Введение к работе
Актуальность работы. Интенсивное освоение диапазона миллиметровых волн привело к поиску нетрадиционных путей репання проблемы электрического сканирования. Один иг них связан с созданием интегральных фазированных антенны:: решеток (интегральных ФАР) с ферри-товым управление:.!. К настоящему времени возможности СВЧ-ферритов далеко не исчерпаны, и на базе планаркых волноведущих ферритодиэ-лектрических структур С ОДС) могут быть созданы совершенно новые устройства, позволяющие пс существу применять принципы кнтеграли-зации в новой области радиоэлектроники - технике сканирующих антенн с электрическим управлением положением луча а пространстве. В основе таких интегральных ФАР лечит принцип взаимодействия поля поверхностной волны в открытом феррктодиэлектрическом волноводе с решеткой электрических неоднородностей. Еолноведушая структура является одним из глазных элементов интегральных сканирующих антенн. Данное обстоятельство дополнительно способствует проведению исследований планарных волноведущих ФДС с намагниченным ферритом, наличие которого ввиду тензорного характера магнитной проницаемости и гиротропии Фэрригозой среды усложняет как сам}' постановку, так и методы решения электродинамических задач. Анализ подобных ФДС с электрическим управлением позволяет лучше понять волновые процессы в -интегральных ФАР и определить физические величины, необходимые для проведения расчета и практической реализация сканирующих антенн нового класса.
Цель работы заключается в изучении электродинамических свойств новых зелнозедущкх феррнтодиэлектрических структур (ФДС), составляющих основу интегральных ФАР и некоторых фазовращателей с ферритовым управлением. С учетом характерных особенностей всех рассматриваемых ФДС (структуры гиротропные, открытые, многомодо-вые, электрически управляемые) решались задачи построения моделей для анализа и выбора соответствующих методов анализа, включая точные аналитические, численные и приближенные методы решения модельных задач. Результатом анализа волноведущих структур является определение их модезого состава, зависимости фазовых постоянных
распространения и конфигурации поля собственных мод от параметра намагничивания феррита и геометрических размеров структура Для подтверждения наиболее важных и интересных результатов теории и расчетов проводились экспериментальные исследования.
Полученные в работе результаты использовались непосредственно при разработке образцов интегральных ФАР.
Научная новизна диссертационной работы заключена в постановке электродинамических задач для новых ферритодиэлектрических волно-ведущих структур и получении новых физических результатов для них.
Впервые решена задача анализа волновых процессов в открытых многомодовых ФДС для планарных интегральных ФАР и фазовращателей, определяющих основные закономерности в их работе.
Обоснована целесообразность использования в задачах анализа волноведущих ФДС тензора магнитной проницаемости упрощенного вида - эрмитова тензора с равными элементами на главной диагонали. Это позволило заметно упростить решение электродинамических задач для волноводов с ферритом, намагниченным вплоть до насыщения.
Проведен анализ правомерности использования приближения магнитных стенок для открытых границ слоя намагниченного феррита.
Исследование собственных волн в моделях многослойных волноведущих ФДС с намагниченным ферритом выполнено точным аналитическим методом с использованием эквивалентных длинных линий, в общем случае невзаимных. Построены эквивалентные схемы поперечных сечений различных ФДС.
Для анализа многомодовых ФДС с сильным так называемым Диэлектрическим эффектом на низших модах предложены сочетания точного метода эквивалентных линий с методами Ритца - Галеркина и приближенным методом связанных волн. Получены зависимости фазовых постоянных распространения и конфигурации поля нескольких низших мод от намагниченности феррита и геометрических размеров структуры.
Проанализирован эффект вырождения низших мод в ФДС по величине коэффициента замедления, проявляющийся в том числе в существенной деформации их полей.
Предложен приближенный подход для оценки поля поверхностной моды вдали от области его концентрации.
Исследован эффект распределенной связи в волноведущэй струк-2
туре двумерной интегральной ФАР, в том числе в области вырождения низших мод в ФДС идентичных линейных антенн.
