Національний технічний університет України
Національний технічний університет України
”Київський політехнічний інститут”
Івкін Павло Віталійович
УДК 621.317.78
МЕТОД ВИМІРЮВАННЯ ПРОХІДНОЇ ПОТУЖНОСТІ В БАГАТОМОДОВИХ ХВИЛЕВОДАХ ГАЛЬВАНОМАГНІТНИМИ ПЕРЕТВОРЮВАЧАМИ
Спеціальність 05.12.07
Антени та пристрої мікрохвильової техніки
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук
Київ – 2003
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі теоретичних основ радіотехніки Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” (НТУУ “КПІ”) Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Вунтесмері Володимир Семенович, НТУУ “КПІ” (м. Київ), доцент кафедри теоретичних основ радіотехніки
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Скорик Євген Тимофійович, ЦНДІ навігації і управління (м. Київ), провідний науковий співробітник
кандидат технічних наук, Дзюба Валентин Павлович, Спеціальне конструкторське бюро “Спектр” Мінпромполітики України (м. Київ), в.о. директора
Провідна установа: Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, кафедра прикладної електродинаміки Міністерства освіти і науки України (м. Харків)
Захист відбудеться 23.12.2003 р. о 15 г. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.14 у Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги 37, тел. 241–76–62
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”
Автореферат розісланий 21.11.2003 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Уривський Л. О.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. При розробці радіоелектронних пристроїв, які використовують багатомодові хвилеводи, виникає необхідність вимірювання прохідної потужності у них. Вимірювання прохідної потужності в багатомодових хвилеводах необхідне, наприклад, при розробці установок технологічного нагрівання, де багатомодовість забезпечує рівномірніший розподіл енергії електромагнітного поля по об'єкту, що нагрівається; у хвилеводах зі збільшеними розмірами поперечного перерізу, при передачі великих рівней потужності; при дослідженні побічних коливань електровакуумних приладів НВЧ; при дослідженні збуджувачів типів хвиль, що забезпечують багатомодовість у хвилеводі; в антенах, побудованих на основі багатомодових хвилеводів. Контроль потужності в багатомодових хвилеводах необхідний і для усунення негативних явищ, пов'язаних з виникненням “паразитних” гармонічних складових на нелінійних активних елементах.
Існуючі методи вимірювання прохідної потужності в багатомодовому хвилеводі можна розділити на дві групи: зондові методи і методи з використанням відгалужувачів. Основними недоліками зондових методів є складність конструктивної реалізації і необхідність у великій кількості зондів. Основними недоліками методів з використанням відгалужувачів є громіздкість і складність конструкції вимірювальної системи та те, що вони розраховані переважно на тракти з узгодженим навантаженням.
Для усунення зазначених недоліків пропонується використовувати для вимірювання прохідної потужності в багатомодовому хвилеводі гальваномагнітні перетворювачі електромагнітного поля (далі - гальваномагнітні перетворювачі), в яких вихідний сигнал пропорційний середньому за період значенню вектора Пойнтинга в точці розташування гальваномагнітного перетворювача.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи є традиційною для кафедри теоретичних основ радіотехніки і логічно продовжує роботи як з дослідження хвилеводів у багатомодовому режимі, так і з вимірювання потужності гальваномагнітними перетворювачами, які вперше були запропоновані і досліджені на радіотехнічному факультеті НТУУ ”КПІ”.
Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є розробка методу вимірювання прохідної потужності в багатомодових хвилеводах з використанням гальваномагнітних перетворювачів.
Поставлена мета вимагає вирішення наступних задач:
- аналіз методів вимірювання прохідної потужності в багатомодових хвилеводах;
- аналіз розподілу густини потоку потужності в двомодовому і багатомодовому хвилеводах;
- отримання залежності напруги гальваномагнітного перетворювача від густини потоків потужності хвиль, що поширюються в двомодовому і багатомодовому хвилеводах;
- вимірювання прохідної потужності в двомодовому і багатомодовому хвилеводах з використанням гальваномагнітних перетворювачів;
- визначення складової похибки вимірювання, пов'язаної з неточністю розташування гальваномагнітних перетворювачів у поперечному перерізі двомодового хвилеводу;
- визначення коефіцієнтів матриці розсіювання гальваномагнітних перетворювачів у двомодовому хвилеводі;
- розроблення експериментального стенду і проведення вимірювання прохідної потужності в двомодовому хвилеводі гальваномагнітними перетворювачами.
Об’єкт та предмет дослідження. Об'єктом дослідження дисертації є електромагнітне поле в багатомодовому хвилеводі. Предметом дослідження є прохідна потужність електромагнітного поля.
Методи дослідження. Загальний метод дослідження можна визначити як теоретико-експериментальний. У роботі було використано: теорію лінійних рівнянь; тензорний аналіз (при описі властивостей гальваномагнітних перетворювачів); метод малих збурень (при визначенні матриці розсіювання гальваномагнітних перетворювачів); математичну статистику (при обробці експериментальних результатів).
Наукова новизна отриманих результатів. У роботі вперше теоретично й експериментально досліджено можливість застосування гальваномагнітних перетворювачів для вимірювання прохідної потужності в багатомодовому прямокутному хвилеводі.
Наукова новизна полягає в наступному:
- на основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень розроблено метод вимірювання прохідної потужності в багатомодовому хвилеводі, що відрізняється від традиційного багатозондового методу використанням гальваномагнітних перетворювачів;
- отримана залежність напруги гальваномагнітного перетворювача від густини потоків потужності хвиль, що поширюються в багатомодовому і зокрема в двомодовому хвилеводах;
- проведено вимірювання прохідної потужності в двомодовому хвилеводі гальваномагнітними перетворювачами;
- визначено складову похибки вимірювання, пов'язану з неточністю розташування гальваномагнітних перетворювачів у поперечному перерізі двомодового хвилеводу.
Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному. У роботі запропоновано метод вимірювання прохідної потужності, який можна використовувати в технологічних процесах, де необхідно оперативно контролювати прохідну потужність в багатомодовому хвилеводі, не перериваючи технологічний процес передавання потужності. На основі теоретичних дослід-жень розроблено конструкцію вимірювача прохідної потужності в двомодовому хвилеводі. При вимірюванні як сумарної прохідної потужності, так і вибірково по типах хвиль, вимірювану величину можна визначати без додаткових математичних обчислень по показанням вольтметра, безпосередньо з’єднаного з гальваномагнітними перетворювачами і проградуйованого в одиницях вимірювання потужності.
Особистий внесок здобувача. Основні положення і результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Без співавторів написана стаття [2] і зроблено дві доповіді на конференції та семінарі. У статті [1] автору належить опис конструкції та принципу роботи гальваномагнітного перетворювача з підвищеною чутливістю, у статті [3] - виведення формул залежності напруги гальваномагнітних перетворювачів від густини потоків потужності типів хвиль, у статті [4] – виведення формул та аналіз результатів, у статті [5] – виведення формул, в оформленні патенту [6] – формула винаходу, опис конструкції та принципу роботи вимірювача потужності.
Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи представлялися й обговорювалися на II Міжнародній конференції “Радіотехніка і молодь у XXI столітті” (Харків, 1998), III Міжнародній конференції з теорії і техніки антен (Севастополь, 1999) та Міжнародному семінарі “Мікрохвильові установки та технології-2001” (Київ, 2001).
Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 7 наукових праць, з них 5 статей [1–5] в провідних фахових виданнях та 1 патент на винахід [6]. Доповідь на III Міжнародній конференції з теорії і техніки антен опубліковано в матеріалах конференції [7].
Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Повний обсяг дисертації – 138 сторінок, 39 ілюстрацій, 6 таблиць. Список використаних літературних джерел складає 93 найменування на 10 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ
У вступі обґрунтовано актуальність проблеми досліджень, сформульовано мету та завдання досліджень, об’єкт та предмет досліджень, визначено наукову новизну, практичне значення отриманих результатів, подано посилання на публікації, викладено структуру дисертації.
У першому розділі розглядаються відомі методи вимірювання потужності в багатомодових хвилеводах. Серед цих методів виділено декілька основних: метод, що ґрунтується на використанні спрямованих відгалужувачів, метод з використанням хвилеводного розділювача коливань, метод часткового відбору типів хвиль, багатозондовий метод з використанням феритових резонаторів та багатозондовий метод з використанням електричних зондів. За принципом конструктивного рішення вказані методи поділено на дві групи. До першої групи відносяться методи, що використовують відгалужувачі чи перетворювачі типів хвиль, а до другої групи – багатозондові методи.
В основі першої групи методів лежить просторовий поділ основного і побічного коливань або просторовий поділ типів хвиль. У конструкціях вимірювальних систем цієї групи перетворювачі й відгалужувачі можуть виділяти або один тип хвилі, або групу хвиль, з наступним перетворенням в один тип хвилі. Основним недоліком цих методів є те, що конструкції вимірювальних систем досить складні і громіздкі. Такі вимірювачі дозволяють досліджувати невелику кількість типів хвиль, і їх складно пристосувати для роботи на неузгоджене навантаження.
Друга група методів вимірювання прохідної потужності припускає зондування поля в багатомодовому хвилеводі в декількох точках. Зонди виготовляються або у вигляді електричних штирів, які розташовують по периметру поперечного перерізу хвилеводу в декількох перерізах, або на основі феритових резонаторів, які розміщують у визначених точках поперечного перерізу хвилеводу. Використовуючи показання зондів, складають систему рівнянь, з яких визначають амплітуди і фази напруженостей хвиль усіх типів. З цих величин знаходять потужність хвилі кожного типу. Для визначення амплітуд і фаз напруженностей електричного поля N типів хвиль потрібно 4N зондів. Одержавши сигнали зондів, вирішують систему 4N рівнянь, правою частиною яких є масив отриманих сигналів. Після визначення амплітуди і фази напруженостей електричного поля визначають прохідну потужність кожної хвилі по співвідношеннях між потужністю й амплітудами та фазами напруженостей електромагнітного поля. Багатозондові методи дозволяють досліджувати тракти з неузгодженим навантаженням. Але для їхньої реалізації використовується велика кількість складних по конструкції зондів.
Проведений аналіз методів вимірювання прохідної потужності в багатомодових хвилеводах дозволяє виділити основні недоліки цих методів: складність конструктивної реалізації, робота переважно на узгоджене навантаження, необхідність у великій кількості зондів. З метою усунення вказаних недоліків, в даній роботі пропонується використовувати гальваномагнітні перетворювачі для вимірювання потужності в багатомодових хвилеводах.
У другому розділі описано властивості гальваномагнітних перетворювачів, що дозволяють використовувати їх для вимірювання прохідної потужності.
