Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Разработка методов расчета и анализа радио- и микроволновых резонаторов квазистационарного типа на отрезках замедляющих систем :
1.1. Современное состояние и перспективы применения 13
1.2. Анализ методов расчета и моделирования 26
1.3. Выводы по главе 1 37
Глава 2. Расчет радиальных резонаторов квазистационарного типа на отрезках замедляющих систем методом эквивалентных длинных линий :
2.1. Резонаторы квазистационарного типа на радиальных арифметических спиралях 38
2.2. Анализ радиального резонатора на связанных спиралях эллиптического сечения 46
2.3. Выводы по главе 2 52
Глава 3. Компьютерное моделирование радиальных резонаторов квазистационарного типа на основе отрезков одиночных и связанных замедляющих систем :
3.1. Особенности численного моделирования электродинамических структур с помощью программы High Frequency Structure Simulator 53
3.2. Моделирование резонатора на круглой арифметической спирали с изотропным экраном 84
3.3. Моделирование резонатора на связанных круглых арифметических спиралях 88
3.4. Моделирование резонатора на прямоугольной арифметической спирали с изотропным экраном 97
3.5. Моделирование резонатора на связанных прямоугольных арифметических спиралях 101
3.6. Анализ результатов моделирования 107
3.7. Выводы по главе 3 111
Глава 4. Экспериментальное исследование радиальных резонаторов на основе отрезков одиночных и связанных замедляющих систем :
4.1. Особенности измерения характеристик и параметров квазистационарного типа 113
4.2. Исследование резонатора на связанных прямоугольных арифметических спиралях 115
4.3. Сравнение экспериментальных результатов и результатов моделирования, полученных с помощью HFSS 119
4.4. Исследование многосекционного резонатора на связанных прямоугольных арифметических спиралях 121
4.5. Выводы по главе 4 132
Глава 5. Применение радио- и микроволновых резонаторов квазистациопарного типа на отрезках замедляющих систем :
5.1. Особенности излучения замедленной электромагнитной волны в магнитодиэлектрическую среду 133
5.2. Выводы по главе 5 , 143
Заключение. Основные результаты работы 144
Литература 146
Приложение. Результаты использования диссертационной работы и акты внедрения
- Анализ методов расчета и моделирования
- Анализ радиального резонатора на связанных спиралях эллиптического сечения
- Моделирование резонатора на круглой арифметической спирали с изотропным экраном
- Исследование резонатора на связанных прямоугольных арифметических спиралях
Введение к работе
Актуальность темы
Современный этап создания СВЧ-узлов и модулей различного функционального назначения на элементах с распределёнными постоянными наглядно демонстрирует широкие возможности применения пассивных устройств на отрезках полосковых линий, изготовление которых удачно вписывается в технологию микроэлектроники.
Однако широкое применение таких элементов сдерживается относительно узким рабочим диапазоном частот (10... 100 ГГц). На более низких частотах размеры элементов слишком велики, а на более высоких частотах в них слишком велики омические потери. Уменьшить размеры элементов с распределёнными постоянными, в том числе на относительно низких частотах (0,01...10 ГГц), удаётся применяя резонансные отрезки замедляющих систем (ЗС), представляющие собой двухпроводные линии передачи, один или оба проводника которых свёрнуты в спираль, меандр-линию, штыревую гребёнку и др. Однако при сворачивании проводников омические потери в них растут пропорционально замедлению электромагнитной волны, что ограничивает возможность применения ЗС для уменьшения размеров элементов. Исследования, проведенные ранее [1, 2] показали, что в ЗС, проводники которых являются повёрнутыми на 180 зеркальными отображениями друг друга, можно получить дополнительное замедление без увеличения омических потерь. Однако особенности теоретического и практического применения этого свойства для миниатюризации пассивных элементов и устройств СВЧ-техники не получили должного обоснования.
Состояние вопроса
В 50-х годах прошлого столетия понятие резонаторов с квазистационарными параметрами впервые ввел Нейман М.С. [3]. Последующие его работы доказали полноправное существование таких
резонаторов наравне с резонаторами на основе волноводных, коаксиальных
и щелевых линий передачи. В отличие от всех перечисленных структур
квазирезонаторы обладают возможностью практически полного разделения в
пространстве электрического и магнитного полей. Линейные размеры
таких резонаторов для основного типа колебаний оказываются значительно меньше резонансной длины волны, что позволяет проектировать малогабаритные радио- и микроволновые устройства различного функционального назначения.
