Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ИССЛЕДОВАНИЕ ЩЕЛЕВОЙ ВОЛНЫ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ЩЕЛЕВОЙ ЛИНИИ 18
1.1. Разработка методики исследования 18
1.2. Описание экспериментальной установки и образцов 27
1.3. Структура поля, дисперсия и потери щелевой волны 36
ВЫВОД! 48
ГЛАВА II. ИССЛЕЩОВАНИЕ МОДОВОГО СОСТАВА ЧАСТИЧНО ЭКРАНИРОВАННОГО ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СТЕРЖНЯ 50
2.1. Анализ типов волн в частично экранированном диэлектрическом стержне 50
2.2. Распространение волны Зоммерфельда в металлической ленте 65
2.3. Интерференция волн, направляемых цилиндрической щелевой линией 70
ВЫВОДЫ 77
ГЛАВА III. РЕЗОНАНСНЫЕ СВОЙСТВА СТРУКТУР ЩЕЛЕВОГО ТИПА 80
3.1. Резонансное возбуждение щелевой волны в цилиндрической щелевой линии 80
3.2. О согласовании линий передачи поверхностных волн дифракционными решетками 87
3.3. Об одном методе моделирования дифракции
однородных плоских волн на цилиндрических рассеивателях 101
3.4. Экспериментальное исследование длинноволнового резонанса в цилиндре с продольной
щелью III
ВЫВОДЫ 119
ГЛАВА ІУ. НЕКОТОРЫЕ ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРОВЕДЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 122
4.1. Частотный сдвигатель миллиметрового диапазона 125
4.2. К вопросу о возбуждении планарного диэлектрического волновода 141
4.3. Интерферометр для интегральных схем миллиметрового диапазона
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 152
ЛИТЕРАТУРА 155
- Разработка методики исследования
- Анализ типов волн в частично экранированном диэлектрическом стержне
- Резонансное возбуждение щелевой волны в цилиндрической щелевой линии
- Частотный сдвигатель миллиметрового диапазона
Введение к работе
В настоящее время для передачи электромагнитной энергии используются структуры, направляющие свойства которых основаны на самых различных физических явлениях. К основным видам линий передачи относятся полые металлические волноводы, линии, состоящие из приемных и передающих апертур, лучеводы, диэлектрические волноводы, полосковые и щелевые линии. В целом они перекрывают диапазон электромагнитных колебаний практически от нулевой частоты -полосковые устройства, коаксиальные кабели - до видимого света -оптические диэлектрические волноводы. В технике миллиметрового (мм) диапазона волн используется каждая из указанных линий. Однако ни одна из них не является универсальной. В зависимости от решаемой технической задачи необходимо применять ту или иную вол-новедущую структуру, наиболее полно отвечающую поставленным требованиям в используемом диапазоне электромагнитных колебаний.
На примере развития техники СВЧ можно проследить тенденцию к миниатюризации элементов, функциональных узлов и радиотехнических комплексов. Начиная с 70-х годов быстрыми темпами идет освоение полосковых линий; параллельно развиваются методы анализа соответствующих электродинамических структур. Полосковые линии оказались удобными при их сочленении с элементами твердотельной электроники - диодами, транзисторами и т.д. Увеличение верхней рабочей частоты активных полупроводниковых элементов приведет, очевидно, к широкому использованию миниатюрных линий передачи в мм диапазоне [1,%} .
