Введение к работе
Актуальность работы. Сложность и многообразие СВЧ устройств требуют развития их эффективного машинного проектирования, которое невозможно без четкого представления физических процессов в базовых электродинамических структурах, на основе которых выполняются эти устройства, без адекватного математического описания этих структур.
Базовыми структурами, чаще всего, являются неоднородные по поперечному сечению и нерегулярные по продольной оси направляющие системы, открытые и экранированные. Характер зави-, симости параметров структуры от продольной и поперечной координат определяется функциональным назначением устройства, особенностями .включения его в тракт, конструктивной и технологической спецификой его построения.
Регулярные однородно заполненные электродинамические системы к настоящему времени в основном изучены. Сформулированы методы их исследования, построены математические:модели, получены соотношения, позволяющие производить расчет СВЧ устройств на их основе. Стоит задача создания теории продольно-нерегулярных и неоднородных по поперечному сечению направляющих электродинамических структур, которая явится основой для машинного проектирования всего комплекса СВЧ устройств и интегрированных конструкций СВЧ трактов, объединяющих множество функциональных узлов.
Задачей первостепенной важности, стоящей при исследова- нии любой электродинамической структуры, является определение спектра волн (колебаний) этой структуры. Только при наличии полной информации о спектре волн возможно решение дифракционных задач, на котором основывается электродинамический расчет практически всех СВЧ устройств. [Л.Г-JI.IIJ .
. Если для регулярных экранированных структур с однородным заполнением вопросы спектрального состава волн (колебаний) решены [Л.І2-Л.І5] (имеются в виду структуры с координатными границами), то для неоднородных структур, как экранированных, так и открытых, целый ряд вопросов, касающихся спектров их волн (колебаний), требует выяснения. В частности, больсой интерес представляет исследование спектров волн направляющих структур, описываемых решениями задач с несамосопряяеннымя
операторами [JI.I6J . Такие задачи для структур без диссипации энергии приводят к новому классу волн - комплексных [Л.17-JI.2IJ , который является наиболее общим и, по-видимому, окажет существенное влияние на постановку дифракционных задач и откроет значительные перспективы в области создания новых функциональных узлов -СВЧ диапазона.
Опыт разработки СВЧ устройств говорит о необходимости подробного исследования физических процесоов в базовых электродинамических структурах с целью выяснения их функциональных возможностей, целевого определения оптимальных параметров и прогнозирования перспектив их эффективного практического использования.
Таким образом, проблема исследования неоднородных электродинамических структур, решение которой направлено на совершенствование СВЧ устройств и создание их адекватных математических моделей, является актуальной. Это неоднократно отмечалось в печати, в решениях целого ряда конференций и научных семинаров.
Цель диссертации - исследование спектров волн (колебаний) неоднородных электродинамических структур, являющихся базовыми при создании различных СВЧ устройств, широко используемых в радиоэлектронике, в частности, в радиоизмерительной технике и приложение полученных результатов к машинному проектированию конкретных СВЧ устройств с целью улучшения их технических характеристик и сокращения времени и материальных затрат на их производство.
Программу исследований, проводившихся в достижение поставленной цели, составляют:
рассмотрение некоторых принципиальных вопросов, связанных с решением несамосопряженных задач для ряда неоднородных взаимных электродинамических структур (определение типов операторов, описывающих эти структуры; объяснение природы встречных потоков мощности в неоднородных направляющих структурах; вопросы ортогональности комплексных волн; уточнение граничных условий, применяемых в методе поверхностного тока);
расчет спектра волн микрополосковой линии (МПЛ) с ре-зистивкыми пленками;
расчет спектров волн прямоугольных волноводов, перегороженных ашізотропно проводящими резистивными и сверхпроводя-
щей пленками;
разработка универсального алгоритма расчета базовых функциональных СВЧ модулей;
разработка алгоритмов расчета базовых СВЧ структур для построения полосовых фильтров и поглощающих аттенюаторов.
