Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Направляющие систеш миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн
I.I. Введение
1.2.1. Одномодовые металлические волноводы ig
1.2.2. Многомодовые металлические волноводы 13
1.2.3. Диэлектрические волноводы 15
1.2.4. Квазиоптические линии 15
1.3. Волноводы класса "полый диэлектриче
ский канал" (ДК-волноводы) 16
1.3.1. Круглый металло-диэлектрический волновод 17
1.3.2. Канал круглого сечения в безграничном диэлектрике 20
1.3.3. Канал прямоугольного сечения в безграничном диэлектрике 22
1.3.4. Прямоугольные металло-диэлектрические волноводы 28
1.4. Функциональные элементы волноводных трактов на основе квадратных ДК-волноводов 36
Постановка задачи 41
Глава 2. Исследование возбуждения рабочих волн ДК-волноводов 42
2.1. Возбуждение ДК-волноводов 42
2.2. Возбуждение рабочих волн ДК-волноводов прямоугольного сечения 44
2.3. Возбуждение рабочих волн ДК-волноводов круглого сечения 53
2.4. Расчет основных размеров возбудителей ДК-волноводов 58
2.5. Экспериментальная установка и результаты измерений 64
Глава 3. Исследование систем частопериодических решеток применительно к функциональным элементам миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн 70
3.1. Введение 70
3.2. Расчет коэффициентов отражения и прохождения системы четырех частопериоди-ческих решеток 71
3.2.1. Определение коэффициентов отражения и прохождения в случае трех решеток 79
3.2.2. Случай двух решеток 80
3.3. Вращение плоскости поляризации электромагнитной волны 81
3.4. Переменный квазиоптический аттенюатор отражательного типа 90
3.5. Методика измерений. Экспериментальные результаты 95
3.6. Анализ поляризации, частотная фильтрация и модуляция электромагнитной волны 99
Глава 4. Исследование принципов создания невзаимных функциональных элементов на основе широких металло-диэлектрических волноводов 108
4.1. Общие соображения 108
4.2. Способы реализации невзаимных функциональных элементов с высокими электрическими характеристиками 110
4.3. Согласование анизотропной среды однослойным четвертьволновым покрытием 112
4.3.1. Согласование полубесконечной ферритовой среды 115
4.3.2. Согласование ферритового слоя 123
4.4. Метод и результаты прецезионного согласования ферритового слоя 125
4.5. Преобразование рабочих волн в широких волноводах при повороте плоскости поляризации 130
4.6. Приближенные граничные условия 137
4.7. Невзаимные элементы на основе широкого металло-диэлектрического волновода квадратного сечения 144
4.8. Исследование электрических характеристик невзаимных элементов на эффекте Фарадея 148
Заключение 160
Литература
- Многомодовые металлические волноводы
- Возбуждение рабочих волн ДК-волноводов круглого сечения
- Расчет коэффициентов отражения и прохождения системы четырех частопериоди-ческих решеток
- Способы реализации невзаимных функциональных элементов с высокими электрическими характеристиками
Введение к работе
Потребности таких областей знания как радиосвязь, радиолокация, диагностика плазмы, медицина, биология и т.д. ставят задачу интенсивного освоения коротковолновой части миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн. Одной из актуальных задач здесь является создание для указанных диапазонов направляющих линий с хорошими электрическими характеристиками и высокоэффективных функциональных элементов на основе этих линий.
При разработке цепей СВЧ различного назначения, при прочих равных условиях, предпочтение обычно отдается тем волноводам, с помощью которых разработан полный комплект функциональных элементов (возбудители рабочей моды, аттенюаторы, вентили, циркуляторы, облучатели и т.п.). На основе традиционных направляющих систем для коротковолновой части миллиметрового диапазона к настоящему времени созданы лишь некоторые функциональные элементы с необходимыми электрическими характеристиками. Созданию таких элементов как облучатели, возбудители рабочих мод, невзаимные элементы, препятствуют трудности принципиального характера.
Замечательные свойства волноводов класса "полый диэлектрический канал" (ДК-волноводы) является хорошей предпосылкой в вопросе создания полного комплекта функциональных элементов с высокими электрическими характеристиками.
Целью настоящей диссертационной работы является исследование (теоретическое и экспериментальное) принципов создания функциональных элементов широкого назначения для коротковолновой части миллиметрового диапазона на основе широких ДК-волноводов, в основном, прямоугольного (квадратного) сечения.
