи. Применение параболического профиля диэлектрической проницаемости по сравнению с диэлектрическим стержнем помогает добить­ся меньшей дисперсии, когда необходимо работать с широкополосными сиг­налами.
По полученным данным можно сделать выводы о физике работы ди­электрического волокна, что если диаметр сечения волновода меньше длины волны, то поле сконцентрировано снаружи волновода и направляющих свойств волновод не проявляет, напротив, если волновод получит малейший изгиб, начнется излучение. Если же сечение больше длины волны, то боль­шая часть переносимой энергии сконцентрирована внутри волновода, и те­перь направляющие свойства ярко проявляются, в том числе замедляется фа­зовая скорость волны. При рассмотрении этой задачи в рамках лучевой тео­рии можно сказать, что при сечении, большем, чем длина волны, волны па­дают под все большим углом к нормали поверхности, преодолевая значение критического угла, и в волноводе имеет место быть явление полного внут­реннего отражения.
Также было исследовано одномодовое оптическое волокно, и мы убе­дились в том, что именно в области 800-2000 нм устанавливается одноволно­вый режим. По вычисленным значениям дисперсии понятно, что точкой ну­левой дисперсии можно управлять, изменяя профиль показателя преломле­ния сердцевины.
Купить