Разновидностью полосковых линий передачи с наименьшим поперечным сечением является щелевая линия образованная двумя металлическими проводниками на подложке из диэлектрика [3,4] , рис. 1.1а. Модификациями щелевой линии являются экранированная щелевая линия [Ь] , рис. Г.16, и волноводно-щелевая линия [б] , рис. І.їв, которые имеют сходную структуру поля в области щели. Несимметричная щелевая линия [У] и диэлектрический щелевой волновод [8 J отличаются тем, что металлические полоски расположены на двух поверхностях диэлектрической подложки, что приводит к ряду положительных эффектов, например, пониженным потерям, однако сопровождается одновременным увеличением поперечных размеров линии. Основные параметры щелевой линии исследованы в работах [3,4,9-I4J. Определены дисперсия, затухание щелевой волны и волновое сопротивление линии. Высокая степень концентрации электромагнитной энергии в области щели позволяет помещать в нее сосредоточенные активные и пассивные элементы, а наличие областей с эллиптической поляризацией магнитного поля дает возможность для построения невзаимных ферритовых устройств [l5j .
Следует отметить, что параметры щелевой линии рассчитываются, как правило, в длинноволновом приближении [іб,І7] , и только в последнее время появились работы, касающиеся распространения высших типов волн в подобных структурах [і8,І9] . В связи с развитием строгих математических методов анализа открытых электродинамических структур, содержащих бесконечно тонкие идеально проводящие экраны [20] , появилась возможность для теоретического исследования особого вида щелевой линии - цилиндрической щелевой линии (ЦЩД). Ее теоретическая модель представляет собой идеально проводящий цилиндр с продольной щелью и бесконечно тонкими стенками. Постоянные распространения всех типов волн такой структуры получены в работах [21,22J . ЦЩЯ с внутренним диэлектрическим заполнением, рис. 1,2, рассмотрена в работах [23-2б] . Показано, что основной п - поляризованной волной является медленная щелевая ft- волна, приведены аналитические выражения для коэффициента замедления, рассчитана структура поля и распределение плотности потока мощности в поперечном сечении.
Экспериментальным исследованиям электродинамических свойств ЦЩД посвящены работы [27,28] . Их актуальность обусловлена необходимостью изучения физических свойств электромагнитных волн, распространяющихся в реальных образцах ЦЩД, обладающих конечной проводимостью металла и толщиной стенок. Вследствие экспериментального исследования ЦЩЯ установлены границы применимости результатов теории, которой свойственны определенные идеализации.
Одним из основных вопросов при исследовании линий передачи электромагнитных волн является определение модового состава, т.е. всех типов волн, которые могут распространяться вдоль волноведу-щей структуры. Существование сопутствующих типов волн в произвольной линии передачи приводит, как правило, к повышенным потерям основной волны. Для борьбы с высшими типами волн в ряде случаев разрабатываются специальные фильтры [29, ЗО] , поэтому определение характеристик высших типов волн должно предшествовать практическому применению ЦЩД. Результаты экспериментального исследования модового состава ЦЩЯ представлены в работе [28] . Показано, что кроме щелевой волны в ЦЩД могут распространяться также волна, аналогичная волне Зоммерфельда в круглом металлическом проводнике с конечной проводимостью [ЗІ,32] и волна круглого диэлектрического волновода [зз] . Обнаружены области поляризационного вырождения перечисленных волн.
Новые возможности по совершенствованию средств и методов исследования линий передачи поверхностных волн дает эффект преобразования неоднородных плоских волн в объемные с помощью дифракционных решеток и диэлектрического полупространства [34-4і] . Анализ рассеянного поля, возникающего в результате дифракции медленных, неоднородных волн на дифракционной решетке, позволяет определить фазовые скорости волн в структуре и поляризацию каждой волны в отдельности. Применение дифракционного метода анализа модового состава к ЦЩД оказывается эффективным, что позволяет с большой степенью достоверности идентифицировать медленные волны в структуре.
Важной с точки зрения практического применения ЦЩЇЇ является возможность избирательного возбуждения в ней одной волны. Перспективным здесь является дифракционный ввод энергии в линию передачи поверхностных волн [42,43] . Оптимизация таких параметров системы, как длина решетки, вид и степень связи решетки с линией передачи, повышают эффективность дифракционного ввода, что способствует максимальному преобразованию энергии падающего пучка электромагнитных волн в энергию возбуждаемой волны. Дифракционный ввод энергии используется в настоящее время в интегральной оптике [34j , заметим, однако, что его возможности в мм диапазоне значительно расширяются благодаря тому, что в качестве дифракционных решеток могут использоваться периодические структуры с различной формой одиночного элемента. Исследованию рассеивающих свойств различных дифракционных решеток посвящена монография [Зб] .