В настоящее время наиболее известными и хорошо изученными являются резонаторы квазистационарного типа на основе волноводных линий [3]. В микроволновом диапазоне находят применение резонаторы квазистационарного типа на основе микрополосковых и щелевых линий. Уменьшить размеры резонатора квазистационарного типа можно применяя замедляющие системы (ЗС) [5, 6].
Резонаторы квазистационарного типа на основе отрезков цилиндрических или радиальных спиралей, можно использовать в качестве миниатюрных элементов радио- и микроволновых трактов, малогабаритных устройств электромагнитного нагрева и физиотерапии, первичных преобразователей для измерения физических величин и контроля технологических процессов [7].
Анализ физических и конструктивных особенностей резонаторов квазистационарного типа на отрезках различных линий позволяет сделать вывод о перспективности дальнейших исследований и разработки структур, представляющих собой последовательные соединения отрезков радио- и микроволновых трактов с разными волновыми сопротивлениями. При этом практический интерес представляют резонаторы, в которых отрезок с большим волновым сопротивлением выполнен в виде замедляющей системы. Использование эффекта замедления фазовой скорости волны открывает возможности уменьшения геометрических размеров таких
резонаторов при заданной рабочей частоте и незначительном снижении собственной добротности по сравнению с резонансными системами на основе волноводных, коаксиальных или микрополосковых линий.
Целью диссертации является исследование закономерностей распределения электромагнитных полей в радио- и микроволновых резонаторах на отрезках одиночных и связанных замедляющих систем, обладающих большими коэффициентами замедления и высокой собственной добротностью, для создания пассивных элементов, узлов и модулей, обеспечивающих миниатюризацию устройств СВЧ-техники. Для достижения указанной цели необходимо решение следующих задач:
исследование электродинамических систем с разделенными в пространстве электрическим и магнитным полями, в том числе, при близком к равномерному распределению для выбранного поля;
реализация для выбранных типов одиночных и связанных электродинамических систем требуемых коэффициентов замедления и собственных добротностей;
обеспечение условий согласования распространения медленных волн в электродинамических системах с условиями распространения в окружающих средах при заданной диаграмме направленности и поляризации излучателя.
Методы исследования
Исследования проведены с помощью математического аппарата электродинамики и теории электромагнитного поля; теории электрических цепей и сигналов; численных методов и компьютерного моделирования, изготовленных экспериментальных макетов и устройств.
Научная новизна, основные научные положения и результаты.
На защиту выносятся перечисленные ниже новые результаты, полученные в работе:
1. Методика расчета и компьютерного моделирования радио- и микроволновых резонаторов квазистационарного типа на отрезках ЗС,
основанная на комбинированном использовании приближенно-аналитических (методы частичных областей, методы эквивалентных длинных линий) и численных (методы конечных элементов, методы конечных элементов во временной области) методов, позволяющая наглядно продемонстрировать распределение напряженностей составляющих полей, а также описать осевое излучение с вращающейся круговой поляризацией в исследуемых структурах.
2. Исследованные физические и конструктивные особенности
радиальных резонаторов квазистационарного типа на отрезках одиночных и
связанных ЗС, позволившие обеспечить:
существенное уменьшение (в десятки - сотни раз) их габаритных размеров по сравнению с рабочей длиной волны;
практически полное разделение электрического и магнитного полей замедленной волны в областях, прилегающих к проводникам ЗС, причем при противофазном возбуждении резонатора на связанных ЗС энергия электрического поля снаружи проводников приблизительно в квадрат коэффициента замедления раз меньше энергии магнитного поля.
3, Экспериментальные исследования одно- и многосекционных систем
на связанных радиальных резонаторах квазистационарного типа,
подтвердившие:
получение коэффициентов замедления в десятки раз превышающих геометрическое замедление, равное отношению длины проводников к длине ЗС в направлении распространения волны,
сохранение высокого волнового сопротивления (десятки - сотни Ом), обеспечивающего получение высокой собственной добротности (сотни — тысячи).
Указанные выше конструктивные и физические особенности резонаторов квазистационарного типа и подтверждающие их экспериментальные результаты позволяют использовать такие структуры в
качестве элементов радио- и микроволновых трактов, чувствительных элементов измерительных преобразователей и излучателей для УВЧ-физиотерапии с заданной диаграммой направленности.
