Приложение D (справочное). Определение характеристик ТЕМ-волноводов

Приложение D
(справочное)

Определение характеристик ТЕМ-волноводов

D.1 Обзор

В настоящем приложении описываются основные характеристики ТЕМ-волны, включая аспекты распространения и поляризации. Также представлены различные категории ТЕМ-волноводов наряду с ограничениями, связанными с испытательными объемами и рабочими частотами.

D.2 Различие между волновым полным сопротивлением и характеристическим полным сопротивлением

ТЕМ-волновод является передающей линией. Волновое и характеристическое полные сопротивления передающей линии без потерь определяются согласно [33].

Волновое полное сопротивлением определяется как отношение поперечных компонент поля, которые могут быть рассчитаны при условии зависимости по формуле

,

(D.1)

где - волновое полное сопротивление;

- поперечная компонента электрического поля;

- поперечная компонента магнитного поля;

- проницаемость диэлектрика передающей линии (обычно воздух);

- диэлектрическая постоянная передающей линии (обычно воздух);

- постоянная распространения;

- излучаемая частота.

Это волновое полное сопротивление далее рассматривается как идентичное собственному полному сопротивлению среды и является общим результатом для ТЕМ-передающих линий.

Характеристическое полное сопротивление округло-цилиндрической коаксиальной линии определяется по формуле

,

(D.2)

где Z _c - характеристическое полное сопротивление коаксиальной линии;

V ₀ - напряжение в коаксиальной линии;

I ₀ - ток в коаксиальной линии;

- поперечная компонента электрического поля;

- поперечная компонента магнитного поля;

h - 2h = r _i, где r _i - радиус внутреннего проводника;

а - а = r _a, где r _a - радиус внешнего проводника,

где используются формы и из [7]. Характеристическое полное сопротивление зависит от геометрической формы и будет различным для других конфигураций передающей линии.

Формулы (D.1) и (D.2) показывают, что в общем волновое и характеристическое полные сопротивления не равны. Так как ТЕМ- и гигагерцовые ТЕМ-камеры и полосковые линии из двух и трех пластин являются, по существу, двухпроводниковыми передающими линиями, которые создают ТЕМ-вид колебаний, то в общем волновое и характеристическое полные сопротивления в этих устройствах также не будут равны.

D.3 ТЕМ-волна

D.3.1 Общие положения

ТЕМ-волны наиболее легко описываются в условиях их распространения в свободном пространстве. Следующие два подпункта содержат несколько уравнений и критерий для обоих случаев открытого пространства и волновода.

D.3.2 ТЕМ-вид колебаний в открытом пространстве

При ТЕМ-виде колебаний оба вектора электрического и магнитного поля полностью поперечны к направлению распространения энергии (вектор Пойнтинга ). В направлении распространения или компоненты отсутствуют.

.

(D.3)

Для "открытого пространства" отношение и приведены в формуле

.

(D.4)

Основные свойства ТЕМ-вида колебаний:

- в направлении передачи компоненты поля отсутствуют;

- отношение между и составляет около 120 Ом.

Примечание - Указанная выше ситуация выполняется при большом расстоянии от передающей антенны. Поэтому ТЕМ-вид колебаний часто называется "условия дальнего поля" по отношению к антенне.

D.3.3 Волновод

Классический волновод для радиочастотных применений состоит из одной замкнутой проводящей поверхности. Можно доказать, что ТЕМ-вид колебаний не может распространяться в таких волноводах. Только ТЕ- и/или ТМ-виды колебаний являются возможными. Поэтому ТЕ- и/или ТМ-виды колебаний имеют специфическую частоту среза, распространение волны является возможным только выше этой частоты. Двойное или многосвязанное поперечное сечение необходимо, чтобы распространить ТЕМ-вид колебаний внутри волновода (многопроводная передающая линия, такая как ТЕМ-камера, полосковая линия или открытый ТЕМ-волновод). Каждая пара из двух проводников создает систему для возможного специфического распространения ТЕМ-вида колебаний. В качестве примера на рисунке D.2 показано, что возможно распространение двух отдельных ТЕМ-видов колебаний. Каждый из этих ТЕМ-видов колебаний имеет одинаковые свойства, как ТЕМ-вид колебаний в свободном пространстве.

Примечание - Каждая пара проводников формирует передающую систему ТЕМ-вида колебаний. Внутри коаксиальной линии энергия сигнала транспортируется посредством ТЕМ-вида колебаний.

D.4 Распространение волны

D.4.1 Общие положения

Волновое распространение описывает конфигурацию равнофазных линий и поверхностей поля.

D.4.2 Сферическое распространение

Этот тип распространения является наиболее распространенным в открытом пространстве в дальней зоне. Обычно оно вызывается точечным источником, подобным единичной антенне. Амплитуда поля уменьшается с увеличением расстояния до источника.

D.4.3 Распространение в открытом пространстве плоской волны

Фронт волны может рассматриваться как плоскость на очень далеком расстоянии от антенны. Этот вид распространения будет наблюдаться внутри волновода из параллельных пластин, где амплитуда поля является константой и не зависит от расстояния до источника.