Известно, что поверхностная волна Зоммерфельда может распространяться вдоль металлического стержня круглого поперечного сечения с конечной проводимостью металла и вдоль круглого стержня с идеальной проводимостью, покрытого тонким слоем диэлектрика [ЗІ,44] . В работах [28,4 показано, что волну Зоммерфельда поддерживают и другие виды волноведущих структур, а именно, ЩЩ и металлическая лента с конечной проводимостью. Данные исследования представляют интерес, поскольку роль острых кромок металлической ленты в этих линиях оказывается определяющей в формировании структуры поля и сильно влияет на замедление,затухание волны Зоммерфельда. Результаты исследований могут оказаться полезными для оценки параметров других линий передачи, в частности, полос-ковых [32,4б] , имеющих аналогичную структуру поля на кромках ме- таллических лент.
Характерной особенностью структуры в виде цилиндра с продольной щелью (рис. 1.3) является длинноволновый резонанс, который проявляется в резком увеличении сечения обратного рассеивания на резонансной частоте. В литературе этот режим получил название резонанса Гельмгольца ЦІІЩ [47] . Теоретическое исследование данного вопроса проведено для случая цилиндра с бесконечно тонкими стенками и идеальной проводимостью металла. Экспериментальное исследование резонансных рассеивающих свойств структуры выполнено в работе. [48] , проанализировано влияние конечной толщины металлического экрана на смещение резонансной частоты.
Резонансные свойства структуры в виде цилиндра с продольной щелью проявляются также при помещении его в полый металлический волновод [49,50] , а также в решетке из цилиндров с продольными щелями . Длинноволновый резонанс в решетках приводит к режимам полного отражения падающей мощности. В связи с развитием нового направления - техники интегральных диэлектрических схем мм диапазона |_52-5б] - представляет интерес исследование рассеивающих свойств цилиндра с продольной щелью в поле диэлектрических и металлодиэлектрических волноводов [33,52,57] . Очевидно, что прямое заимствование узлов и элементов из интегральной оптики [34,58] не всегда ведет к успешному решению технических задач в мм диапазоне. Существенное отличие характерных размеров по сравнению с длиной волны требует исследования элементов не только с распределенной связью, но также и сосредоточенных неоднородное тей в регулярных линиях передачи.
Исключительно важным является развитие методов измерения ближних электромагнитных полей, возникающих в результате дифракции волн на различных препятствиях. Этому вопросу посвящено достаточно большое количество работ [59-61] , тем не менее, зада- ча о нахождении новых средств и методов исследования ближних полей является актуальной и в настоящее время. Отдельного рассмотрения требует вопрос об измерении распределения поля во внутренних областях незамкнутых экранов, таких например, как цилиндр с продольной щелью.
Изучение электродинамических свойств цилиндра с продольной щелью в случае конечной проводимости металла и конечной толщины стенок представляет несомненный интерес не только с чисто физической, но и с практической точки зрения. Последующее конструирование устройств на основе цилиндра с продольной щелью значительно облегчается, если известны параметры реальных образцов. Следует отметить, что теоретическое исследование структур с конечной проводимостью в настоящее время связано со значительными трудностями. Оптимальным является экспериментальное исследование электродинамических свойств цилиндра с продольной щелью с последующим сравнением полученных результатов с имеющимися расчетами. В большинстве случаев теоретические результаты, относящиеся к цилиндру с продольной щелью, получены математически строгими методами [20] , точность расчетов на ЭВМ превосходит, как правило, точность современных методов экспериментального исследования, поэтому полученные отличия расчетных данных от экспериментальных будут обусловлены исключительно отличиями теоретической модели от реального образца.
