Дифракция электромагнитных волн на распределенных неоднородностях в прямоугольных волноводах Никишов, Виктор Николаевич

Введение к работе

Актуальность темы:

Современное развитие СВЧ-техники характеризуется как непрерывным продвижением в область все более коротких длин волн, так и расширением элементной базы. Широкое применение полосковых и щелевых линий, наряду с наличием функциональных элементов, включающих в себя диэлектрические и полупроводниковые материалы, с необходимостью ведет , при малых длинах волн, к рассмотрению дифракционных задач на распределенных структурах, что, в свою очередь, обуславливает распределенный характер взаимодействия электромагнитной волны с неоднородностями. Строгая математическая модель дифракции электромагнитной волны на распределенных неоднородностях в настоящее время является единственным источником информации. Полный электродинамический анализ можно провести только с учетом многомодовости волноведущего тракта, что делает практически бесперспективным нахождение замкнутых решений соответствующих краевых задач.

В связи с этим особую роль приобретают строгие численно-аналитические методы решения конкретных дифракционных задач, позволяющие установить основные закономерности и особенности взаимодействия электромагнитной волны в направляющих системах с распределенными неоднородностями.

В свою очередь, решение конкретных дифракционных задач стимулирует как развитие новых методов расчета, так и служит надежной основой при проектировании СВЧ устройств и диагностики используемых материалов.

Целью работы являлась разработка методик решения широкого

класса дифракционных задач, описывающих распространение электромагнитных волн в прямоугольном волноводе, содержащем распределенные неоднородности в виде диэлектрических и полупроводниковых тел, при наличии импедансных и металлических поверхностей, а также отрезки волноводно-щелевой и полосковой линий.

' Научная новизна

Предложен метод расчета распределения СВЧ-поля и частотных характеристик распределенных неоднородных сред в прямоугольном волноводе, основанный на численном интегрировании систем обыкновенных дифференциальных уравнений и характеризуемый вычислительной эффективностью.

Впервые строго решена задача о распространении волны в волноводе, содержащем диэлектрические и полупроводниковые тела, расположенные на участке волновода с импедансными поверхностями. Теоретически показано, что зависимость резонансной частоты от величины импеданса поверхности носит обратный характер по сравнению с зависимостью обычного волноводно-диэлектрического резонанса. Предложен численный алгоритм расчета дисперсионных характеристик методом, основанным на принципе аргумента и теореме Руше, позволяющий определять комплексные корни дисперсионного уравнения с учетом их кратности. Данный алгоритм применен для расчета комплексных волн ВЩЛ и ряда полупроводниковых структур.

Исследовано влияние поверхности полупроводникового образца с распределенной проводимостью на распределение СВЧ-поля и связанных с ним характеристик. Показано, что даже при малой толщине поверхностного слоя происходит значительное искажение характеристик поля по сравнению с однородной проводимостью.

Впервые строго решена задача дифракции электромагнитной волны на отрезках волноводно-щелевой и полосковой линий .

Предложен метод преобразования рядов Шлемильха к быстросходящимся выражениям, что позволяет существенно облегчить решение ряда дифракционных задач и нахождение собственных волн полосковых и волноводно-щелевых линий.

Достоверность полученных теоретических результатов

обеспечивается строгостью используемых математических моделей,
сходимостью вычислительных алгоритмов и соответствием
результатов расчетов эксперименту. Достоверность

экспериментальных результатов обеспечена применением

современной стандартной аппаратуры, обработкой

экспериментальных данных с помощью современных методов с использованием ЭВМ.

Практическая значимость работы

1. Предложен резонансный метод для определения значения диэлектрической проницаемости образцов в большом диапазоне значений.

2. Предложен резонансный метод для определения величины поверхностного импеданса.

3. Предложены численные алгоритмы и эффективная методика для расчета распределения СВЧ-поля и частотных характеристик различного класса распределенных неоднородностей в прямоугольном волноводе.

