Введение к работе
Актуальность темы
Современные электродинамические системы представляют собой сложные аппаратно-программные комплексы, предназначенные для решения широкого круга задач, таких как обеспечение коммуникации большого количества абонентов и обмен информацией между ними, радионавигация для обеспечения безопасности управления и маневрирования летательных аппаратов, выполнение измерений в СВЧ и КВЧ технике, а также разработка и улучшение приборов в медицинской технике. Эти важные задачи требуют постоянной разработки новой элементной базы и совершенствования уже зарекомендовавших себя в определенных направлениях базовых структур. Поскольку как строгие, так и инженерные расчеты электродинамических устройств требуют существенных затрат, как временных, интеллектуальных, так и аппаратных, то существенное внимание в настоящее время уделяется теоретическим аспектам принципов функционирования и взаимодействия данных устройств. И действительно, зная принцип работы простейших элементов, мы можем предсказать их поведение при построении более сложной электродинамической структуры, что может частично сократить время, затрачиваемое на исследование и проектирование последней. Таким образом, теоретическое исследование и описание принципов работы электродинамических устройств имеет, несомненно, большое значение.
В настоящей диссертации приводится обзор таких методов расчета электродинамических структур, как метод частичных областей, метод поверхностного тока, метод укорочения дифференциального уравнения, определяются области их применения и существующие ограничения по использованию. На основе рассмотренных методов в диссертации решаются краевые задачи для круглого диэлектрического волновода (ДВ) с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности и круглого продольно намагниченного ферритового волновода с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности. Исследуются дисперсионные, энергетические и поляризационные свойства волн данных направляющих электродинамических структур.
Круглый ДВ - это структура, наиболее часто используемая при построении линий связи и функциональных узлов техники СВЧ, КВЧ и оптического диапазонов [1-5]. Причиной такого интереса к нему является его относительная конструктивная простота, легкость расчетов характеристик и наличие доступного теоретического описания процессов и механизмов распространения электромагнитных волн в такой направляющей структуре. Круглые диэлектрические волноводы находят свое применение при построении таких устройств, как диэлектрические антенны неосевого излучения, различные виды датчиков, полосовые фильтры [6-11].
Открытые спиральные линии в настоящее время широко используются как линии задержки в метровом диапазоне, как замедляющие системы в сантиметровом диапазоне, как волноводные системы в миллиметровом диапазоне, применяются для конструирования антенн осевого и неосевого излучения. На
сегодняшний день хорошо изучены спиральные линии с воздушным заполнением [12, 13]. В [14] проведено исследование электромагнитных волн круглого открытого ДВ с идеально проводящей спиралью на поверхности, приведены дисперсионные и поляризационные характеристики нескольких азимутально-симметричных и азимутально-несимметричных волн данной направляющей структуры. Однако случаи, когда спираль, находящаяся на поверхности диэлектрического стержня, имеет конечную проводимость, ранее не рассматривались.
В последнее время повышенный интерес проявляется к невзаимным направляющим структурам, использующим при своём построении анизотропные среды, к которым, в частности, относятся ферриты. Ферриты [15, 16] имеют в
диапазоне СВЧ и КВЧ высокое удельное сопротивление (р = 1-е-10 Омм) и
малые потери (tg5 = 10 -=-10 ), обладают одновременно магнитными и
полупроводниковыми свойствами, благодаря чему находят широкое применение в радиотехнике, радиоэлектронике и вычислительной технике. На основе ферритовых сред создаются такие устройства, как вентили, циркуляторы, фазовращатели, делители мощности, аттенюаторы и др. Расчету некоторых направляющих структур с ферритами посвящены работы [17-21]. При этом вопросам распространения электромагнитных волн в ферритовых волноводах с резистивными пленками на поверхности ранее внимания не уделялось. В данном случае интерес представляет исследование взаимодействия эффектов, обусловленных анизотропией магнитных свойств ферритовой среды и анизотропией электрических свойств пленки.
Цель диссертации - исследование особенностей дисперсионных, энергетических и поляризационных свойств волн круглых диэлектрического и продольно намагниченного ферритового волноводов с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности, определение перспектив применения рассматриваемых электродинамических структур при создании новых и совершенствовании существующих СВЧ устройств и антенн.
Методы исследования
Представленные в диссертационной работе теоретические результаты получены на основе модели анизотропно-проводящего цилиндра [12, 22, 23], метода частичных областей (МЧО) [24-25], метода укорочения дифференциального уравнения [26], метода поверхностного тока [22] и принципа Гюйгенса-Френеля [24]. Расчет комплексных корней дисперсионных уравнений производился с использованием метода вариации фазы [25], основанного на принципе аргумента [27, 28].
Научная новизна:
- аналитически обоснована полнота системы решений краевых задач, получаемой методом укорочения дифференциального уравнения;
- исследованы дисперсионные, энергетические и поляризационные
свойства волн круглого ДВ с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на
поверхности;
- установлено, что изменения угла напыления резистивной спирали и
величины ее поверхностной проводимости оказывают различное влияние на
дисперсионные свойства разных волн круглого ДВ с анизотропно-проводящей
резистивной пленкой на поверхности;
- исследованы дисперсионные, энергетические и поляризационные
свойства волн круглого ДВ с идеально-проводящей спиралью на поверхности.
