Введение к работе
Актуальность темы.
Широкий класс электродинамических систем [Л. 1-3], используемых в технике радиосвязи, радиолокации, навигации, оборонных областях радиоэлектроники и т.д., строит свою элементную базу на основе открытых взаимных и невзаимных цилиндрических направляющих структурах.
Диссертация посвящена исследованию спектров волн поперечно-неоднородных и продольно-нерегулярных цилиндрических направляющих структур: круглого диэлектрического волновода со спирально-проводящей поверхностью, круглого открытого ферритового волновода со спирально-проводящей поверхностью, круглого открытого ферритового волновода, круглого диэлектрического волновода с периодически изменяющейся поверхностной диэлектрической проницаемостью и круглого диэлектрического волновода с резистивной пленкой на поверхности.
Круглые открытые диэлектрические волноводы (КДВ) широко используются при построении линий связи и функциональных узлов СВЧ, КВЧ и оптического диапазонов. На поверхностных волнах КДВ [Л.4-13] осуществляется перенос энергии в волоконных световодах и в открытых линиях передачи СВЧ и КВЧ диапазонов. Слабо связанные с направляющей структурой, имеющие большую поперечную протяженность поля различные комплексные волны [Л. 14-17] находят свое применение при построении таких устройств, как диэлектрические антенны неосевого излучения, различные виды датчиков, полосовые фильтры.
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. Спиральные линии применяются для конструирования антенн осевого и неосевого излучения в качестве замедляющих систем электронных устройств.
Особый интерес вызывают невзаимные направляющие структуры, использующие при своём построении анизотропные среды, к которым, в частности, относятся ферриты. Ферриты [Л. 18,19] представляют собой кристаллические вещества - соединения вида Me-Fe203 (Me- один из следующих элементов: Мп, Со, Си, Zn, Fe, Cd), обладающие в диапазоне СВЧ и КВЧ высоким удельным сопротивлением (p = l-j-104 Ом-м) и малыми потерями (tgS -10"2 ч-ІО"4). Магнитная проницаемость феррита представляет собой тензор второго ранга [Л. 19], элементы которого зависят от частоты электромагнитного поля. На основе ферритовых сред создаются такие устройства, как вентили, циркуляторы, фазовращатели, делители мощности, аттенюаторы и др.
Волноводы с резистивными пленками широко применяются в технике СВЧ [Л. 20] при создании фильтров паразитных мод, широко диапазонных
аттенюаторов, вентильных устройств, направленных ответвителей, согласованных нагрузок и др.
При проектировании новых и модернизации известных устройств СВЧ и КВЧ диапазонов необходимо ставить дифракционные задачи, для решения которых важно учитывать полный спектр волн, существующих в структуре при заданных условиях, в том числе и комплексных [Л. 14-17]. Учет всего спектра волн не только позволяет оптимизировать параметры функциональных узлов при максимальном сокращении, а иногда и при полном исключении самого трудоемкого и дорогостоящего этапа -экспериментальной доводки разрабатываемого узла, но и вызывает большой интерес с точки зрения перспективы построения функциональных узлов СВЧ и КВЧ нового типа.
Цель диссертации:
- создание эффективных алгоритмов и программ для систем
автоматизированного проектирования (САПР), позволяющих проводить
строгий электродинамический расчет таких базовых структур техники СВЧ и
КВЧ диапазонов волн как круглый открытый диэлектрический волновод со
спирально-проводящей поверхностью, круглый открытый продольно
намагниченный ферритовый волновод со спирально-проводящей
поверхностью, круглый открытый продольно намагниченный ферритовый
волновод, круглый диэлектрический волновод с периодически
изменяющейся поверхностной диэлектрической проницаемостью и круглый
диэлектрический волновод с резистивной плёнкой на поверхности;
- исследование особенностей распространения электромагнитных волн
в указанных направляющих структурах.
Методы исследования.
Представленные в диссертационной работе теоретические результаты получены на основе метода частичных областей (МЧО), метода укорочения дифференциального уравнения, метода поверхностного тока [Л.20], импедансного метода[Л.4,21], модели анизотропно-проводящего цилиндра[Л.20,22,23] и принципа Гюйгенса[Л.24]. Расчет комплексных корней дисперсионных уравнений производился с использованием метода вариации фазы [Л.25], основанного на принципе аргумента [Л.26,27].
Научная новизна:
Исследованы дисперсионные, энергетические и поляризационные свойства волн круглого диэлектрического волновода со спирально-проводящей поверхностью.