4. Предложен резонансный метод для определения
геометрических размеров диэлектрических цилиндров, в том числе
радиуса кругового цилиндра или степени эллиптичности.

5. Предложен эффективный метод нахождения комплексных
корней дисперсионных уравнений полосковых и волноводно-шелевых
структур, основанный на принципе аргумента и теореме Руше.

В диссертации защищаются следующие основные положения:

1. Комбинация метода Гира с методом прогонки повышает
вычислительную эффективность метода, основанного на
интегрировании задачи Коши для системы обыкновенных
дифференциальных уравнений, позволяет получать частотные
характеристики задач дифракции основной волны прямоугольного
волновода на неоднородных средах.

2. Применение системы из двух диэлектрических тел
позволяет получить надежный метод определения диэлектрической
проницаемости исследуемого образца в большом диапазоне
значений.

3. Введение диэлектрической призмы на участок волновода с импеданснои поверхностью дает надежный метод определения величины импеданса за счет изменения резонансных свойств данной структуры .

4. Задачи по нахождению собственных волн ВЩЛ и полосковой линии значительно упрощаются путем сведения их к задаче на собственные значения , если в качестве базисной системы волн выбрать собственные волны прямоугольного волновода, содержащего продольную металлическую пластину и собственные волны прямоугольного щелевого волновода.

5. Произведена оценка влияния поверхности полупровод
никового материала на распределение СВЧ поля в

полупроводниковом образце. Данное' влияние должно учитываться при конструировании СВЧ датчиков.

6. Решение задачи дифракции основной волны на отрезке ВЩЛ
и отрезке полосковой линии , расположенных в прямоугольном
волноводе, позволило выявить резонансные свойства
амплитудно-частотных характеристик этих структур .

7. Преобразование рядов Шлемильха к быстросходящимся
выражениям позволяет получать простые и эффективные
вычислительные алгоритмы в ряде дифракционных задач.

Личный вклад автора выразился в самостоятельной разработке

методик и алгоритмов решения рассмотренных в диссертации электродинамических задач, выборе математической модели, написании и отладке программ с последующей их реализацией на вычислительных средствах, в проведении сравнительного анализа полученных результатов с экспериментальными данными и формировании основных научных выводов. Все расчеты, проведенные в диссертации, осуществлены лично автором.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и
обсуждались на П-ой Всесоюзной школе-семинаре "Взаимодействие
электромагнитных волн с полупроводниково-диэлектрическими
структурами" (Саратов, 1988), Ш-ей Всесоюзной

научно-технической конференции "Математическое моделирование и
САПР радиоэлектронных систем СВЧ на объемных интегральных
схемах" (Суздаль, 1989), Всесоюзном семинаре "Математическое
моделирование физических процессов в антенно-фидерных трактах"
(Саратов, 1990), IV Всесоюзной научно-технической конференции
"Математическое моделирование и САПР радиоэлектронных и
вычислительных систем СВЧ и КВЧ на объемных интегральных схемах
(ОИС)" (Волгоград, 1991), на VI Межгосударственной
школе-семинаре "Техника, теория, математическое моделирование и
САПР систем сверхбыстрой обработки информации на ОИС СВЧ и КВЧ"
(Москва, 1992) а также на научных семинарах кафедры

радиофизики и компьютерного моделирования радиосистем СамГУ и научных семинарах кафедры основ конструирования и технологии радиотехнических систем ПИИРС .

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 4 статьи и 5 тезисов докладов на научно-технических конференциях и семинарах.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из Введения, четырех глав, двух приложений, Заключения, списка литературы. Работа изложена на 235 страницах, из них основной текст - 150 страниц, рисунки и таблицы - 44 страницы, приложения - 30 страниц, список использованных источников - 11 страниц (105 наименований).

