Введение к работе
Актуальность темы
Многощелевые отвствитсли и излучатели являются важным классом устройств СВЧ, применяемых как в качестве самостоятельных узлов в тракте, так и в качестве элементов сложных радиотехнических систем, в частности, в антенных решетках. Практика проектирования современных СВЧ-устройств накладывает достаточно жесткие требования на качество всех узлов разрабатываемой аппаратуры при минимальных временных и финансовых затратах на их моделирование, изготовление и настройку, поэтому применение щелевых ответвителей и излучателей на полосковых и микрополосковых линиях при наличии адекватного расчетного инструментария пыглядит весьма привлекательным, так как печатная технология изготовления полосковых плат позволяет существенно сократить іаОарнгм и нес усіроПсіна, итерировать от нетпитель или ишучаїель с дискретными компонентами. В последнее время также обострился интерес и к широкополосным полноводным линиям передачи сложного сечения с частичным диэлектрическим заполнением, на баїс которых может быть разработан ряд интересных устройств таких, как компактные поляризаторы, смесители, направленные оііісіінгіглп и м|>. Однако, и тссшис метлы расчет щдіі'г тмЬул-ления волноводов сложной формы и полосковых линий имеют ряд существенных недостатков; они. как правило, орисіггирошінм на однощелевме конструкции, имеют недостаточную точность и универсальность.
В предлагаемой диссертации излагается единый подход к строгому электродинамическому анализу многощелевых конструкций на волноводах сложной формы и разнообразных полосковых линиях, позволяющий унифицировать технологию их расчета для произвольного расположения щелей и различных конфигураций поперечного сечения.
- s -
Сказанное свидетельствует об актуальности исследования, поскольку диссертационная работа дает в руки разработчиков как достаточно универсальную методику расчета параметров рассеяния неоднородностей в разнообразных линиях передачи, так и конкретные программы анализа многощелевых направленных ответвителей и излучателей на базе наиболее широко используемых волноводов и полосковых линий.
Цель работы
Создание единой методики расчета параметров рассеяния неоднородностей в регулярных линиях передачи различных типов, позволяющей создавать гибкие алгоритмические схемы расчета ответвителей для разных видов полосковых, щелевых линий и волноводов сложной формы с частичным диэлектрическим заполнением. Создание комплекса расчетных программ, реализующих эту методику для ряда важных практических случаев — П-образного волновода, высокодобротных полосковых линий и др.
Методы исследования
В основе математических моделей лежат проекционные методы электродинамики с использованием истокообразного представления полей через функцию Грина и составлением интегральных уравнений на источниках поля. В волноводах сложной формы производится геометрическая декомпозиция исследуемой структуры нп ряд подобластей с "металлизацией" апертур связи и вводом магнитных токов, эквивалентных тангенциальному электрическому полю на них. При этом декомпозиция проводіггси так, чтобы можно было найти функцию Грина для каждой полобласти либо в явном виде (для областей прямоугольного сечения), либо через неявную алгоритмическую . схему (для областей с плоскослоистым заполнением и полосковых линий). Проецирование системы интегральных уравнений, получаемых из условия равенства нулю тангенциального электрического поля на электрических токах и непрерывности тангенциального
- ft -
магнитного поли їм магнитных токах, на базис разложения токоп в соответстиис с методом моментов, дает систему линейных уравнений. В качестве базисные функции исполі.іуіотсн к:ік ііскторіїмс собсгпсппыс функции ;шс|тгур, так и функции, учитывающие особенность на ребрах. В прямоугольных щелях учитываются также и гармоники тока эллиптической поляризации, оказывающие существенное влияние на характеристики направленных ответвителей с близкорасположенными щелями, что позволяет улучшить согласование между расчетом и экспериментальными данными.
Для нахождения энергетических параметров набора собственных волн регулярных линий передачи используется оригинальный метод, основанный на введении вспомогательного бесконечно удаленного источника. Показано, что взаимодействие щелевых неоднородностей в регулярной линии передачи с ее собственными модами может быть описано как вычисление проводимости связи между щелями и бесконечно удаленным источником (например, точечной щелью), а энергетика собственных мод — как вычисление проводимости излучения этого источника. Эти проводимости вычисляются через вычеты характеристической функции Грина в полюсах, соответствующих собственным модам линии передачи, что позволяет построить единообразный вычислительный процесс расчета s-параметроп (в том числе и для многомодовых режимов) многощелевых ответвителей и излучателей для самых различных типов подводящих линий передачи без непосредственного вычисления полей и интегрирования вектора Пойнтинга по поперечному сечению.
