Поглощение в волноводно-диэлектрических резонаторах с односторонним прямоугольным выступом

Исследованы особенности резонансного поглощения и отражения в диэлектрических вставках, у которых одна из границ раздела сред имеет прямоугольный выступ, а другая - перпендикулярна стенкам прямоугольного волновода. Обнаружено, что такие резонансные структуры могут сильно поглощать энергию основной в...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2007
1. Verfasser:	Рудь, Л.А.
Format:	Artikel
Sprache:	Russisch
Veröffentlicht:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2007
Schlagworte:	Электродинамика СВЧ
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10771
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Поглощение в волноводно-диэлектрических резонаторах с односторонним прямоугольным выступом / Л.А. Рудь // Радіофізика та електроніка. — 2007. — Т. 12, № 2. — С. 299-305. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859608256655130624
author	Рудь, Л.А.
author_facet	Рудь, Л.А.
citation_txt	Поглощение в волноводно-диэлектрических резонаторах с односторонним прямоугольным выступом / Л.А. Рудь // Радіофізика та електроніка. — 2007. — Т. 12, № 2. — С. 299-305. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
collection	DSpace DC
description	Исследованы особенности резонансного поглощения и отражения в диэлектрических вставках, у которых одна из границ раздела сред имеет прямоугольный выступ, а другая - перпендикулярна стенкам прямоугольного волновода. Обнаружено, что такие резонансные структуры могут сильно поглощать энергию основной волны из одного плеча и сильно отражать из другого плеча. Показана возможность использования известной качественной модели для определения резонансных значений коэффициентов рассеяния и поглощения для вставок с малыми потерями. По результатам изучения полей дифракции предложена физическая интерпретация механизма резонансного поглощения в таких вставках. Досліджено особливості резонансного поглинання у діелектричних вставках, у яких одна границя поділу середовищ має прямокутний виступ, а друга - перпендикулярна стінкам прямокутного хвилеводу. Знайдено, що такі резонансні структури можуть сильно поглинати енергію основної хвилі з одного плеча та сильно відбивати з другого плеча. Показано можливість використання відомої якісної моделі для визначення резонансних значень коефіцієнтів розсіяння та поглинання для вставок з малими втратами. По результатам вивчення полів дифракції запропоновано фізичну інтерпретацію механізму резонансного поглинання в таких вставках. Features of resonance absorption in dielectric inserts, which one interface has a rectangular ledge and the other is perpendicular to rectangular waveguide walls, are studied. It is found that these resonator structures can provide a strong absorption of the domi-nant mode power from one port and a strong reflection from the other port. A possibility to use the known qualitative model for determining resonance values of the scattering and absorption coefficients is shown in the case of low-loss inserts. By the results of studying the scattered fields, a treatment of the resonance ab-sorption physical mechanism is proposed.
first_indexed	2025-11-28T07:24:28Z
format	Article
fulltext	__________ ISSN 1028-821X Радиофизика и электроника, том 12, №2, 2007, с. 299-305 © ИРЭ НАН Украины, 2007 ЭЛЕКТРОДИНАМИКА СВЧ УДК 621.372.8 ПОГЛОЩЕНИЕ В ВОЛНОВОДНО-ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРАХ С ОДНОСТОРОННИМ ПРЯМОУГОЛЬНЫМ ВЫСТУПОМ Л. А. Рудь Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова, НАН Украины 12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина Е-mail: rud@ire.kharkov.ua Исследованы особенности резонансного поглощения и отражения в диэлектрических вставках, у которых одна из границ раздела сред имеет прямоугольный выступ, а другая - перпендикулярна стенкам прямоугольного волновода. Обнаружено, что такие резонансные структуры могут сильно поглощать энергию основной волны из одного плеча и сильно отражать из другого плеча. Показана возможность использования известной качественной модели для определения резонансных значений коэффициентов рассеяния и поглощения для вставок с малыми потерями. По результатам изучения полей дифракции предложена физическая ин- терпретация механизма резонансного поглощения в таких вставках. Ил. 6. Библиогр.: 11 назв. Ключевые слова: волноводно-диэлектрический резонатор, резонансное поглощение. При исследовании и проектировании ре- зонансных систем, содержащих диэлектрические включения даже с малыми потерями, возникает потребность в математических