Гальваномагнітні перетворювачі електромагнітного поля реалізовані на основі тонких феромагнітних плівок. Гальваномагнітні явища в таких плівках дозволяють використовувати їх для вимірювання прохідної НВЧ-потужності. Сигнал гальваномагнітного перетворювача пропорційний добутку електричної та магнітної складових електромагнітного поля та косинусу зсуву фаз між ними, тобто він пропорційний середньому за період значенню вектора Пойнтинга в точці розташування перетворювача. Поряд з високою швидкодією гальваномагнітні перетворювачі мають малу величину випрямляючого ефекту, малу термо-ЕРС, добру технологічність виготовлення та дозволяють вимірювати прохідну потужність при малому збуренні поля в лінії передачі. Крім того, гальваномагнітні перетворювачі мають вибіркові властивості за частотою і можуть легко настроюватися зміною постійного поля підмагнічування.
Створені на даний час гальваномагнітні перетворювачі мають такі параметри: коефіцієнт перетворення 10-30 мкВ/Вт, максимально припустима потужність розсіювання 100 мВт, швидкодія -9 с, динамічний діапазон 30...40 дБ при максимальній потужності в одномодовому хвилеводі ...10 кВт, нелінійність вольт-ватної характеристики ±(5...10)%. Чутливі елементи перетворювачів виготовляються груповим методом, що забезпечує високу повторюваність параметрів.
Перетворювачі електромагнітного поля, побудовані на основі гальваномагнітних явищ, у даний час знаходять застосування у вимірювачах прохідної потужності середнього та високого рівнів у лініях передачі з неузгодженим навантаженням на низьких і високих частотах, у фазових детекторах НВЧ, у вимірювачах параметрів плазми при технологічних операціях плазмохімічного травлення, як квадратичні детектори Е- та Н-складових електромагнітного поля. Однак, застосування таких перетворювачів для дослідження прохідної потужності в багатомодових хвилеводах не розглядалося. Цьому питанню присвячена дана дисертація.
В третьому розділі розглянуто найпростіший випадок багатомодового режиму, коли в хвилеводі поширюються тільки два типи хвиль Н10 і Н20. Необхідно визначити прохідну потужність хвилі кожного типу та сумарну потужність, використовуючи гальваномагнітні датчики. Напруга такого датчика, як уже зазначалося, пропорційна вектору Пойнтинга в точці розташування перетворювача. Для визначення прохідної потужності знайдено розподіл поздовжньої складової середнього за період значення вектора Пойнтинга (далі – вектора Пойнтинга):
()
де
, ()
, ()
. ()
Величини А і В – це максимальні значення векторів Пойнтинга хвиль Н10 і Н20. Величина С – сума добутків виду Eyi0Hxj0, де i?j; i,j=1,2. Величини і – амплітуди та фази напруженостей електричного поля обох типів хвиль. Верхній індекс “+” відповідає падаючій хвилі, а індекс “-” – відбитій, Гm0 і Wm0 – коефіцієнт поширення і хвильовий опір хвилі типу Нm0 (m=1, 2) відповідно.
На рис. 1 наведено розподіли амплітуд напруженостей електричного поля і поздовжньої складової вектора Пойнтинга як функцій координат x та z. На рис. 1, а) ліворуч показано розподіл амплітуди напруженості сумарного електричного поля в двомодовому хвилеводі. На рис. 1, а) праворуч показано той же розподіл у вигляді контурних ліній, що відповідають однаковому
значенню амплітуди напруженості. Світліші ділянки відповідають більшому значенню амплітуди, а темніші – меншому значенню амплітуди. Побудований на рис. 1, а) розподіл відповідає випадку, коли у хвилеводі поширюються як падаючі, так і відбиті хвилі обох типів, тобто навантаження є неузгодженим для обох типів хвиль.
Відзначимо, що коли хвилеводом поширюється тільки один тип хвилі (Н10 чи Н20), як при узгодженому, так і при неузгодженому навантаженні, то розподіл потужності не залежить від поздовжньої координати хвилеводу. Коли у хвилеводі поширюються обидва типи хвиль, з'являються коливання густини потоку потужності уздовж хвилеводу навіть при узгодженому навантаженні, коли хвилеводом поширюються тільки падаючі хвилі типів Н10 і Н20, (див. рис. 1, б). Ці коливання виникають завдяки різниці сталих поширення двох типів хвиль. Якщо крім падаючих хвиль з'являється ще і відбита хвиля будь-якого чи обох типів хвиль, то утворюються ще частіші коливання, обумовлені сумою сталих поширення двох типів хвиль (див. рис. , в).
Незважаючи на складність процесів у багатомодовому хвилеводі, використання гальваномагнітного перетворювача призводить до досить простої конструктивної реалізації методу вимірювання прохідної потужності.
Визначення прохідної потужності вибірково за типами хвиль у двомодовому хвилеводі. Для рішення цієї задачі три гальваномагнітних перетворювачі розташовуються на широкій стінці хвилеводу в одному поперечному перерізі, в точках з координатами хi. Використовуючи напруги гальваномагнітних перетворювачів, можна скласти систему рівнянь:
()
та з неї визначити максимальні величини потоків потужності хвилі кожного типу А і В. Кi – коефіцієнти пропорційності перетворювачів. Прохідна потужність кожної хвилі визначається виразами:
Р10=, Р20=. ()
Система (5) легко обчислюється за допомогою ЕОМ, а при особливому розташуванні та з’єднанні близьких по параметрам перетворювачів можна обійтися й без ЕОМ, зчитуючи величину прохідної потужності з вольтметра, під’єднаного до перетворювачів і проградуйованого в одиницях вимірювання потужності. Відзначається, що при використанні електричних зондів знадобилося б, принаймні, вісім таких зондів.