Апробация работы
Основные теоретические и практические результаты диссертации докладывались и обсуждались на 6 российских и зарубежных конференциях, школах-семинарах и симпозиумах:
LVI Научной сессии, посвященной Дню радио, Москва 2001. Доклад: «Анализ замедленных электромагнитных волн в коаксиальной ребристой линии»;
I Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», Самара 2001. Доклад: «Электроды для внутриполостной УВЧ физиотерапии с экранировкой магнитного поля»;
I Евразийском конгрессе «Медицинская физика», Москва 2001. Доклад: «Электроды для внутриполостной УВЧ физиотерапии с экранировкой магнитного поля»;
III Межвузовской научной школе молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине», Москва 2002. Доклад: «Исследование многосекционного радиоволнового излучателя на связанных радиальных спиралях»;
LVIII Научной сессии, посвященной дню радио, Москва 2003. Доклад: «Компьютерное моделирование радио- и микроволновых излучателей на радиальных замедляющих системах»;
Международном научном семинаре «Электродинамика периодических и нерегулярных структур» при секции электроники НТО РЭС им. А.С. Попова, Москва 2003. Доклад: «Радио- и микроволновые резонаторы квазистационарного типа на отрезках замедляющих систем»;
IV Межвузовской научной школе молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине», Москва 2003. Доклад: «Применение связанных замедляющих систем для пассивных элементов СВЧ трактов и устройств твердотельной электроники».
Практическая ценность и внедрение результатов
Основные результаты диссертации получены при выполнении научно исследовательских хоздоговорных и инициативных работ, выполненных в МГИЭМ при участи автора за период 1998-2003г.г.
Научные и практические результаты работы используются в НТЦ "Реагент"; в ООО «Фирма «Антенные системы»; в учебном процессе МГИЭМ при подготовке инженеров по специальности "Электронные приборы и устройства".
Внедрение результатов подтверждено соответствующими актами и заключениями.
Структура диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложения. Общий объем диссертации составляет 158 страниц, включая 97 рисунков и 3 таблицы, библиографический список из 103 отечественных и зарубежных источников на 10 страницах, приложения с актами внедрения и использования результатов на 3 страницах.
Во введении к диссертации обоснована ее актуальность, рассмотрено состояние вопроса, сформулированы цели, задачи и методы исследований, научная новизна, основные положения, выносимые на защиту, вопросы практической ценности, внедрения результатов, апробации и публикаций. Приводится краткое содержание каждой из глав.
В первой главе "Разработка методов расчета и анализа радио- и микроволновых резонаторов квазистационарного типа на отрезках
замедляющих систем " проведен обзор современного состояния и тенденций развития радио- и микроволновых резонаторов квазистационарного типа на отрезках линий передач радио- и микроволновых диапазонов, в том числе и на отрезках замедляющих систем. Проведена их классификация по типам и конструкциям.
Проанализированы основные методы расчета и моделирования электродинамических структур и устройств с замедленными электромагнитными волнами: метод факторизации; метод задачи Римана -Гильберта; метод частичного обращения оператора и его модификации на основе математического аппарата теории сингулярных интегральных уравнений; методы частичных областей, включающие метод Трефтца и его модификации, и методы, основанные на вариационных принципах. Рассмотрен также обобщающий методы частичных областей метод моментов (в частном случае - метод Галерки на). Выбор перечисленных математических методов обусловлен необходимостью строгой формулировки граничных задач электродинамики и пригодностью для исследования структур с произвольным отношением периода к длине волны.
Во второй главе "Расчет радиальных резонаторов
квазистационарного типа на отрезках замедляющих систем методом эквивалентных длинных линий" показана возможность создания резонансных структур с линейными размерами, значительно меньшими длины волны возбуждения; показано, что резонаторы, выполненные на основе последовательного соединения радиальных связанных замедляющих систем (СЗС), даже при различных значениях их волновых сопротивлений, не обладают эффектом уменьшения резонансной частоты, а также показано, что при заданной рабочей частоте собственная добротность резонатора с квазистационарными параметрами на основе связанных эллиптических спиралей может быть существенно увеличена по сравнению с аналогичным резонатором на связанных логарифмических спиралях при сохранении
близких геометрических размеров, что позволяет использовать его также в качестве малогабаритного чувствительного элемента радиоволновых преобразователей для измерения физических величин и параметров технологических процессов.