моделях, позво- ляющих предсказать уровень поглощения подво- димой мощности на резонансной частоте. В мо- нографиях [1, 2] с использованием методов тео- рии цепей построены качественные модели про- ходных волноводных резонаторов, обладающих внутренними потерями и разными коэффициен- тами связи с подводящими волноводами. С по- мощью построенных моделей получены соотно- шения между характеристическими параметрами резонаторов (резонансной частотой, коэффициен- тами связи, собственной и нагруженной доброт- ностями) и S-параметрами (коэффициентами от- ражения и прохождения основной волны). Анало- гичные соотношения для разнообразных типов одно- и двуплечих резонаторов приведены и в работах [3, 4]. Они послужили основой для клас- сификации различных способов определения ха- рактеристических параметров резонаторов по измеренным S-параметрам. В работах [3, 4] опи- сан также класс двуплечих поглощающих резона- торов с симметричными связями. Используя представления для S-параметров из [1 - 4] и закон сохранения энергии, нетрудно получить аналити- ческие выражения, позволяющие определить до- лю подводимой мощности, поглощаемую в резо- наторе за счет внутренних потерь. В работах [5, 6] предложен другой способ описания симметричных резонаторов с потерями, характеристики которых управляются за счет из- менения коэффициента связи или коэффициента потерь. Этот способ основан на анализе соответ- ствующей спектральной краевой задачи. Его суть состоит в поиске собственных колебаний резона- тора с такими комплексными частотами, которые обеспечивают нужное соотношение между внут- ренней и внешней добротностями. Из результатов [3 - 5] следует, что макси- мальное поглощение в симметричных резонато- рах с малыми потерями достигает половину от подводимой мощности при критическом значе- нии коэффициента связи (или коэффициента по- терь [5, 6]) при условии, что резонансная частота рабочего колебания достаточно удалена от ос- тальных. Если проходной резонатор несиммет- рично нагружен на подводящие волноводы, то согласно [1, 2] уровень поглощаемой мощности будет определяться уже двумя коэффициентами связи, соотношением между ними, а также тем, из какого плеча происходит возбуждение резонато- ра. Еще более сложная картина должна наблю- даться для несимметрично нагруженных резона- торов, работающих не на основной, а на высшей волне. Такие резонаторы принято называть резо- наторами на запертых модах, и в отсутствии по- терь они обеспечивают полное отражение па- дающей волны [7]. Эквивалентные схемы и каче- ственные модели подобных резонаторов в случае наличия потерь еще не описаны в литературе, поэтому основным инструментом анализа резо- нансных свойств подобных структур при произ- вольных геометрических и материальных пара- метрах задачи могут служить лишь строгие мате- матические модели. Нами исследованы особенности резо- нансного поглощения и рассеяния основной вол- ны прямоугольного волновода, набегающей на волноводно-диэлектрический резонатор, одна из границ которого перпендикулярна стенкам вол- новода, а другая - выполнена в виде прямоуголь- ного выступа в Н-плоскости волновода (см. рис. 1). Ранее частный случай такого резонатора с односторонней ступенькой (g = 0 на рис. 1) был Л. А. Рудь / Поглощение в влноводно-диэлектрических… _________________________________________________________________________________________________________________ 300 рассмотрен в работе [8], где основное внимание уделено резонансам на высшей незатухающей 20TE волне вставки, приводящим к резкому уменьшению коэффициента прохождения. Однако последующий анализ показал, что в отличие от коэффициента прохождения величины коэффициентов отражения и поглощения на резонансной частоте могут быть разными в зависимости от плеча возбуждения. Вы- яснению закономерностей проявления этого эффек- та и физического механизма его образования как раз и посвящена эта работа. Рис. 1. Диэлектрическая вставка с односторонним выступом в Н-плоскости прямоугольного волновода и ее геометрические параметры 1. Математическая модель. Продольное сечение, геометрические параметры и нумерация плеч исследуемой структуры показаны на рис. 1. Она представляет собой диэлектрическую встав- ку с относительной проницаемостью материала 1 tgr r i , помещенную в прямоуголь- ный волновод с сечением a b так, что она пол- ностью перекрывает волновод по узкой стенке. Стенки волновода подразумеваются идеально проводящими. Однородность структуры вдоль узкой стенки позволяет рассматривать краевую задачу дифракции как скалярную относительно 0nTE волн. Далее в качестве частотного парамет- ра мы будем использовать величину /a , где - длина волны в свободном пространстве, а для описания геометрии - относительные пара- метры /T t a , /G g a и 1,2 1,2 /D d a . Для построения строгой математической модели нами использован метод обобщенных матриц рассеяния [9]. В качестве ключевых неод- нородностей выбраны следующие сочленения: - полого и частично заполненного волно- водов; - частично и полностью заполненных вол- новодов; - полностью заполненного и полого волно- водов с прямой границей раздела сред. Обобщенные матрицы рассеяния для первых двух сочленений находятся численно с использованием алгоритма метода частичных областей, описанного в работе [10]. Здесь также изложена процедура определения постоянных распространения и собственных функции 0nTE волн частично заполненного волновода, знание которых необходимо при применении метода частичных областей. Элементы матрицы рассея- ния для прямой границы раздела сред в волново- де вычисляются по известным аналитическим формулам. Для описания электродинамических ха- рактеристик рассматриваемой структуры мы бу- дем использовать коэффициенты отражения ( kkP ) и прохождения ( jkP ) по мощности 10TE волны волноводных плеч, определяемые по из- вестным элементам матрицы рассеяния как ( ) 2 11\| \|jk jkP S , где k, j=1,2 - номера плеч структу- ры. Тогда, используя закон сохранения энергии, выражение для коэффициента поглощения для k- го плеча можно представить как 3 ,1 , 1,2.k kk k kL P P k (1) 2. Целевые функции процедуры опти- мизации. Для выявления предельно достижимых уровней поглощения используется оптимизаци- онная процедура, основанная на поиске миниму- ма функции многих переменных методом наис- корейшего спуска. Максимальное поглощение со стороны k-го плеча при заданном значении 0 будет, если целевую функцию согласно (1) выбрать в виде 0 3 ,, min kk k kF x P P  . (2) Вектор оптимизируемых параметров x  в (2) в общем случае может содержать четыре гео- метрических ( 1,2, ,T G D ) и два материальных , tgr параметра. Однако этот вектор может иметь и меньшее число параметров в зависимости от специфики исследуемой проблемы. Особое требование возникает к выбору фиксированного или начального для оптимизации значения пара- метра r . Оно должно быть таким, чтобы в пол- ностью заполненном отрезке волновода на задан- ной частоте или в полосе частот распространя- лась хотя бы одна высшая 0nTE волна, т. е. должно выполняться условие 1/ 2 0 1r . 3. Анализ известных качественных мо- делей проходных резонаторов. Прежде чем пе- рейти к изложению результатов проведенных численных экспериментов, считаем целесообраз- ным кратко описать известные модели проход- ных резонаторов с потерями, несимметрично на- груженных на волноводы. Так, согласно [2] мат- рицу коэффициентов отражения 0kkP и прохож- дения 0jkP (k = 1,2, j = 3-k) по мощности для та- ких резонаторов на резонансной частоте 0 можно представить в виде Л. А. Рудь / Поглощение в влноводно-диэлектрических… _________________________________________________________________________________________________________________ 301 2 1 2 1 22 0 2 1 2 1 2 1 4 4 1 P , (3) где 1 21 , а 1 и 2 - коэффициенты связи резонатора с плечами 1 и 2 соответственно. С помощью (1), (3) нетрудно получить выраже- ние для коэффициента поглощения для k-го плеча на резонансной частоте 2 0 4k kL . (4) Из (3), (4) видно, что двуплечий резона- тор с потерями, несимметрично нагруженный на волноводы, должен обладать одинаковыми коэф- фициентами прохождения. Что касается коэффи- циентов отражения и поглощения, то их значения на резонансной частоте могут быть разными, по- скольку они определяются величинами коэффи- циентов связи, соотношением между ними и пле- чом возбуждения. В частности, если коэффициен- ты связи таковы, что 3 1k k , то из (3) сле- дует, что на резонансной частоте 0 0kkP , т. е. должно наблюдаться полное согласование со сто- роны k-го плеча [2]. Однако, согласно (3), (4) при таком режиме согласования лишь часть подводи- мой мощности может проходить в выходной вол- новод, а остальная мощность поглощается в резо- наторе за счет наличия внутренних потерь. Другой, ранее не исследованный в лите- ратуре режим реализуется при условии 1 2 1 . (5) При выполнении этого условия из (4) нетрудно получить, что коэффициенты поглощения на ре- зонансной частоте равны коэффициентам связи 0 , 1,2k kL k . Отсюда следует, что при вы- полнении условия (5) и 0 сумма коэффици- ентов поглощения должна равняться единице 10 20 1L L , (6) а коэффициенты отражения и прохождения при возбуждении из k-го плеча согласно (3), (5) при- нимают значения 2 2 0 3 3 ,0kk k kP L , (7) ,3 3 0 3 ,0k k k k k kP L L . (8) Из анализа (5) - (8) получаем, что если один из коэффициентов связи стремится к нулю, то на резонансной частоте резонатор полностью запи- рается со стороны одного плеча и полностью по- глощает подводимую мощность с другого плеча. 