Диссертация (1137059), страница 7
Текст из файла (страница 7)
На входе 1волновода a1×b возбуждается волна H10, необходимо определить минимальную длину L2, при которой в частотном диапазоне от 13,5 до60 ГГц энергия, которая переходит в высшие типы волн на входе 2волновода a2×b, будет меньше 17 дБ.a2вход 2L3L2a1L1вход 1bРис. 4.2. Геометрия H-плоскостного волноводного перехода.594.2 Типы распространяющихся мод.Определим, какие типы волн будут распространяться в волноводе a2 × b. Используя a2 = 23 мм и b = 1 мм, составим таблицукритических частот для мод Hmn, воспользовавшись следующейформулой [34]:2 m n Fкр. с 2a 2 2b 2(4.1)Где c – скорость света в вакууме, m – количество полуволн постенке волновода a2, n – количество полуволн по стенке волноводаb.
Полученные результаты представлены в таблице 4.1, из которойследует, что на максимальной частоте 60 ГГц в волноводе сечением1х23 мм будут существовать следующие типы волн H10, H20, H30, H40,H50, H60, H70, H80, H90. Волны четных типов для заданной геометриив силу симметрии возбуждаться не будут [35]. Самая низкая из распространяющихся высших типов волн - волна типа H30 наиболеекритична, т.к. начинает распространяться на частоте 19,56 ГГц. Еслиобеспечить требуемый уровень затухания для моды H30, то для волнболее высокого типа этот уровень будет заведомо достигаться [36].Таблица 4.1. Значения критических частот для мод Hmn в прямоугольном волноводе сечением 23×1 мм.HmnFкр, ГГцH1 06,52H1 1150,14H2 013,04H2 1150,56H3 019,5660H4 026,09H5 032,61H6 039,13H7 045,65H8 052,17H9 058,70H10 065,224.3 Моделирование волноводного перехода.По заданной топологии (геометрии) волноводного перехода(рис.
4.2) были проведены расчеты частотных характеристик затухания для всех типов волн, распространяющихся в переходе[37] с помощью программы электродинамического моделирования Ansoft HFSS 11 [27]. Для сокращения времени расчета в геометриюволноводного перехода была введена стенка холостого хода. Расчетпроводился в диапазоне частот от 10 ГГц до 100 ГГЦ, посколькуможно использовать такого волноводный перехода в диапазоне 13.5… 100 ГГц со значением сходимости ΔS = 0,1 на компьютере с процессором Intel Core 2 DUO с тактовой частотой 2,2 ГГц и ОЗУ 2 ГБ.Расчет при длине волноводного перехода L2 = 28 мм был произведенза время 2 часа 24 минуты, при этом геометрия была разбита на34476 тетраэдров и использовано 353 МБ оперативной памяти. Придлине волноводного перехода L2 = 56 мм расчет был произведен завремя 2 часа 28 минут, при этом геометрия была разбита на 45753тетраэдра и использовано 439 МБ памяти.
При длине волноводногоперехода L2 = 85 мм расчет был произведен за время 4 часа 46 минут, при этом геометрия была разбита на 59222 тетраэдра и использовано 455 МБ памяти. При длине волноводного перехода61L2=113 мм расчет был произведен за время 3 часа 43 минуты, приэтом геометрия была разбита на 68174 тетраэдра и использовано 632МБ памяти. При длине волноводного перехода L2 = 142 мм расчетбыл произведен за время 3 часа 56 минут, при этом геометрия быларазбита на 74572 тетраэдра и использовано 681 МБ памяти.Было проведено сравнение результатов расчета частотных характеристик различных вариантов волноводного перехода. По результатам сравнения были сделаны предложения по выбору требуемой конструкции и уточнению расчетной модели волноводного перехода.4.4 Результаты моделирования.Силовые линии электрического поля для волн типа H10, H30,H50, H70, H90 показаны на рис. 4.3 − 4.7 соответственно.Рис.