В третьей главе "Компьютерное моделирование радиальных резонаторов квазистационарного типа на основе отрезков одиночных и связанных замедляющих систем " проведено моделирование интенсивности распределения электрического и магнитного полей в резонаторах квазистационарного типа на одиночных и связанных арифметических спиралях на выделенных частотах (для нагрева, медицины и т.д.) 27,16; 40,68; 433,92; 915; 2450; 5800 и 22125МГц. На основе результатов моделирования получены аналитические соотношения, позволяющие анализировать условия осевого излучения с вращающейся поляризацией для исследуемых резонаторов квазистационарного типа (оптимальный коэффициент замедления, диаметры (периметры) «резонансных» колец, входное сопротивление).
В четвертой главе "Экспериментальное исследование радиальных резонаторов на основе отрезков одиночных и связанных замедляющих систем" проанализированы экспериментальные исследования, которые подтвердили ранее полученные теоретические зависимости. Показаны способы управления распределением электромагнитного поля медленной волны в радиальных резонаторах на связанных арифметических спиралях, обеспечивающие возможность их практически неограниченной микроминиатюризации и многофункционального применения. Вследствие малых потерь в проводниках удается сохранить высокое волновое сопротивление таких структур и обеспечивается получение достаточно высокой собственной добротности.
В пятой главе "Применение радио- и микроволновых резонаторов кеазистационарного типа на отрезках замедляющих систем" исследован
эффект излучения замедленной электромагнитной волны в магнитодиэлектрик возникающий при замедлениях, меньших корня квадратного из произведения относительных диэлектрической и магнитной проницаемостей безграничной среды; проведено моделирование многосекционного излучателя на связанных радиальных спиралях.
Анализ методов расчета и моделирования
В методе сшивания полей с учетом условия на ребре [25], поля в частичных областях сшиваются с полями, задаваемыми на границах раздела частичных областей. В системе базисных функций, аппроксимирующих поля на границах частичных областей, учитывается условие на ребре. Решения получаются единственными при полноте системы базисных функций.
В методах, основанных на вариационных принципах, нахождение собственных значений краевой задачи сводится к отысканию стационарного значения некоторого функционала в классе функций, аппроксимирующих распределение полей на границах частичных областей.
При сравнительно грубых аппроксимациях на границах довольно просто можно получить стационарное решение функционала, которое является искомой характеристикой. Обоснованные вариационные методы частичных областей [26, 27] позволяют получить точные решения в виде бесконечных систем линейных алгебраических уравнений для амплитуд аппроксимирующих полей. При учете условия на ребре в системах базисных функций решение получается единственным.
В зависимости от способа разделения структуры на частичные области различают методы частичных областей с продольным или поперечным разделением. Применение каждого из них зависит от геометрии исследуемой электродинамической структуры.
Все три разновидности метода частичных областей можно трактовать как вариации метода моментов [28, 29], приводящие к одной и той же системе уравнений в том случае, если вместо систем базисных и весовых функций используются собственные функции одной из смежных частичных областей (для каждой границы раздела). От выбора базисных функций сильно зависят точность решения, скорость сходимости и время счета.
В большинстве случаев для резонаторов квазистационарного типа точный электродинамический расчет затруднен. Это вызвано сложностью формулировки граничных задач, малостью сдвига фазы на период структуры, необходимостью учета конечных размеров и толщины проводников и т.д. Поэтому нашли широкое применение приближенно-аналитические методы расчета, основанные на замене реальной электродинамической системы эквивалентной схемой [б, 30-35], системой [4, 36] или длинной линией [37-40]. Точность в этих методах достигается при учете дисперсионных свойств эквивалентных параметров.
В настоящее время существует целый ряд численных методов, на основе которых можно осуществить необходимый анализ, а также большое разнообразие программных продуктов для их реализации.
Рассмотрим численные методы электродинамического расчета структур, в основном приспособленные для расчета на ЭВМ. Все они основаны на решении уравнений Максвелла с учетом граничных условий.
К численным методам расчета относятся метод конечных разностей метод конечных элементов, метод моментов, метод матриц линии передачи и другие. Многие из них основаны на декомпозиционном подходе анализа структуры: метод частичных областей, метод минимальных автономных блоков [41], метод импедансных аналогов электромагнитного поля и другие.
