ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ДИЭЛЕКТРИКОВ.
1. Цель работы
Целью настоящей работы является ислледование зависимости основных характеристик передающей линии от свойств заполняющего её диэлектрического материала. Исходными данными являются параметры конструкции: диаметры внутреннего и внешнего проводников линии, длина отрезка линии, относительная диэлектрическая проницаемость заполняющего диэлектрика и его тангенс угла диэлектрических потерь. Определяются волновое сопротивление линии и удельные потери в ней.
2. Краткие теоретические сведения
В работе рассматривается одно из применений диэлектрических материалов на примере заполнения передающей коаксиальной линии. Из числа линий передачи с волнами ТЕМ в технике часто используется коаксиальная линия передачи, которая представляет собой систему из двух соосных металлических цилиндров с радиусами a и b, разделенных слоем диэлектрика.
Из-за особенностей типа распространяющейся волны данная линия имеет достаточно широкий диапазон рабочих частот. По отношению к волне данная конструкция представляет собой структуру с распределенными параметрами, следовательно, большинство её параметров – погонные, то есть, рассчитываемые на метр длины.
Основными параметрами коаксиальной линии являются: волновое сопротивление, коэффициент ослабления волны, критическая частота и т.д.
Волновое сопротивление коаксиальной линии находят как отношение комплексных амплитуд напряжения и тока в режиме бегущей волны (волна распространяется по линии в одну сторону без отражений) и выражается через погонные (рассчитанные на 1 м длины) индуктивность и емкость линии. Для данного типа линий его можно выразить проще, через параметры конструкции:
[Ом],
где b – диаметр внешнего проводника (экранирующего проводника/ оплетки), a – диаметр внутреннего проводника (центральной жилы), μ и ε – относительные магнитная и диэлектрическая проницаемости диэлектрика, заполняющего пространство между проводниками.
Потери мощности (без учета потерь на отражение) в такой линии принято оценивать коэффициентом ослабления волны, описывающим относительные потери в металле и в диэлектрике.
Потери в металле определяются как:
RS1 и RS2 – поверхностные сопротивления внутреннего и внешнего проводников соответственно.
Потери в диэлектрике определяются выражением:
,
где
– диэлектрическая и
магнитная проницаемости заполняющей
среды, tgδ
– тангенс угла
диэлектрических потерь.
В программе потери измеряются в дБ/м, так как эта величина более удобна для расчетов. Пересчет коэффициентов производится согласно формулам пересчета отношения мощностей из единиц в децибеллы.
В работе можно считать потери в металле постоянными, так как в указанном в описании диапазоне в процессах участвует только поверхностный слой проводников. При распространении волны по коаксиальной линии передач последнюю можно считать достаточно длинной структурой, в которой происходит многократное измерение векторов напряженностей электрического и магнитного поля по её длине и во времени. Каждое такое изменение приводит к изменению поляризованности в самом диэлектрике, то есть, часть энергии волны затрачивается на этот процесс. Диэлектрическая проницаемость заполняющего материала тоже оказывает влияние на сопротивление линии, так как чем больше этот параметр, тем сильнее изменяются условия распространения волны в линии по сравнению с вакуумом. Увеличение диэлектрической проницаемости также приводит к замедлению фазовой скорости волны. Все расчеты производятся для температуры 300К.
Материал по физике процессов в диэлектрике рекомендуется прочитать в литературе по курсу «Материалы и компоненты электронной техники».
3. Методические указания по выполнению лабораторной работы
3.1 Открыть программу txline и в появившемся окне войти во вкладку "коаксиальная линия" (Round Coaxial). Установить в правой части окна длину линии 1 метр, а диаметры внешнего и внутреннего проводников взять из Таблицы 1.
Установить
частоту (Frequency)
3 ГГц. Для уменьшения влияния потерь в
металле на общие потери в линии выбрать
материал проводника (в выпадающем списке
Conductor)
серебро (Silver).
Материалом диэлектрика (в выпадающем
списке Dielectrik)
выбрать воздух (Air). Записать значение
его относительной диэлектрической
проницаемости (Dielectric
Constant)
в Таблицу 2. Произвести расчет волнового
сопротивления линии (Impedance),
нажав на пиктограмму
.