Практическая ценность. Проведенные в работе теоретический анализ и экспериментальное исследование открытых ФДС с ферритовым управлением имеют непосредственную практическую направленность. В результате анализа моделей волноведущих ФДС удалось во многом понять происходящие в структурах сложные волновые процессы и обменить наблюдаемые закономерности. Достигнутый уровень понимания позволил использовать результаты работы для создания эффективных ферритовых фазовращателей и недорогих одномерных и двумерных интегральных ФАР с простым электрическим управлением, обладающее перспективами очень широкого применения. На основе таких интегральных ФАР могут быть созданы системы радиолокации и радионавигации миллиметрового диапазона волн, системы радиотелефонной связи многостанционного доступа. Возможно также построение управляемых антенных систем сантиметрового диапазона волн для непосредственного приема передач спутникового телевидения, в том числе на подвижных объектах.
Одна из глав работы посвящена описанию и анализу особенностей волновых режимов в уже разработанных с участием автора образцах интегральных антенн и управляемого распределителя для интегральной ФАР с двухгокоаым управлением при двумерном сканировании. В процессе разработки интегральных ФАР использованы многие результаты, полученные в настоящей работе. "*
Основные положения, выносимые на защиту: 1. Описание волновых процессов в модельных ФДС интегральных ФАР и фазовращателей допустимо и целесообразно проводить в приближении тензора магнитной проницаемости феррита упрощенного вида с равными компонентами на главной диагонали. Влияние поглощения в феррите на постоянные затухания и изменение структуры полей распространяющихся мод в рассматриваемых ФДС может быть учтено в приближении связанных волн.
2. Применение точного аналитического метода эквивалентных линий к анализу модельных велноведущих ФДС позволило выявить основные закономерности для открытых многомодовых волноводов рассматриваемого типа. Коэффициент замедления низшей моды квази-LE сильно
зависит, а низшей моды квази-LM - практически не зависит от параметров намагничивания ферритовых слоев. Структуры полей обеих мод существенно изменяются при намагничивании феррита, особенно в области их вырождения по коэффициенту замедления.
-
Эквивалентная схема поперечного сечения многослойной намагниченной и однородной вдоль слоев ФДС представляет собой цепочку пар несвязанных взаимных несимметричных линий внутри слоев и взаимных восьмиполюсников связи линий на границах слоев. При размагничивании всех слоев феррита эквивалентная схема преобразуется к двум полностью развязанным цепочкам взаимных симметричных линий для продольно электрических и продольно магнитных конфигураций поля в многослойной диэлектрической структуре.
-
Точные решения в виде распространяющихся волн, найденные методом эквивалентных линий и используемые при построении систем базисных функций в прямых методах Ритца и Галеркина, позволяют получить описание нескольких низших распространяющихся мод в много-модовых открытых ФДС.
-
При намагничивании феррита управляющим полем определенного направления в протяженной ФДС интегральной ФАР наблюдаются избыточные потери, связанные с вырождением мод квази-LE,, и квази-LM//
-
Оптимизация ФДС по геометрическим размерам позволяет избежать эффекта вырождения мод во всей области управляющих магнитных полей и уменьшить зависимость полей рабочих мод на открытой поверхности структуры от намагниченности ее ферритовых слоев.
-
Использование предложенного подхода для оценки поля'поверхностной моды вдали от области его концентрации по известному приближенному значению поля на границе этой области позволяет качественно описать эффект распределенной связи параллельных идентичных открытых ФДС в структуре двумерной интегральной ФАР. В области вырождения мод квази-LE и квази-LM в каждой ФДС связь волноводов на рабочих модах резко возрастает.
Использование результатов диссертационной работы позволило создать работоспособные макеты интегральных ФАР.
Апробация работы. Отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на 43-й и 44-й Ленинградских областных НТК по узловым проблемам радиотехники, электроники и связи в апреле 1988,1989 гг., 4
а Всесоюзной НТК "ФАР-90" в июне 1990 г. (Казань, РСФСР), Межрес-убликансксй НТК "ФАР-92" в июне 1992 г. (Казань, РФ) и др.
Дубдикации. Основные результаты опубликованы (или приняты к убликация) в двадцати двух работах.
Структура и общий обтем работы. Диссертация состоит из введе-ия, четырех глав, заключения и приложения. Содержит 351 с., из их 237 с. - основной текст, 9с.'- список литературы, включающий 5 наименований, 5с- приложение, и 96'с. с рисунками.
