Диссертация (1103230), страница 18

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 18)

К волноводной секции с согласующей структурой подключался, че­рез плавный волноводный переход, волновод сечением 23х10 мм2 . Весь волноводный трактвозбуждался штыревой антенной.При моделировании амплитуда падающего сигнала () задавалась согласно следую­щей формуле: () = )︁(︁ − 2·− 01· (),(3.26)здесь —натуральное число, 1 —масштабный множитель, определяющий длительность им­пульса, 0 —задает положение центра импульса на временной шкале, —нормированнаякруговая частота.На рисунке 3.5 представлены результаты численного моделирования процесса нестаци­онарного отражения от описанной выше волноводной структуры, для импульса с супергаус­совой огибающей. Результаты были получены для значений = 6; 0 = 75, 1 = 50.2U(t)10.510-2002040t, нс6080100Рисунок 3.5 — Огибающие отраженного и падающего импульсов; 1 —отраженный сигнал,2 —падающий сигналИз представленных на рисунке 3.5 результатов численного моделирования видно, чтопри отражении сигнала от рассматриваемой волноводной структуры образуются два корот­ких импульса в области переднего и заднего фронтов.

Сравнивая результаты, полученныедля системы без дисперсии [17, 22, 25], с результатами на рисунке 3.5, видим, что расположе­ние этих импульсов зеркально. Еще одной важной особенностью по сравнению с системамибез дисперсии является бо́льшая интенсивность отраженных сигналов.853.3Экспериментальное исследование процесса нестационарногоотражения в условиях сильной волноводной дисперсииДля апробации полученных теоретических результатов было проведено эксперимен­тальное исследование процесса нестационарного отражения электромагнитного импульса отсогласованной с волноводом высокоотражающей нагрузки.

Был выполнен анализ зависимо­сти коэффициента отражения от высокоотражающей нагрузки (без согласующего слоя и сослоем) от частоты. В качестве материала для изготовления согласующего слоя был выбрантефлон. Тефлон имеет малые потери в СВЧ-диапазоне. Тангенс угла потерь для тефлонав данном диапазоне частот меньше 10−3 [106, 108]. Высокоотражающая нагрузка была изго­товлена из графита, что было обусловлено его высокой проводимостью [106]. Нагрузка былавыполнена в виде параллелепипеда размерами 16x8x12 мм3 , грани которого были дополни­тельно отполированы.Измерительный стенд (рисунок 3.6) состоял из векторного анализатора цепей ZVB-20,к которому коаксиальным кабелем через коаксиально-волноводный переход подключалсяволновод сечением 23х10 мм2 . К волноводу сечением 23х10 мм2 через плавный волноводныйпереход подключался волновод сечением 16х8 мм2 , в который и устанавливалась высокоота­жающая нагрузка и согласующий слой.Рисунок 3.6 — Структура экспериментальной установкиПрименение волноводов разного сечения было продиктовано необходимостью снизитьвлияния эффектов, связанных с возбуждением волновода на частотах, близких к критиче­ским.

Рабочий диапазон частот используемого КВП составлял от 8.15 ГГц до 12.05 ГГц, ачастоты, на которых проводились измерения — от 8.5 ГГц до 12 ГГц. Измерительный стендпозволял получать зависимость комплексного коэффициента отражения от частоты.Применение метода стробирования измеряемого в эксперименте сигнала (подробнее см.пункт 2.3.3) оказалось невозможным из-за работы в области сильной волноводной дисперсии,так как в случае сильной волноводной дисперсии возрастает длина волны сигнала распро­86страняющегося внутри волновода, и выделить полезный сигнал на фоне паразитных переот­ражений становится невозможно.Для частичного подавления паразитных переотражений в волноводный тракт был вве­ден аттенюатор с малым коэффициентом ослабления ≈ 1.5 дБ (рисунок 3.6).

