Диссертация (1103230), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Волноводы такого сечения применяются, как правило, длядиапазона частот от 8 ГГц до 12 ГГц. Это вызвано тем, что в областях 6.5 ГГц — 8 ГГцсущественно влияние дисперсии на процесс распространения электромагнитной волны в волноводе, а в области 12 ГГц — 14.5 ГГц возможно возбуждение дополнительной волноводноймоды.
Возбуждение высшей моды существенно влияет на дисперсионные характеристики,приводя к сильным осцилляциям коэффициента передачи волновода. Осцилляции коэффициента передачи вызывают дополнительные трудности при решении прикладных задач.На рисунке 2.18 представлены результаты экспериментально измеренного спектра отражения тефлонового слоя толщиной 90 мм, а также теоретический расчет. Расчет был выполнен методом импедансных характеристик для значения = 2.03+*0.003. На частоте 8.4 ГГц,рассматриваемый диэлектрический слой имеет толщину 3.На рисунке 2.18 видно, что в начале и в конце частотного диапазона точность, предсказанная теорией, несколько ниже.
Это вызвано тем, что согласованная нагрузка и коаксиально-волноводный переход предназначены для работы в диапазоне 8 ГГц — 12 ГГц. Вне70Рисунок 2.18 — Спектр отражения от тефлонового слоя (1 — расчет методом импедансныххарактеристик; 2 — эксперимент)этого диапазона частот качество согласования падает. Также видно, что в области сильнойволноводной дисперсии коэффициент отражения возрастает.В рассматриваемом диапазоне существует несколько значений частоты, при которой коэффициент отражения обращается в ноль. Частоты минимума коэффициента отражения длярассматриваемого случая имели значения: 8.38 ГГц, 9.37 ГГц, 10.4 ГГц, 11.48 ГГц, 12.55 ГГц.Обратим внимание на то, что эти частоты не эквидистантны.
Данный эффект объясняетсяналичием волноводной дисперсии. Запишем закон дисперсии через зависимость групповойскорости распространения электромагнитного импульса в волноводе от частоты. Для моды 10 получаем: =√︂1−(︁ )︁2при, ∈ ( , 1 )(2.48)здесь — скорость света в вакууме, — частота сигнала, — критическая частота длямоды 10 , 1 — критическая частота для моды 01 , — показатель преломления вещества,заполняющего волновод. Из соотношения (2.48) видно, что скорость распространения волныпадает при приближении к и слой становится как бы толще для падающей волны, чтоприводит к тому, что резонансы идут чаще, а ширина полосы пропускания сужается.Для частот, соответствующих нулевому отражению, произведем экспериментальное измерение огибающей отраженного сигнала.
Как и в случае исследования влияния толщиныслоя на процесс нестационарного отражения, воспользуемся импульсом с трапецеидальнойогибающей длительностью 10 нс, c длительностью фронтов 3 нс. Несущую частоту выразимв единицах относительно критической частоты для удобства анализа.71Рисунок 2.19 — Амплитуда огибающей отраженных сигналов для разного значения несущейчастоты импульса: 1 — частота падающего импульса = 1.92 ; 2 — частота падающегоимпульса = 1.44 ; 3 — частота падающего импульса = 1.29 ; 4 — падающий импульсНа рисунке 2.19 показаны огибающие отраженных от фторопластовой пластинки сигналов, для различных значений несущей частоты. Дополнительно на графике рисунка 2.19показана огибающая падающего сигнала, уменьшенная в 10 раз.
Из представленных результатов на рисунке 2.19 видно, что при наличии волноводной дисперсии форма огибающейсигнала изменяет свой вид. При увеличении дисперсии (при приближении к критическойдлине волны → ) амплитуда отраженного сигнала возрастает, а его длительность увеличивается. Также в области сильной дисперсии появляются дополнительные осцилляцииамплитуды отраженного сигнала. Легко заметить, что при частоте > 1.44 форма огибающей отраженного сигнала не изменяет своего характера.
В отличие от рассмотренного впункте 2.5.2 случая увеличения времени прохождения сигнала через структуру, приближениек критической частоте не увеличивает потери в слое.2.6Выводы ко второй главеАналитические, численные и экспериментальные исследования явления нестационарного отражения амплитудно-модулированного сигнала от слоистой структуры с потерямипоказали, что огибающая отраженного сигнала существенно изменяет свой вид при наличиидаже малых потерь в слоях неотражающей многослойной структуры.