Метод минимальных автономных блоков основан на декомпозиционном подходе. В методе используется многомодовая матрица рассеяния (или обобщенная матрица рассеяния) и все операции ведутся через нее [42]. Сущность заключается в расчленении сложного СВЧ устройства на автономно анализируемые блоки (АБ) - элементы декомпозиции. Анализ АБ проводится на электродинамическом уровне [42]. После чего находится решение для всего сложного устройства [41]. В результате такой электродинамической декомпозиции вместо одной краевой задачи большой сложности решается серия краевых задач, сложность которых уже вполне преодолима.
Для анализа сложных каскадных неоднородностей используется метод обобщенной матрицы рассеяния. Метод может использоваться с другими методами типа метода согласования мод, который характеризует отдельную неоднородность. Обобщенная матрица рассеяния усекается до конечных размеров.
В методе импедансного аналога электромагнитного поля автономный блок представляется в виде электрической схемы [54]. При разбиении устройства в схеме устанавливается некоторая усредненная длина волны, при чем относительная погрешность зависит от относительной погрешности по всем элементарным объемам. Наибольшую погрешность вносят элементарные объемы, располагающиеся вблизи узких стенок. Время анализа устройства зависит от метода свертывания RLC-схемы. Важным моментом является необходимость включения трансформаторов, которые являются аналогами виртуальных волноводов,
В методе матрицы линии передачи (TLM) задача поля преобразована к трехмерной эквивалентной схемной задаче [44-47, 68]. Этот метод более подходит для моделирования явлений распространения волны во временной области, чем для определения характеристики структуры. Если резонансное устройство СВЧ имеет несколько входов, то необходимо к каждому входу подключить соответствующее трансформирующее устройство. Один трансформатор служит для возбуждения волны, а остальные используются для синфазного суммирования сигналов с выходных клемм.
Анализ радиального резонатора на связанных спиралях эллиптического сечения
Как уже отмечалось ранее, микроминиатюризация элементов радио-и микроволновых модулей является одним из важнейших направлений разработки современной электронной техники. Проблемы, связанные с уменьшением линейных размеров и веса изделий в этих диапазонах частот, могут быть успешно решены только при условии резкого уменьшения резонансных систем и сохранении высокой добротности по сравнению с коаксиальными и двухпроводными резонаторами [1, 17].
Одним из возможных путей решения указанных проблем является применение спиральных объемных и радиальных резонаторов с различной формой поперечного сечения. Наибольшее распространение они получили в радиоволновом диапазоне 20-1000 МГц. Такие электродинамические структуры широко используются для конструирования автогенераторов на фиксированные частоты и работающих с перестройкой по диапазону, для построения резонансных усилителей, входных ВЧ и СВЧ цепей приемников, полосно-пропускающих фильтров и т.д. По сравнению с коаксиальной колебательной системой, за счет использования эффекта замедления фазовой скорости электромагнитной волны, геометрическая длина спирального резонатора может быть уменьшена в десятки раз, тогда как его собственная добротность достигает 70-80 % от добротности короткозамкнутого коаксиального резонатора, работающего на основном типе колебаний [1, 69, 70].
Особый интерес представляют спиральные резонаторы с квази стационарными параметрами [71-73], представляющие собой последовательное соединение отрезка спиральной цилиндрической или радиальной замедляющей системы и равного ему по длине, но с меньшим волновым сопротивлением, отрезка волноводного или микрополоскового тракта. Линейные размеры таких резонаторов для основного типа колебаний оказываются значительно меньше длины волны благодаря практически полному разделению электрического и магнитного полей, что позволяет производить расчет эквивалентных параметров структуры с помощью квазистатических приближений (без учета запаздывания потенциала).
В работе [71] показано, что резонансная длина волны структуры, состоящей из последовательно соединенных отрезков спиральной замедляющей системы с равными длинами /, /2 = / / 2, первый из которых (длиной /,) замкнут на свободном конце, а второй - разомкнут, а также при условии, что волновое сопротивление первого отрезка Z, существенно больше волнового сопротивления Z2 второго отрезка, определяется по формуле: Лр =даг1/уС2/С] , (2.2.1) где и, - замедление волны в первом отрезке, С, и С2 - погонные емкости первого и второго отрезка структуры. Из анализа формулы (2.2.1) следует, что резонансная длина волны такого резонатора не зависит от замедления в отрезке с меньшим волновым сопротивлением и пропорциональна корню квадратному из отношения емкостей С21СХ.