Целью настоящей диссертационной работы является экспериментальное исследование электродинамических свойств щелевых структур резонансного и нерезонансного типа с цилиндрической симметрией и проведение физического анализа направляемых и рассеянных полей с целью использования исследуемого объекта в качестве элемента мм и субмм техники. Исследования направлены на изучение распространения щелевой волны в ЦЩП, анализ модового состава частично экранированного диэлектрического стержня и на исследование резонансных свойств цилиндра с продольной щелью. Значительное место в работе занимают вопросы, связанные с усовершенствованием существующих методов исследования линий передачи поверхностных волн и методов экспериментального исследования ближних полей, возникающих в результате дифракции однородных плоских волн на цилиндрических металлических препятствиях.
В качестве объектов исследования выбраны электромагнитные волны в ЦЩЛ, металлической ленте и системе щелевых структур. В результате определены дисперсия, затухание и структура поля. Объектом исследования при изучении рассеивающих свойств цилиндра с продольной щелью выбраны электромагнитные поля, возникающие в результате дифракции однородных и неоднородных плоских волн на структуре. Непосредственные измерения направлены на исследование структуры поля, сечения обратного рассеивания, радиационных потерь и коэффициента отражения цилиндра со щелью в диэлектрическом и металлодиэлектрическом волноводах.
Метод исследования электромагнитных волн в ЦЩД и металлической ленте основан на измерении поперечного и продольного распределений напряженности поля в линии при избирательном возбуждении одной волны, которое достигается путем дифракционного ввода энергии в линию поверхностных волн. Метод исследования ближних полей в цилиндре с продольной щелью при резонансном его возбуждении однородной плоской волной основан на возможности моделирования такого процесса с помощью дифракции неоднородных плоских волн планарного диэлектрического волновода на соответственно уменыне-ных образцах, помещенных в планарный волновод так, что образующие цилиндрической поверхности перпендикулярны плоскости волновода.
Научная новизна работы определяется прежде всего тем, что в работе исследован модовый состав частично экранированного диэлектрического стержня. На основании полученных зависимостей коэффициента замедления каждой из волн от угловой ширины щели показано, что щелевая волна ЦЩЕ непрерывно переходит в основную волну круглого диэлектрического стержня при непрерывном увеличении угловой ширины щели. Экспериментальным путем доказано, что наряду со щелевой волной всегда существует возможность распространения волны Зоммерфельда в ЦЩД. Исследование волны Зоммерфельда в металлической ленте показало роль острых кромок в формировании структуры поля и их определяющее влияние на замедление и затухание волны Зоммерфельда.
Обоснованность и достоверность физических результатов по распространению поверхностных волн в ЦЩД обеспечивается комплексной методикой экспериментального исследования. Она включает избирательное возбуждение одной волны в ЦЩД и измерение продольного и поперечного распределений напряженности электрического поля. Исходя из анализа структуры поля в линии поверхностных волн определяются параметры последней и решается вопрос о наличии сопутствующих типов волн. Достоверность определения модового состава ЦЩД обеспечивается предельными переходами к случаю узкой щели в цилиндре с диэлектрическим заполнением и к случаю узкой металлической ленты на боковой поверхности круглого диэлектрического стержня. В таких режимах наблюдается хорошее совпадение экспериментальных значений коэффициента замедления щелевой волны и волн круглого диэлектрического стержня с имеющимися рассчетными значениями по асимптотическим формулам, полученным другими авторами. В необходимых случаях сделана оценка погрешности измерений.
Основные результаты, положения и выводы диссертационной работы, выносимые на защиту, следующие:
I. Разработана методика экспериментального исследования мо- дового состава ЦЩД как линии передачи поверхностных волн. Элементами методики являются: дифракционный ввод-вывод энергии, анализ диаграммы направленности системы волновод поверхностных волн -дифракционная решетка, измерение продольного распределения напряженности электрического поля и анализ картины продольных биений, вызванных интерференцией волн в линии.