В первой главе, в большей части обзорной, рассмотрены , направляющие системы, применяемые в коротковолновой части миллиметрового и в субмиллиметровом диапазонах длин волн. Показаны возможные области использования одномодовых и многомодовых металлических волноводов прямоугольного и круглого поперечных сечений, диэлектрических волноводов, квазиоптических линзовых и зеркальных линий.
Из всего многообразия ДК-волноводов рассмотрены следующие: металло-диэлектрический волновод круглого поперечного сечения, канал круглого и прямоугольного сечения в сплошном диэлектрике, металло-диэлектрические волноводы прямоугольного поперечного сечения со слоями диэлектрика на двух и на четырех стенках. Приведены расчетные зависимости затухания рабочей моды и ближайших к рабочей двух-трех высших мод. Приводятся аналитические выражения для компонент собственных мод, а также формулы затухания этих мод в рассмотренных волноводах. Коротко описан полный комплект функциональных элементов, созданный на основе металло-диэлектрического волновода квадратного сечения.
В заключении главы дана постановка задачи настоящей диссертационной работы.
Во второй главе исследовано возбуждение рабочих мод ДК-волноводов круглого и прямоугольного (квадратного) поперечных сечений. Ввиду того, что в генераторах коротковолновой части миллиметрового диапазона вывод энергии осуществляется, как правило, при помощи одномодового металлического волновода прямоугольного поперечного сечения с рабочей модой TEjq, рассмотрено возбуждение рабочих мод ДК-волноводов !_М^ (прямоугольное сечение) и EHjj (круглое сечение) модой TEjq многомодового металлического волновода. Трансформация моды TEjq одномодового волновода в ту же моду многомодового волновода не связана со
спецификой ДК-волноводов и поэтому этот вопрос в диссертации не рассмотрен. Показано, что при реализации ступенчатого распределения поля (на месте стыка металлического и ДК-волновода), близкого либо к косинусоидальному, либо к бесселевому,
ИМееТ МеСТО ВЫСОКаЯ ЭффеКТИВНОСТЬ ВОЗбуВДеНИЯ МОДЫ LMtf и
моды EHjj, соответственно. Такое распределение обеспечивается при помощи металлических пластин, которые устанавливаются на выходе плавного рупора, осуществляющего переход от узкого сечения к широкому. Приведены расчетные значения максимальной эффективности возбуждения при помощи возбудителей, использующих две металлические пластины, которая для моды LM^ составляет 0,975, а для моды EHjj - 0,936.
Приведены формулы, позволяющие при заданном размере ДК-волно вода, определить основные размеры возбудителя.
В конце главы приводится блок-схема экспериментальной установки, на которой исследовались основные электрические характеристики возбудителей ДК-волноводов квадратного сечения.
В третьей главе, в ее теоретической части, рассмотрено прохождение плоской линейно поляризованной электромагнитной волны сквозь систему частопериодических решеток. Получены формулы для коэффициентов отражения и прохождения системы четырех решеток. При выводе этих формул использованы граничные условия анизотропно проводящей поверхности (условия Владимирского). Приводятся также выражения для коэффициентов отражения и прохождения для случая трех и двух решеток.
Показано, что приведенная методика позволяет рассчитывать коэффициенты прохождения и отражения при произвольном числе решеток.
При помощи полученных выражений для коэффициентов отра- жения и прохождения рассчитаны основные электрические харак-
теристики ряда функциональных элементов, в которых использу-. ются частопериодические решетки.
На основе металло-диэлектрического волновода квадратного сечения с помощью системы из четырех решеток реализовано устройство взаимного поворота плоскости поляризации на 45 и 90. Приводятся результаты экспериментального исследования основных электрических характеристик этого устройства. Реализован также переменный аттенюатор, использующий три решетки (две неподвижные, одна - вращающаяся). Экспериментально полученная зависимость вносимых потерь такого аттенюатора от угла поворота вращающейся решетки хорошо согласуется с результатами расчета.
В четвертой главе рассмотрены принципы создания на основе квадратного металло-диэлектрического волновода невзаимных устройств, использующих эффект Фарадея.