D.4.4 Скорость распространения

Фазовая скорость ТЕМ-вида колебаний при распространении в свободном пространстве и в ТЕМ-волноводах равна скорости света с ₀. Она зависит только от диэлектрической постоянной и диэлектрической проницаемости пространства .

D.5 Поляризация

D.5.1 Вектор поляризации

Направление вектора электрического поля обозначает вектор поляризации.

D.5.2 Линейная и эллиптическая поляризация

Как правило, направление вектора поляризации изменяется с течением времени. Кривая, представленная вершиной вектора поляризации, показана на рисунке D.3 и определяет тип поляризации.

Из ссылки [7] форма кривой поляризации может быть рассчитана по следующей процедуре. Поперечный вектор электрического поля определяется как:

.

(D.5)

Первый член последовательности представляет ТЕМ-тип колебаний, поэтому комплексный вектор может быть записан как:

.

(D.6)

Вектор может быть разделен на реальную и мнимую части

.

(D.7)

Векторы и определяют фиксированную плоскость. В общем вершина вектора движется по эллипсу. Если векторы и параллельны, то движется по фиксированной линии. Этот случай называется линейной поляризацией. Любой отдельный вид колебаний является в действительности линейно поляризованным. Только взаимодействие с другими видами колебаний приводит к круговой поляризации. Преднамеренно создаваемые ТЕМ-виды колебаний для проведения испытаний в ТЕМ-волноводах обычно линейно поляризованы.

D.6 Типы ТЕМ-волноводов

D.6.1 Общие положения

Наиболее простая версия ТЕМ-волновода представляет собой двухпроводниковую передающую линию как показано на рисунке D.5.

Всю передающую линию можно разделить на три секции.

a) Секция подачи питания.

Это порт, через который генератор сигнала или измерительный приемник подключается к ТЕМ-волноводу.

b) Секция ТЕМ-волновода.

Обычно она содержит испытательный объем.

c) Секция нагрузки.

Обычно нагрузка представляет собой реальный или эквивалентный резистор, который равен характеристическому полному сопротивлению передающей линии (либо ТЕМ-волновода).

Для большинства двухпортовых ТЕМ-волноводов секции питания и нагрузки геометрически идентичны и поэтому взаимозаменяемы. Коаксиальный разъем применяется для обоих портов. Некоторые ТЕМ-волноводы основываются на сбалансированной передающей линейной системе, в которой необходимо применение согласующего трансформатора полного сопротивления.

Во-первых, ТЕМ-волноводы могут классифицироваться по геометрии на открытые и закрытые. Конструкция ТЕМ волновода называется закрытой, когда один проводник полностью окружает другой проводник. В этих случаях внешний проводник также выполняет роль электромагнитного экрана.

Во-вторых, существуют однопортовые и двухпортовые ТЕМ-волноводы. Эта классификация определяется нагрузкой ТЕМ-волновода. Обычно ТЕМ-волновод используют в условиях согласованной нагрузки. Простейшим способом согласования двухпортового ТЕМ-волновода является подключение сосредоточенной нагрузки, равной характеристическому полному сопротивлению на одном порту. В этом случае предполагается, что геометрия ТЕМ-линии завершается разъемами (плавный волноводный переход), является хорошо сконструированной для широкополосного согласования (см. рисунок D.4).

Для однопортового ТЕМ-волновода нагрузка изготавливается из распределенных резисторов и/или в комплекте с безэховыми поглотителями. Этот тип нагрузки может применяться в диапазоне частот до нескольких ГГц в различных геометрических конструкциях. Широкий частотный диапазон двухпортового ТЕМ-волновода имеет преимущество возможности измерения отраженной и передаваемой мощности на обоих портах.

Внутренние проводники могут состоять как из единичного провода, так и из множества проводов, соединенных параллельно, а также представлять собой одну или множество пластин, соединенных параллельно. Для многопроводных систем возбуждаемая амплитуда и фаза могут быть преднамеренно изменены, чтобы регулировать доминирующую поляризацию в испытательном объеме.

Внутренний проводник может устанавливаться либо симметрично, либо несимметрично по отношению к внешнему проводнику. Преимуществом асимметричного ТЕМ-волновода является больший испытательный объем.

D.6.2 Открытые ТЕМ-волноводы (полосковые линии и так далее)

Простой открытый ТЕМ-волновод может быть построен с помощью пластины, установленной над проводящей заземленной пластиной. Генератор или измерительный приемник (типовое полное сопротивление 50 Ом) подключается к одному порту, а другой порт согласованно нагружается в соответствии с характеристическим полным сопротивление передающей линии. Постоянное распределение напряжения/тока через структуру достигается за счет подходящего согласованного полного сопротивления. Эта геометрическая структура называется двухпортовым ТЕМ-волноводом.

Главным недостатком открытых ТЕМ-волноводов является потеря энергии через излучение. Это нежелательное излучение приводит к возникновению перекрестных помех в оборудовании испытательной системы. Экранированная камера для открытых ТЕМ-волноводов, безусловно, необходима, особенно при проведении испытаний на устойчивость к длительным синусоидальным помехам.