Показано, что рассматриваемая направляющая структура сочетает в себе
одновременно свойства как открытого, так и экранированного волноводов;
исследованы дисперсионные и поляризационные свойства волн круглого продольно намагниченного ферритового волновода с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности;
установлено, что свойства волн круглого продольно намагниченного ферритового волновода с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности в области частоты ферромагнитного резонанса определяются свойствами феррита, а в высокочастотной (дальней зарезонансной) области -свойствами резистивной пленки;
- определены особенности дисперсионных свойств волн круглого
продольно намагниченного ферритового волновода с идеально-проводящей
спиралью на поверхности;
- получены диаграммы направленности излучения с открытых концов
круглых диэлектрического и продольно намагниченного ферритового волноводов
с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности.
Обоснованность и достоверность положений и выводов, сформулированных в диссертации, подтверждаются использованием при расчете направляющих структур теоретически обоснованных методов и численной проверкой выполнения предельных переходов от рассматриваемых структур к структурам, решения краевых задач для которых достоверно известны.
Практическая значимость работы заключается:
в разработке алгоритмов расчета дисперсионных характеристик волн круглых диэлектрического и продольно намагниченного ферритового волноводов с анизотропно-проводящей поверхностью;
в создании универсальной программы для ЭВМ, позволяющей на базе модели круглого продольно намагниченного ферритового волновода с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности получать решения дисперсионных уравнений волн всех рассматриваемых в диссертации направляющих структур;
в создании программ для ЭВМ, позволяющих рассчитывать диаграммы направленности излучения с открытых концов круглых диэлектрического и продольно намагниченного ферритового волноводов с анизотропно-проводящей поверхностью;
- в получении информации о дисперсионных, энергетических и
поляризационных свойствах волн круглого ДВ с анизотропно-проводящей
резистивной пленкой на поверхности и круглого продольно намагниченного
ферритового волновода с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на
поверхности, позволяющей определить перспективы их [волноводов] применения
при создании новых и совершенствовании существующих СВЧ устройств;
- в расчете диаграмм направленности излучения с открытых концов
круглых диэлектрического и продольно намагниченного ферритового волноводов
с анизотропно-проводящей поверхностью, позволяющих определить перспективы
применения рассмотренных в диссертации направляющих структур в антенной
технике.
Положения, выносимые на защиту:
- обоснование полноты системы решений краевых задач, получаемой
методом укорочения дифференциального уравнения;
- результаты исследования дисперсионных, энергетических и
поляризационных свойств волн круглого диэлектрического волновода с
анизотропно-проводящей поверхностью, демонстрирующие селективное
воздействие резистивной пленки на волны разных типов;
подход к классификации волн круглого диэлектрического волновода с анизотропно-проводящей поверхностью;
результаты исследования дисперсионных и поляризационных свойств волн круглого продольно намагниченного ферритового волновода с анизотропно-проводящей поверхностью;
- результаты исследования излучения с открытых концов круглых
диэлектрического и продольно намагниченного ферритового волноводов с
анизотропно-проводящей поверхностью, позволяющие определить возможности
данных структур при построении антенн осевого излучения.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на:
IX Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций», Казань, 2008;
XIV Нижегородской сессии молодых ученых (технические науки), Нижний Новгород, 2009;
VIII Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки», Нижний Новгород, 2009;
- XVI Международной научно-технической конференции
«Информационные системы и технологии. ИСТ - 2010», Нижний Новгород, 2010;
- IX Международной молодежной научно-технической конференции
«Будущее технической науки», Нижний Новгород, 2010;
XVII Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии. ИСТ - 2011», Нижний Новгород, 2011;
XVIII Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии. ИСТ - 2012», Нижний Новгород, 2012;
- XIX Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии. ИСТ - 2013», Нижний Новгород, 2013.
Публикации
По результатам диссертации опубликовано 17 научных работ: 4 статьи (из них 3 - в журналах, входящих в перечень ВАК), 13 публикаций в сборниках трудов научных конференций.
Личный вклад автора
Автором были сформулированы краевые задачи и составлены дисперсионные уравнения волн рассмотренных в диссертации направляющих структур. На их основе разработаны алгоритмы и созданы программные комплексы, позволяющие проводить строгий электродинамический анализ направляющих свойств круглых диэлектрического и продольно намагниченного ферритового волноводов с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности. Рассчитаны дисперсионные характеристики волн данных структур, исследованы энергетические и поляризационные свойства волн, получены диаграммы направленности излучения с открытых концов круглых волноводов с анизотропно-проводящей поверхностью.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения. Работа изложена на 190 страницах, включает 1 таблицу, 82 иллюстрации, 92 библиографических ссылки, 1 приложение, содержащее акт внедрения результатов диссертации.