4.3. Силовые линии электрического поля волны типа H10 навходе 2 H-плоскостного волноводного перехода.62Рис. 4.4. Силовые линии электрического поля волны типа H30 навходе 2 H-плоскостного волноводного перехода.Рис. 4.5. Силовые линии электрического поля волны типа H50 навходе 2 H-плоскостного волноводного перехода.Рис. 4.6. Силовые линии электрического поля волны типа H70 навходе 2 H-плоскостного волноводного перехода.63Рис. 4.7. Силовые линии электрического поля волны типа H90 навходе 2 H-плоскостного волноводного переходаВ результате моделирования получены графики зависимостиот частоты f затуханий волны типа H10 при трансформации ввысшие типы волн в волноводном переходе длиной: 28, 56, 85, 113 и142 мм, представленные на рис.
4.8 – 4.12 соответственно.Кривые 1 иллюстрируют затухание при переходе из волны типа H10 на входе 1 в волну типа H10 на входе 2, кривые 2 – в волну типа H30 на входе 2, кривые 3 – в волну типа H50 на входе 2, кривые 4 –в волну типа H70 на входе 2, кривые 5 – в волну типа H90 на входе 2.Как видно из рис. 4.8 – 4.12, наибольшее значение затуханиядостигается, как и предполагалось, при трансформации из волны типа H10 на входе 1 в волну H30 на входе 2.
Построим кривые частотной зависимости затухания при такой трансформации для длин волноводного перехода L2 указанных выше (рис. 4.13). Кривая 1 иллюстрирует затухание при переходе из волны типа H10 на входе 1 вволну типа H30 на входе 2 при длине волноводного перехода L2 = 28мм, кривая 2 – при длине волноводного перехода L2 = 56 мм, кривая3 - при длине волноводного перехода L2 = 85 мм, кривая 4 - придлине волноводного перехода L2 = 113 мм, кривая 5 - при длине волноводного перехода L2 = 142 мм.64Затухание, дБ12345Частота, ГГцРис. 4.8. Частотная зависимость затухания энергии притрансформации из волны типа H10 входа 1 в волны высшего типа навходе 2 при длине волноводного перехода L2 = 28 мм.Затухание, дБ12345Частота, ГГцРис.
4.9. Частотная зависимость затухания энергии притрансформации из волны типа H10 входа 1 в волны высшего типа навходе 2 при длине волноводного перехода L2 = 56 мм.65Затухание, дБ12345Частота, ГГцРис. 4.10. Частотная зависимость затухания энергии притрансформации из волны типа H10 входа 1 в волны высшего типа навходе 2 при длине волноводного перехода L2 = 85 мм.Затухание, дБ12345Частота, ГГцРис. 4.11. Частотная зависимость затухания энергии притрансформации из волны типа H10 входа 1 в волны высшего типа навходе 2 при длине волноводного перехода L2 = 113 мм.66Затухание, дБ12345Частота, ГГцРис. 4.12. Частотная зависимость затухания энергии притрансформации из волны типа H10 входа 1 в волны высшего типа навходе 2 при длине волноводного перехода L2 = 142 мм.Затухание, дБ12345Частота, ГГцРис.
4.13. Частотная зависимость затухания энергии притрансформации из волны типа H10 входа 1 в волну типа H30 на входе2 при различных длинах волноводного перехода.67Как видно из рис. 4.13 и табл. 4.1, волна типа H30 начинаетраспространяться на частоте 19.56 ГГц при этом резко снижается затухание энергии при трансформации из волны типа H10 входа 1 вволну типа H30 на входе 2 до минимальных значений. Результатысравнения значений затухания энергии при различных длинах волноводного перехода L2 представлены в табл. 4.2.Таблица 4.2. Значения затухания энергии при трансформации изволны типа H10 входа 1 в волну типа H30 на входе 2 при различныхдлинах волноводного перехода L2.Длина волноводно-Затухание α в диапа-Затухание α в диапа-го перехода L2, ммзоне от 13.5 до 40зоне от 40 до 60 ГГц,ГГц, дБдБ28– 10– 7.456– 15.3– 10.785– 15.9– 11.8113– 19– 16.4142– 21.5– 17Обобщим результаты, приведенные на рис.
