Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические и экспериментальные аспекты исследования излучающих структур, как базовых элементов объемных интегральных схем 21
1.1 Рёберно-диэлектрическая линия передачи и ее модификации 22
1.2 Методы исследований регулярной рёберно-диэлектрической линии передачи 28
1.3 Моделирование базовых элементов объёмных интегральных схем на основе рёберно-диэлектрической линии передачи 30
1.4 Излучатели на основе реберно-диэлектрической линии 34
1.5 Выводы 43
Глава 2. Симметричная реберно-диэлектрическая линия передачи 45
2.1 Математическая модель симметричной реберно-диэлектрической линии передачи 45
2.1.1 Дисперсионное уравнение для частично заполненного волновода 45
2.1.2 Частично заполненный волновод, ограниченный металлическим экраном (полуоткрытая структура) 53
2.1.3 Вывод дисперсионного уравнения для симметричной реберно-диэлектрической линии передачи 58
2.2 Выводы 68
Глава 3. Антенны бегущей волны на основе реберно-диэлектрической линии передачи 69
3.1 Излучатель на регулярной реберно-диэлектрической линии 75
3.1.1 Модель с магнитным током учитывающая дифракцию излучающего края 80
3.2. Измерения характеристик излучения антенн на основе реберно-диэлектрической линии 91
3.3 Выводы 94
Заключение 95
Список литературы 97
- Моделирование базовых элементов объёмных интегральных схем на основе рёберно-диэлектрической линии передачи
- Частично заполненный волновод, ограниченный металлическим экраном (полуоткрытая структура)
- Вывод дисперсионного уравнения для симметричной реберно-диэлектрической линии передачи
- Измерения характеристик излучения антенн на основе реберно-диэлектрической линии
Введение к работе
Актуальность темы.
Одной из основных тенденций развития современной радиотехники, средств связи, радиоизмерительной техники является освоение новых, все более коротковолновых диапазонов электромагнитных волн [1, 2]. Основными физическими идеями, определяющими устойчивый интерес ученых и инженеров к СВЧ-КВЧ диапазону является, во-первых, возможность повышения разрешающих способностей радиолокационных, радиоастрономических и др. систем обработки информации. Известно, что ширина диаграммы направленности антенны пропорциональна длине волны и обратно пропорциональна размеру ее апертуры. Увеличение апертуры нередко связано, например, в радиоастрономии, с увеличением стоимости антенны, а уменьшение возможно только за счет укорочения волны. Укорочение волны тоже имеет свои пределы, связанные с точностью исполнения поверхности антенны (соразмерность длины волны и шероховатости поверхности). Второе обстоятельство, способствующее изучению рассматриваемого диапазона частот - необходимость увеличения объема канала связи, т.е. расширение диапазона рабочих частот, непосредственно связанное с необходимостью обработки больших объемов информации. Повышение быстродействия систем по обработке информации ведет к резкому увеличению тактовой частоты, а это в свою очередь и приводит к использованию СВЧ-КВЧ диапазона.
Другим важным фактором, привлекающим внимание, к этому диапазону, является потребность снижения массы и уменьшения габаритов радиотехнической аппаратуры (РТА), повышение надежности, долговечности, технологичности, уменьшение стоимости РТА и вычислительной техники.
Результаты миниатюризации нашли свое отражение и в антенной технике, поскольку уменьшение массогабаритных параметров РТА возможно
только при соответствующем подходе к вопросу построения антенных систем.
К тому же известно, что наилучшие результаты при проектировании и создании СВЧ-КВЧ модулей радиотехнической аппаратуры получаются при неуклонном следовании принципам объемных интегральных схем (ОИС): оптимальности базового элемента (каждому базовому элементу -наилучшую для него линию передачи) и конструкционного соответствия [2, 3].
Среди большого разнообразия линий передачи особое место занимает реберно-диэлектрическая линия передачи (РДЛ), которая весомо пополняет элементную базу КВЧ диапазона и наилучшим образом сопрягается с устройствами на основе ОИС [1-9], поскольку геометрия этой линии передачи имеет «многоэтажную» структуру. РДЛ сама по себе обладает интересным свойством: в ней могут существовать как быстрые (волноводные), так и медленные (поверхностные) волны [4].
На основе РДЛ могут быть созданы такие устройства и базовые элементы для ОИС, как направленные ответвители, резонансные и фильтрующие устройства, фазовращатели, межэтажные переходы, устройства согласования линий с нагрузкой (см. например [2, 4]), а так же разработка перспективных радиолокационных станций с применением активных фазированных антенных решеток (АФАР) для самолетов 5-го поколения [10]. Это говорит о важности исследования свойств волн направляемых реберно-диэлектрической линией передачи. Естественно, знание картин распределения электромагнитного поля углубляет понимание физики процесса распространения волн, что позволяет использовать линии передачи максимально эффективно.
Наличие такой широкой области применения РДЛ обуславливает необходимость ее всестороннего теоретического анализа и опытной проверки [11-15].
Целью работы является исследование характеристик излучения антенн, созданных на основе реберно-диэлектрической линии (РДЛ) и зависимость этих характеристик от геометрических параметров излучателя (рис. 1).
Рис. 1 Конструкция антенны на регулярной реберно-диэлектрической линии
с согласующим устройством
Методика исследования основана на результатах, полученных с помощью построенных математических и физических моделей излучателей, и сравнении их с данными измерений опытных образцов антенн.
