Введение к работе
Актуальность темы
Замедляющие системы (ЗС) традиционно используются в СВЧ электронике (лампах с бегущей и обратной волной (ЛЕВ и ЛОВ)), а также в качестве радиоволновых элементов технологических приборов и устройств [1*, 2*]. Большинство ЗС обладают нормальной дисперсией, и только некоторые имеют в своей характеристике небольшие участки с аномальной дисперсией.
Известно, что наиболее широкой полосой обладает спиральная ЗС. Обычно в такой системе дисперсия нормальная, что накладывает ограничения на ширину ее полосы рабочих частот [3*-5*]. Расширение полосы частот ЗС обычно достигается за счет улучшения согласования с сопрягаемыми устройствами и элементами, снижения паразитных явлений в самих ЗС и т.п. [6*]. Известен ряд работ по коррекции амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) спиральных ЛЕВ с помощью экрана с продольной проводимостью, обладающего аномальной дисперсией, что позволяет также добиться некоторого уменьшения их габаритных размеров в целом [7*].
Уменьшение габаритов СВЧ элементов с распределенными постоянными (ответвители, фильтры, резонаторы и др.) может быть достигнуто путем повышения, например, диэлектрической проницаемости подложки, на которой они изготовлены [8*, 9*]. Однако более существенный результат - уменьшение в десятки раз габаритов устройств, получается при выполнении проводников в виде ЗС.
Интерес к таким структурам закономерен, поскольку их применение, благодаря резонансным явлениям в диэлектриках с большой диэлектрической проницаемостью и эффекту замедления электромагнитных волн, позволяет создавать новые устройства с габаритными размерами значительно меньшими рабочих длин волн, обладающие улучшенными электрическими характеристиками и низкой стоимостью.
Состояние вопроса
Проблема миниатюризации СВЧ устройств остро встала во второй половине прошлого века. Она была частично решена благодаря созданию гибридных и объемных интегральных схем СВЧ. Однако в сравнении с активными твердотельными элементами, пассивные устройства наиболее трудно поддаются миниатюризации даже в случае планарных схем, из-за
достаточно высоких потерь и существенных трудностей при широкополосном согласовании устройств. Использование же сосредоточенных элементов и комбинированных схем с распределенными и сосредоточенными элементами весьма ограничено из-за низкой добротности последних.
Одним из перспективных способов уменьшения продольных размеров устройств является создание конструкций ЗС с аномальной дисперсией. В этом случае с уменьшением частоты колебаний фазовая скорость уменьшается при сохранении электрической длины структуры, а наличие замедления позволяет сократить геометрическую длину устройства в целом при сохранении электродинамических характеристик и параметров. Сложный характер распределения поля между проводниками ЗС позволяет, в зависимости от конфигурации,, в широких пределах управлять дисперсионной характеристикой, что представляет интерес при создании антенно-фидерных устройств, направленных ответвителей, поглощающих нагрузок, фазовращателей с управлением магнитным полем, резонаторов и линий задержки, согласующих устройств и ряда других пассивных элементов радиоволновьгх и СВЧ трактов.
Цель и задачи работы
Исследование физических свойств электромагнитных полей в электродинамических структурах на отрезках ЗС с аномальной дисперсией для создания широкополосных функциональных элементов, узлов и модулей, обеспечивающих миниатюризацию антенно-фидерных устройств.
Для достижения указанной цели необходимо решение следующих задач:
исследование физических условий возникновения аномальной дисперсии и способов их реализации, а также управления дисперсионной характеристикой ЗС;
исследование электродинамических параметров ЗС с преимущественным сосредоточением в пространстве электрических и магнитных полей, в том числе, при близком к равномерному распределению для выбранного поля вдоль структуры;
реализация для выбранных типов электродинамических ЗС требуемых коэффициентов замедления, затухания, добротности и волновых сопротивлений;
обеспечение условий согласования распространения медленных волн в электродинамических ЗС с условиями их распространения в окружающих средах при заданном распределении электромагнитного поля.
экспериментальные исследования ЗС с аномальной дисперсией с целью проверки теоретических результатов и формулировка методов построения и разработка устройств с аномальной дисперсией на их основе.
Методы исследования
Исследования проведены с помощью математических моделей электродинамики и теории электромагнитного поля; теории электрических цепей и сигналов; численных методов и компьютерного моделирования; изготовленных экспериментальных макетов и устройств.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректностью используемых и опубликованных математических выводов и моделей; согласованностью ряда полученных результатов с аналогичными опубликованными в отечественной и зарубежной печати; сравнением результатов компьютерного моделирования и экспериментальных исследований и внедрением разработанных элементов и устройств в производство.