Научная новизна. В результате выполнения работы:
- обоснована корректность метода поверхностного тока в при
менении к волноводам с анизотропно проводящими резистивными плен
ками и к МПЛ с резистивной пленкой между внутренним проводником
и экраном;
объяснен процесс возникновения встречных потоков мощности в поперечно-неоднородных направляющих'структурах;
рассмотрены вопросы ортогональности комплексных волн и образования их взаимных потоков мощности в поперечно-неоднородных экранированных направляющих структурах;
получено условие на резистивной ребре; обосновано граничное условие в точке сингулярности, образуемой контактом иде-
.ально проводящего и резистивного ребер;
исследованы дисперсия и затухание волн прямоугольного волновода с анизотропно проводящими резистивными пленками и МПЛ с резистивной пленкой между внутренним проводником и экраном;
исследованы особенности распространения волн в волноводе со сверхпроводящей пленкой;
разработаны алгоритм и программа расчета базовых функциональных СВЧ модулей; ...
разработаны алгоритмы и программы для расчета базовых ' структур, используемых для построения полосовых фильтров и поглощающих аттенюаторов СВЧ диапазона.
Практическая ценность. Результаты исследований позволили: создать эффективные модели и алгоритмы расчета базовых электро-' динамических структур, используемых при построении широкого класса современных СВЧ устройств; получить (на основе составленных алгоритмов и программ) информацию о спектрах волн (колебаний) этих структур, необходимую для решения дифракционных задач, связанных с расчетом и проектированием функциональных узлов СВЧ и К8Ч диапазонов, и определения диапазонных свойств этих узлов.-
Результаты, полученные при выполнении диссертационной работы Енесены в библиотеки стандартных программ Нижегородских
НПО "Кварц" и "Салют", Нижегородского научно-исследовательского института измерительных систем, НПО "Авангард" (г.Санкт-Петербург).
Обоснованность и достоверность результатов работы» Теоретические результаты диссертационной работы получены строго обоснованными методами частичных областей и поверхностного тока и с использованием полных базисов собственных функций краевых задач Штурма-Лиувилля. Контроль результатов осуществляется путем исследования внутренней сходимости решений, проверки выполнения закона сохранения энергии и граничных условий, экспериментальной проверки, на основе предельных переходов и сравнения с известными тестовыми результатами.
Публикации и апробация работы. По результатам диссертации опубликовано 23 печатных работы, сделаны доклады на международных научно-технических конференциях по проблемам математического моделирования и САПР ОИС СВЧ и КВЧ диапазонов в Туле, Москве, Казани, Сергиевом Посаде, на межрегиональной научно-техни-ческсй конференции "Сложные антенные системы и компоненты" в Ленинграде, на УІ Всероссийской научно-технической конференции "Радиоприем и обработка сигналов", на научно-технической конференции ЙРКНГТУ, посвященной 50-ти летию Победы и 100-летию изобретения радио А.С.Поповым в Нижнем Новгороде.
Положения, выносимые на защиту.
1. Оормулировки новых принципиальных положений, касающих
ся построения математических моделей-неоднородных электродина
мических структур:
а) определение типов операторов для структур с резистивны-
ми пленками; . .
б) объяснение природы возникновения встречных потоков мощ
ности в поперечно-неоднородных направляющих структурах;
в) запись условий ортогональности и взаимных потоков мощ
ности комплексных волн поперечно-неоднородных направляющих
структур;
г) формулировка условия на резистивном ребре и его стыке
с идеально проводящим ребром.
-
Результаты исследования спектров волн прямоугольных -волноводов с анизотропно проводящими резистивкыми пленками.
-
Результаты исследования спектра волн ШЛ с резистивной пленкой между внутренним проводником и экраном.
-
Результаты исследования особенностей распространения волн в прямоугольном волноводе продолъно-перегорокенком тонкой сверхпроводящей пленкой.
-
Электродинамические модели и алгоритмы расчета базовых структур для построения полосовых фильтров и поглощающих аттенюаторов СВЧ и КВЧ диапазонов.
-
Универсальная электродинамическая модель и составленные на ее основе алгоритм и программа расчета базовой структура функциональных модулей СВЧ к КВЧ диапазонов.
-
Результаты теоретических исследований базовых структур на основе разработанных алгоритмов и программ.
-
Результаты экспериментальной проверки оснсвгах теоретических положений, разработанных алгоритмов и програм.;.
Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 177 страниц основного текста, включая библиографию из 135 наименований, 57 рисунков, 9 таблиц, 4 приложения, содержание 25 страниц текста и 4 акта внедрения результатов диссертации.