Визначення сумарної прохідної потужності в двомодовому хвилеводі. Інтегруванням вектора Пойнтинга (1) по площі поперечного перерізу хвилеводу одержимо сумарну прохідну потужність у двомодовому хвилеводі:
, ()
де – площа поперечного перерізу хвилеводу.
Сумарну прохідну потужність можна визначити за допомогою трьох гальваномагнітних перетворювачів, якщо розташувати їх у точках з координатами хi, рівними а/6, а/2, 5а/6 або а/4, а/2, 3а/4. Якщо коефіцієнти всіх гальваномагнітних перетворювачів однакові і дорівнюють одиниці, то сума напруг перетворювачів дорівнюватиме або 2(А+В), відповідно до варіантів розміщення. Тобто, в обох випадках сума напруг перетворювачів пропорційна сумарній прохідній потужності.
Таким чином, систему з трьох однакових гальваномагнітних перетворювачів можна використовувати для вимірювання як сумарної прохідної потужності, так і вибірково за типами хвиль. При розташуванні перетворювачів в точках з координатами х1=а/4, х2=а/2, х3=3а/4, прохідну потужність кожної хвилі можна визначити, з'єднуючи гальваномагнітні перетворювачі послідовно між собою та вольтметром.
Конструкція системи для вимірювання прохідної потужності в двомодовому хвилеводі показана на рис. 2. Для вимірювання сумарної прохідної потужності, що поглинається навантаженням 3 (не обов'язково узгодженим), перетворювачі 2 з'єднуються послідовно між собою. З них знімається напруга, пропорційна прохідній потужності сумарного
електромагнітного поля. Шкала вольтметра 4 відповідним чином градуюється в одиницях вимірювання потужності. Для вимірювання прохідної потужності хвилі Н10 вольтметр під’єднується тільки до середнього гальваномагнітного перетворювача, а для вимірювання прохідної потужності хвилі Н20 перетворювачі з'єднуються між собою і вольтметром так, як показано на рис. 3.
Якщо використовувати гальваномагнітні перетворювачі для вимірювання тільки сумарної прохідної потужності в двомодовому хвилеводі, то для цього досить двох гальваномагнітних перетворювачів, розташованих у точках з координатами хі, які дорівнюють а/3 і 2а/3. У цьому випадку сума напруг датчиків дорівнює 3(А+В)/2 і конструкція вимірювальної системи спрощується за рахунок використання двох перетворювачів замість трьох.
У цьому ж розділі проведено аналіз складової похибки, пов’язаної з неточністю розташування перетворювачів по координаті х на широкій стінці хвилеводу. Було знайдено розв’язок системи рівнянь (5) в явному вигляді і виведено похибки визначення величин А і В в залежності від неточності розташування перетворювачів по координаті х. При цьому передбачалося, що перетво-
рювачі розташовуються в одному поперечному перерізі, на широкій стінці хвилеводу, симетрично до її середини: один перетворювач у середині широкої стінки, а два інших – з боків, симетрично до центрального перетворювача.
Похибки визначення величин А і В такі:
;
,
де ?х – похибка розташування перетворювачів по координаті х, d – відстань від середини широкої стінки до точки розташування бокового перетворювача.
Оскільки прохідна потужність хвилі Н10 визначається по напрузі центрального перетворювача, то складова похибки, яка розглядається, залежить від неточності розташування лише середнього перетворювача. Графік залежності похибки визначення прохідної потужності хвилі Н20 (величини В) від величини d при визначеній неточності розташування перетворювачів по координаті х наведено на рис. 4. Отже, при розташуванні перетворювачів у точках хі=а/4, а/2, 3а/4 похибка визначення прохідної потужності хвилі типу Н20, пов’язана з неточністю встановлення перетворювачів по координаті х, є близькою до мінімальної.
Таким чином, переваги використання гальваномагнітних перетворювачів для вимірювання прохідної потужності в двомодовому хвилеводі, наступні: значно спрощується конструкція вимірювальної системи, зменшується кількість датчиків (при вимірюванні потужності в двомодовому хвилеводі за допомогою багатозондової секції знадобилося б вісім зондів) і зменшується обсяг математичних обчислень.
У четвертому розділі описано експеримент з вимірювання прохідної потужності в двомодовому хвилеводі. Мета експериментальних досліджень – показати практичну можливість вимірювання прохідної потужності в двомодовому хвилеводі за допомогою гальваномагнітних перетворювачів і порівняти отримані результати з результатами вимірювання за допомогою спрямованих відгалужувачів типів хвиль.
У спрощеному виді схему вимірювальної установки показано на рис. 5. Вимірювання проводилися в двомодовій секції, яка являє собою відрізок хвилеводу 48?10 мм2, у якому на одній із широких стінок у двох поперечних перерізах зроблено отвори під розмір перетворювача. Два перетини взяті для того, щоб показати незалежність вимірювань у будь-якому поперечному перерізі, тобто прохідна потужність хвилі в будь-якому поперечному перерізі повинна бути однакова. У кожному поперечному перерізі – по три отвори, розташовані на широкій стінці хвилеводу на відстані (а/4) один від одного. Система збудження дає можливість збуджувати в хвилеводі обидва типи хвиль і змінювати їх співвідношення за амплітудою.
Для уникнення неідентичності гальваномагнітних перетворювачів використовувався один перетворювач, який по черзі переставлявся з одного отвору в інший. Напруга, яка знімалася з перетворювача за допомогою екранованої витої пари проводів, вимірювалася цифровим нановольтметром. Спеціально для даної двомодової секції була сконструйована система підмагнічування, яка дозволяла настроювати гальваномагнітний перетворювач у кожному отворі.
