Широкополосная волноводная согласованная нагрузка
Владельцы патента RU 2360336:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" (RU)
Изобретение относится к области радиотехники и электроники и может быть использовано как самостоятельно для поглощения электромагнитной волны на выходе СВЧ-волноводного тракта, так и в качестве элементов более сложных функциональных устройств: направленных ответвителей, сумматоров мощности, измерительных мостов, фильтров и т.д. Технический результат заключается в расширении рабочей полосы частот, уменьшении продольных размеров согласованной нагрузки. Поставленная задача достигается тем, что в согласованной нагрузке для поглощения электромагнитного излучения используется многослойная металлодиэлектрическая структура с различными значениями толщины, диэлектрической проницаемости и электропроводности слоев, помещенная в волновод и полностью занимающая его по поперечному сечению, причем плоскости слоев перпендикулярны направлению распространения электромагнитной волны. Количество слоев, их толщины, диэлектрические проницаемости и электропроводности выбирают, например, путем подбора или численно решая задачу по оптимизации, таким образом, чтобы в выбранном частотном диапазоне величины коэффициентов отражения и прохождения были меньше заданных значений. 3 ил.
Изобретение относится к области радиотехники и электроники и может быть использовано как самостоятельно для поглощения электромагнитной волны на выходе СВЧ-волноводного тракта, так и в качестве элементов более сложных функциональных устройств: направленных ответвителей, сумматоров мощности, измерительных мостов, фильтров и т.д.
Известен сверхширокодиапазонный поглотитель электромагнитных волн (см. патент RU №2110122, МПК H01Q 17/00), представляющий собой конструкцию, состоящую из диэлектрического материала, выполненного на основе радиопоглощающего пеностекла, магнитного материала из радиопоглощающего никель-цинкового феррита, которые закреплены на металлической подложке.
Однако данный поглотитель предполагает формирование достаточно сложного рельефа поверхности и обладает значительными продольными габаритами.
Известен слоистый поглотитель электромагнитных волн (см. патент RU №2231181, МПК H01Q 17/00), сущность которого заключается в выполнении активных слоев в виде дифракционных решеток из углеграфитовой ткани, причем диэлектрическая проницаемость этих слоев возрастает от наружного активного слоя к внутренним и к металлу, и в выполнении радиопрозрачных слоев толщиной от 0,05 до 0,15 см. Кроме того, дифракционные решетки могут быть выполнены в виде прямых или обратных решеток Френеля, в виде решеток Фраунгофера, а также в виде сочетания различных решеток в единой конструкции.
Однако данный поглотитель обладает сложной структурой и обладает значительными продольными габаритами.
Наиболее близким по сущности к предлагаемому является поглотитель электромагнитного излучения (см. патент RU №2030138, МПК Н05К 9/00), выполненный в виде металлической поверхности, на которую нанесен поглощающий слой диэлектрика, толщина и диэлектрические свойства которого выбираются из совместного решения уравнений, выводимых для случая отсутствия отражения электромагнитного излучения заданной частоты от системы диэлектрик-металл.
Однако данный поглотитель предполагает формирование достаточно сложного распределения диэлектрических свойств поглощающего слоя в продольном направлении и является узкополосным.
Задача настоящего изобретения заключается в создании широкополосного волноводного поглотителя СВЧ-излучения, отличающегося технологической простотой изготовления и малыми продольными габаритами.
Технический результат заключается в расширении рабочей полосы частот, уменьшении продольных размеров согласованной нагрузки.
Поставленная задача достигается тем, что в согласованной нагрузке для поглощения электромагнитного излучения используется многослойная металлодиэлектрическая структура с различными значениями толщины, диэлектрической проницаемости и электропроводности слоев, помещенная в волновод и полностью занимающая его по поперечному сечению, причем плоскости слоев перпендикулярны направлению распространения электромагнитной волны. Количество слоев, их толщины, диэлектрические проницаемости и электропроводности выбирают, например, путем подбора или численно решая задачу по оптимизации, таким образом, чтобы в выбранном частотном диапазоне величины коэффициентов отражения и прохождения были меньше заданных значений. При этом структура содержит не менее четырех слоев, причем слои металла, числом не менее двух, выбраны нанометровой толщины, разделены, по крайней мере, одним слоем диэлектрика, а один из внешних слоев является диэлектриком.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами.
Фиг.1. Слоистая структура волноводной согласованной нагрузки, где A0 - амплитуда падающей электромагнитной волны, В0 - амплитуда отраженной волны,
AN+1 - амплитуда прошедшей волны, N - число слоев в структуре.
Фиг.2. Расчетные зависимости коэффициентов отражения и прохождения от частоты в трехсантиметровом диапазоне длин волн: сплошная кривая - коэффициент отражения, пунктирная кривая - коэффициент прохождения.
Фиг.3. Экспериментальные зависимости коэффициентов отражения и прохождения от частоты в трехсантиметровом диапазоне длин волн: кружочки - коэффициент отражения, треугольники - коэффициент прохождения.