Показана актуальность решения задачи согласования продольно намагниченных ферритовых элементов в широкой полосе частот. Для этой цели теоретически исследовано согласование полубесконечной ферритовой среды и ферритовой пластины со свободным пространством при помощи четвертьволновых просветляющих покрытий. Приводятся выражения для коэффициентов отражения правополяризованной и левополяризованной волны от согласованной полубесконечной ферритовой среды. При падении плоской линейно поляризованной волны на анизотропную среду, отраженная волна оказывается эллиптически поляризованной и ее можно представить как суперпозицию двух волн ортогональных поляризаций. Для случая согласования продольно намагниченной полубесконечной ферритовой среды приведены выражения для коэффициентов отражения этих волн. Результаты численного исследования зависимости коэффициентов отражения от намагниченное-
ш ферритовой среды и волнового сопротивления согласующего покрытия показали, что в коротковолновой части миллиметрового диапазона реализуется эффективное согласование ферритовых элементов четвертьволновыми покрытиями. Описана методика пре-цезионного согласования ферритовых образцов и приведена блок-схема экспериментальной установки, на которой производилось это согласование. Приведены расчетные и экспериментальные зависимости коэффициента отражения от ферритового образца марки І0СЧ6Б, согласованного плавленным кварцем, от длины волны. Показано хорошее совпадение экспериментальных и расчетных зависимостей.
Рассмотрен вопрос поворота плоскости поляризации электромагнитной волны в широких волноводах. Отмечено, что в волноводах, собственные моды которых обладают поляризационным безразличием (распределение амплитуды поля не зависит от поляризации), преобразование рабочей моды в высшие мало.
Согласованные четвертьволновыми слоями ферритовые элементы использованы при создании невзаимных устройств для коротковолновой части миллиметрового диапазона. Рассмотрена работа ряда невзаимных элементов, созданных на основе металло-диэлект-рического волновода (переключателя каналов, электрически управляемого аттенюатора, вентиля, циркулятора, антенного переключателя и т.п.). Приводится блок-схема экспериментальной установки, на которой исследовались основные электрические характеристики рассмотренных невзаимных элементов.
В заключении приводятся основные результаты работы.
На защиту выносятся следующие положения:
І. В коротковолновой части миллиметрового и в субмиллиметровом диапазонах длин волн для создания на основе сверхразмерных волноводов функциональных элементов широкого назначе-
ния оптимальными являются волноводы класса "полый диэлектри-^ ческий канал".
Рупорно-пластинчатые переходы являются наиболее эффективным средством возбуждения ДК-волноводов прямоугольного и круглого сечений.
Устройство взаимного поворота на трех решетках обеспечивает любой требуемый поворот плоскости поляризации электромагнитной волны, кроме поворота на угол, для которого направления проводников соседних решеток должны быть ортогональны, причем, полоса частот, для которой потери при повороте малы, увеличивается с уменьшением угла поворота плоскости поляризации.
При согласовании продольно намагниченных ферритовых элементов четвертьволновыми диэлектрическими покрытиями в невзаимных устройствах миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов на частоте наилучшего согласования существует только отраженная волна, поляризация которой ортогональна к поляри-зации падающей волны, а амплитуда пропорциональна недиагональной компоненте тензора магнитной проницаемости феррита.
Для создания невзаимных устройств в сверхразмерных волноводах с использованием эффекта Фарадея следует применять волноводы, собственные моды которых обладают поляризационным безразличием.
-II-
Многомодовые металлические волноводы
В сантиметровом и длинноволновой части миллиметрового диапазонов металлические волноводы получили наибольшее распространение. Однако с укорочением длины волны свойства этих волноводов существенно ухудшаются. Ограничение области применения этих волноводов в коротковолновой части миллиметрового и в субмиллиметровом диапазонах в основном связано с быстрым увеличением погонных потерь, по мере укорочения длины волны ( гь Л t h -потери на единицу длины, Л - длина волны), и уменьшением величины максимальной передаваемой мощности. Так, в одномодовом волноводе, работающем на волне TEJQ на длине волны Л = 0,2 мм потери и максимальное значение передаваемой мощности составляют 120 дБ/м и 0,02 кВт, соответственно [_I] . С другой стороны, уменьшение размеров волноводов приводит к повышению требований к точ ности изготовления функциональных элементов, в некоторых случаях нереализуемых. Перечисленные обстоятельства приводят к тому, что одномодовые волноводы в диапазонах длин волн короче 3+2 мм, как правило, не применяются.