Применениеаттенюатора позволило существенно повысить точность получаемых значений амплитуды ко­эффициента отражения от согласованной высокоотражающей нагрузки, при этом затруднивизмерение его фазы.3.3.1 Измерения спектральных характеристик согласованнойвысокоотражающей нагрузкиЭксперимент приводился в два этапа. На первом этапе измерялся коэффициент отра­жения от высокоотражающей нагрузки и рассчитывалась ее эффективная проводимость, атакже измерялась критическая частота волновода. Полученные данные использовались длярасчета толщины согласующего слоя.

На втором этапе, опираясь на результаты расчета, из­готавливалась серия диэлектрических слоев. Далее проводились измерения коэффициентаотражения от согласованной системы для слоев различной толщины. Таким образом, экспе­риментально подбиралась оптимальная толщина согласующего слоя.Результаты, полученные на первом этапе показали, что эффективная проводимость на­грузки ∼= 130 [Ом·м ]−1 , критическая частота = 9.339 ГГц. Для данной проводимостии известной критической частоты при помощи системы уравнений (3.17), была рассчитанатолщина согласующего слоя, которая составила = 7.715 мм.

При измерении коэффици­ента отражения от системы с согласующим слоем минимальный коэффициент отражениябыл получен для частоты = 9.383 ГГц и толщины слоя 8 мм, что хорошо согласуется стеоретически рассчитанными значениями.На рисунке 3.7 представлены результаты измерения зависимости коэффициента отра­жения от частоты для согласованной высокотражающей нагрузки и результат численногомоделирования.87Рисунок 3.7 — Зависимость коэффициента отражения от частоты для согласованной на­грузки (1 – расчет методом импедансных характеристик; 2 – экспериментально измеренныйкоэффициент отражения от согласованной высокоотражающей нагрузки; 3 – эксперименталь­но измеренный коэффициент отражения от высокоотражающей нагрузки без согласующегослоя)Как видно из рисунка 3.7, результаты теоретического расчета хорошо согласуются сданными полученными в эксперименте.

Рассмотренный метод согласования высокоотража­ющих нагрузок с волноведущей линией представляет собой простую, компактную и легкореализуемую МИС. Предложенная согласующая структура имеет существенное преимуще­ство перед другими типами МИС: выбор материала для четвертьволнового диэлектрическогослоя ограничивается практически лишь единственным требованием <1.Конечно, приэтом потери в слое, как и при любом другом методе, должны быть минимальны.3.3.2 Измерения импульсных характеристик согласованнойвысокоотражающей нагрузкиДля экспериментального исследования влияния сильной волноводной дисперсии напроцесс нестационарного отражения электромагнитного импульса от согласованной с волно­водом высокоотражающей нагрузки использовался экспериментальный стенд описанный впункте 3.3.1. При проведении измерений аттенюатор, установленный между КВП и волновод­ной секцией с согласующей структурой, удалялся. В эксперименте измерялся комплексныйкоэффициент отражения от согласованной высокоотражающей нагрузки ().

Полученныеданные обрабатывались согласно методике, описанной в пункте 2.3.4 главы 2.88В процессе эксперимента на слой падал электромагнитный импульс с супергауссовойогибающей. Длительность падающего импульса изменялась от 50 нс до 250 нс. Централь­ная частота импульса совпадала с частотой оптимального согласования высокоотражающейнагрузки с волноводом = 9.339 ГГц. На рисунке 3.8 представлены результаты теорети­ческого моделирования и полученные в эксперименте огибающие отраженных импульсов, атакже показана огибающая падающего сигнала, уменьшенная по оси в четыре раза длянаглядности.0.6ТеорияЭкспериментПадающий сигнал0.50.510.40.413U(t)U(t)ТеорияЭкспериментПадающий сигнал0.330.30.20.220-50050100t, нс20.10.11502000-50-25а)025t, нс5075100б)Рисунок 3.8 — Амплитуды огибающих отраженных сигналов от согласованной всокоотража­ющей нагрузки; а) длительность падающего импульса 150 нс.; б) длительность падающегоимпульса 50 нс.(1 —теоретически рассчитанный отраженный сигнал; 2 —экспериментальноизмеренный отраженный сигнал; 3 —падающий импульс )Как видно из рисунка 3.8, результаты теоретического расчета хорошо согласуются сэкспериментальными данными.