ГЛАВА I. Взаимодействие основной волны прямоугольного волновода с распределенными неоднородностями

1. Базисная система функций

2. Разложения полей по базисным волнам и вывод уравнений для задачи дифракции волны Я₁₀ типа на распределенных неоднородностях

3. Сведение краевой задачи дифракции волны #₁₀-типа на распределенных неоднородностях к задаче Коши методом прогонки

4. Решение частных дифракционных задач

Глава П. Дифракция волны Я₁₀-типа на отрезке ВЩЛ в прямоугольном волноводе

5. Применение ВЩЛ в устройствах СВЧ техники

6. Собственные волны прямоугольного волновода с двумя продольно-расположенными металлическими пластинами

7. Интегральные уравнения для определения характеристик -волн

8. Интегральные уравнения для исследования Я-волн прямоугольного волновода, содержащего две продольно расположенные металлические пластины

9. Дисперсионное уравнение и структура Е-волн прямоугольного волновода, содержащего две продольно-расположенные металлические пластины

10. Дисперсионное уравнение и структура Я-волн прямоугольного волновода, содержащего две продольные металлические пластины

11. Разложения поля собственной волны ВЩЛ в ряды по собственным волнам прямоугольного волновода

с металлической пластиной

8. Постоянные распространения и структура собственных волн ВЩЛ

9. Дифракция основной волны прямоугольного волновода на отрезке ВЩЛ

Глава III. Распространение волны в прямоугольном волноводе, содержащем отрезок полосковой линии

1. Полосковая линия - основной элемент СВЧ устройств

2. Собственные волны прямоугольного волновода с металлической пластиной

3. Интегральные уравнения для it-волн

4. Интегральные уравнение для Я-волн

5. Дисперсионное уравнение и структура собственных is-волн

6. Дисперсионное уравнение и структура Я-волны прямоугольного волновода, содержащего металлическую пластину

7. Разложения поля собственной волны полосковой линии в ряд по собственным волнам прямоугольного волновода

с металлической пластиной

8. Постоянные распространения и структура собственной волны экранированной полосковой линии

9. Дифракция собственной волны прямоугольного волновода на отрезке полосковой линии

ГЛАВА IV. Метод рядов Шлемильха для решения волноводных задач дифракции

1. Краевые задачи волноводной дифракции, приводящие к рядам Шлемильха

2. Использование рядов Шлемильха в методе зеркальных отображений

4.3.Метод рядов Шлемильха в задачах дифракции на металлических неоднородностях, имеющих особенность на ребре.

4. Применение рядов Шлемильха для решения СИУ

5. Типичные ряды Шлемильха, возникающие в дифракционных задачах и связь между ними

6. Методика преобразования рядов Шлемильха

7. Представление рядов Шлемильха в виде степенных рядов

ПРИЛОЖЕНИЕ І р

Похожие диссертации на Дифракция электромагнитных волн на распределенных неоднородностях в прямоугольных волноводах

Дифракция электромагнитных волн на неоднородностях в волноводах сложных сечений в координатных краевых задачахРассохина, Юлия Валентиновна

Исследование распространения электромагнитной волны в прямоугольном волноводе с распределенными неоднородностямиЗанин, Владимир Иванович

Дифракция электромагнитных волн в открытых волноводахМаненков, Александр Бенционович

Дифракция электромагнитных волн на ограниченных неоднородностях, образованных частично экранированными областями и диэлектриком Ульянов Виктор Николаевич

Дифракция электромагнитных волн на цилиндрических неоднородностях в плоскослоистой средеОвсянников, Олег Иванович

Возбуждение магнитостатических волн и их дифракция на металлических неоднородностяхВугальтер, Григорий Абрамович

Электродинамический анализ СВЧ элементов и узлов, содержащих плоско-поперечные неоднородности в волноводах сложных сеченийДонченко, Виталий Анатольевич

Анализ и синтез селективных устройств на плоско-поперечных неоднородностях в волноводах сложных сеченийВдовенко Константин Владимирович

Электродинамический анализ неоднородностей в диэлектрических волноводах Ячменов Алексей Александрович

Физические основы наблюдения пространственно локализованных неоднородностей с помощью частично-когерентных полей в плоскослоистых волноводахХилько Александр Иванович