2. Экспериментально исследовано распространение волн в час тично экранированном диэлектрическом стержне.
Исследовано распространение щелевой волны в ЦЩД, определены параметры линии, проведено их сравнение с параметрами других линий передачи мм диапазона. Показано, что щелевая волна непрерывно переходит в основную волну круглого диэлектрического стержня при увеличении углового размера щели.
Исследовано распространение волны Зоммерфельда в ЦЩЛ и в металлической ленте. Показано определяющее влияние острых кромок ленты на структуру поля, замедление и затухание волны Зоммерфельда.
3. Экспериментально исследованы резонансные свойства струк туры в виде цилиндра с продольной щелью.
Исследовано резонансное возбуждение щелевой волны в ЦЩЛ неоднородной плоской волной линейного диэлектрического волновода. Показано, что резонансное возбуждение наблюдается при выполнении условий фазового синхронизма.
Исследованы резонансные свойства цилиндра со щелью по частоте. Измерены сечение обратного рассеивания и коэффициент отражения цилиндра со щелью при его помещении в диэлектрические и металлодиэлектрические волноводы. Выяснено влияние конечной толщины металлической оболочки и проводимости металла на смещение резонансной частоты и добротность резонанса.
Рассмотрен метод моделирования дифракции однородных плоских волн на цилиндрических металлических препятствиях с помощью дифракции неоднородных плоских волн планарного диэлектрического волновода на соответствующих образцах.
4. На основании проведенных исследований предложены конструкции некоторых устройств мм диапазона: допплеровский сдвига-тель частоты, устройства возбуждения планарного диэлектрического волновода, интерферометр. Исследованы их характеристики.
Работа состоит из введения, четырех глав и заключения.
Во введении изложено современное состояние вопроса об электродинамических свойствах структур щелевого типа, дан обзор литературы по исследуемой проблеме, определена цель и описаны основные этапы работы, перечислены положения, выносимые на защиту.
В первой главе дан краткий обзор существующих методов экспериментального исследования линий передачи поверхностных волн. Выбран оптимальный вариант определения параметров ЦЩН по продольному распределению в ней напряженности электрического поля. Проведено сравнение экспериментально полученных данных с теоретическими для соответствующей математической модели, проанализировано влияние конечной проводимости металла и толщины оболочки на основные характеристики щелевой волны. Проведено сравнение параметров ЦЩД с параметрами аналогичных линий передачи: планар-ной щелевой линии, связанных микрополосковых линий, компланарной линии, а также с параметрами классических направляющих структур: диэлектрического и полого металлического волноводов. Показана перспективность использования ЦЩЯ в мм диапазоне длин волн как миниатюрной линии со средними по величине потерями, малыми поперечными размерами и высокой степенью концентрации плотности потока энергии в пределах поперечного сечения.
Во второй главе приведены результаты разработки комплексной методики определения модового состава линий передачи поверхностных волн. Ее элементами являются дифракционный ввод-вывод энергии, анализ диаграммы направленности системы волновод поверхностных волн - дифракционная решетка, измерение продольного распределения напряженности электрического поля и анализ картины продольных биений, вызванных интерференцией различных волн в линии.
Проведен анализ модового состава ЦЩй при произвольной угловой ширине щели и показано, что в общем случае в частично экранированном диэлектрическом стержне распространяются три вида волн: волна Зоммерфельда и две собственные волны круглого диэлектрического волновода, поляризационное вырождение которых снимается узкой металлической лентой на боковой поверхности круглого диэлектрического стержня. Экспериментально доказано, что щелевая волна непрерывно переходит в одну из собственных волн круглого диэлектрического волновода при постепенном увеличении угловой ширины щели в металлической оболочке. Рассмотрен вопрос об избирательном возбуждении одной из волн в ЦИЩ.