4. Результаты оптимизации в режиме максимального поглощения со стороны плеча 2. В качестве примера рассмотрим результаты оп- тимизации с использованием целевой функцией (2) при k = 2 для вставки с несимметричным высту- пом. Фиксированными выбраны параметры 0,33T , 1 0,1D , 2 0,11D , а варьируемыми - G , r , tg . Оптимизация проводилась для после- довательности частотных точек из диапазона 00,501 0,999 . На каждой частотной точке находились оптимальные значения варьируемых параметров и затем вычислялись интересующие нас значения коэффициентов отражения, прохождения и поглощения для 10TE волны, падающей на встав- ку из плеч 1 и 2. Результаты оптимизации представ- лены на рис. 2. Наблюдаемое на рис. 2, а, б мелкое „дрожание” кривых связано с тем, что используемая процедура оптимизации способна находить не гло- бальный, а лишь локальные минимумы целевой функции многих переменных. а) б) в) Рис. 2. Изменение расстояния до выступа (а), материальных параметров диэлектрика (б) и значений коэффициентов отраже- ния, прохождения и поглощения (в) при оптимизации вставки с несимметричным выступом в последовательных частотных точках в режиме максимального поглощения со стороны пле- ча 2: - - - ■ - P110; ―― ▲ - P210; · · · · • - L10; – · – · □ - P220; ······ ○ - L20 Л. А. Рудь / Поглощение в влноводно-диэлектрических… _________________________________________________________________________________________________________________ 302 Из анализа численных данных было ус- тановлено, что при любом значении 0 справед- ливо равенство 10 20 1 tgL L O . В пре- небрежении малыми потерями (см. рис. 2, б) из (5), (6) можно заключить, что при данном режиме оптимизации коэффициенты связи получаемых вставок близки к значениям 0k kL , k = 1,2. Благодаря гладкости кривой 10 0( )L на рис. 2, в ее удалось аппроксимировать зависимостью 2 0 10 0 1 1 0,5 1 0,75 L . (9) Полагая далее 20 2 101L L  , нетрудно рас- считать приближенные значения коэффициентов отражения и прохождения с помощью (7), (8). Результаты таких расчетов с 0,625 в (9) по- казаны на рис. 2, в соответствующими символа- ми. Как видно, они хорошо совпадают со строго рассчитанными зависимостями, подтверждая тем самым справедливость качественных выводов, вытекающих из анализа модели проходного резо- натора [2] при выполнении условия (5). Показательным является поведение значе- ний исследуемых коэффициентов в нижней и верх- ней частях одномодомодового диапазона. Из рис. 2, в видно, что чем ниже частота, тем ближе уровни поглощения и отражения к единице при падении 10TE волны со стороны плеча 2 и 1 соот- ветственно. Отсюда и из равенств (5) - (8) можно сделать вывод, что коэффициенты связи ведут себя по-разному: 1 0 , а 2 1 при приближении к критической частоте 10TE волны волноводных плеч ( 0 0,5 ). С другой стороны, при приближении к критической частоте 20TE волны ( 0 1 ) оба ко- эффициента поглощения стремятся к значению 10,20 0,5L , в то время как 110 220 210, , 0,25P P P . Такие значения коэффициентов рассеяния харак- терны для симметричных резонаторов, работаю- щих при критической связи [3-6] (см. (3), (4) при 1 2 0,5 ). Рис. 3 иллюстрирует частотные зависи- мости исследуемых характеристик вставки с варьируемыми параметрами, соответствующими 0 0,65 на рис. 2, а, б. Резонансные значения всех коэффициентов на рис. 3 совпадают с ре- зультатами рис. 2, в при указанном 0 . Следует отметить резонансный характер возрастания ко- эффициента поглощения для плеча 2, значение которого в резонансе равно 20 0,92L (нагру- женная добротность вставки 200lQ ). Весьма показательным является поведение кривых для коэффициентов отражения на рис. 3. Как видно, даже при сравнительно малых потерях наблюда- ется резкое возрастание уровня отражения лишь со стороны плеча 1, а от плеча 2 оно уменьшает- ся. Вне малой окрестности резонансной частоты наблюдается совпадение кривых для коэффици- ентов отражения. Заметим, что в случае идеаль- ного диэлектрика они должны совпадать во всем диапазоне и на резонансной частоте должны рав- няться единице, как это свойственно резонаторам на запертых модах в отсутствии потерь [7]. Необ- ходимо подчеркнуть, что теория проходных резо- наторов [1, 2] непригодна для описания частот- ных характеристик рассматриваемых здесь резо- наторов отражательного типа. Рис. 3. Частотные характеристики диэлектрической вставки с параметрами: Т=0,33, D1=0,1, D2=0,11, εr=6,39(1+i0,0031), G=0,274: - - - - P110; ―― - P210; · · · · - L10; – · – · - P220; ····· - L20 Сравнительный анализ показал, что от- меченные выше закономерности в поведении электродинамических характеристик имеют ме- сто и при оптимизации вставок с целевой функ- цией (2) при k = 2, но с другим набором варьи- руемых параметров при условии, что потери ма- лы. Некоторые отличия могут наблюдаться лишь в показателе аппроксимирующей функции (9), если параметр r включен в вектор оптимизи- руемых параметров. Если же этот параметр вы- бран фиксированным, то соотношения (5) - (8) выполняются с хорошей точностью, однако не во всем диапазоне частот, а зависимости, типа пред- ставленных на рис. 2, в, имеют другой характер. 5. Результаты оптимизации в режиме максимального поглощения со стороны плеча 1. Сравнительный анализ показал, что для вставок с несимметричным выступом режим максимально- го поглощения со стороны плеча 1 реализуется при величинах tg 0,1 . В этом случае наблю- дается достаточно большой уровень нерезонанс- ного поглощения. Меньшие потери получаются для вставок с симметричным выступом. Результа- ты оптимизации таких вставок с варьируемыми Л. А. Рудь / Поглощение в влноводно-диэлектрических… _________________________________________________________________________________________________________________ 303 параметрами 1D , r , tg и заданными парамет- рами 0,3T , 0,35G и 2 0,2D представле- ны на рис. 4. а) б) в) Рис. 4. Изменение длины выступа (а), материальных парамет- ров диэлектрика (б) и значений коэффициентов отражения, прохождения и поглощения (в) при оптимизации вставки с симметричным выступом в последовательных частотных точках в режиме максимального поглощения со стороны пле- ча 1: - - - - P110; ―― - P210; · · · · - L10; – · – · - P220; ······ - L20 Сравнивая результаты, представленные на рис. 4, б и рис. 2, б, можно сделать вывод, что максимальное поглощение со стороны плеча 1 обеспечивается при больших значениях r и tg , чем со стороны плеча 2. Увеличение r обусловлено тем, что для вставки с симметрич- ным выступом в качестве высшей запертой волны выступает 30TE волна, распространяющаяся в заполненном отрезке волновода, что возможно при 1/ 2 0 1,5r . Увеличение диэлектрических потерь приводит к тому, что коэффициенты рас- сеяния и поглощения уже не удовлетворяют со- отношениям (5)-(8). Заметим, что при получае- мых значениях tg поглощение со стороны пле- ча 1 превышает уровень 10 0,85L , отражение практически отсутствует ( 110 0,02P ), а от плеча 2 оно достаточно велико ( 220 0,6P ) во всем рассматриваемом диапазоне резонансных частот (см. рис. 4, в). На рис. 5 приведены частотные характе- ристики вставки, варьируемые параметры которой соответствуют точке 0 0,65 на рис. 4, а, б. В отличие от вставки, иллюстрируемой рис. 3, дан- ная вставка обладает низкодобротным резонанс- ным поглощением со стороны плеча 1 ( 33)lQ , что является следствием повышенного уровня ди- электрических потерь. Последнее также влияет на поведение коэффициентов отражения от двух плеч - они начинают совпадать при частотах, достаточ- но удаленных от резонансной. При 0 вставка практически полностью согласована со стороны плеча 1 за счет сильного поглощения ( 110 0,001P , 10 0,963L ), в то же время как со стороны плеча 2 она является сильно отражающей ( 220 0,896P , 20 0,068L ). Рис. 5. Частотные характеристики диэлектрической вставки с параметрами: Т=0,3, G=0,35, D2=0,2, εr=8,92(1+i0,015), D1=0,248: - - - - P110; ―― - P210; · · · ·- L10; – · – · P220; ······ - L20 6. О физическом механизме образова- ния эффектов сильного поглощения и отраже- ния. Описанные выше результаты в основном дают представление о «внешнем» проявлении исследуемых резонансных эффектов. Однако за- кономерным является вопрос о том, за счет чего они образуются. С одной стороны, на процесс их образования существенное влияние оказывают свойства границ вставки, обуславливающие раз- ные коэффициенты связи электромагнитного по- ля вставки как резонатора с основной волной Л. А. Рудь / Поглощение в влноводно-диэлектрических… _________________________________________________________________________________________________________________ 304 волноводных плеч 1 и 2. С другой стороны, у рас- сматриваемых резонаторов, работающих на выс- ших «запертых» модах, коэффициенты связи 1 и 2 не могут изменяться независимо друг от друга. Если 10TE волна плеча 1 непосредственно связывается с высшей 0nTE волной вставки за счет нерегулярности границы, то связь с плечом 2 реализуется на этой же границе, но после прохо- ждения волной прямой границы раздела сред и отрезка заполненного