ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК НЕОДНОРОДНО ЗАПОЛНЕННЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ
|
ВВЕДЕНИЕ 2
1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ О НЕОДНОРОДНО ЗАПОЛНЕННЫХ ЛИНИЯХ ПЕРЕДАЧИ 5
2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ 15
2.1 НЕОДНОРОДНО ЗАПОЛНЕННЫЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ВОЛНОВОД 17
2.2 МНОГОСЛОЙНЫЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВОЛНОВОД 34
3 РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА И ИХ АНАЛИЗ 39
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ 59
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 61
ПРИЛОЖЕНИЕ А ЛИСТИНГ ПРОГРАММЫ
1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ О НЕОДНОРОДНО ЗАПОЛНЕННЫХ ЛИНИЯХ ПЕРЕДАЧИ 5
2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ 15
2.1 НЕОДНОРОДНО ЗАПОЛНЕННЫЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ВОЛНОВОД 17
2.2 МНОГОСЛОЙНЫЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВОЛНОВОД 34
3 РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА И ИХ АНАЛИЗ 39
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ 59
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 61
ПРИЛОЖЕНИЕ А ЛИСТИНГ ПРОГРАММЫ
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.
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.
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.
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.
Подобные работы
- ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ МЕТОД АНАЛИЗА МНОГОСЛОЙНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ СТРУКТУР
Авторефераты (РГБ), техническая механика. Язык работы: Русский. Цена: 250 р. Год сдачи: 2012