Введение к работе
Актуальность работы. Развитие современных телекоммуникационных систем требует постоянного совершенствования СВЧ-элементов и устройств, входящих в приемо-передающие тракты и узлы обработки сигналов. Несмотря на достаточную громоздкость и конструктивные трудности, вол-новодные элементы широко применяются в областях, требующих передачу больших мощностей с малыми потерями.
Одними из наиболее широко используемых волноводных СВЧ-устройств являются направленные ответвители. Они применяются как в задачах ответвления части мощности из основного высокочастотного тракта, так и для определения величины проходящей мощности и коэффициента стоячей волны для переменной связи с основной линией передачи.
Среди различных конструктивных подходов к созданию волноводных направленных ответвителей используются ответвители с системой малых отверстий связи. Основными преимуществами этих направленных ответвителей являются достаточно равномерное переходное ослабление в широком частотном диапазоне и слабая связь между основным и вторичным волноводами.
Развитие современной волноводной приемо-передающей и измерительной техники СВЧ-диапазона, в первую очередь, предполагает увеличение динамического диапазона, расширение рабочего диапазона частот и уменьшение массогабаритных показателей устройств. Этим требованиям в большей степени, чем волноводы простых сечений (прямоугольные и круглые волноводы), отвечают волноводы сложного сечения, в частности, гребневые (П- и Н-) волноводы, приобретающие все большую популярность, как в отечественной, так и в зарубежной СВЧ-технике (Philips, Litton, Waveline и др.).
Реализация СВЧ-устройств на базе волноводов сложного сечения, в том числе и направленных ответвителей, связана с рядом значительных сложностей, как методологического и алгоритмического, так и вычислительного характера. Во-первых, необходима методика, позволяющая с высокой точностью и за кратчайшее время осуществлять расчет электродинамических
характеристик (критических волновых чисел, компонент электромагнитных полей, волновых сопротивлений) волноводов сложного сечения. Во-вторых, требуется обобщение, адаптация и развитие существующих алгоритмов анализа СВЧ-устройств на базе волноводов простого сечения на волноводы сложного сечения. В-третьих, необходимо совершенствование методик и алгоритмов многопараметрического синтеза устройств с заданными характеристиками.
Существующие на сегодняшний момент литературные данные позволяют сделать вывод об отсутствии эффективной методики проектирования широкополосных направленных ответвителей на волноводах сложного сечения, а представленные результаты не отвечают современным требованиям. Так, недостаточная точность расчета характеристик одиночных отверстий связи в волноводах сложного сечения, приводит к погрешности характеристик многоэлементных направленных ответвителей более чем на 20%.
Современная вычислительная техника позволяет на сегодняшний день решение электродинамических задач с помощью прямых численных методов (метод конечных элементов, метод конечных разностей и т.д.). Однако, их реализация связана с высокими аппаратными требованиями к вычислительным комплексам, длительным временем счета и существенной сложностью применения алгоритмов синтеза.
Для эффективной реализации процедур анализа и синтеза СВЧ-устройств на базе волноводов сложного сечения рекомендуется применение численно-аналитических методов, позволяющих существенно уменьшить расчетное время, сохранив при этом высокую точность результатов.
Таким образом, решение задачи электродинамического анализа и синтеза направленных ответвителей на базе волноводов сложного сечения и проектирование широкополосных направленных ответвителей с заданными характеристиками, отвечающих требованиям, предъявляемым к современной высокотехнологичной радиоаппаратуре, является актуальной задачей и может служить целью научного поиска.
Целью работы является разработка методики анализа и синтеза широ-
кополосных направленных ответвителеи на волноводах сложных сечений со связью через малые отверстия различной формы и проектирование многоэлементных направленных ответвителеи с заданными характеристиками.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие основные задачи:
Разработать универсальную методику расчета характеристик связи волноводов сложного сечения через малые одиночные круглые, прямоугольные и крестообразные отверстия.
Рассчитать характеристики связи направленных ответвителеи на П- и Н-волноводах со связью по широкой и узкой стенкам через малые одиночные отверстия различной формы.
Разработать методику учета взаимного влияния отверстий связи на основе применения теории многоволновой матрицы рассеяния каскадного соединения многополюсников.
Разработать методику многопараметрического синтеза направленных ответвителеи с многоэлементной системой малых отверстий различной формы.
Спроектировать направленные ответвители на гребневых волноводах с многоэлементной системой малых отверстий различной формы с заданными характеристиками.