волновода длиной 2D . По- этому изменение геометрии выступа и (или) па- раметров диэлектрика приводит к одновременно- му изменению обоих коэффициентов связи. Одним из инструментов познания физики процессов, приводящих к сильному поглощению или отражению подводимой мощности с того или иного плеча, может служить изучение особенно- стей формирования полей внутри и вне вставки в условиях резонанса. Для примера на рис. 6 пока- заны распределения линий \| ( , ) \| constyE x z для вставки, обеспечивающей максимальное погло- щение со стороны плеча 2 при 0 0,65 . Ее па- раметры указаны в подписи к рис. 3. Картины полей рассчитывались для случаев падения из плеча 1 и 2 10TE единичной амплитуды по yE составляющей электрического поля. При этом в каждой частичной области суммировались вкла- ды от 25 волн, амплитуды которых определялись по решению соответствующей задачи дифракции. а) б) Рис. 6. Распределение линий равного уровня электрического поля при дифракции ТЕ10 волны на вставке с несимметричным выступом и параметрами, обеспечивающими сильное резонанс- ное отражение со стороны плеча 1 (а) и поглощение из плеча 2 (б). Звездочками указаны положения максимумов поля Из рис. 6 видно, что доминирующую роль в формировании резонансного поля дифрак- ции играет высшая 20TE волна. Она является распространяющейся как в частично, так и в пол- ностью заполненной частях вставки. У такой вставки коэффициенты поглощения из разных плеч сильно отличаются. Согласно рис. 3 они со- относятся как 20 10/ 10,8L L . Столь большее отличие этих коэффициентов и соответствующих коэффициентов связи обусловлено разным уров- нем напряженности резонансных полей дифрак- ции. В частности, из результатов численных рас- четов следует, что для данной вставки (2) (1) max ,max\| \|:\| \| 8,2 : 2,5y yE E , где ( ) ,max\| \|k yE - мак- симальный уровень поля внутри вставки при па- дении волны из k-го плеча. Поскольку коэффици- енты поглощения можно вычислить как [11] 2 ( )tg , 8 kr k yV L E x z dv , (10) где - круговая частота, а интеграл берется по объему вставки V , то справедливость неравенст- ва 20 10L L на резонансной частоте (а значит и 2 1 ) для рассматриваемой вставки с малыми потерями становится очевидной. Для вставки с симметричным выступом, чьи частотные характеристики представлены на рис. 5, соответствующие распределения полей для 0 0,65 показаны на рис. 7. Эта вставка обладает свойством сильного поглощения со стороны плеча 1 (при этом 10 20/ 14,2L L ) и отражения от плеча 2 на уровне 220 0,897P (см. рис. 4 и 5). Симмет- ричность выступа обусловила определяющую роль 30TE волны в формировании структуры поля резо- нансного колебания внутри вставки. Из картин рас- пределения полей на рис. 7, а, б видно, что при па- дении волны со стороны плеча 1 поле концентриру- ется внутри вставки, а при падении со стороны пле- ча 2 наблюдается интерференция поля падающей и отраженной волны во входном волноводе (с \| \| 1,95yE в максимуме). Расчеты показывают, что максимумы поля внутри вставки соотносятся как (1) (2) ,max ,max\| \|:\| \|y yE E 2,5:0,4 . Такие особенно- сти распределения полей согласно (10) обеспе- чивают неравенство 10 20L L . а) б) Рис. 7. Распределение линий равного уровня электрического поля при дифракции ТЕ10 волны на вставке с симметричным выступом и параметрами, обеспечивающими сильное резонанс- ное поглощение со стороны плеча 1 (а) и отражение из плеча 2 (б). Звездочками указаны положения максимумов поля Л. А. Рудь / Поглощение в влноводно-диэлектрических… _________________________________________________________________________________________________________________ 305 Выводы. Результаты проведенных ис- следований с использованием строгой численной модели показывают, что диэлектрические вставки в Н-плоскости прямоугольного волновода, у ко- торых одна из границ имеет прямоугольный вы- ступ, а другая перпендикулярна стенкам волно- вода, могут обладать нетривиальными режимами резонансного рассеяния и поглощения подводи- мой мощности. В отличие от симметричных ре- зонаторов с малыми потерями, где при критиче- ской связи поглощается половина подводимой мощности на резонансной частоте, рассмотрен- ные несимметричные вставки могут обеспечивать сильное резонансное поглощение со стороны од- ного плеча и сильное отражение с другого плеча в низкочастотной части одноволнового диапазона волновода. Обнаружено, что в режиме сильного по- глощения со стороны плеча с прямой границей раздела сред сумма резонансных значений коэф- фициентов поглощения для двух плеч оказывает- ся близкой к единице, если диэлектрические по- тери вставки малы. При этом резонансные