Видно, что при уменьшении длительности падающего им­пульса, «искажение» отраженного импульса увеличивается, что можно объяснить влияниемсильной волноводной дисперсии. Как и в случае нестационарного отражения от систем бездисперсии, [17, 22, 25] при отражении сигнала от рассмотренной структуры образуются дваимпульса в области переднего и заднего фронтов. Сравнивая полученные экспериментальныерезультаты с результатами для системы без дисперсии [17, 22, 25], видим, что длительностьэтих импульсов существенно выросла.

Существует момент времени, когда амплитуда отра­женного сигнала стремится к нулю, однако он наступает при отражении переднего фронта,а не заднего, как в случае отсутствия дисперсии, рассмотренном в главе 2. Еще одной важ­ной особенностью по сравнению с системами без дисперсии является высокая интенсивностьотраженных сигналов. Из рисунка 3.8 видно, что максимальная амплитуда импульсов, сфор­мированных в процессе нестационарного отражения, достигает величины 50% от амплитудыпадающего сигнала.

Напомним, что максимальное значение амплитуды отраженного сигна­ла, полученное в главе 2, не превышало 15% от амплитуды падающего импульса. Большаяинтенсивность отраженного сигнала указывает на перспективность использования сильнойволноводной дисперсии для усиления явления нестационарного отражения.893.4Выводы к третьей главеРассмотренный способ согласования высокоотражающих нагрузок с волноведущей ли­нией представляет собой простую, компактную систему, имеющую, кроме того, еще одновесьма существенное преимущество: выбор материала для четвертьволнового диэлектриче­ского слоя ограничивается практически лишь единственным требованием <1(потерив слое, разумеется, как и в любом другом методе, должны быть минимальны).

Таким об­разом, проведенные исследования продемонстрировали принципиальную возможность обес­печить практически полное поглощение волновой энергии в сильноотражающей нагрузке,используя интерференционные явления в слоистых структурах и дисперсионные свойстваволноведущей линии. Полученные результаты позволяют синтезировать однослойные согла­сующие структуры с заданными характеристиками при решении конкретных прикладныхзадач в радиофизике СВЧ.Проведенные численные и экспериментальные исследования показали, что, как и в слу­чае нестационарного отражения амплитудно-модулированных сигналов для многослойныхструктур без учета дисперсии [17, 22, 25], при отражении амплитудно-модулированного сиг­нала в области постоянной амплитуды падающего сигнала наблюдается практически полноепоглощение волновой энергии в высокоотражающей нагрузке.

В областях изменяющейся ам­плитуды падающего сигнала (область фронтов) в отклике формируются короткие импульсы,длительность которых соответствует длительности фронтов. В отличие от случая систем бездисперсии импульсы отраженного сигнала, сформированные в момент отражения фронтовпадающего сигнала, имеют различную амплитуду для переднего и заднего фронтов. Ам­плитуда первого импульса всегда меньше амплитуды импульса, сформированного заднимфронтом, и их огибающая имеет более сложную форму.Таким образом, при синтезе многослойных структур в системах с сильной волноводнойдисперсией, особенно работающих с импульсными сигналами малой длительности, необхо­димо обращать особое внимание на дисперсионные явления.

Результаты, полученные длясистем без дисперсии [17, 22, 25], как показали проведенные исследования, могут быть при­менены только частично.90Глава 4. Исследование процесса нестационарногоотражения в многослойных интерференционныхфильтрах.В главах 2 и 3 были проведены теоретические и экспериментальные исследования явле­ния нестационарного отражения от однослойных структур.

Характеристики

Список файлов диссертации