Применение волноводов увеличенного поперечного сечения, как известно, приводит к уменьшению затухания и увеличению величины передаваемой мощности. Так, на волне 0,2 мм прямоугольный металлический волновод с размерами поперечного сечения 10x23 мм и рабочей модой TEJQ характеризуется затуханием 0,8 дБ/м и допустимой передаваемой мощностью 275 кВт.
Однако, несмотря на малое затухание, использование таких волноводов ограничивается тем, что в них могут распространяться высшие моды. Если поперечное сечение волновода значительно больше Я , то число возможных мод в волноводе а можно приблизительно найти по формуле, приведенной в поперечные размеры волновода.
В режиме сильной многоволновости энергия рабочей моды может интенсивно преобразовываться на неоднородностях тракта в высшие моды, в результате чего потери на преобразование рабочей моды могут заметно превышать тепловые. Дополнительные потери игиска-жения поля могут возникать и из-за резонансов между критическими сечениями 7,99] . Наличие перечисленных факторов приводит не только к увеличению суммарных потерь рабочей моды, но и сильной зависимости коэффициента передачи направляющей системы от частоты. С другой стороны, применение многоволновых волноводов квадратного либо прямоугольного сечений ограничивается тем, что не все функциональные элементы, созданные на их основе, обладают необходимыми электрическими характеристиками. Так, например, суммарные потери переключателя каналов на длине волны 2 мм составляют 3 4 дБ при развязках между каналами 10 15 дБ (см.параграф 4.8). Другим недостатком этих волноводов является отличие потерь в волноводных уголках в Е- и Н-плоскости, причем, уголки в Е плоскости обладают существенно большими потерями, чем уголки в Н-плоскости [ 71 .
Указанные выше недостатки относятся и к металлическому волноводу круглого поперечного сечения с рабочей модой TEjj. Ввиду того, что поляризация этой моды отличается от линейной, использование частопериодических решеток в функциональных элементах, созданных на основе круглых волноводов, приводит к дополнительным потерям и к снижению поляризационных характеристик этих элементов.
Общим недостатком рассмотренных волноводов является чувствительность к стыкам, что является дополнительным источником потерь, для уменьшения которых при реализации СВЧ схем применяются специальные меры.
Применение круглых волноводов с рабочей модой TEQJ целесообразно в системах связи, где имеются тракты с большой протяженностью. Существенным затруднением при использовании моды TEQJ В коротковолновой части миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов являются трудности возбуждения этой волны, создания невзаимных устройств и излучателей. Таким образом, широкому использованию многомодовых металлических волноводов как прямоугольного, так и круглого сечений препятствует отсутствие полного набора функциональных элементов.
Возбуждение рабочих волн ДК-волноводов круглого сечения
На рис.1.5 - 1.7 приведены расчетные зависимости затухания "низшей" Ш - моды ( т = I, и = I) от длины волны в медных волноводах со слоями диэлектрика антирезонансной толщины на двух стенках, а также мод LM . и LMS1 . Кривые на рис. 1.5 рассчитаны для волновода сечением 14x14 мм, в качестве диэлектрика использован лавсан ( = 3,03, {об- 0,01, d - 350 мкм), в диапазоне длин волн 4+0,4 мм. Сплошные кривые соответствуют случаю, когда толщина диэлектрического слоя неизменна. При этом, как видно из рисунка, существуют узкие резонансные области, в которых затухание рабочей моды резко возрастает. При одновременном уменьшении длины волны и толщины диэлектрического слоя зависимость затухания показана пунктирной линией.
В ДК-волноводах в качестве диэлектрического покрытия, помимо лавсана, применяется фторопласт-4 ( 6 = 2,07, і а 5 = 5.10 ). На рис.1.6 приведены зависимости затухания некоторых LM - мод в волноводе сечением 14x14 мм с фторопластовым покрытием антирезонансной толщины ( d = 480 мкм), в диапазоне длин волн 44-0,4.
В работе [ПО] приводятся данные по фторопласту до длин волны 0,2 мм. На рис.1,7 приведены зависимости затухания в ДК-волново де (сечение 10x10 мм) с фторопластовым покрытием в диапазоне длин волн 1,5 0,2 мм. Как и выше пунктирная линия соответствует одновременному уменьшению длины волны и толщины диэлектрического слоя с тем, чтобы величина Ы б-1 оставалась постоянной
Уменьшение затухания моды LM объясняется тем, что из-за экранирувдего действия диэлектрического слоя, уменьшаются продольные токи, протекающие в металлических стенках волновода.