Проанализируем далее резонатор с квазистационарными параметрами на основе связанных эллиптических спиралей, выполненный по микрополосковой технологии [73]. Конструкция такого резонатора содержит две радиальные эллиптические спирали с противоположными направлениями намотки 1, соосно нанесенные на обе стороны диэлектрической пластины 2 толщиной Ь (рис. 2.2.1). В центрах обеих спиралей расположены металлические эллипсы 3 с внешним радиусом г\ - \г\г\ ) гДе Г\У\ - большая и малая полуоси эллипсов соответственно. Эллипсы имеют радиальные щели 4, необходимые для разрыва азимутальных токов. Закорачивая концы эллиптических спиралей с внешним радиусом гг = уг2т2" , где г{,г - большая и малая полуоси спиралей соответственно, получаем четвертьволновый эллиптический спиральный резонатор, считая гг = 2r,. Погонная емкость участка резонатора между эллиптическими спиралями определяется выражением (с/йбг + l), (2.2.2) где є0- диэлектрическая проницаемость вакуума, г - относительная диэлектрическая проницаемость материала пластины резонатора, г -поперечная постоянная распространения замедленной электромагнитной волны. Рис. 2.2.1. Резонатор на основе связанных эллиптических спиралей Погонная емкость второго участка, образованного металлическими эллипсами, рассчитывается по формуле С2 = (2.2.3) Замедление волны в рассматриваемых связанных спиралях определяется соотношением 48 и = tg $yj[\ + cthbT], (2.2.4) где щф - тангенс угла намотки спиралей. Используя (2.2,2), (2.2.3), (2.2.4) и подставляя их в формулу (2.2Л), получаем выражение для резонансной длины волны Ар=я4КъЪФ№1Ьт]. (2.2.5)
Задаваясь в (2.2.5) значениями tgф = \Qi 6г = 0,01, находим Хр = 444,28yr2V2 . Аналогичная формула получена в [12] для резонатора с квазистационарными параметрами на основе связанных логарифмических спиралей с внешним радиусом г2, т.е. при г2 = r2n = r2. На рис. 2.2.2 показаны зависимости резонансной длины волны от внешнего радиуса г2 для резонатора на связанных логарифмических спиралях (кривая 1) и от корня квадратного из произведения полуосей д/г2т2- для резонатора на связанных эллиптических спиралях (кривая 2), рассчитанные для случая фиксированного значения одной из полуосей эллиптической спирали r2 = 5 см и изменении размера другой полуоси г2 и внешнего радиуса г2 от нуля до 10 см. Из полученных кривых видно, что при близких значениях полуосей эллиптической спирали и внешнего радиуса логарифмической спирали, резонансные длины волн обоих резонаторов практически совпадают.
Моделирование резонатора на круглой арифметической спирали с изотропным экраном
С ростом частоты наблюдается увеличение потерь структуры на излучение. На частоте 915 МГц соблюдаются условия осевого излучения с вращающейся круговой поляризацией. Различие интенсивностей электрического и магнитного полей составляет величину е2 » 7. 3.3. Моделирование резонатора на связанных круглых арифметических спиралях
Уменьшить размеры элементов с распределенными постоянными удается, применяя замедляющие системы, представляющие собой двухпроводные линии передачи, один или оба проводника которых свернуты в спираль, меандр-линию, штыревую гребенку и т.д. Однако при сворачивании проводников омические потери в них растут пропорционально замедлению электромагнитной волны, что ограничивает возможность их применения для уменьшения геометрических размеров устройств. Проведенные исследования показали, что в ЗС, проводники которых повернуты на 180 и являются зеркальными отображениями друг друга, можно получить дополнительное замедление без увеличения омических потерь. Именно такие структуры, получившие название связанных ЗС, оказалось возможным использовать в качестве пассивных устройств твердотельной электроники — резонаторов, фильтров, огветвитеяей, сумматоров, симметрирующих устройств, амплитудно-частотных корректоров, нагрузок и др. [8, 64]. Распределение напряженностей электрического и магнитного полей при синфазном возбуждении импедансных проводников в таких структурах показано на рис. 3.3.1, однако в этом случае коэффициент замедления практически равен замедлению одиночной спирали с экраном. При противофазном же возбуждении спиралей поперечные составляющие токов в проводниках совпадают по направлению и создаваемые ими магнитные поля складываются, что позволяет получить замедление электромагнитной волны в сотни и тысячи раз (рис. 3.3.2). Рис. 3.3.1. Распределение напряженностей электрического (Е) и магнитного (Н) полей при синфазном возбуждении связанных ЗС: 1,2- импедансные, 4 - экранный проводники, 3 - контролируемый объект Наибольший эффект дополнительного увеличения коэффициента замедления удается получить в радиальных резонаторах на связанных арифметических или логарифмических спиралях при достаточно малом зазоре между ними (рис. 3.3.3 а, б). Наличие диэлектрика в зазоре между импедансными проводниками также приводит к росту коэффициента замедления.