Широкополосная волноводная согласованная нагрузка представляет собой многослойную металлодиэлектрическую структуру с различными значениями толщины, диэлектрической проницаемости и электропроводности слоев, помещенная в волновод и полностью занимающая его по поперечному сечению, причем плоскости слоев перпендикулярны направлению распространения электромагнитной волны. Количество слоев, их толщины, диэлектрические проницаемости, электропроводности и порядок чередования слоев выбирают, например, путем подбора или численно решая задачу по оптимизации, таким образом, чтобы в выбранном частотном диапазоне величины коэффициентов отражения и прохождения были меньше заданных значений.
Нагрузка размещается в волноводе таким образом, чтобы первым слоем, на который падает электромагнитное излучение был диэлектриком, что обеспечивает минимальный коэффициент отражения в заданном диапазоне частот. При этом электромагнитное излучение поглощается в нанометровых металлических слоях структуры. Наличие дополнительных диэлектрических слоев между слоями металла обеспечивает широкополосность согласованной нагрузки.
Пример практической реализации устройства.
Разрабатывалась согласованная волноводная нагрузка в трехсантиметровом диапазоне длин волн со следующими параметрами:
| Рабочий диапазон, ГГц | 8-12 |
| Коэффициент отражения, не более | 0,01 |
| Коэффициент прохождения, не более | 0,01 |
Для расчета коэффициентов отражения и прохождения электромагнитной волны при ее нормальном падении на слоистую структуру, представленную на фиг.1, использовалась матрица передачи волны между областями с различными значениями постоянной распространения электромагнитной волны γj и γj+1:
которая связывает коэффициенты Aj, Bj и Aj+1, Bj+1, определяющие амплитуды падающих и отраженных волн по обе стороны от границы zj,j+1, соотношением:
Коэффициенты АN+1 и B0, определяющие амплитуды волны, прошедшей через многослойную структуру, и волны, отраженной от нее, связаны с коэффициентом A0, определяющим амплитуду падающей волны, следующим соотношением:
где
матрица передачи слоистой структуры, состоящей из N слоев (фиг.1).
Коэффициенты отражения R=В0/А0 и прохождения T=AN+1/A0 электромагнитной волны, взаимодействующей со слоистой структурой, определяются через элементы матрицы передачи ТN с помощью соотношений:
Для подбора значений параметров слоистой структуры решалась следующая задача оптимизации:
- |R|2<0.01;
- |T|2<0.01;
- количество слоев - 6;
- материалы слоев:
1) фторопласт;
2) хром;
3) поликор;
4) фторопласт;
5) хром;
6) поликор;
- толщины слоев:
1) более 1 мм;
2) более 10 нм;
3) более 0,5 мм;
4) более 1 мм;
5) более 10 нм;
6) более 0,5 мм;
- диапазон частот - от 8 до 12 ГГц.
Компьютерное моделирование проводилось с использованием соотношений (1) и (2). Оптимизация проводилась численно с использованием итерационного метода Левенберга-Марквардта. В ходе подбора были выбраны следующие параметры: металлодиэлектрическая структура состоит из 6 слоев.
| № | Толщина слоя, м | Диэлектрическая проницаемость слоя | Электропроводность слоя, Ом-1 м-1 |
| 1 | 6,0·10-3 | 2,1 | 0 |
| 2 | 20·10-9 | 1 | 0,25·106 |
| 3 | 0,5·10-3 | 9,6 | 0 |
| 4 | 3,3·10-3 | 2,1 | 0 |
| 5 | 200·10-9 | 1 | 0,25·106 |
| 6 | 0,5·10-3 | 9,6 | 0 |
Расчетные значения частотной зависимости коэффициентов отражения и прохождения представлены на фиг.2.
По данным численного эксперимента была изготовлена многослойная структура. Металлические слои (хром) напылялись на поликоровые подложки с диэлектрической проницаемостью 9,6. Дополнительно использовались фторопластовые слои с диэлектрической проницаемостью 2,1. Слои плотно прижимались друг к другу механически и помещались в волновод.
Измеренные значения частотной зависимости коэффициентов отражения и прохождения представлены на фиг.3.
Таким образом, использование многослойных металлодиэлектрических структур, содержащих нанометровые металлические слои, позволяет создавать широкополосные волноводные согласованные нагрузки. При этом оптимизация параметров металлодиэлектрической структуры с нанометровыми металлическими слоями позволяет выбрать диапазон частот, в котором необходимо реализовать требуемый коэффициент отражения.
Волноводная согласованная нагрузка, включающая слой диэлектрика и слой металла, отличающаяся тем, что она содержит дополнительные слои металла и диэлектрика, образующие многослойную металлодиэлектрическую структуру, выполненную с возможностью размещения в волноводе, полностью заполняя его поперечное сечение, плоскости слоев ориентированы перпендикулярно направлению распространения электромагнитной волны, при этом структура содержит не менее четырех слоев, причем слои металла числом не менее двух выбраны нанометровой толщины, разделены, по крайней мере, одним слоем диэлектрика, а один из внешних слоев является диэлектриком.