Причем, амплитудныйкоэффициент отражения линейно зависит от величины потерь, в то время как формирование фазовой картины интерферирующих волн происходит в этом случае так же, как и в72отсутствии потерь. Аналитически методом импедансных характеристик и численно методомКРВО было продемонстрировано, что при отражении амплитудно-модулированного сигналаот полуволнового слоя с потерями всегда существует момент времени, когда при ненулевойамплитуде падающего сигнала, амплитуда отраженного сигнала стремится к нулю, а егофаза изменяется на .На основе проведенных аналитических исследований процесса формирования отраженного сигнала от уединенного диэлектрического слоя с потерями был предложен метод измерения диэлектрических характеристик материала.
Предложен метод экспериментальногоисследования процесса нестационарного отражения от МИС в микроволновом диапазонедлин волн. На основе предложенного метода получено экспериментальное подтверждениечисленного и аналитического расчетов.Выполнен анализ возможных путей усиления эффекта нестационарного отражения дляимпульсов малой длительности от диэлектрического слоя с потерями, в результате которогобыло показано, что использование явления волноводной дисперсии и увеличение временипрохождения волной диэлектрического слоя позволяет увеличить интенсивность отраженных импульсов, сформированных в процессе нестационарного отражения, в несколько раз.Важно помнить, что увеличение толщины слоя приводит к кратному увеличению потерьэнергии в нем.
Было показано, что увеличение потерь негативно сказывается на явлениинестационарного отражения за счет подавления интерферирующих в слое волн. Использование волноводной дисперсии позволяет более эффективно увеличивать амплитуду отраженного сигнала. Оба подхода приводят к увеличению добротности рассматриваемой слоистойструктуры и возрастанию времени установления амплитудно-фазового баланса интерферирующих в структуре волн.
В результате экспериментального и теоретического исследованиябыло установлено, что явление волноводной дисперсии приводит к увеличению длительности сформированных в процессе нестационарного отражения электромагнитных импульсов.Данный факт ограничивает возможности применения волноводной дисперсии для усиленияявления нестационарного отражения при решении задач генерации сверхкоротких электромагнитных импульсов.
Несмотря на это, явление волноводной дисперсии может быть эффективно использовано для усиления эффекта нестационарного отражения при решении целогоряда других задач.Следует также отметить эффективность применения метода фильтрации во временной области для увеличения точности получаемых экспериментальных данных. Применениеописанного метода позволяет получить не только качественное, но и хорошее количественноесоответствие численных и экспериментальных результатов.
Так применение метода фильтрации во временной области позволило произвести измерения относительной диэлектрическойпроницаемости используемых для создания многослойных структур материалов. Полученные значения ′ и ′′ с ошибкой не хуже 3% совпадают с данными, полученными другимиавторами.73Глава 3. Исследование процесса нестационарногоотражения в условиях сильной волноводной дисперсииТретья глава посвящена вопросу изучения влияния сильной волноводной дисперсии напроцесс нестационарного отражения электромагнитных импульсов малой длительности, отмногослойной структуры. Рассматривается задача согласования восокоотражающей нагрузки за счет сильной волноводной дисперсии.В теоретической части настоящей главы показано, что поставленная задача может бытьрешена с помощью согласующей структуры, состоящей всего из одного диэлектрическогослоя, толщина которого близка к четвертьволновой.
Приводятся точные и приближенные выражения, позволяющие рассчитать характеристики такой согласующей структуры. Обсуждаются условия применимости на практике полученных приближенных и точных аналитических решений. В теоретическом разделе приведены результаты численного моделированияспектральных и импульсных характеристик, рассматриваемой согласующей структуры, длякоторого использовались метод импедансных характеристик и метод конечных разностей вовременной области.Также в третьей главе представлены данные экспериментальной проверки полученныхтеоретических результатов. Подробно описаны методы и оборудование, позволяющие экспериментально изучать явления нестационарного отражения при наличии сильной волноводной дисперсии.
Проведены анализ и сравнение полученных экспериментальных и теоретических результатов.3.1Многослойные согласующие структурыВ главе 2 был проанализирован процесс взаимодействия импульсного сигнала с однослойной структурой неотражающего типа. Было показано, что явление волноводной дисперсии может быть эффективно применено для увеличения амплитуды отраженных импульсов,сформированных в процессе нестационарного отражения. При этом была рассмотрена многослойная структура с симметричными граничными условиями, состоящая из диэлектрического слоя, установленного в свободном прямоугольном волноводе.Поскольку явление нестационарного отражения электромагнитных импульсов от многослойных структур обусловлено нарушением стационарного амплитудно-фазового балансаинтерферирующих в структуре волн [17,18,23], то оно имеет место для любых интерференционных структур при распространении в них волн с изменяющейся амплитудой. Поэтому, точно так же, как и в случае многослойных структур с симметричными граничными условиями(например, в случае полуволновых фильтров, рассмотренных в 2), явление нестационарного74отражения должно проявляться и в многослойных структурах с различными значениямиимпедансов сред на их границе.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