Исследовано также распространение волны Зоммерфельда в металлических проводниках с поперечным сечением, отличным от кругового, а именно, в металлических лентах. Показана определяющая роль острых кромок металлической ленты в формировании структуры поля волны Зоммерфельда. Выяснено их влияние на замедление и затухание волны в линии.
В третьей главе рассмотрены условия резонансного возбуждения щелевых структур. Исследованы два вида резонанса: по частоте и по волновым числам. Последний можно охарактеризовать также, как резонанс типа фазового синхронизма или резонанс по пространственным частотам. Режимы фазового синхронизма исследованы для связанных диэлектрического волновода и ЦЩЛ, диэлектрического волновода и канавки прямоугольного поперечного сечения в метал- лической плоскости, причем канавка заполнена диэлектриком. Перечисленные системы исследованы с точки зрения эффективности передачи энергии от одной линии поверхностных волн к другой.
Резонансы по частоте в цилиндре с продольной щелью исследованы при его расположении в свободном пространстве (сечение обратного рассеивания) и при помещении в диэлектрические и металло-диэлектрические волноводы (коэффициент отражения). Выяснено влияние конечной толщины металлической оболочки и проводимости металла на добротность резонанса. Обнаружено явление полного прохождения электромагнитной энергии в системе металлодиэлектрический Н - волновод - цилиндр со щелью.
Рассмотрен метод измерения ближних полей, возникающих в результате дифракции однородных плоских волн на цилиндрических металлических поверхностях. В качестве примера приведено распределение полного поля в окрестности и внутри цилиндра с продольной щелью при его резонансном возбуждении. Описанное явление дифракции моделируется в системе планарный диэлектрический волновод -цилиндр со щелью, причем образующие цилиндра перпендикулярны плоскости волновода.
В четвертой главе на основании полученных физических результатов рассмотрены некоторые практические применения исследуемых электродинамических структур. Показана перспективность использования цилиндра с продольной щелью в качестве элемента для проектирования различного рода направленных ответвителей, резонаторов, фильтров, линий задержки и т.д. Обсуждаются также некоторые устройства, работа которых основана на взаимодействии электромагнитных полей диэлектрического волновода и щелевых структур (допплеровский сдвигатель частоты, возбудитель планар-ного диэлектрического волновода, интерферометр). Даны рекомендации по их применению.
В заключении приведены основные результаты диссертационной работы и выводы, которые позволяют сформулировать направления дальнейших исследований в данной области радиофизики.
Научная и практическая значимость работы заключается в разработке комплексной методики исследования линий поверхностных волн. На ее основе проведено измерение параметров реальных образцов ЦЩЙ с конечной толщиной стенки цилиндра и конечной проводимостью металла. Сравнение параметров ЦЩЯ с параметрагли других линий передачи показало перспективность использования ЦІЩІ в мм диапазоне в качестве миниатюрной линии передачи со средними по величине потерями.
ЦЩД и некоторые другие структуры щелевого типа, введенные в непосредственную электродинамическую связь с диэлектрическим волноводом, могут использоваться для построения направленных ответ-вителей, возбудителей планарного диэлектрического волновода и распределительных устройств мм диапазона. Оптимальный выбор схемы устройства позволяет свести к минимуму радиационные потери.
Резонансные свойства по частоте цилиндра с продольной щелью целесообразно использовать при конструировании на его основе фильтров и линий задержки. Пассивные радиолокационные отражатели на цилиндре с продольной щелью обладают малыми геометрическими размерами по сравнению с длиной волны и большими эффективными электродинамическими размерами.
Диссертационная работа изложена на і 25 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков на 26 листах и список литературы из 98 библиографических наименований на 12 страницах.