В ряде случаев возникает необходимость пропускать по одному и тому же волноводу волны скрещенных поляризаций. Нанесение диэлектрического слоя антирезонансной толщины на все (четыре) стенки металлического волновода позволяет передавать эти волны с малым затуханием. Собственные волны такого ДК-волновода (рис.1,I д) также представляются в виде продольных электрических ( LE ) и продольных магнитных ( LM ) волн. Общие выражения (1.17)-(1.23) справедливы и для ДК-волновода со слоями диэлектрика на четырех стенках
Зависимость затухания некоторых мод, рассчитанных по формуле (1.27), приведена на рис.1.8 (лавсановое покрытие d - 180 мкм, сечение волновода 14x14 мм) и на рис.1.9 (фторопласт-4 d - 240 мкм, сечение волновода 14x14 мм). Как и все ДК-волноводы, рассмотренные выше, рассматриваемый ДК-волновод обладает самофильтрацией и малым затуханием рабочей моды. Важным преимуществом этого волновода является его способность пропускать волны со скрещенными поляризациями.
Для создания измерительных и приемо-передащих трактов в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн нашли применение ДК-волноводы круглого поперечного сечения ЦЗ,Ю,87,88] . Однако эти тракты во многих случаях не обладают требуемыми характеристиками; более того, с точки зрения поляризационной устойчивости, круглая форма поперечного сечения волновода не представляется оптимальной. Вообще говоря, целенаправленное получение необходимых для того или иного случая характеристик волновода возможно путем выбора как структуры отражающей границы, так и формы поперечного сечения із] .
В коротковолновой части миллиметрового и субмиллиметровом диапазонах прямоугольный металло-диэлектрический волновод характеризуется наименьшим среди всех ДК-волноводов затуханием рабочей моды LMft и поляризационной устойчивостью. Эти, а также ряд достоинств, свойственных всем ДК-волноводам: простота структуры поля рабочей моды, ее малые потери при условии эффективной фильтрации паразитных мод, малая чувствительность к стыкам и т.д., позволяют реализовать практически все волноводные элементы много - 37 функциональных трактов с высокими электрическими характеристиками.
Для эффективной работы некоторых функциональных элементов, таких как устройства взаимного поворота плоскости поляризации, облучатели, невзаимные элементы на эффекте Фарадея, необходимо обеспечить симметричное амплитудное и равномерное фазовое распределение поля в поперечном сечении волновода. Этому условию удовлетворяют квадратные ДК-волноводы. другие функциональные элементы (линейные секции, модовые фильтры, аттенюаторы, делители мощности и т.д.) могут быть выполнены на ДК-волноводах прямоугольного сечения. Однако в этом случае стыковка функциональных элементов на основе ДК-волноводов прямоугольного и квадратного поперечного сечения возможна при помощи волноводного перехода, включение которых в СВЧ схемы не всегда оправдано и желательно. В работе [27] показано, что для создания функциональных элементов волноводных трактов оптимальными являются ДК-волноводы квадратного сечения. Ниже приводятся основные электрические характеристики волноводных функциональных элементов (в диапазоне длин волн 2,0+2,5 мм), выполненных на основе квадратного ме-талло-диэлектрического волновода.] 27,117 ]
Расчет коэффициентов отражения и прохождения системы четырех частопериоди-ческих решеток
В связи с широким применением сверхразмерных ДК-волноводов и открытых лучевых волноводов (линзовые, зеркальные, диафрагмен-ные и т.п.) возникла необходимость в разработке функциональных элементов, позволяющих управлять канализируемой энергией электромагнитных волн. Поля рабочих волн в указанных направляющих системах линейно поляризованы, а их структура близка к структуре поля плоской волны. Это позволяет использовать плоские частопе-риодические решетки (период решетки р - много меньше длины волны) при создании функциональных элементов на основе вышеуказанных волноведущих систем [20-40] .
Наиболее часто применяются элементы, построенные на базе одной решетки и выполняющие функции поляризационных фильтров, аттенюаторов, делителей мощности, преобразователей видов поляризации. Реже используется система двух решеток, расчет которых дается в Q ,22} . На базе двух решеток в работе [_24j реализован интерферометр Фабри-Перо, выполняющий роль частотного фильтра. Известны высокоэффективные функциональные элементы указанного диапазона, использующие большее число решеток (например, система взаимного поворота плоскости поляризации, переменный аттенюатор отражательного типа и т.п. [_27j ).