Для вимірювання потужності на виході відгалужувачів застосовувався ватметр М3-56 класу 4/0,1. При роботі з хвилеводно-коаксіальним переходом основна похибка приладу складає ±[10+0,1(Рк/Рх-1)]%, де Рк – максимальна величина, Рх – показання приладу. Для вимірювання напруги гальваномагнітного перетворювача використовувався цифровий нановольтметр В2-38 класу 2,5/0,1. Похибка такого вольтметра дорівнює ±[2,5+0,1(Рк/Рх-1)]%.
Спочатку проводилося настроювання магнітної системи і калібровка датчика при збудженні в хвилеводі окремих типів хвиль. Далі в хвилевод подавали обидва типи хвиль і декілька разів вимірювали напругу на перетворювачі, розташованому у різних точках хвилеводу. Після цього дані статистично оброблялися для визначення прохідних потужностей.
Результати вимірювань наведені на рис.6. Перша група стовпчиків показує величину прохі
дної потужності хвилі Н10, друга – Н20, третя – величину сумарної прохідної потужності обох типів хвиль. Результати вимірювань за допомогою гальваномагнітного перетворювача добре узгоджуються з результатами вимірювань спрямованими відгалужувачами. Крайнє відхилення від вимірювань відгалужувачами дорівнює 7,5%, що складає не більше 0,3 дБ, і лежить у межах основної похибки вимірювання використаних ватметрів.
У п’ятому розділі виведено коефіцієнти матриці розсіювання гальваномагнітних перетворювачів у двомодовому хвилеводі. Дана задача розв’язувалася для того, щоб оцінити вплив гальваномагнітного перетворювача на вимірювані величини прохідних потужностей хвиль обох типів.
Чутливий елемент гальваномагнітного перетворювача являє собою феромагнітну плівку прямокутної форми довжиною l, шириною h і товщиною d. Для обраного матеріалу перетворювача товщина d набагато менша товщини скін-шару. В першому наближенні феромагнітну плівку перетворювача можна уявити у формі еліпсоїда з напівосями l/2, h/2, d/2 з провідністю ?. Розміри плівки гальваномагнітного перетворювача дуже малі порівняно з довжиною хвилі і з розмірами хвилеводу, тому можна використовувати теорію збудження хвилеводу елементарним диполем. Гальваномагнітний перетворювач розміщений на широкій стінці хвилеводу у точці з координатою х1.
Розглядалося падіння первинного електромагнітного поля , двох типів хвиль у двомодовому хвилеводі на гальваномагнітний перетворювач. Електромагнітне поле, яке взаємодіє з перетворювачем, наводить у ньому електричний струм густиною jy. Завдяки наведеному у перетворювачі струму, у хвилеводі, крім первинного електромагнітного поля, з'являється вторинне чи перевипромінене перетворювачем поле (поле розсіювання) , .
Для рішення задачі використовувалася теорія малих збурень, відповідно до якої передбачається мале збурення власних функцій і мала величина перевипроміненого перетворювачем поля у хвилеводі в порівнянні з амплітудою первинного електромагнітного поля. Тому струм перетворювача визначається в першому наближенні тільки первинним (незбуренним) електромагнітним полем у точці розташування перетворювача.
Таким чином, густина електричного струму гальваномагнітного перетворювача визначається добутком сумарного електричного поля в хвилеводі та питомої провідності плівки:
,
де – комплексні амплітуди напруженості електричного поля прямих та зворотних хвиль типів Н10 и Н20.
Далі розв’язувалася задача збудження хвилеводу заданим струмом. Перевипромінюване поле ліворуч і праворуч від області розташування гальваномагнітного перетворювача представлялося у вигляді накладення власних типів хвиль:
, z=0, , z=L,
де Есi та Hсi – комплексні амплітуди векторів Е та Н власної хвилі типу i; індекс “+” – напрямок уздовж вісі z, а індекс “-” – проти, L – довжина області розташування гальваномагнітного перетворювача. Індекс “i” – номер набору чисел m, n.
Серед цих власних типів хвиль тільки деякі переносять енергію, поширюючись без згасання. Для всіх інших типів хвиль частота буде нижчою за критичну, тобто вони не переносять енергію і експоненціально згасають. Відстань від джерела струму до поперечних перерізів, що розглядаються, вважаємо достатньою для того, щоб не враховувати в розрахунках загасаючі типи хвиль. Тому в рядах враховувалися тільки хвилі, що поширюються в хвилеводі.
Двомодовий хвилевід із плівкою можна уявити як багатополюсник з одномодовими входами. Кожен полюс відповідає визначеному типу хвиль, що поширюються у напрямку до багатополюсника (падаюча хвиля) чи від багатополюсника (відбита хвиля, див. рис. 7), де – нормована напруга хвилі, що біжить, яка визначається по формулі:
.
Коефіцієнти матриці розсіювання визначали як відношення нормованих напруг хвиль, що виходять з багатополюсника , до нормованої напруги єдиної падаючої хвилі , тобто за умови відсутності падаючих хвиль на всіх інших входах: , де m, n, p=1,2,3,4 – номера входів (див. рис. 7).
, ,
, ,
, ,
, .
Оскільки багатополюсник симетричний, то , , , , , , , . Приведені вище формули придатні тільки при малих збуреннях поля електромагнітним перетворювачем.
