Практикум по курсу «Техника СВЧ» [текст]

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

Н.П. Собенин М.В. Лалаян М.А. Гусарова

Практикум по курсу «Техника СВЧ»

Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений

Москва 2010

УДК 621.384.6 (075) БКК 32.85я7 С54 Собенин Н.П., Лалаян М.В., Гусарова М.А. Практикум по курсу «Техника СВЧ» [текст]. М.: НИЯУ МИФИ, 2010. 128 с. Представлен широкий спектр заданий по моделированию устройств СВЧ, в том числе и для ускорителей заряженных частиц. Задания составлены с учетом современного состояния и тенденций развития техники СВЧ и методов математического моделирования электродинамических задач. Пособие предназначено для студентов НИЯУ МИФИ кафедры «Электрофизические установки». Также пособие может быть использовано студентами, обучающимися по специальностям, связанным с техникой СВЧ и электрофизическими установками. Пособие подготовлено в рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ. Рецензент к.т.н. А.А. Завадцев ISBN 978-5-7262-1358-3 © Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2010

Редактор

Т.В. Волвенкова

Подписано в печать 10.12.2009 Формат 60х84 1/16 Печ. л. 8,5 Уч.-изд. л. 8,0 Тираж 100 экз. Изд. № 1/4/80 Заказ № 36 Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ». 115409, Москва, Каширское шоссе, 31. ООО «Полиграфический комплекс «Курчатовский». 144000, Московская область, г. Электросталь, ул. Красная, д. 42

СОДЕРЖАНИЕ Предисловие Задание 1. Волноводно-коаксиальный адаптер Задание 2. Дроссельный поршень Задание 3. Дроссельный фланец Задание 4. Волноводные изгибы в Е- и Н- плоскостях Задание 5. Трёхшлейфовый согласующий трансформатор Задание 6. Фазовращатель с рассогласователем Задание 7. Волноводно-полосковый направленный ответвитель Задание 8. Поглощающая нагрузка Задание 9. Вакуумное СВЧ окно Задание 10. Бипериодическая ускоряющая структура Задание 11. СВЧ дефлектор Задание 12. Структура с отрицательной дисперсией Задание 13. Структура с положительной дисперсией Задание 14. Устройство ввода мощности Задание 15. Мультипакторный разряд в СВЧ устройствах Задание 16. Широкополосное согласующее устройство Задание 17. Двойной волноводный тройник Задание 18. Волноводный направленный ответвитель Задание 19. Исследование дисперсионных характеристик ускоряющего резонатора TESLA Задание 20. Расчет внешней добротности ускоряющей структуры с устройством вывода мощности Задание 21. Установка для нагрева проточной жидкости Приложение 1. Программы численного моделирования СВЧ-устройств 1.1. HFSS 1.2. CST MICROWAVE STUDIO 1.3. MultP-M Приложение 2. Примеры моделирования СВЧ-устройств 2.1. Расчет волноводного изгиба (HFSS) 2.2. Расчет узла ввода высокочастотной мощности для круглого диафрагмированного волновода (HFSS) 2.3. Расчет круглого диафрагмированного волновода (MWS) 3

5 6 8 10 12 15 17 20 23 29 32 35 42 45 49 56 60 62 65 69 71 73 75 87 95 107 111 117

Приложение 3. Таблица П.3.1. Волноводы прямоугольного сечения Таблица П.3.2. Коаксиальные волноводы Таблица П.3.3. Марки соединителей коаксиальных волноводов Таблица П.3.4. Свойства материалов, применяемых в диапазоне СВЧ Таблица П.3.5. Свойства диэлектриков Список рекомендуемой литературы

4

124 125 125 126 127 128

ПРЕДИСЛОВИЕ Данное пособие охватывает весь курс «Техника сверхвысоких частот» и предназначено для студентов, специализирующихся в области СВЧ техники и ускорителей заряженных частиц. Пособие включает в себя более 20 заданий, каждое из которых состоит из нескольких вариантов, кратко описаны наиболее часто используемые программы моделирования СВЧ устройств и полностью разобраны несколько примеров. В каждом задании сформулирована цель работы, даны исходные данные моделируемого устройства, указан список дополнительной литературы, представлен порядок выполнения работы и требования к предъявляемому отчету. Студенту предлагается решить один из вариантов задания по выбору преподавателя. Выполнение представленных заданий позволит студентам получить разнообразное и глубокое представление о современных методах и средствах моделирования СВЧ устройств.