Установлено, что изменение угла намотки спирали приводит к неоднозначной зависимости замедления различных волн круглого диэлектрического волновода со спирально-проводящей поверхностью.
Исследованы дисперсионные, энергетические и поляризационные свойства волн круглого открытого ферритового волновода со спирально-проводящей поверхностью.
Установлено, что в круглом открытом ферритовом волноводе со спирально-проводящей поверхностью без потерь существуют два вида комплексных волн: комплексные волны с нулевым потоком мощности через поперечное сечение волновода, существование которых обусловлено распределенным разворотом мощности и дифракцией на микроструктуре феррита, и комплексные волны, у которых поток мощности через поперечное сечение волновода не равен нулю. Природа последних связана с процессами перемагничивания феррита.
Показано, что при учете потерь в феррите изменение направления поля подмагничивания на противоположное приводит к качественному изменению дисперсионных свойств волн с комплексными волновыми числами круглого открытого ферритового волновода со спирально-проводящей поверхностью.
Произведено сравнение дисперсионных, энергетических и поляризационных свойств волн круглого открытого ферритового волновода и круглого открытого ферритового волновода со спирально-проводящей поверхностью.
Установлено существование быстрых собственных волн в круглом открытом ферритовом волноводе и круглом открытом ферритовом волноводе со спирально-проводящей поверхностью при наличии потерь в феррите.
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 круглого открытого диэлектрического волновода со спирально-проводящей поверхностью, круглого открытого продольно намагниченного ферритового волновода со спирально-проводящей поверхностью, круглого открытого продольно намагниченного ферритового волновода, круглого диэлектрического волновода с периодически изменяющейся поверхностной диэлектрической проницаемостью и круглого диэлектрического волновода с резистивной плёнкой на поверхности.
В создании универсальной программы для ЭВМ, позволяющей на базе модели круглого открытого продольно намагниченного ферритового волновода со спирально-проводящей поверхностью получать решения
дисперсионных уравнений круглых открытых диэлектрического и
ферритового волноводов со спирально-проводящей поверхностью. А так же в
создании программ для ЭВМ, производящих поиск корней дисперсионных
уравнений волн круглого открытого продольно намагниченного
ферритового волновода, круглого диэлектрического волновода с
периодически изменяющейся поверхностной диэлектрической
проницаемостью и круглого диэлектрического волновода с резистивной плёнкой на поверхности.
В исследовании дисперсионных, энергетических и поляризационных свойств волн круглого открытого диэлектрического волновода со спирально-проводящей поверхностью, круглого открытого продольно намагниченного ферритового волновода со спирально-проводящей поверхностью, круглого открытого продольно намагниченного ферритового волновода.
В создании теоретической базы для разработки систем компьютерного проектирования функциональных узлов СВЧ и КВЧ на основе рассмотренных структур.
Положения, выносимые на защиту:
Сформулировано утверждение, что некоторые азимутально-несимметричные волны круглого диэлектрического волновода со спирально-проводящей поверхностью, круглого открытого ферритового волновода и открытого ферритового волновода со спирально-проводящей поверхностью не имеют продолжения в виде вытекающих волн.
Объяснены природа и особенности комплексных волн с ненулевым потоком мощности через поперечное сечение направляющей структуры в круглом открытом ферритовом волноводе со спирально-проводящей поверхностью.
Доказано существование быстрых собственных волн в круглом открытом ферритовом волноводе и круглом открытом ферритовом волноводе со спирально-проводящей поверхностью.
Обоснованы граничные условия для круглого открытого диэлектрического волновода с периодически изменяющейся поверхностной диэлектрической проницаемостью.
Доказано увеличение направленности излучения с конца круглого открытого диэлектрического волновода со спирально-проводящей поверхностью.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на:
V Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», Самара, 2006;
XIII Нижегородской сессии молодых ученых. Технические науки. Н.Новгород, 2008;
Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии. ИСТ - 2008», Н.Новгород, 2008;
VII Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», Самара, 2008;
IX Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций», Казань, 2008;
XIV Нижегородской сессии молодых ученых. Технические науки. Н.Новгород, 2009;
XV Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии. ИСТ - 2009», Н.Новгород, 2009;
VIII Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки», Н.Новгород, 2009;
VIII Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», Санкт-Петербург, 2009;
IX Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки», Н.Новгород, 2010;
IX Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», Челябинск, 2010;
XVII Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии. ИСТ - 2011», Н.Новгород, 2011;
X Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», Самара, 2011.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 185 страниц основного текста, включая библиографию из 104 наименований, 55 рисунков, 3 таблицы, 1 приложение, содержащее 1 акт внедрения результатов диссертации.