Научная новизна
Впервые получено решение электродинамической задачи для спиральных ЗС, позволяющее обеспечить получение и управление аномальной частотной дисперсией; предложена методика численного исследования и компьютерного проектирования устройств на отрезках ЗС с аномальной дисперсией; показана возможность уменьшения геометрических размеров таких устройств прямо пропорционально величине коэффициента замедления, что позволило предложить новые конструкции устройств с продольными размерами, значительно меньшими рабочих длин волн при сохранении электродинамических характеристик и параметров: коаксиальных и микрополосковых фидерных линий, а также собирательных линий коротковолновых антенн.
Конструкции предложенных устройств защищены 4 патентами РФ на изобретения.
Основные научные положения и результаты
На защиту выносятся перечисленные ниже новые научные положения и результаты, полученные в работе:
-
Эффект аномальной частотной дисперсии реализуется в ЗС при использовании спирали с продольно проводящим экраном; спирали с экраном, обладающим емкостной проводимостью в азимутальном направлении, а также связанных коаксиальных спиралей с противофазным возбуждением, что обеспечивается наличием в таких электродинамических структурах дополнительного замедления за счет увеличения эквивалентной погонной емкости.
-
Управление аномальной частотной дисперсией при конструировании устройств на отрезках одиночных и связанных спиральных ЗС позволяет уменьшать их продольные геометрические размеры прямо пропорционально величине коэффициента замедления при сохранении электродинамических характеристик и параметров.
-
Методика моделирования и численного исследования устройств на отрезках ЗС с аномальной дисперсией основана на использовании численного метода конечных элементов в сочетании с приближенно-аналитическим методом замены электродинамической структуры эквивалентной длинной линией с последующим определением и уточнением её погонных параметров с учетом дисперсии.
-
Предложены, теоретически обоснованы, численно и экспериментально исследованы устройства на отрезках одиночных и связанных ЗС с аномальной дисперсией, отличающиеся малыми габаритными размерами по сравнению с рабочей длиной волны, и возможностью их многофункционального использования, в частности:
- коаксиальная фидерная линия на основе отрезков спиральной ЗС с
продольно-проводящим экраном, реализующая аномальную дисперсию в
диапазоне от 0,5 до 610 МГц и последующую минимальную дисперсию вплоть
до 1250 МГц при отношении радиусов спирали и экрана равном 1,2 и длине
отрезков 250 мм;
- микрополосковая фидерная линия на основе отрезков ЗС типа «зигзаг» с
продольно-проводящим экраном, обеспечивающая аномальную дисперсию в
диапазоне от 3,5 до 8 ГГц и последующую минимальную дисперсию вплоть до
12 ГГц, при использовании подложки с габаритными размерами 91 х 47 мм, с относительной диэлектрической проницаемостью 9,8 и толщиной 1,5-2 мм; - собирательные линии коротковолновых антенн диапазона 4,05-24,05 МГц, обладающие уменьшенными продольными размерами за счет выполнения на основе отрезков ЗС с аномальной дисперсией, в частности:
- 20-элементная антенна с бегущей волной диапазона KB, имеющая длину
42 м, при сохранении диапазона частот и диаграммы направленности,
достигаемых полноразмерной антенной длиной 75,0-87,5 м;
- 9-элементная логопериодическая антенна, имеющая длину 30 м, при
сохранении диапазона частот и диаграммы направленности, достигаемых
полноразмерной антенной длиной 45 м.
Апробация работы
Основные теоретические и практические результаты диссертации докладывались и обсуждались на 5 Международных, Всероссийских и отраслевых научно-технических конференциях и форумах: LXV Научной сессии, посвященной Дню радио, Москва, 2010; Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП-2008)», Саратов, 2008; Всероссийской научно-практической конференции «Математика, информатика, естествознание в экономике и в обществе», Москва, 2009; I, III отраслевых научных конференциях-форумах «Технологии информационного общества», Москва, 2007, 2009.
Практическая ценность
Предложены новые конструкции коаксиальной и микрополосковой фидерных линий на основе отрезков ЗС с аномальной дисперсией, а также собирательных линий антенн бегущей волны и логопериодических антенн, обладающих улучшенными частотными характеристиками и меньшими геометрическими размерами за счет проявления в них эффекта аномальной дисперсии.
Предложены эффективные способы управления аномальной дисперсией в конструкциях на основе ЗС с помощью изменения параметров их экранов, методы моделирования таких конструкций и получены расчетные соотношения для их параметров.
Практическая ценность работы была отмечена золотой медалью ВВЦ на Международной выставке научно-технического творчества молодежи «НТТМ-2010», Москва, 2010.
Реализация результатов
Научные и практические результаты работы используются в ОАО «КБ «Аметист»; в учебном процессе МТУСИ при подготовке инженеров по специальностям 200700 «Радиотехника», 071500 «Радиофизика и электроника», а также бакалавров и магистров по направлению 210200 «Радиотехника».
Использование результатов подтверждено соответствующими актами и заключениями.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 11 работ, включая 2 статьи в российских журналах (по списку ВАК РФ), 4 статьи в трудах российских и международных конференций, 4 патента РФ на изобретение и 1 учебно-методическое пособие.
Структура и объем работы