значе- ния коэффициентов рассеяния и поглощения с обоих плеч хорошо совпадают со значениями, полученными с помощью известной качествен- ной модели [2] проходного резонатора с потерями при условии, что сумма коэффициентов связи равна единице. Такое условие на заданной частоте реализуется только при определенном наборе гео- метрических и материальных параметров вставок, найденных с использованием численной процеду- ры оптимизации. Режим сильного резонансного поглощения со стороны нерегулярной границы наблюдается при большем уровне диэлектриче- ских потерь. В этом случае качественная модель [2] уже не пригодна для определения резонансных значений исследуемых характеристик. Анализ полей дифракции позволил уста- новить, что на резонансной частоте поле внутри вставки в основном формируется за счет высшей незатухающей волны. Если вставка оптимизиро- вана в режиме максимального поглощения при возбуждении из какого-либо одного плеча, то концентрация и интенсивность поля в объеме вставки существенно выше по сравнению со слу- чаем ее возбуждения из другого плеча. 1. Альтман Дж. Л. Устройства СВЧ / Пер. с англ. под ред. И. В. Лебедева. - М.: Мир, 1968. - 487 с. 2. Будурис Ж., Шеневье П. Цепи сверхвысоких частот (тео- рия и применение) / Пер. с франц. под ред. А.Л. Зиновье- ва. - М.: Сов. радио, 1979. - 288 с. 3. Sanchez M. C., Martin E., Zamarro J. M. Unified and simpli- fied treatment of techniques for characterising transmission, reflection or absorption resonators // Proc. Inst. Elect. Eng. Pt. H. - 1990. - 137, N 4. - P.209-212. 4. Bray J. R., Roy L. Measuring the unloaded, loaded, and exter- nal quality factors of one- and two-port resonators using scat- tering-parameter magnitudes at fractional power levels // Proc. Inst. Elect. Eng. Pt. H. - 2004. - 151, N4. - P.345-350. 5. Minakova L. B., Rud L. A. Resonance absorption in single and cascaded lossy waveguide-dielectric resonators // Microw. Opt. Technol. Lett. - 2003. - 36, N2. - P.122-126. 6. Минакова Л. Б., Рудь Л. А. Резонансное поглощение в волноводах, содержащих диэлектрические включения с потерями // Радиотехника и электроника. - 2004. - 49, №2. - С.141-146. 7. Шестопалов В. П., Кириленко А. А., Рудь Л. А. Волновод- ные неоднородности. - Киев: Наук. думка, 1986. - 216 с. - (Резонансное рассеяние волн: В 2-х т.: Т. 2). 8. Колесников В. С., Моденов В. П., Пирогов Ю. А., Свешни- ков А. Г. Резонансная дифракция волны Н10 на диэлектри- ческой неоднородности в Н-плоскости волновода // Ра- диотехника и электроника. - 1987. - 32, №9. - С.1841-1848. 9. Миттра Р., Ли С. Аналитические методы теории волно- водов. - М.: Мир, 1974. - 328 с. 10. Минакова Л. Б., Рудь Л. А. Свободные колебания волно- водно-диэлектрических резонаторов на отрезке частично- заполненного прямоугольного волновода // Радиофизика и электроника. - Харьков: Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины . - 1999. - 4, №3. - С.72-77. 11. Вайнштейн Л. А. Электромагнитные волны. - М.: Радио и связь, 1988. - 440 с. ABSORPTION IN WAVEGUIDE-DIELECTRIC RESONATORS WITH ONE-SIDE RECTANGULAR LEDGE L. A. Rud Features of resonance absorption in dielectric inserts, which one interface has a rectangular ledge and the other is perpendicular to rectangular waveguide walls, are studied. It is found that these resonator structures can provide a strong absorption of the domi- nant mode power from one port and a strong reflection from the other port. A possibility to use the known qualitative model for determining resonance values of the scattering and absorption coefficients is shown in the case of low-loss inserts. By the results of studying the scattered fields, a treatment of the resonance ab- sorption physical mechanism is proposed. Key words: resonance absorption, waveguide-dielectric resonator. ПОГЛИНАННЯ В ХВИЛЕВОДНО- ДІЕЛЕКТРИЧНИХ РЕЗОНАТОРАХ З ОДНОБІЧНИМ ПРЯМОКУТНИМ ВИСТУПОМ Л. А. Рудь Досліджено особливості резонансного поглинання у діелектричних вставках, у яких одна границя поділу середовищ має прямокутний виступ, а друга - перпендикулярна стінкам прямокутного хвилеводу. Знайдено, що такі резонансні струк- тури можуть сильно поглинати енергію основної хвилі з одного плеча та сильно відбивати з другого плеча. Показано можли- вість використання відомої якісної моделі для визначення резонансних значень коефіцієнтів розсіяння та поглинання для вставок з малими втратами. По результатам вивчення полів дифракції запропоновано фізичну інтерпретацію механі- зму резонансного поглинання в таких вставках. Ключові слова: резонансне поглинання, хвилевод- но-діелектричний резонатор. Рукопись поступила 23 февраля 2007 г.