Записать значение волнового сопротивления
линии в таблицу 2. Аналогично получить
и записать значения волнового сопротивления
линии в случаях заполнения пространства
между центральной жилой и экранирующим
проводником оксидом алюминия (Alumina)
и композитным диэлектриком (RT/Duroid 5880).
Построить полученную зависимость.
3.2. Сделать вывод о влиянии диэлектрической проницаемости диэлектрика в передающей линии на волновое сопротивление.
3.3. Предложить вариант по изменению конструкции коаксиальной линии в случае, если предполагается использовать вместо воздушного заполнения диэлектрическое с большей диэлектрической проницаемостью (один из представленных диэлектриков), но требуется получить такое же волновое сопротивление.
3.4. Выбрать в качестве заполняющего диэлектрика оксид алюминия (Alumina). В качестве проводника оставить серебро (Silver). Выставить частоту 3.5 ГГц в поле Frequency. Произвести расчет погонных потерь в линии (Loss), нажав на пиктограмму Записать в Таблицу 3 значения частоты и полученных потерь (коэффициента затухания) в линии. Повторить вычисления для остальных частот. Построить полученную зависимость погонных потерь в коаксиальной линии от частоты.
3.5. Сделать вывод о влиянии частоты электромагнитной волны на потери в диэлектрике (полагая, что потери в металле в данном частотном диапазоне постоянны).
3.6. Сделать вывод по полученным в работе результатам.
4. Содержание отчета
Отчёт должен содержать:
– название и цель работы;
– расчётные соотношения для исследуемых параметров коаксиальной линии (волновое сопротивление, потери в линии) с расшифровкой входящих в них величин;
– графики исследованных величин;
– полностью заполненные таблицы 2 и 3;
– промежуточные выводы и выводы по работе.
5. Контрольные вопросы
Чем обеспечивается проводимость твердых диэлектриков и в каких случаях важно знать их сопротивление изоляции?
Назовите основные параметры диэлектриков, применяемых в качестве изоляторов между токоведущими элементами структур электронных компонентов, и напишите их определения.
Как изменяются потери мощности электромагнитных волн с ростом частоты при прохождении через диэлектрик, и с чем это связано?
Как изменяются потери мощности электромагнитных волн при прохождении через твердый диэлектрик с ростом температуры, и с чем это связано?
Назовите и охарактеризуйте основные виды поляризации твердых диэлектриков.
Назовите и охарактеризуйте основные виды поляризации жидких диэлектриков.
Назовите и охарактеризуйте основные виды поляризации газообразных диэлектриков.
Какой физический смысл имеет тангенс угла диэлектрических потерь и в каких случаях его необходимо знать?
Что такое диэлектрическая проницаемость диэлектрика и на какие параметры она оказывает влияние?
Что такое пробивное напряжение и от чего оно зависит?
Что такое электрическая прочность диэлектрика и от чего она зависит?
Таблица 1. Данные исходных вариантов
Номер бригады |
Внутренний диаметр линии, мм |
Последняя цифра номера группы |
Внешний диаметр линии, мм |
1 |
0.375 |
1 |
5.1 |
2 |
0.382 |
2 |
5.2 |
3 |
0.389 |
3 |
5.3 |
4 |
0.397 |
4 |
5.4 |
5 |
0.404 |
1 |
5.5 |
6 |
0.411 |
2 |
5.6 |
7 |
0.419 |
3 |
5.7 |
8 |
0.426 |
4 |
5.8 |
9 |
0.433 |
1 |
5.9 |
0 |
0.12 |
2 |
6 |
Таблица 2. Зависимость волнового сопротивления от диэлектрической проницаемости.
Материал |
Воздух (Air) |
Оксид алюминия (Alumina) |
Композитный диэлектрик (RT/Duroid 5880) |
Относительная диэлектрическая проницаемость |
|
|
|
Волновое сопротивление линии, Ом |
|
|
|
Таблица 3. Частотная зависимость потерь.
Частота, ГГц |
2.5 |
2.7 |
2.9 |
3.1 |
3.3 |
3.5 |
Коэффициент затухания, дБ/м |
|
|
|
|
|
|