Результаты диссертационной работы докладывались на 12-й конференции молодых исследователей ИРЭ АН УССР (1980г.), на III Всесоюзном симпозиуме по мм и субмм волнам (Горький, 1980г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Проектирование и и применение радиоэлектронных устройств на диэлектрических волноводах и резонаторах" (Саратов, 1983г.), на научно-практической конференции "Достижения творческой молодежи в решении актуальных проблем современной физики" (Харьков, 1983г.), на научном семинаре отдела № II ИРЭ АН УССР, опубликованы в работах [27, 28, 43, 45, 48, 65, 68, 91] .
Разработка методики исследования
Основными характеристиками линии передачи электромагнитной энергии являются структура поля, дисперсия, потери основной волны и модовый состав. Для оценки свойств самофильтрации и помехозащищенности важно знать также дисперсию и потери высших типов волн или основной волны с ортогональной поляризацией. Особенно большое значение имеют режимы, в которых фазовые скорости волн совпадают. Режимы фазового синхронизма наблюдаются, например, при передаче волны Н в круглом металлическом волноводе [29,30J и приводят к нежелательным резонансам, сильному взаимодействию волн и повышенным потерям.
Цилиндрическая щелевая линия (рис. 1.2) относится к открытым линиям передачи поверхностных волн, что позволяет регистрировать продольное распределение поля в ней с помощью зонда, расположенного во внешнем по отношению к исследуемой линии пространстве. Распространенным способом определения дисперсии открытых линий передачи является независимое измерение длины волны в ней по картине стоячих волн и длины волны в свободном пространстве с помощью волномера. Отношение этих величин дает коэффициент замедления U- г— = «- , где Я - длина волны в свободном пространстве, Яд - длина волны в линии, С - скорость света в вакууме, Vm-фазовая скорость щелевой волны в ЦЩН.
Анализ типов волн в частично экранированном диэлектрическом стержне
В одноволновом режиме напряженность поля вдоль произвольной линии передачи медленно спадает за счет потерь в металле или диэлектрике. Наличие еще одной волны искажает продольное распределение поля. Интерференция двух волн приводит к перераспределению энергии в пределах поперечного сечения линии. В областях конструктивной интерференции наблюдается максимум напряженности поля, в местах деструктивной интерференции напряженность поля равна нулю или резко спадает, в зависимости от амплитуд интерферирующих волн. Плотность потока энергии в этой области мала или равна нулю. Если фазовые скорости двух волн не равны, то фазовые соотношения между компонентами поля, принимающими участие в интерференции, изменяются от одного поперечного сечения линии к другому. В резуль тате области конструктивной и деструктивной интерференции поочередно меняются местами, а в продольном распределении поля наблюдаются биения. Наиболее отчетливо этот эффект выражен в системе из двух идентичных связанных волноводов, например, диэлектрических, двух связанных микрополосковых линий и т.д. Интерферирующими волнами в этом случае являются четная и нечетная волны симметричной системы.
Аналогичная картина продольных биений двух различных волн в одной линии передачи обнаружена при исследовании ЩЩ. Типичное продольное распределение, наиболее часто наблюдавшееся в экспериментах, представлено на рис. I.I3. Отчетливо прослеживаются биения щелевой волны с еще одной, пока что неизвестной.
Искажение продольного распределения поля в линии может быть вызвано неоднородным заполнением цилиндра, такими неоднороднос-тями структуры, как не постоянство диаметра стержня, ширины щели. Специально проведенные измерения флуктуации ширины щели вдоль продольной координаты линии (рис. I.I2) показывают, что максимальные отклонения ширины щели от среднего значения не соответствуют координатам минимумов и максимумов в продольном распределе- нии поля (рис. I.I3). Кроме того, период биений меняется при переходе на другую частоту.