Після підставлення розмірів і параметрів плівки (а=0.048 м, b=0.01 м, f=9.3 ГГц, d=4·10-9 м, h=3·10-3 м, l=2·10-3 м, ?=107 См/м) отримано такі значення коефіцієнтів матриці розсіювання в залежності від координати розміщення перетворювача на широкій стінці:
х1 | S11 | S21 | S31 | S41 | S12 | S22 | S32 | S42
3а/4 | 0.052 | -0.084 | 0.948 | -0.084 | -0.084 | 0.133 | -0.084 | 0.867
2а/4 | 0.105 | 0.000 | 0.895 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 1.000
а/4 | 0.052 | 0.084 | 0.948 | 0.084 | 0.084 | 0.133 | 0.084 | 0.867
З розрахунків видно, що вплив перетворювача на структуру поля невеликий. Найбільший вплив на структуру поля вчиняє перетворювач, розташований на відстані а/4 від центра. При цьому потужність відбитої хвилі Н20 становить (0.133)2·100=1.8% чи дБ потужності падаючої хвилі Н20.
Аналогічним чином визначалися коефіцієнти матриці розсіювання системи з трьох гальваномагнітних перетворювачів, розташованих у точках хі=а/4, а/2, 3а/4. При цьому, з урахуванням малих збурень поля гальваномагнітними перетворювачами, малося на увазі, що перевипромінене поле являє собою суму полів, перевипромінених кожним гальваномагнітним перетворювачем окремо. У цьому випадку знайдені коефіцієнти матриці розсіювання визначаються наступними виразами:
,,,,
, , , .
При колишніх розмірах хвилеводу і параметрах перетворювачів були отримані наступні значення коефіцієнтів матриці розсіювання трьох гальваномагнітних перетворювачів, розташованих у точках хі=а/4, а/2, 3а/4:
S11 | S21 | S31 | S41 | S12 | S22 | S32 | S42
0.210 | 0.000 | 0.790 | 0.000 | 0.000 | 0.267 | 0.000 | 0.733
Результати розрахунків показують, что вплив гальваномагнітних перетворювачів на структуру поля невеликий. Найбільший вплив система з трьох гальваномагнітних перетворювачів робить на передавання і відбиття хвилі типу Н20. При цьому потужність відбитої хвилі Н20 складає (-0.267)2·100=7.1% або 10·lg(1-0.2672)=-0.32 дБ потужності падаючої хвилі Н20. У порівнянні з відхиленнями, отриманими при експериментальних дослідженнях, приведена величина складає невелику частину від загальної похибки. Крім того, при такому розташуванні гальваномагнітних перетворювачів уникнено перетворення типів хвиль.
У шостому розділі розглянуто загальний випадок визначення прохідної потужності у багатомодовому хвилеводі гальваномагнітними перетворювачами.
Типи хвиль у прямокутному хвилеводі розділено на дві групи. До першої групи відносяться хвилі типу Нm0 і H0n (m=1…mmах; n=1…nmах). До другої групи відносяться пари вироджених типів хвиль Еmn і Нmn, у яких однакове сполучення індексів mn. Передбачалося, що потужність переноситься всіма типами хвиль, які поширюються у хвилеводі.
Система рівнянь, що враховує напруги на гальваномагнітних перетворювачах має наступний вигляд:
при розташуванні перетворювачів на широкій стінці:
, j=1…NW; (14)
при розташуванні датчиків на вузькій стінці:
, j=1…NN; (15)
де mmах – кількість хвиль типу Нm0; nmах – кількість хвиль типу Н0n; L – кількість пар вироджених типів хвиль, NW і NN – кількість перетворювачів на широкій та вузькій стінках хвилеводу відповідно.
Величини в лівій частині систем (14 і 15) – це напруги датчиків, розташованих у точках з координатами xj. Величини і – амплітудні значення вектора Пойнтинга хвиль Нm0 і H0n.
Величини Wi і Ni – суми векторів Пойнтинга вироджених пар хвиль типу Нmn і Emn, тобто
; i=1…L. (16)
Величини та у рівняннях 14, 15 являють собою суми добутків компонент Е та Н від різних типів хвиль. Індекс “і” в рівняннях 14, 15, і 16 позначає визначене сполучення індексів m і n.
Вирішивши дану систему, можна визначити потужності хвиль типів Нm0 і Н0n підстановкою знайдених величин і в рівняння:
, . (17)
Щоб знайти потужності інших типів хвиль, треба знайти величини і . Для цього треба розв’язати системи рівнянь (16). Тоді потужності кожної хвилі будуть визначатися по формулам:
, , (18)
де .
Якщо хвилеводом поширюються N типів хвиль: mmax хвиль типу Нm0, nmax хвиль типу Нn0, і L пар вироджених хвиль типу Hmn, Emn (mmax+nmax+2L=N), то при вимірюванні прохідної потужності кожної з хвиль гальваномагнітними перетворювачами потрібно N+2 гальваномагнітних перетворювача: mmax+L+1 перетворювач на широкій стініці, та nmax+L+1 перетворювач на вузькій стінці. Якщо вироджені типи хвиль відсутні (mmax+nmax=N), то в цьому випадку потрібен N+1 гальваномагнітний перетворювач: mmax+1 перетворювач на широкій стінці та nmax перетворювачів на вузькій стінці. Для визначення потужності N типів хвиль при вимірюванні багатозондовим методом з електричними зондами необхідно як мінімум 4N зондів.