D.6.3 Закрытые ТЕМ-волноводы (ТЕМ-камеры)

Главным преимуществом закрытой ТЕМ-волноводной конструкции является наличие собственного экранирования. Все испытания на помехоустойчивость могут проводиться без генерации каких-либо помех в окружающее пространство. Другим преимуществом является то, что камера - не симметричная система, поэтому согласующее устройство не требуется. Наконец, в общем ТЕМ-волновод не имеет ограничения по низкой частоте. Из этих соображений в закрытых ТЕМ-волноводах можно проводить испытания к кратковременным импульсным помехам.

Примечание - Для ТЕМ-волноводов с симметричным питанием ограничения по низкой частоте могут возникнуть из-за согласующего устройства.

D.7 Ограничения по частоте

Работа ТЕМ-волновода основывается на предположении, что ТЕМ-вид колебаний имеет структуру поля, идентичную плоской волне в открытом пространстве на определенной части поперечного сечения камеры. Поэтому использование ТЕМ-волновода при проведении испытаний на помехоэмиссию и помехоустойчивость требует распространения ТЕМ-вида колебаний во всем используемом диапазоне частот.

Для заданной частоты из рабочего диапазона частот пустого волновода волна пройдет через поперечное сечение, размер которого позволяет распространение вида колебаний, отличных от ТЕМ. Для заданного типа колебаний, отличного от ТЕМ, точка вдоль длины волновода, в которой может распространяться данный вид колебаний, зависит от частоты и смещается обратно в сторону точки подвода питания с возрастанием частоты. Колебания самого низкого порядка, отличные от ТЕМ-вида колебаний (типично ТЕ ₁₀), смогут распространяться, когда размеры одного поперечного сечения волновода превышают половину длины волны в свободном пространстве на этой частоте. Колебания самого высокого порядка возбуждаются изначально видом колебаний, преобразуемым из ТЕМ-вида колебаний. Энергия преобразования между двумя видами колебаний происходит из-за неоднородностей в структуре волновода, что может связать два вида колебаний.

На практике много открытых и закрытых ТЕМ-волноводов включают некоторые типы вспененных или ферритовых безэховых поглотителей для минимизации или удаления видов колебаний высших гармоник и нераспространения распределенных полей из-за резонанса. Характеристики ТЕМ-вида колебаний могут существенно сохраняться, если они установлены в подходящих местах по отношению к модальному распределению поля. В общем случае с подходящей комбинацией поглощающей нагрузки и входного/выходного конусообразного проводника многие ТЕМ-волноводы работают в ТЕМ-виде колебаний до частот нескольких ГГц и выше. Положение подходящего поглотителя определяется формой входных/выходных конусов и секцией испытательного объема. Недостатком для многих ТЕМ-волноводов с панелью-поглотителем в секции испытательного объема является то, что коэффициент поля (см. А.3.2.3.3), используемый в корреляционном алгоритме измерения эмиссии не может быть рассчитан аналитически в течение более долгого времени. Это может привести к высокой неопределенности измерений.

Для любого ТЕМ-волновода с или без поглотителя рабочий диапазон частот должен быть установлен с применением методов, описанных в настоящем стандарте (см. 5.2.1 и 5.3.2).

Более полная информация об однородности поля и резонансных частотах приведена в [17] и [19]. Для ТЕМ-волноводов без поглотителя резонансные частоты зависят от геометрии конструкции ТЕМ-волновода. В двух портовых ТЕМ-камерах они возникают между определенным поперечным сечением питающей секции и секцией нагрузки, называемой "граничные положения z _c". Каждая более высокая гармоника вида колебаний имеет другое граничное положение в зависимости от типа вида колебаний. Внутри между портом и граничным положением поле определенного вида не может распространяться. Резонанс возникает, если расстояние между двумя граничными положениями является кратным половине длины волны. Для обеспечения симметрии поле резонанса должно иметь максимум или быть равным нулю в середине камеры при z = z _sym. Резонансные частоты видов колебаний поля могут быть аналитически рассчитаны по формуле

,

(D.8)

при n = 0, 1, 2, 3, ... и K ₃, K ₄ = f(z, a, k, k _c, J _V) и k _c = f(z _c, a, mode).

Константы K ₁ - K ₄ могут быть рассчитаны аналитически. K ₁ выбирается равным 1. Поэтому K ₂ будет равно 0. K ₃ и K ₄ могут быть записаны в следующем виде:

.

(D.9)

Более подробная информация приведена в [19].

Рисунок D.1 - Простой волновод (без ТЕМ-вида колебаний)

Рисунок D.2 - Пример волноводов для распространения ТЕМ-вида колебаний

Рисунок D.3 - Вектор поляризации

Рисунок D.4 - Модель передающей линии для распространения ТЕМ-вида колебаний

Рисунок D.5 - Однопортовый и двухпортовый ТЕМ-волноводы