Резонансное возбуждение щелевой волны в цилиндрической щелевой линии
Режим фазового синхронизма между волнами связанных диэлектрических волноводов к настоящему времени достаточно хорошо изучен в рамках интегральной оптики [58] . Он характеризуется эффективной передачей энергии от одного волновода к другому, что позволяет разрабатывать на основе параллельно расположенных диэлектрических волноводов различные конструкции направленных ответвителей [53 j , линий задержек и фильтров [54] . Представляет определенный интерес исследование процесса обмена энергией между двумя линиями передачи в окрестности режима фазового синхронизма. Поскольку непосредственное эффективное изменение фазовой скорости волны в одном из волноводов весьма затруднено при сохранении исходной структуры поля, представляется целесообразным варьировать ориентацию одной линии передачи относительно другой для изменения фазового распределения вдоль возбуждаемой линии передачи [ее] .
Экспериментальное исследование возбуждения щелевой волны проведено в случае дифракции неоднородной плоской волны диэлектрического волновода на ЦЩД. Фазовое распределение вдоль щели варьируется путем изменения ориентации цилиндра со щелью относительно диэлектрического волновода, рис. 3.1. Увеличение угла аС от 0 до 90 приводит к изменению распределения фазы возбуждающей волны вдоль щели от синфазного до линейно нарастающего с градиентом, равным продольному волновому числу диэлектрического волновода. Схема эксперимента оказалась возможной потому, что поперечные размеры цилиндра и, тем более щели в несколько раз меньше длины волны и фазовое распределение падающей волны почти однородно в пределах поперечного сечения цилиндра (щели).
Частотный сдвигатель миллиметрового диапазона
Преобразование частоты электромагнитных колебаний представляет собой основу многих процессов по обработке сигналов, несущих некоторую информацию. Частным случаем преобразования является получение сигнала, частота которого отличается от исходной на небольшую величину 14-10. Этот процесс получил название формирования сдвинутого по частоте сигнала, а соответствующие устройства получили название частотных сдвигателей [8l].
Практическое применение частотные сдвигатели находят в радиолокационных системах для калибровки фазочувствительных приемников. Тенденция к укорочению рабочей длины волны радиолокаторов требует разработки соответствующей поверочной аппаратуры мм диапазона с приемлемыми параметрами. Основными критериями при оценке возможности использования частотных сдвигателей в составе радиолокационных комплексов являются высокая чистота спектра выходного сигнала и возможность изменения величины сдвига. Аналогичные требования предъявляются к сдвигателям частоты, используемым в лабораторных условиях для проведения измерений фазы высокочастотных электромагнитных колебаний с переносом информации о начальной фазе на частоту, равную величине сдвига [82j . В настоящем параграфе предложено несколько конструкций частотных сдвигателей мм диапазона. Исследованы параметры макета частотного сдвигателя, описана установка для фазовых измерений, с помощью которой получены некоторые результаты 3.1, 3.2, 4.2.
Известно, что форлирование сдвинутого по частоте сигнала в радиотехническом диапазоне не представляет особых трудностей. Данная задача решается путем смешения основного сигнала с сигналом гетеродина на нелинейном элементе и выделения суммарной либо разностной частоты посредством фильтрации. Применение балансных смесителей позволяет достаточно эффективно подавлять на выходе основной сигнал или сигнал гетеродина, что эквивалент но подавлению амплитудной модуляции сдвигутого по частоте сигнала. Формирование сдвинутого по частоте сигнала на более высоких частотах, от СВЧ диапазона и вплоть до оптического, требует применения других методов, т.к. эффективная фильтрация близко расположенных составляющих спектра становится затруднительной.
Одним из методов получения сдвинутого по частоте сигнала является эффект Допплера. Известен частотный сдвигатель в оптическом диапазоне [34j , содержащий диэлектрический параллелепипед и ультразвуковой излучатель на одной из его граней, который формирует в объеме диэлектрика движущуюся дифракционную решетку в виде бегущей ультразвуковой волны. Световой пучок, проходя через параллелепипед, дифрагирует на движущейся решетке, в результате чего все пространственные гармоники, за исключением нулевой, получают допплеровский сдвиг по частоте. Большие относительные размеры устройства по сравнению с длиной волны ограничивают его применение в более длинноволновом диапазоне, в частности, в миллиметровом.