Сумарну прохідну потужність можна визначити, підсумувавши знайдені потужності всіх типів хвиль. Але при визначенні сумарної прохідної потужності хвиль типу Нm0 та Н0n можна використати послідовне з’єднання ряду перетворювачів, розташованих в одному поперечному перерізі хвилеводу, у точках з координатами хm=am/(mmax+1), m=1…mmax, yn=bn/(nmax+1), n=1…nmax, де mmax та nma – кількість перетворювачів відповідно на широкій та вузькій стінці, яка дорівнює кількості типів хвиль Нm0 та H0n відповідно. Гальваномагнітні перетворювачі на кожній із стінок з’єднуються послідовно між собою та вимірювальним приладом. Сума сигналів при такому з’єднанні дорівнює:
на широкій стінці:
,
на вузькій:
.
Таким чином, при поширенні у хвилеводі типів хвиль Нm0 та H0n сумарну прохідну потужність можна визначити, підсумувавши напруги перетворювачів.
У додатках наведено копію патенту на винахід пристрою для вимірювання прохідної потужності та заключення про практичну значимість дисертаційної роботи.
ВИСНОВКИ
За результатами проведеної роботи можна зробити наступні висновки.
1. Існуючі в даний час методи вимірювання прохідної потужності в багатомодових хвилеводах мають ряд істотних недоліків: складність конструкції вимірювальної системи, робота переважно на узгоджене навантаження, необхідність у великій кількості зондів. Тому існує необхідність у розробці нового методу вимірювання прохідної потужності в багатомодових хвилеводах.
2. Використання гальваномагнітних перетворювачів електромагнітного поля дозволяє усунути недоліки, властиві існуючим методам вимірювання прохідної потужності в багатомодових хвилеводах. Гальваномагнітні перетворювачі характеризуються безінерційністю, простотою перестроювання в широкому частотному діапазоні, великим динамічним діапазоном і високою повторюваністю параметрів при виготовленні. Можливість роботи з неузгодженим навантаженням і висока швидкодія гальваномагнітних перетворювачів дозволять проводити оперативний контроль прохідної потужності в багатомодовому хвилеводі при змінному в часі навантаженні, що завжди має місце в технологічних операціях, наприклад, сушіння або нагрівання.
3. На підставі проведених досліджень прохідної потужності в двомодовому хвилеводі розроб-лено конструкцію вимірювача прохідної потужності в двомодовому хвилеводі з використанням гальваномагнітних перетворювачів. При вимірюванні в двомодовому хвилеводі як сумарної прохідної потужності, так і вибірково за типами хвиль, можна використовувати три гальваномагнітних перетворювачі з однаковим коефіцієнтом перетворення. При розміщенні гальваномагнітних перетворювачів на широкій стінці хвилеводу, в отворах з координатами центрів х=а/4, а/2, 3а/4, складова похибки, пов'язаної з неточністю розташування перетворювачів при вимірюванні прохідної потужності хвилі Н20, є близькою до мінімуму. Результат вимірювання можна визначити по показанням приладу (вольтметру), послідовно з’єднаного з перетворювачами і проградуйованого в одиницях вимірювання потужності. При цьому немає необхідності використовувати ЕОМ для обробки даних. Якщо необхідно вимірювати тільки сумарну прохідну потужність, то досить двох гальваномагнітних перетворювачів.
4. Проведений експеримент по вимірюванню потужності в двомодовому хвилеводі підтвердив достовірність отриманих теоретичних результатів та показав простоту нового методу і його придатність для вимірювання потужності в багатомодовому хвилеводі. Значення прохідних потужностей, вимірюваних за допомогою гальваномагнітних перетворювачів, добре узгоджуються зі значеннями, отриманими при вимірюванні модоселективними спрямованими відгалужувачами. Різниця в результатах вимірювання двома методами не перевищує 8% і знаходиться в межах основної похибки вимірювання використовуваних ватметрів. Конструкція вимірювальної системи виготовлялася без застосування спеціальних верстатів і пристосувань, що підкреслює її простоту.
5. Як показали результати обчислень коефіцієнтів матриці розсіювання, вплив гальваномагнітних перетворювачів на структуру поля в двомодовому хвилеводі невеликий. Найбільший вплив перетворювачі створюють на поширення хвилі Н20. Потужність відбитої хвилі Н20 складає близько 7.1% потужності падаючої хвилі в хвилеводі розмірами 48?10мм. В багатомодових хвилеводах з більшими розмірами поперечного перерізу вплив гальваномагнітних перетворювачів на структуру поля буде менше виражений. Крім того, як показали обчислення, при симетричному розташуванні трьох гальваномагнітних перетворювачів в двомодовому хвилеводі уникнуто перетворення типів хвиль.
6. На основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень взаємодії електромагнітного поля хвилеводу з гальваномагнітними перетворювачами, розроблено метод вимірювання прохідної потужності в багатомодових хвилеводах, що відрізняється від традиційного багатозондового методу використанням гальваномагнітних перетворювачів. Даний метод характеризується такими позитивними властивостями, як: використання меншого числа зондів, менший обсяг математичних обчислень, можливість вимірювання в одному поперечному перерізі, можливість дослідження трактів з неузгодженим навантаженням, простота конструкції і настроювання вимірювальної системи.
Отже, теоретичний аналіз та експериментальні дослідження показують перспективність використання запропонованого методу вимірювання потужності в багатомодових хвилеводах. Має інтерес подальше вивчення даного методу, зокрема, детальне дослідження впливу гальваномагнітних перетворювачів один на одного, що вимагає проведення окремих теоретичних та експериментальних досліджень.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ
1. Гура К.Н., Ивкин П.В., Мхеян М.Ф., Репа Ф.М. Повышение чувствительности детектора на основе тонкой ферромагнитной плёнки. // Изв. вузов. Радиоэлектроника. – 2001. – №2.– с.77-80.