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-10771
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1028-821X
language	Russian
last_indexed	2025-11-28T07:24:28Z
publishDate	2007
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
record_format	dspace
spelling	Рудь, Л.А. 2010-08-06T14:11:46Z 2010-08-06T14:11:46Z 2007 Поглощение в волноводно-диэлектрических резонаторах с односторонним прямоугольным выступом / Л.А. Рудь // Радіофізика та електроніка. — 2007. — Т. 12, № 2. — С. 299-305. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10771 621.372.8 Исследованы особенности резонансного поглощения и отражения в диэлектрических вставках, у которых одна из границ раздела сред имеет прямоугольный выступ, а другая - перпендикулярна стенкам прямоугольного волновода. Обнаружено, что такие резонансные структуры могут сильно поглощать энергию основной волны из одного плеча и сильно отражать из другого плеча. Показана возможность использования известной качественной модели для определения резонансных значений коэффициентов рассеяния и поглощения для вставок с малыми потерями. По результатам изучения полей дифракции предложена физическая интерпретация механизма резонансного поглощения в таких вставках. Досліджено особливості резонансного поглинання у діелектричних вставках, у яких одна границя поділу середовищ має прямокутний виступ, а друга - перпендикулярна стінкам прямокутного хвилеводу. Знайдено, що такі резонансні структури можуть сильно поглинати енергію основної хвилі з одного плеча та сильно відбивати з другого плеча. Показано можливість використання відомої якісної моделі для визначення резонансних значень коефіцієнтів розсіяння та поглинання для вставок з малими втратами. По результатам вивчення полів дифракції запропоновано фізичну інтерпретацію механізму резонансного поглинання в таких вставках. Features of resonance absorption in dielectric inserts, which one interface has a rectangular ledge and the other is perpendicular to rectangular waveguide walls, are studied. It is found that these resonator structures can provide a strong absorption of the domi-nant mode power from one port and a strong reflection from the other port. A possibility to use the known qualitative model for determining resonance values of the scattering and absorption coefficients is shown in the case of low-loss inserts. By the results of studying the scattered fields, a treatment of the resonance ab-sorption physical mechanism is proposed. ru Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України Электродинамика СВЧ Поглощение в волноводно-диэлектрических резонаторах с односторонним прямоугольным выступом Поглинання в хвилеводно-діелектричних резонаторах з однобічним прямокутним виступом Absorption in waveguide-dielectric resonators with one-side rectangular ledge Article published earlier
spellingShingle	Поглощение в волноводно-диэлектрических резонаторах с односторонним прямоугольным выступом Рудь, Л.А. Электродинамика СВЧ
title	Поглощение в волноводно-диэлектрических резонаторах с односторонним прямоугольным выступом
title_alt	Поглинання в хвилеводно-діелектричних резонаторах з однобічним прямокутним виступом Absorption in waveguide-dielectric resonators with one-side rectangular ledge
title_full	Поглощение в волноводно-диэлектрических резонаторах с односторонним прямоугольным выступом
title_fullStr	Поглощение в волноводно-диэлектрических резонаторах с односторонним прямоугольным выступом
title_full_unstemmed	Поглощение в волноводно-диэлектрических резонаторах с односторонним прямоугольным выступом
title_short	Поглощение в волноводно-диэлектрических резонаторах с односторонним прямоугольным выступом
title_sort	поглощение в волноводно-диэлектрических резонаторах с односторонним прямоугольным выступом
topic	Электродинамика СВЧ
topic_facet	Электродинамика СВЧ
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10771
work_keys_str_mv	AT rudʹla pogloŝenievvolnovodnodiélektričeskihrezonatorahsodnostoronnimprâmougolʹnymvystupom AT rudʹla poglinannâvhvilevodnodíelektričnihrezonatorahzodnobíčnimprâmokutnimvistupom AT rudʹla absorptioninwaveguidedielectricresonatorswithonesiderectangularledge

Поглощение в волноводно-диэлектрических резонаторах с односторонним прямоугольным выступом

Institution

Ähnliche Einträge