Рисунок 1 — Волноводные тройники: а — типа Е, б — типа Н
УДК 621.372.832.1:004.942
Авторы: Колесник А. В., Паслён В. В.
Источник: Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых / Сборник научных трудов XIX международной научно-технической конференции в рамках 5-го международного научного форума Инновационные перспективы Донбасса. — Донецк, ДонНТУ, 2019. — с. 396–398. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://ipd.donntu.ru/dl/IPD2019/avtomatizaciya.pdf
Интенсивное развитие информационных технологий повлияло на все сферы человеческой деятельности, в том числе инженерную деятельность и образование. На сегодняшний день, при помощи компьютеров с соответствующим программным обеспечением возможно автоматизированное получение трехмерных моделей всевозможных устройств, вычисление их параметров и характеристик, создание технической документации и т. п. В наши дни сложно представить, чтобы какое-либо предприятие обходилось без использования систем автоматизированного проектирования (САПР), ведь это значительно снижает временные и материальные затраты на разработку и исследование объектов.
Будущие инженеры должны уметь пользоваться существующими, а также принимать участие в разработке новых САПР. Имеет смысл применение программ данного рода в образовательном процессе и с другой стороны. Они должны помочь учащимся и студентам лучше представлять себе процессы, происходящие в объектах, которые не видны невооруженным глазом, ведь САПР позволяют визуализировать и анимировать эти процессы, а как известно зрительное восприятие для человека является самым емким.
Одной из таких САПР является программный продукт CST Microwave Studio. Это мощная программа трехмерного моделирования электромагнитного поля. Программа использует различные методы расчета (расчет переходного процесса во временной области, анализ в частотной области, метод нахождения собственных частот) для моделирования сложных СВЧ структур [1]: фильтров, антенн, циркуляторов, аттенюаторов и т. д. Основной метод — расчет переходного процесса — решает задачи возбуждения СВЧ структуры радиоимпульсами, что отличает ее от большинства других программных продуктов.
В качестве практического примера рассмотрим моделирования двойного волноводного разветвления (Т-моста). Разветвления волноводов используются для распределения высокочастотной энергии, передаваемой по волноводам, между различными каналами и потребителями. Наибольшее применение находят тройники, или Т-соединения, получившие такое название из-за своей формы. Они делятся на тройники Е-типа и Н-типа. Внешний вид тройников представлен на рис. 1 [2]. Волна может возбуждаться в одном из плеч главного волновода и ответвляться в боковой волновод или, наоборот, возбуждаться в боковом волноводе и ответвляться в плечи главного волновода.
Предположим, что волна H10 возбуждается в боковом волноводе и распространяется к Т-соединению. Таким образом, в обоих плечах главного волновода волны, равноудаленные от оси симметрии соединения, будут находиться в фазе для тройника типа Н и в противофазе для тройника типа Е [2]. Это видно из распределения электрического поля в Т-соединении, показанном на рис. 1.
Рисунок 1 — Волноводные тройники: а — типа Е, б — типа Н
Очевидно, что такое распределение поля не изменится, если волна будет возбуждаться в одном из плеч главного волновода.
Пусть из обоих плеч главного волновода к Т-соединению волны приходят в противофазе. Тогда в боковом волноводе они будут складываться при Е-соединении и вычитаться при Н-соединении. Если же придут синфазные волны, то они вычтутся в Е-плече и сложатся в Н-плече.
Таким образом, принцип работы двойного волноводного разветвления, показанного на рис. 2 основан на свойствах Е- и Н-тройников [2].
Если из боковых волноводов приходят к двойному Т-соединению две волны Н10 с равными амплитудами и противоположными фазами, то они складываются в плече Е и взаимно компенсируются в плече Н. Отсюда следует и обратное: энергия волны Н10, приходящая к двойному Т-соединению из плеча Е, распределяется поровну в боковых плечах и не проходит в смежное плечо Н.
Если из боковых плеч приходят две волны Н10 с равными амплитудами и фазами, то они складываются в плече Н и взаимно компенсируются в плече Е. На основании свойства обратимости можно сделать вывод, что энергия волны Н10, приходящей из плеча Н, делится поровну между боковыми плечами главного волновода и не попадает в смежное плечо Е.
Если из боковых плеч приходят две волны Н10 с равными амплитудами и фазами, то они складываются в плече Н и взаимно компенсируются в плече Е. На основании свойства обратимости можно сделать вывод, что энергия волны Н10, приходящей из плеча Н, делится поровну между боковыми плечами главного волновода и не попадает в смежное плечо Е.
Рисунок 2 — Двойной волноводный тройник (Т-мост)
Очевидно, что плечи Е и Н двойного Т-моста взаимно развязаны, т. е. энергия волны Н10 не может переходить из плеча Н в плечо Е и наоборот.
Если волна Н10 распространяется из бокового плеча 1, то в боковое плечо 2 ответвляются синфазная волна при Н-соединении и противофазная волна при Е-соединении. При наличии двух соединений в боковой волновод 2 энергия вовсе не попадает; таким образом, плечи главного волновода 1 и 2 также развязаны. Эти свойства двойного Т-соединения сохраняются только при чисто бегущих волнах, т. е. при согласовании волноводов. Если, например, плечи 1 и 2 главного волновода не согласованы, то при распространении энергии из плеча Н появится волна в плече Е, причем ее амплитуда зависит от коэффициента отражения в плечах 1 и 2. На работу двойного Т-соединения влияет реактивное сопротивление, вносимое волнами высших порядков. Для компенсации реактивных сопротивлений двойного Т-соединения вблизи него включают согласующие устройства.
В результате моделирования в программном продукте CST Microwave Studio, были получены распределения электрического поля внутри устройства при возбуждении разных плеч. Диаграммы распространения электрического поля и распределения его фазы показаны на рис. 3–5.
Из полученных диаграмм видно, что при возбуждении плеча 1 (плечо Н) или плеча 4 (плечо Е) по-отдельности волны в равной степени ответвляются в симметричные боковые плечи 2 3. Плечи Е и Н взаимно развязаны, поэтому волны из одного плеча в другое распространяться не могут. С другой стороны, при возбуждении плеч 2 и 3 происходит распространение волны в плечо Е, если они приходят в противофазе и в плечо Н — если в фазе.
Данные результаты полностью подтверждают имеющиеся по этому поводу теоретические сведения, что говорит о корректности работы программы и ее эффективности.
Рисунок 3 — Диаграммы распространения электрического поля внутри двойного Т-моста при возбуждении: а — плеча 1 (плеча Н), б — плеча 4 (плеча Е)
Рисунок 4 — Диаграммы распределения фазы (а) и распространения электрического поля (б) внутри двойного Т-моста при синфазном возбуждении плеч 2 и 3
Рисунок 5 — Диаграммы распределения фазы (а) и распространения электрического поля (б) внутри двойного Т-моста при противофазном возбуждении плеч 2 и 3
Таким образом, САПР — это не только средство разработки современных устройств и проведения научных исследований, но и неотъемлемая часть обучения благодаря замечательной возможности продемонстрировать то, чего ранее нельзя было показать. Применение САПР при обучении должно улучшить восприятие и усвоение новых знаний.
1. Курушин, А. А. Школа проектирования СВЧ устройств в CST STUDIO SUITE / А. А. Курушин. — М.: One-Book, 2014. — 433 с.
2. Калашников, А. М. Колебательные системы: учеб. пособие / А. М. Калашников, Я. В. Степук. — М.: Воениздат, 1972. — 376 с.