Здобувачем проведено аналіз теоретичних результатів.
2. Ивкин П.В. Применение гальваномагнитных датчиков для измерения потока мощности в двухмодовом волноводе. // Изв. вузов. Радиоэлектроника. – 2001. – №6. – с.64-69.
3. Вунтесмері В.С., Івкін П.В. Використання гальваномагнітних датчиків для вимірювання прохідної потужності в багатомодовому хвилеводі. // Наукові вісті Національного технічного університету України “КПІ”. – 2001. – №2(16). – с.12-16.
Здобувачем одержано формули залежності напруги гальваномагнітних перетворювачів від густини потоків потужності типів хвиль.
4. Гура К.Н., Ивкин П.В. Погрешности измерения мощности в двухмодовом волноводе при неточном расположении датчиков. // Радиоэлектроника. – 2002. – №7. – с.77-80.
Здобувачем одержано формули залежності похибки визначення величин А і В від відстані між перетворювачами.
5. Вунтесмери В.С., Ивкин П.В. Минимизация числа гальваномагнитных датчиков при измерении проходящей мощности в многомодовом волноводе. // Радиоэлектроника. – 2002. – №8. – с.32 –35.
Здобувачем знайдено кількість та координати розташування перетворювачів, та знайдено залежність суми напруг перетворювачів від кількості типів хвиль.
6. Пат. 33679. Украина. МКИ6 G 01R 21/06, G 01R 21/08. Пристрій для вимірювання прохідної потужності: Пат. 33679. Украина. МКИ6 G 01R 21/06, G 01R 21/08 / К.М. Гура, П.В. Івкін, Ф.М. Репа. - № 99031624; Заявлено 23.03.1999; Опубл. 15.02.2001; Бюл. № 1.
Здобувачем запропоновано конструкцію чутливого елементу вимірювача.
7. Ivkin P.V. The measurement of a power flow in two-mode waveguide with using galvanomagnetic transducers. // Proceedings of the 3rd International Conference on Antenna Theory and Technigues,– Sevastopol, Ukraine, 1999.– p. 456-458.
АНОТАЦІЇ
Івкін П.В. Метод вимірювання прохідної потужності в багатомодових хвилеводах гальваномагнітними перетворювачами. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.12.07. – Антени та пристрої мікрохвильової техніки. – Національний технічний університет України ”Київський політехнічний інститут”, Київ, 2003.
Дисертація присвячена вимірюванню прохідної потужності в прямокутних багатомодових хвилеводах. Розглянуто різні методи вимірювання прохідної потужності в багатомодових хвилеводах. Запропоновано використовувати гальваномагнітні перетворювачі електромагнітного поля для вимірювання прохідної потужності в багатомодових хвилеводах. Проаналізовано розподіл густини потоку потужності в двомодовому хвилеводі. Описано експеримент з вимірювання прохідної потужності за допомогою гальваномагнітного перетворювача в двомодовому хвилеводі. Розроблено метод вимірювання прохідної потужності в багатомодових хвилеводах, що відрізняється від традиційних методів використанням гальваномагнітних перетворювачів електромагнітного поля.
Ключові слова: багатомодовий хвилевід, вимірювання, прохідна потужність, відгалужувач, побічні коливання, гальваномагнітний перетворювач, електромагнітне поле, багатозондова секція.
Ivkin P.V. Method of feedthrough power measurement in multimode waveguides by galvanomagnetic transducers. – Manuscript.
The thesis for the degree of the candidate of technical sciences on speciality 05.12.07 – Antennas and devices of microwave engineering. – National Technical University of Ukraine “Kiev Polytechnical Institute”, Kiev, 2003.
The thesis is devoted to problems of feedthrough power measurement in rectangular multimode waveguides. Various methods of the feedthrough power measurement in multimode waveguides are considered. It is suggested to use galvanomagnetic transducers of the electromagnetic field for the feedthrough power measurement in multimode waveguides. The distribution of power flow density in a double-mode waveguide is analyzed. The experiment of feedthrough power measurement by a galvanomagnetic transducer in a double-mode waveguide is described. The method of the feedthrough power measurement in multimode waveguides, which differs from traditional methods by use of galvanomagnetic transducers of the electromagnetic field, is developed.
Keywords: multimode waveguide, measurement, feedthrough power, coupler, unwanted oscillation, galvanomagnetic transducer, electromagnetic field, multiprobe section.
Ивкин П.В. Метод измерения проходящей мощности в многомодовых волноводах с использованием гальваномагнитных преобразователей. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.07. – Антенны и устройства микроволновой техники. – Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2003.
Диссертация посвящена измерению проходящей мощности в многомодовых волноводах. Рассмотрены различные методы измерения проходящей мощности в многомодовом волноводе. Отмечено, что существующие методы измерения проходящей мощности в многомодовых волноводах можно разделить на две основные группы. К первой группе относятся методы, использующие ответвители или преобразователи типов волн, ко второй группе – методы, использующие многозондовые системы.
Методы первой группы предполагают пространственное разделение типов волн и характеризуются сложностью и громоздкостью конструкции измерительной системы, а также работой преимущественно на согласованную нагрузку. Многозондовые методы предполагают зондирование электромагнитного поля в нескольких точках поперечного сечения волновода и в нескольких поперечных сечениях. Многозондовые методы позволяют работать с несогласованной нагрузкой, однако они характеризуются использованием большого количества зондов и сложностью конструкции и настройки зондов.
Для устранения указанных недостатков предложено использовать для измерения проходящей мощности в многомодовых