Научная новизна диссертационной работы определяется поставленными задачами, методами их решения и впервые полученными результатами:
Учет электродинамических характеристик отверстий связи и повышение точности расчета электромагнитных полей в волноводах сложных сечений позволили существенно повысить точность квазистатической теории Бете, применительно к анализу многоэлементных направленных ответвителеи и расширить границы рабочего диапазона частот.
Повышение точности расчета характеристик многоэлементных направленных ответвителеи на волноводах сложного сечения за счет учета взаимного влияния отверстий связи на основе применения теории многоволновой матрицы рассеяния каскадного соединения многополюсников.
Разработка методики и алгоритма многопараметрического синтеза направленных ответвителей на волноводах сложного сечения с системой малых отверстий различной формы.
Результаты исследования характеристик направленных ответвителей на П-и Н-волноводах со связью через малые отверстия круглой и крестообразной формы, а также прямоугольных отверстий с учетом поворота вокруг своей оси.
Повышение скорости и эффективности алгоритмов синтеза за счет учета характерных свойств отверстий связи различной формы при выборе исходных данных прототипа направленного ответвителя.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
Учет электродинамических характеристик отверстий связи в волноводах сложного сечения в реализации квазистатической теории Бете, позволивший довести точность результатов анализа и синтеза в расширенном диапазоне частот до уровня строгих электродинамических методов, сохранив при этом высокую скорость реализации алгоритмов.
Впервые в рамках квазистатической теории Бете для учета взаимного влияния отверстий связи при проектировании многоэлементных направленных ответвителей использована теория многоволновой матрицы рассеяния каскадного соединения многополюсников, что повысило универсальность разработанной методики.
Результаты исследований характеристик одиночных отверстий связи различной формы в гребневых волноводах и новые радиофизические эффекты, связанные с возможностями реализации широкополосных устройств.
4. Конструкции широкополостных многоэлементных направленных от
ветвителей с отверстиями связи различной формы, спроектированных
по разработанной методике с заданными характеристиками.
Обоснованность и достоверность полученных в диссертации ре
зультатов определяется строгой постановкой решаемых задач, правильно
отражающих реальные физические модели, использование эффективных
математических и вычислительных методов расчетов. Точность и достоверность получаемых результатов контролировалась сравнением с результатами расчетов других авторов и с результатами реализованного автором численного эксперимента.
Практическая значимость работы состоит в том, что, благодаря разработанной универсальной методике расчета характеристик связи волноводов сложного сечения (П- и Н-волноводов) через малые одиночные отверстия произвольной формы, а также разработанной методике синтеза направленных ответвителей на П- и Н-волноводах с системой малых отверстий, можно спроектировать направленные ответвители на волноводах сложного сечения с многоэлементной системой малых отверстий различной формы с заданными характеристиками. Полученные реальные устройства будут достаточно ши-рокополостностными и полностью отвечать требуемым параметрам.
Разработанный комплект программных средств может рассматриваться, как законченный самостоятельный модуль в составе системы автоматизированного проектирования пассивных устройств на волноводах сложного сечения. Все разработанные и апробированные в работе вычислительные алгоритмы и компьютерные программы могут применяться в различных НИИ и КБ для разработки СВЧ элементов и узлов на базе волноводов сложного сечения.
Некоторые результаты работы включены в рабочие программы лекционных курсов и специальных практикумов, входящих в учебный план физического факультета Южного федерального университета.
Апробация диссертационной работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: 3-я Международная конференция «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации», г. Суздаль, 2009; Международная научная конференция «ИРЭМВ-2009», Таганрог-Дивноморское, 27 июня - 1 июля, 2009 г; 3-я международная конференция «Современные проблемы радиоэлектроники», г. Ростов-на-Дону, 2010 г.; 3-th International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory
(ММЕТ-13), Киев, Украина, 2010; Междунар. науч.-техн. конф. «Актуальные проблемы электронного приборостроения», г. Саратов, 2010; IX Междунар. научн.-техн. конф. «Физика и технические приложения волновых процессов», Челябинск, 2010; XXIII Всероссийская научная конференция «Распространение радиоволн», Йошкар-Ола, МарГТУ, 2011.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 6 статей в изданиях, входящих в перечень ВАК, и 7 - в сборниках трудов и текстов докладов на различных научных конференциях.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 160 наименований. Она содержит 196 страниц текста, включающие 114 рисунков, 4 таблицы.