Квадрат относительного коэффициента замедления для обобщенной модели плоской СЗС при противофазном возбуждении определяется следующим приближенным уравнением [98]: nL и ег 0 + cthw г) /(1 + thw т), Здесь єт —относительная диэлектрическая проницаемость материала в зазоре между импедансными проводниками шириной w} т — поперечная постоянная распространения медленной электромагнитной волны. Рис. 3.3.2. Распределение напряженностей электрического (Е) и магнитного (Н) полей при противофазном возбуждении связанных ЗС: 1,2 - импедансные проводники; контролируемый объект СЗС позволяют не только уменьшить резонансные размеры устройств, но и осуществить практически полное разделение энергий магнитного и электрического полей в областях, прилегающих к проводникам СЗС. Показано, что энергия электрического поля снаружи проводников СЗС приблизительно в квадрат замедления раз меньше энергии магнитного поля. Это придает устройствам на СЗС новые функциональные возможности, например, использовать их в качестве чувствительных элементов (ЧЭ) для контроля зазоров, проводимостей и других физических величин, осуществлять широкую перестройку резонансной частоты, перемещая экранный проводник, создавать элементы радио- и микроволновых трактов, управляемые фазовращатели и другие функциональные устройства [97]. 1. Резонатор на связанных круглых спиралях в режиме холостого хода.
Рассмотрим резонатор, выполненный на основе круглых арифметических спиралей в режиме холостого хода (рис. 3.3.3). Запитка данной структуры осуществляется с периферийной области верхней спирали. В центральной части соединения между спиралями нет (рис. 3.3.4). Пространство, находящееся выше и ниже спиралей заполнено воздухом, а между ними диэлектрик.
Распределение интенсивности электрического (а) и магнитного (б) полей резонатора на связанных радиальных спиралях на частоте 2450 МГц На относительно низких частотах 27,16 и 40,68 МГц соблюдаются условия осевого излучения с круговой поляризацией волны. С повышением частоты, начиная приблизительно с 400 МГц, создаваемое структурой суммарное вихревое электромагнитное поле закручивается по часовой стрелке. При переходе в гигагерцовый диапазон с ростом потерь направление поляризации меняется. В центральной части структуры поле продолжает закручиваться по часовой стрелке, а на периферии структуры -в противоположную сторону. 2. Резонатор на связанных круглых спиралях в режиме короткого замыкания.
Исследование резонатора на связанных прямоугольных арифметических спиралях
Рассмотрим особенности измерений дисперсионных характеристик двух макетов радиальных резонаторов на связанных прямоугольных арифметических спиралях с помощью резонансных методов.
Арифметические спирали характеризуются постоянным шагом и возрастающим с увеличением радиуса тангенсом угла намотки, который определяется как 2яг/А, где г - радиус, h - шаг спирали. Конструкция макета резонатора представляет собой две радиальные спирали с противоположным направлением намотки, нанесенные методом фотолитографии соосно с обеих сторон на диэлектрическую пластину из стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Габаритные размеры макетов показаны на рис. 4.2.1 и 4.2.2. Возбуждение волны в радиальном резонаторе может осуществляться с помощью коаксиальной линии, как из центральной, так и из периферийной областей спиралей. При этом два оставшиеся конца спиралей могут быть короткозамкнуты (кз) или разомкнуты — холостой ход (хх).