Обоснованность научных положений и достоверность результатов
Для разработки математических моделей использованы апробированные методы решения электродинамических задач, в частности, метод интегральных уравнений. Вычислительные алгоритмы тщательно проверялись путем сравнения с результатами других исследователей, а также с программами, построенными на иной методологии вычислительного процесса, например, на базе метода
импсдансных сеток. Проверка программных комплексов в существенной степени опиралась и на сравнение с сериями лксперимептальных данных, предоставленных НИИ Приборостроении.
Научная новизна
Научная новизна диссертации состоит в:
— рассмотрении нового класса СВЧ-устройств на основе решения задачи
возбуждения волнополов сложной формы и полосковых линий;
методе расчета параметров рассеяния на неоднородностях в волноводах сложной формы и полосковых линиях, основанном на введении виртуального источника;
методах использования геометрических и алгоритмических симметрии при анализе направленных ответвителей;
объединении методологий расчета волноводах сложной формы и полосковых линий.
Практическая ценность диссертационной работы состоит fi созданных алгоритмах и программных комплексах, предназначенных для автоматизации расчета и оптимизации устройств СВЧ с щелевыми неоднородностями. Первый программный комплекс служит для расчета многотелевых направленных ответвителей и многощелевых излучателей в составе конечных и бесконечных решеток с произвольно выбираемой сеткой и амплитудно-фазовым распределением, питаемых разнообразными линиями передачи: волноводами сложной формы, полоскоиыми линиями различного вида. Второй программный комплекс предназначен для точного расчета волноводно-шелепых многоканальных распределителей с корректным электродинамическим учетом влияния близкорасположенных групп щелей, находящихся в соседних слоях распределителя.
- К
szzszto
т-т—г
So-»
'' 'л Л
г/ і/ X/ '> f"
ъ
'г"»""' />*шег^, с у.у7*&.;
J?tL, 1<><$1,ЄІ,
Внедрение
Результаты диссертационной работы внедрены в НИИ Приборостроения г.Жуковский в виде методики и двух программных комплексов, о чем имеются два акта о внедрении.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 27-ой международной конференции по теории и технике антенн в Москве, 1994, и 5-ой международной конференции "Новые достижения в микроволновой технике", Киев, Украина, 1995.
Публикации по теме диссертации
По теме диссертации было опубликовано 2 статьи /1,3/ и сделано 3 доклада на международных конференциях /2,4,5/.
В статье /1/ опубликован оригинальный метод существенного ускорения расчетов многощелевых направленных ответвителей и излучателей, базирующийся на общих свойствах интегральных преобразований, используемых при применении метода Галеркина.
В докладе /2/ изложена общая основа математических методов, используемых в диссертации, и описан метод расчета параметров рассеяния на продольных неоднородностях в волноводах сложной формы и полосковых линиях.
В статье /3/ приведен обзор работ научной группы пол руководством к.т.н. доц. Бодрова, где автору принадлежит гл.З, посвященная специфике расчета многоцелевых НО на ВСС и полосковых линиях с близкорасположенными и пересекающимися щелями и проблемам учета симметрии в таких ответвителях с целью ускорения вычислений.
В докладах /4,5/ изложены результаты проектирования волноводных поляризаторов для Кіі-лилна німа (10.9-14.5 Пи) с использованием разработанных автором методик расчета и программ.
- ю -
Сшшвя-Н объем работы
Диссертационная работа состоит из введении, четырех глав, заключения, списки литературы н четырех приложений. Рпботи содержит 155 страниц, иі них 44 страницы рисунков и 10 страниц приложений. Список литературы включает 111 наименований на 10 страницах.
Основные положения, выносимые на защиту
разработка математических моделей нового класса устройств СВЧ — щелевых направленных ответвителей и излучателей на волноводах сложной формы и полосковых линиях;
метод нахождения s-параметров многощелевых направленных ответвителей на полосковых линиях и волноводах сложного поперечного сечения с частичным диэлектрическим заполнением;
использование геометрических и алгоритмических симметрии при расчете многошелевых направленных ответвителей и излучателей;
характеристики многощелевых направленных ответвителей на полосковых линиях и волноводах сложной формы;
эффект возбуждения эллиптической поляризации токов в широких щелях и влияние его на характеристики направленных ответвителей.