Расчету таких систем, имеющему цель - обеспечение требуемых электрических характеристик элементов, посвящена настоящая глава. При этом привлекаются граничные условия анизотропно проводящей поверхности, иначе называемыми условиями Владимирского [l6,20] . Граничные условия Владимирского применимы, если период решетки мал по сравнению с длиной волны, а коэффициент заполнения " у " лежит в интервале 0,2 0,5 [20] . Для решеток, используемых в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах, указанные ограничения обычно выполняются.
Предложенная методика позволяет рассчитывать коэффициенты отражения и прохождения системы с произвольным числом решеток при произвольных расстояниях между решетками и углах ориентации их проводников. Как правило, число решеток, используемых в функциональных элементах, не превышает 4. Поэтому рассмотрение начнем с задачи о прохождении электромагнитной волны сквозь систему, состоящую из четырех решеток. [ІІб]]
Рассмотрим систему из четырех бесконечных решеток, помещенную в свободном пространстве ( 6 = ju = I, где а и jn - относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости свободного пространства, соответственно). Каждая решетка образована параллельными цилиндрическими идеально проводящими проводниками. Плоскости решеток параллельны друг другу, а ориентация проводников произвольная.
Введем прямоугольную систему координат xyz (рис.3.1 а), связанную с системой решеток следующим образом: плоскости решеток перпендикулярны оси Oz , плоскость левой (первой) решетки совмещена с координатной плоскостью хОу , направление проводников этой решетки параллельно горизонтальной оси 0у (рис.3.1 б). . Следующая (вторая) решетка расположена на расстоянии z-j от пер вой, а ее проводники образуют угол о осью Оу . Третья решетка расположена на расстоянии zz от первой ( z2 z1 ), а ее проводники образуют угол у 2 с осью Оу . Наконец, правая (четвертая) решетка расположена на расстоянии z3 от первой ( z3 z2 ), ее проводники образуют угол у 3 с осью Оу . Со стороны отрицательных z на решетки падает плоская волна с единичной амплитудой, вектор электрического поля которой направлен параллельно вертикальной оси Ох . Если в падающем поле имеется компонент Еу , то он полностью отражается первой решеткой и в формировании прошедшего поля не участвует.
Выделим в пространстве пять областей (см.рис.3.1 а) и выпи-шем выражения компонент электрического поля в каждой из областей. При этом амплитуда волн, распространяющихся в положительных и отрицательных направлениях оси Oz , обозначим через Г и К , соответственно. Волнам,поляризованным вдоль оси Ох, , присвоим индекс х, f а волнам, поляризованным вдоль оси Оу , индекс
В первой области существует падающая ехр (- і к z) и отраженная exp (Jkz) волны, поляризованные вдоль оси Ох .
Условия (3.8 в), (3.9 в) и (3.10 в) отражают тот факт, что компонента поля, поляризованная параллельно направлению проводников, равна нулю. Условия (3.8 г), (3.9 г) и (3.10 г) говорят о том, что волны, распространяющиеся в направлении отрицательных z и перпендикулярные проводникам решеток, совпадают по обе стороны границы. Заметим, что аналогичные условия могут быть записаны для волн, распространяющихся вдоль положительных z . Однако в этом нет необходимости, ввиду того что они тождественны приведенным соотношениям (3.8 г), (3.9 г) и (3.10 г).
Заметим, что формулы (3.12)-(3.20) не учитывают влияния местных волн вблизи проводников решеток. При выполнении условия р л уже на расстоянии от решетки порядка периода р дифрагированное поле описывается, в основном, прошедшей и отраженной волнами, поскольку поля местных волн быстро затухают при удалении от решетки (не медленнее чем exp(-2&\z\Iр) ) [20] . Поэтому полученные формулы справедливы при расстояниях между соседними решетками, превышающими р
Приведенная методика позволяет находить выражения для коэффициентов отражения и прохождения и при большем числе решеток. Дія этого достаточно выделить в пространстве /К+ 1 область ( /V - число решеток); составляющие полей в первой, второй и последней областях записать аналогично случаю четырех решеток; поля во всех оставшихся областях записать аналогично (3.3), либо (3.4). При сшивании полей в плоскостях первой, второй и последней решеток уравнения следует записать аналогично (3.7), (3.8) и (3.10), а в плоскостях остальных решеток сшивать поля аналогично (3.8), либо (3.9). Необходимо заметить, что добавление каждой новой решетки увеличивает число уравнений системы на четыре.