Схема экспериментальной установки на основе панорамного измерителя КСВН и ослабления типа Х1-42, работающего в поддиапазоне 0,5—610 МГц, приведена на рис. 4.2.3. Макет радиального резонатора подключался к схеме измерения как согласующий шлейф. По полученной амплитудно-частотной характеристике исследуемой структуры фиксировали резонансные частоты У ез и по уровню половинной мощности рассчитывали собственную добротность QQ [103]. Полученные результаты изображены на рис. 4.2.1 и 4.2.2 зависимостями /реэ и ?о от номера резонанса N, Данные графики показывают практически линейный рост резонансных частот резонаторов и близкое к экспоненциальному снижение их собственных добротностей с увеличением номера резонанса.
Подтверждение соответствия экспериментальных зависимостей и результатов "моделирования прямоугольных спиралей с габаритными размерами 69x70мм, полученных с помощью программы HFSS в главе 3, наглядно демонстрируется рис. 4.3.1 и рис. 4.3.2.
Расчетные дисперсионные характеристики получены из зависимостей распределения электрического и магнитного полей на стандартных частотах (27,16; 40,68; 80,42; 160,74; 433,92 МГц), выполненных на HFSS. Из картины распределения узлов и пучностей на указанных частотах возбуждения можно определить величину замедленной длины волны Лэ, по которой легко вычислить коэффициент замедления .
Схема экспериментальной установки на основе панорамного измерителя КСВН и ослабления типа XI-42, работающего в поддиапазоне 0,5...610 МГц, представлена на рис. 4.4.1. Макет связанных радиальных резонаторов подключался к схеме измерения как согласующий шлейф. По полученной амплитудно-частотной характеристике исследуемой структуры фиксировались резонансные частоты f .
Резонаторы соединялись между собой двумя или четырьмя проводниками и запитывались из центра либо с периферии (рис. 4.4.2, 4.4.3). Радиальные резонаторы были выполнены в виде печатных плат. Для прочности конструкции в углах каждой платки были проделаны технические отверстия диаметром Змм. Металлические стоячки, на которых держалась вся конструкция, имели правостороннюю резьбу. Высота и расстояние между пластинами регулировалось гаечками.
Зависимость коэффициента замедления от частоты для различных режимов возбуждени Кривые 1, 2, полученные для прямоугольных спиралей с габаритными размерами 140x142мм с расстояниями между пластинами 50мм и 25мм соответственно, 3, 4 - для прямоугольных спиралей с габаритными размерами 69x7 0мм с расстояниями между пластинами 25мм и 12,5мм соответственно, представлены на рис. 4.4.7. Как видно из графиков дисперсионные характеристики резонаторов на спиралях большого размера, при изменении расстояния между платами изменяются не значительно из-за их относительно низких резонансных частот. В резонаторах на спиралях меньшего размера в силу их более высоких резонансных частот, а, следовательно, увеличения суммарных потерь, дисперсионные характеристики структур при изменении расстояния между платами меняются сильнее.
Частота, МГЇД Рис. 4.4.7. Зависимость коэффициента замедления от частоты для резонатора из б пластин с запиткой из центра и холостым ходом на периферии, соединенных четырьмя проводниками Кривые 1, 2 получены для резонатора из б прямоугольных спиралей с габаритными размерами 140x142мм (рис. 4.4.8) с расстояниями между пластинами 50мм и 25мм соответственно, 3, 4 — для прямоугольных спиралей с габаритными размерами 69x70мм с расстояниями между пластинами 25мм и 12,5мм соответственно. Таблица 4.4.1. Значения для экспериментального макета Питание на исследуемый макет подавалось из центра. Макет связанных радиальных резонаторов подключался к схеме измерения как согласующий шлейф, а по полученной амплитудно-частотной характеристике исследуемой структуры фиксировались резонансные частоты.
В результате эксперимента удалось показать, что увеличение числа связанных резонаторов квазистационарного типа при расстояниях между ними менее 1/6 длины волны возбуждения не оказывает сильного влияния на ход дисперсионных характеристик. При холостом ходе на периферии отличие наблюдается только на первых двух резонансах, причем коэффициент замедления значительно растет с ростом количества пластин на основной и первой резонансных частотах (рис. 4.4.11). Следовательно, для случая четвертьволновой многоэтажной структуры, собранной из связанных квазистационарных резонаторов, возможно получение коэффициента замедления в десятки раз больше геометрического.
