МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СВЧ – ИЗЛУЧЕНИЯ В СТРУКТУРИРОВАННЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

PROPAGATION MODELING MICROWAVE – RADIATION IN A STRUCTURED DIELECTRIC SYSTEMS

Dzmitry Zayerka

the senior lecturer of Chair Electrical engineering and Electronics, Yanka Kupala State University of Grodno,

Belarus, Grodno

Dzmitry Khatsuk

the senior lecturer of Chair Electrical engineering and Electronics, Yanka Kupala State University of Grodno,

Belarus, Grodno

Andrei Samarodau

the senior lecturer of Chair Electrical engineering and Electronics, Yanka Kupala State University of Grodno,

Belarus, Grodno

Kalosha Liubou

teacher of Educational Establishment “Grodno State College of engineering, technology and design”,

Belarus, Grodno

Viktoryia Kovtun-Kuszhel

the senior lecturer of Chair Electrical engineering and Electronics, Yanka Kupala State University of Grodno,

Belarus, Grodno

АННОТАЦИЯ

В настоящей работе будут промоделированы особенности взаимодействия электромагнитных волн СВЧ-диапазона в сложно структурированных диэлектрических системах с целью изучения возможностей управления рассеянием электромагнитных волн и разработки новых принципов построения компонентов СВЧ – электроники.

ABSTRACT

In this of the research we will be modeled features of the interaction of electromagnetic waves in the microwave range of complex structured dielectric systems to study the scattering of electromagnetic waves management capabilities and the development of new principles of microwave components – electronics.

Ключевые слова: СВЧ – диапазон, диэлектрические структуры, диаграмма направленности.

Keywords: UHF – range, dielectric structures, the direction diagrams.

Введение. В данной работе представлены результаты моделирования пространственных характеристик периодических диэлектрических структур при воздействии на них СВЧ поля, основанных на использовании программного пакета CST Microwave Studio. Моделирование с помощью данного продукта предназначено для быстрого и точного численного моделирования высокочастотных устройств, таких как антенны, фильтры, ответвители мощности, планарные и многослойные структуры.

Для проведения моделирования использовались модели матриц, состоящих из набора круглых диэлектрических стержней (ε=3) 4×4, 6×6, 9×9 [3]. Диапазон частот 7,5–10,5 ГГц. Исследовались диаграммы направленности прошедшей и отраженной волн.

Результаты расчета рассеяния электромагнитных волн в периодических структурах на основе полых диэлектрических стержней.

Модель исследуемой структуры для различного количества стержней представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Модель исследуемой структуры. Периодическая структура со стержнями из оргстекла с различным количеством стержней: а – 4×4, б – 6×6, в – 9×9

На рисунке 2 представлены результаты моделирования периодической структуры со стержнями из оргстекла с количеством стержней: а – 4×4, б – 6×6, в – 9×9.

Исследуемые объекты облучаются СВЧ-излучением с использованием рупорной антенны. Угол падения излучения равен 0⁰.

В целях создания условий падения на структуру плоской электромагнитной волны, расстояние от антенны до облучаемой структуры выбирается таким образом, чтобы структура находилась в ближней зоне антенны [1; 2].

В случае увеличения длины стержней происходит постепенное уменьшение амплитуды прошедшего и увеличение амплитуды отраженного излучения.

Внешний диаметр полых диэлектрических стержней составляет 8 мм (λ/4), внутренний диаметр 7 мм. При увеличении внешнего диаметра стержней, как и при уменьшении внешнего диаметра менее 4 мм и внутреннего диаметра менее 3 мм наблюдается исчезновение направляющих свойств периодической структуры и увеличение амплитуды отраженного излучения.

Шаг расположения стержней в структуре 150 мм (λ/2). При изменении его значения наблюдается потеря периодической структурой направляющих свойств.

Размер периодической структуры в поперечном сечении составляет от 3λ до 6λ. Если перечисленные условия нарушаются, то направляющие свойства структуры исчезают и структура проявляет свойства сплошного диэлектрика.

Рисунок 2. Диаграмма направленности структуры со стержнями из оргстекла. Периодическая структура со стержнями из оргстекла с различным количеством стержней: а – 4×4, б – 6×6, в – 9×9

Периодические структуры состоящие из набора 4×4 полых стержня из органического стекла (ε=3) и менее не обладают необходимыми направляющими свойствами для СВЧ-излучения. На диаграммах направленности такой структуры не наблюдается увеличения амплитуды или проявления направляющих свойств для прошедшего сигнала. В случае увеличения структуры до размеров 6 × 6 стержней наблюдается увеличение амплитуды прошедшего через структуру и отраженного от структуры сигналов для угла падения СВЧ-излучения 0 градусов (рисунок 2б).

Следствием дальнейшего увеличения количества стержней периодической структуры, с сохранением той же периодичности их расположения, является заметное увеличение амплитуды излучения прошедшего через структуру 9×9 элементов сравнительно со структурой 6×6 элементов, а так же направляющих свойств структуры. Для отраженного от структуры излучения так же заметно увеличение амплитуды.

Дальнейшее увеличение количества диэлектрических стержней не приводит к сужению лепестковой диаграммы прошедшего через структуру СВЧ-излучения и наблюдается только увеличение его амплитуды. Направляющие свойства периодической структуры для прошедшего через нее излучения остаются неизменными. Отраженный сигнал продолжает увеличение амплитуды, по сравнению со случаем меньшего числа диэлектрических стержней.

Выводы. На основании анализа результатов моделирования периодических структур с представленными выше параметрами можно подтвердить возможность создания периодической структуры, обладающей направляющими свойствами в СВЧ-диапазоне. Увеличение амплитуды прошедшего излучения через периодическую структуру на основе полых диэлектрических стержней с заданными параметрами, а также сужение лепестковой диаграммы прошедшего излучения, позволяет выдвинуть предположение о возможности использования подобной структуры в качестве направляющей системы.

Заключение. Данные исследования важны с практической точки зрения для выявления дополнительных возможностей контроля рассеяния и локализации электромагнитного излучения СВЧ диапазона, что необходимо при разработке новых материалов и функциональных элементов для микроволновой техники и радиофизики.

Список литературы:

1. Баскаков С.И. Электродинамика и распространение радиоволн: учеб. пособие для вузов по «Радиотехнике» / С.И. Баскаков – М.: – Высш. шк, – 1998. – 416 с.
2. Гапоненко С.В. Оптика наноструктур / С.В. Гапоненко [и др.]; под общ. ред. А.В Федорова. – Минск: Недра, 2005. – 325 с.
3. Рычков Ю.М., Акимов А.И., Василевич А.Е. и др. // Докл. НАН Беларуси. 2010. Т. 54, № 1. С. 50–53.