5

Задание 1 Волноводно-коаксиальный адаптер Цель – изучить основные принципы работы с программой электродинамического моделирования Microwave Studio или HFSS. Рассчитать влияние изменения геометрических размеров отдельных элементов волноводно-коаксиального адаптера на коэффициент отражения и коэффициент передачи СВЧ мощности. Выбрать оптимальные размеры волноводно-коаксиального адаптера и разработать его конструкцию.

Исходные данные Рассчитать и сконструировать волноводно-коаксиальный адаптер в соответствии с заданными параметрами (табл. 1.1, рис.1.1). Адаптер должен быть рассчитан на подсоединение коаксиального волновода (кабеля) марки РК-50-4-13 через стандартный разъем N-типа. Таблица 1.1. Параметр Рабочая частота, МГц Размеры прямоугольного волновода, мм Полоса частот (при обратных потерях ≤ 20 дБ), МГц Обратные потери на рабочей частоте, дБ Тип перехода (рис.1.1 )

Вариант 4

1

2

3

5

6

7

1300

1300

1300

2856

2856

5712

5712

165,1× 82,55

165,1× 82,55

165,1× 82,55

72×34

72×34

40×20

40×20

±50

±50

±50

±70

±70

±100

±100

35

35

35

35

35

35

35

а

б

в

а

б

а

б

6

а

б в Рис.1.1. Типы перехода от волновода к коаксиальной линии: а – металлический штырь; б – турникетное соединение; в – зонд с насадкой сферической формы

Порядок выполнения работы Изучить литературу [1, 2, 3]. Создать модель с параметризованными размерами в одной из указанных программ численного моделирования. В процессе расчетов по настройке адаптера на рабочую частоту проводить следующие изменения в конструкции (рис.1.1): а) – варьировать диаметр штыря (d), высоту штыря (h), положение относительно короткозамыкающей стенки (l1) и положение в поперечном сечении (l2); б) – варьировать диаметр стержней (2), их положение относительно короткозамыкающей стенки, положение и размеры индуктивной диафрагмы (1), длину коаксиального перехода (3); в) – варьировать диаметр полусферы (1), ее положение относительно короткозамыкающей стенки, положение и размеры индуктивной диафрагмы (2). Выбором размеров и положения элементов переходов от коаксиального волновода к прямоугольному волноводу получить на рабочей частоте указанное в задании значение обратных потерь. Рассчитать обратные потери в указанном частотном диапазоне. Проверить сходимость решения изменением числа узлов сетки. 7

Оформление отчета В отчете должны быть представлены конечные результаты расчета, удовлетворяющие техническому заданию, рабочие материалы (графики) по выбору оптимальных размеров и положения элементов перехода от коаксиального волновода к прямоугольному волноводу, график зависимости обратных потерь в диапазоне частот. Подготовить сборочный чертеж и деталировку разработанного устройства, имеющего волноводный фланец по стандарту ОСТ4 ГО.206.013.

Задание 2 Дроссельный поршень Цель – изучить основные принципы работы с программой электродинамического моделирования Microwave Studio или HFSS. Рассчитать влияние изменения геометрических размеров дроссельного поршня на коэффициент отражения. Выбрать оптимальные размеры дроссельного поршня и разработать его конструкцию.

Исходные данные Расcчитать и сконструировать дроссельный поршень в соответствии с заданными параметрами (табл. 2.1.). Необходимо добиться, чтобы напряженность поля в зазорах дросселя была меньше максимальной напряженности в прямоугольном волноводе. Разработанная конструкция должна служить эффективным коротким замыканием в линии, обеспечивая значение модуля коэффициента отражения на рабочей частоте не менее 0,999.

8

Таблица 2.1. Параметр Рабочая частота, МГц Размеры прямоугольного волновода, мм Полоса частот (при модуле коэффициента отражения 0,99), МГц

Вариант 4

1

2

3

5

6

7

1300

1300

1300

2856

2856

5712

5712

165,1× 82,55

165,1× 82,55

165,1× 82,55

72×34

72×34

40×20

40×20

±50

±50

±50

±70

±70

±100

±100

Рис.2.1. Дроссельный короткозамыкающий поршень

Порядок выполнения работы Изучить литературу [1, 2, 3]. Создать модель с параметризованными размерами в одной из указанных программ численного моделирования.