4.8 – 4.13. А именно, построим график зависимости максимального значения затухания энергии при трансформации из волны типа H10 входа 1 в волнуH30 на входе 2 от длины перехода L2, который представлен нарис. 4.14. Кривая 1 иллюстрирует указанную зависимость, кривая 2 –зависимость экстраполированных значений затухания при увеличении длины перехода L2На основе полученных результатов выбрана длина волноводного перехода L2 = 142 мм, позволяющая достичь требуемого уровня затухания волн высшего типа 17 дБ.684.5 Выводы.Рассмотрен прямоугольный волноводный переход с линейноизменяющейся высотой.
Особенностью этого волноводного перехода является возможность работы в широком частотном диапазоне: от13.5 ГГц до 60 ГГц. При этом на входе волноводного перехода происходит трансформация из волны основного типа H10 в волны высших типов. Использование волноводного перехода с линейно изменяющейся высотой обусловлено необходимостью минимизации затухания при трансформации из волны основного типа в волны высшего типа.При разработке топологии волноводного перехода необходимоучитывать требования к уровню затухания волн высшего типа имассогабаритные характеристики.Рассматривая теоретически рассчитанные и полученные в результате электродинамического моделирования частотные зависимости затухания при различных длинах волноводного перехода,следует отметить схожий характер их поведения, что подтверждаетвыбранную концепцию проектирования устройства, корректностьпроведенных расчетов и моделирования.
На основе полученных результатов выбрана длина волноводного перехода L2 = 142 мм, позволяющая достичь требуемого уровня затухания волн высшего в 17дБ. Таким образом, при проектировании частотного мультиплексораоптического типа плавное изменение высоты h от 23 мм до 2 мм недолжно происходить на длине короче 142 мм, тогда переход энергии волны H10 в волны высших типов не будет превышать 17 дБ.
Вэтом случае можно рассматривать анализируемую систему как двумерную с соответствующей потерей энергии в основном типе волны.695 Моделирование E-плоскостного частотного мультиплексораВ данной главе проведено моделирование Е-плоскостного частотного мультиплексора на электродинамическом уровне, осуществляющего частотное деление сигнала (см. рис.
1.1) с Входа 1 на3-х частотных диапазонов: 18-20 ГГЦ (Вход 2), 20-26 ГГЦ (Вход 3),26-40 ГГЦ (Вход 4). Моделирование мультиплексора проводилоськак двумерной системы с неоднородным частотнодисперсным заполнением во временной области.АСEzyFDВВход 1xh32h22 h31h11 h12 h21EА)Вход 2 Вход 3 Вход 4АEСzyDВВход 1h32h22 h31xh11 h12 h21EБ)FВход 4Вход 3 Вход 2Рис.
5.1. Мультиплексор.70Было произведено моделирование 2-х вариантов последовательности расположений приемных рупоров (Вход 2−4). Порядокрасположения входов по оси “x”: 1,2,3,4 (см. рис. 5.1А) и 4,3,2,1 (см.рис. 5.1Б). Из-за конструктивных особенностей был выбран вариант“Б”, приведенный на рис. 5.1.5.1 Постановка задачи.Необходимо провести моделирование во временной областиЕ-плоскостного частотного мультиплексора, осуществляющего частотное деление сигнала (см. рис. 5.1Б) с Входа 1 на 3 частотныедиапазоны: 18-20 ГГЦ (Вход 2), 20-26 ГГЦ (Вход 3), 26-40 ГГЦ(Вход 4).Предварительно в главе 3 было промоделировано изменениевысоты h полости в металле. Которое должно происходить плавно,чтобы не возникли высшие типы волн.Излучающий и приемные рупора (см.
рис. 5.2) имеют одинаковую геометрию и моделировались на 2-х программных комплексах: Ansoft HFSS [20] и Tamic Rt-H [38]. Одна и та же геометрияприемного и передающих рупоров обусловлена тем, чтобы шириныдиаграмм направленности, по уровню половинной мощности, совпадали и перекрывалась область, в которую приходит сигнал. За основу был взят волновод, имеющий размеры 23х10 мм. В результатемоделирования был получен рупор (см. рис. 5.2), работающий в частотном диапазоне 16 – 60 ГГц.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