Способы реализации невзаимных функциональных элементов с высокими электрическими характеристиками
Суммарные потери в невзаимных элементах обусловлены тепловыми потерями в феррите, деполяризацией прошедшей волны, связанной с неоднородностью намагничения образца, наличием отраженной волны от феррита и преобразованием рабочей моды в высшие моды в присутствии феррита. Уменьшение перечисленных потерь достигается применением в этих элементах ферритов с малыми омическими потерями, созданием систем подмагничивания, обеспечивающих однородное магнитное поле в сечении волновода в месте установки ферри-тового образца [102] оптимальным согласованием, выбором рациональной формы ферритового образца.
В работах [60,65,69,72,73] , посвященных изучению распространения волноводных волн в волноводах, заполненных продольно намагниченным ферритом, приводятся соображения, касающиеся преобразования рабочей моды в высшие моды. В этих работах указывается на необходимость выбора "оптимального" типа рабочей волны и, следовательно, "оптимального" волновода, в котором преобразование минимально, а эффективность поворота плоскости поляризации максимальна (под эффективностью поворота понимается величина поворота плоскости поляризации на единицу длины). Так, в работе [бо] доказывается, что наибольшей эффективностью обладают волны с линейной поляризацией электрического поля.
Развязка между каналами в невзаимном устройстве, в основном, связана со степенью эллиптичности волн,прошедшей через феррит и отраженной от него, и с наличием преобразования рабочей моды в высшие моды. Эллиптичность прошедшей и отраженной волн зависит от параметров применяемых ферритов, их намагниченности, а также от эллиптичности падавдей волны. Дня обеспечения минимальной эллиптичности необходимо использовать в качестве рабочих моды с линейной поляризацией поля.
Низкое КСВН обеспечивается согласованием волновых сопротивлений участков волновода, заполненного ферритом и без него. Особенность согласования состоит в том, что намагниченный феррит является анизотропной средой. О необходимости решения вопроса согласования указывается в работе [59] . Задача согласования может решаться тремя способами: а) компенсацией отражений решетками с регулируемой прозрачностью [46] ; б) рациональным выбором толщин ферритовых элементов и расстояний между элементами [88, 90,92] ; в) применением четвертьволновых слоев [87,92-94,96j .
Особенность первого способа согласования ферритов заключается в применении двух решеток, одна из которых подвижная и перемещается параллельно неподвижной решетке к плоскости (проводники обеих решеток параллельны друг другу, а их плоскости -согласуемой грани ферритового образца). Перемещением подвижной решетки добиваются выравнивания амплитуд волн, отраженных от феррита и решеток, а разность фаз этих волн, при которой эти отражения компенсируются, обеспечивается выбором расстояния между ферритом и решетками. Этот способ достаточно полно исследован как теоретически, так и экспериментально. Однако, он сложен в реализации, а при падении на согласованный (описанным способом) феррит волн ортогональных поляризаций, компенсируется отражение только одной волны.
Второй способ, пригодный практически для любых значений намагниченности феррита изучен достаточно полно. Особенность этого способа согласования заключается в том, что отражение право-поляризованной волны устраняется выбором толщин ферритовых эле ментов, а левополяризованной - расстояний между ними. Однако этот способ сложен в реализации, а получаемое при этом согласование узкополосно.
По третьему способу согласования ферритов, основанному на использовании традиционных в оптическом диапазоне четвертьволновых просветляющих слоев, в опубликованных к настоящему времени работах, приводятся только экспериментальные результаты и указывается на необходимость продолжения исследований в этом направлении с целью поиска оптимальных согласующих покрытии. Результаты теоретического и экспериментального исследования согласования по третьему способу приведены в работе [96] .
В заключении следует отметить, что ключевыми проблемами, которые необходимо решить при создании невзаимных элементов на основе широких волноводов, является: 1. Обеспечение минимального отражения от ферритового образца (согласование). 2. Обеспечение малого уровня преобразования рабочей моды в высшие типы волн. Как известно, согласование однородной изотропной среды может быть осуществлено однослойным покрытием с параметрами, удовлетворяющими следующим соотношениям