9

В процессе расчетов по выбору размеров дроссельного поршня на рабочую частоту проводить следующие изменения в конструкции: варьировать длины l1 и l2 относительно опорных значений четверть длины волны в волноводе на рабочей частоте; варьировать ширину зазора ∆b2 при сохранении ширины зазора ∆b1 не менее 0,01⋅b; выбором размеров l1, l2, ∆b1, ∆b2 получить на рабочей частоте и в частотном диапазоне указанные в задании значения модуля коэффициента отражения. Проверить сходимость решения изменением числа узлов сетки. Рассчитать отношение напряженности поля в зазорах дросселя к максимальному полю в прямоугольном волноводе. Разработать конструкцию устройства, оснащенного контактным волноводным фланцем типа ОСТ4 ГО.206.013, выполнить чертежи – сборочный и деталировку.

Оформление отчета В отчете должны быть представлены конечные результаты расчета, удовлетворяющие техническому заданию, рабочие материалы (графики) по выбору оптимальных размеров l1, l2 , ∆b2 и чертежи (сборочный и деталировка).

Задание 3 Дроссельный фланец Цель – изучить основные принципы работы с программой электродинамического моделирования Microwave Studio или HFSS. Рассчитать влияние изменения геометрических размеров дроссельного фланца на коэффициент отражения. Выбрать оптимальные размеры дроссельного фланца и разработать его конструкцию. 10

Исходные данные Рассчитать и сконструировать дроссельный соответствии с заданными параметрами (табл. 3.1).

фланец

в

Таблица 3.1. Параметр Рабочая частота, МГц Размеры прямоугольного волновода, мм Полоса частот (при модуле коэффициента отражения 0,02), МГц

1

2

3

1300

1300

1300

165,1× 82,55

165,1× 82,55

±50

±50

Вариант 4

5

6

7

2856

2856

5712

5712

165,1× 82,55

72×34

72×34

40×20

40×20

±50

±70

±70

±100

±100

Необходимо добиться, чтобы напряженность поля в зазорах дросселя была меньше максимальной напряженности в прямоугольном волноводе. Разработанная конструкция должна вносить минимальные искажения в структуру электромагнитных полей, обеспечивая значение модуля коэффициента отражения на рабочей частоте не более 0,01.

Порядок выполнения работы. Изучить литературу [1, 2, 3]. Создать модель с параметризованными размерами в одной из указанных программ численного моделирования. В процессе расчетов по выбору размеров дроссельного соединения на рабочую частоту проводить следующие изменения в конструкции: варьировать длины l1 и l2 относительно опорных значений четверть длины волны на рабочей частоте; варьировать ширину зазоров ∆1 и ∆2 при сохранении отношения ∆2 /∆1 =3; выбором размеров l1, l2, ∆1 , ∆2 получить на рабочей частоте указанный в задании модуль коэффициента отражения. Проверить сходимость решения изменением числа узлов сетки. 11

Рассчитать модуль коэффициента отражения в указанном частотном диапазоне. Провести настройку дроссельного соединения на рабочую частоту при отношении ширин зазоров ∆2/∆1=2 и ∆2/∆1=4. Рассчитать модуль коэффициента отражения в указанном частотном диапазоне для новых значений отношений ∆2 / ∆1. Выполнить чертежи разработанной конструкции.

Оформление отчета В отчете должны быть представлены конечные результаты расчета, удовлетворяющие техническому заданию, рабочие материалы (графики) по выбору оптимальных размеров l1, l2, ∆1, ∆2, частотные зависимости модуля коэффициента отражения для разных значений отношения ∆2/∆1 , а также чертежи (сборочный и деталировка).

Задание 4 Волноводные изгибы в Е- и Н- плоскостях Цель – изучить основные принципы работы с программой электродинамического моделирования HFSS. Рассчитать оптимальные размеры волноводных изгибов, обеспечивающих согласование на рабочей частоте и в частотном диапазоне. Выбрать оптимальные размеры волноводных изгибов и разработать их конструкцию.

Исходные данные Рассчитать и сконструировать волноводные изгибы в Е и Н плоскостях в соответствии с заданными параметрами (табл. 4.1). 12

Таблица 4.1. Параметр Рабочая частота, МГц Размеры прямоугольного волновода, мм Значение S11 на рабочей частоте для всех типов изгибов

1 915

2 1300

3 2450

Вариант 4 2856

248 × 124