Работа состоит из введения, трех глав и заключения.
В первой главе - «Теоретические и экспериментальные аспекты исследования излучающих структур, как базовых элементов объемных интегральных схем» - представлен обзор работ, по данной тематике.
Поскольку антенна на реберно-диэлектрической линии впервые рассматривается в этой работе, то и публикаций посвященных этому излучателю, за исключением авторских отсутствуют. В тоже время результаты теоретических и опытных исследований РДЛ как линии передачи обсуждаются в ряде работ [16-18].
Проводится анализ модификаций РДЛ, при этом особое внимание уделяется возможности использования данной структуры для моделирования базовых элементов объемных интегральных схем на основе РДЛ. Показано, что РДЛ может играть важную роль при построении различных базовых элементов многоэтажных модулей ОИС.
Рассмотрены теоретические методы исследований регулярной РДЛ, анализ которых определил подход к решению задачи о распространении электромагнитных волн в РДЛ как направляющей структуры излучателя.
По конструктивно-технологическому исполнению антенна на РДЛ наиболее близка к диэлектрической стержневой антенне и антенне на основе симметричной щелевой линии, поэтому они были выбраны прототипами исследуемой антенны (рис. 2). Эти излучатели относятся к классу антенн бегущей волны, у которых в направляющих структурах распространяются медленные (поверхностные) волны [19-21]. Сделано предположение, что характеристики и механизм излучения антенны на РДЛ и ее прототипов будут схожими, при этом важную роль будет играть дифракция электромагнитной волны на металлических ребрах излучающего края антенны.
Рис. 2 Антенна на реберно-диэлектрической линии и ее прототипы:
а) - антенна на реберно-диэлектрической линии;
б) - антенна на симметричной щелевой линии
в) - диэлектрическая стержневая антенна;
Во второй главе - «Симметричная реберно-диэлектрическая линия
передачи» - рассмотрена модель этой структуры и особенности ее
применения не в традиционном представлении, как линии передачи, а в
роли направляющей структуры излучателя, когда ширина щели сравнима с
длиной волны, а параметры диэлектрической подложки определяются
условием для осевого излучения, т.е. замедление волны,
распространяющейся в РДЛ, удовлетворяет условию Вудъярда-Хансена.
Эта специфичность параметров РДЛ не в полной мере позволила
воспользоваться результатами известных работ.
Из-за особенностей поперечного сечения рассматриваемой структуры (рис. 3), задача о нахождении собственных волн распространяющихся в регулярной РДЛ решалась в три этапа. На первом этапе были определены компоненты полей и дисперсионные уравнения для квазиоткрытого слоистого волновода, решение которых дает дисперсионные зависимости для этой структуры. Результаты первого этапа согласуются с данными, полученным Ю.В. Егоровым, для аналогичной структуры [22].
Рис. 3 Реберно-диэлектрической линия
На втором этапе, записывая выражения для компонент поля в полуоткрытой структуре слоистого волновода дополнительно ограниченного с одной стороны металлическим экраном, получаются решения для половины РДЛ без учета ребер.
На третьем этапе, путем сшивания касательных составляющих электрических и магнитных полей на границе полуоткрытых структур с применением обычных граничных условий с учетом особенностей на ребрах, записывается система интегральных уравнений относительно токов на металле, образующем щелевую апертуру. Далее, применением преобразования Фурье, эта система приводится к системе алгебраических уравнений, связывающих Фурье-образы касательных составляющих электрического поля в щели с Фурье-образами плотностей токов на металле
G G
GL G
(1)
где G - тензорная функция Грина волноведущей структуры в спектральной области. Алгебраизация системы интегральных уравнений производилась методом Галеркина. В качестве базисных функций, для представления касательных составляющих полей в щели ехт и е2т были выбраны полиномы Чебышева первого и второго рода учитывающие особенности
на ребре.
т (^)
М М 2т
Е(х) = Ус е =Yc ywJ
(2)
Д Д 2х \ (2х\
Поэтапный подход к решению задачи позволяет находить решения для несимметричных вариантов РДЛ.
Благодаря тому, что в качестве базисных функций были выбраны полиномы Чебышева, хорошо описывающие реальное распределение поля в апертуре, решение методом Галеркина быстро сходится. Удалением экранирующих стенок на значительное расстояние от щели (значительно больше длины волны в свободном пространстве) и увеличением расстояния между ребрами (порядка длины волны) было получено апертурное распределение полей в щели, используемое далее в качестве источника излучения антенн на РДЛ. При выполнении условия Вудьярда-Хансена для замедления электромагнитной волны, распространяющейся в РДЛ, как направляющей структуры излучателя, общий вес третьего и четвертого члена ряда для поперечных компонент поля, а также все продольные компоненты имеют лишь 2-3 порядок малости и в дальнейшем при рассмотрении излучения антенн на основе РДЛ в качестве источника не учитываются.
Дисперсионные зависимости для РДЛ от ее геометрических размеров были получены на третьем этапе решением задачи на собственные значения, исходя из условия равенства нулю определителя матрицы. Эти зависимости в совокупности с условием Вудъярда-Хансена дают рекомендации по выбору параметров РДЛ для ее использования в качестве направляющей структуры антенн осевого излучения.
В третьей главе - «Антенны бегущей волны на основе реберно-диэлектрической линии передачи» - представлены результаты теоретических и опытных исследований основных характеристик рассматриваемого в работе излучателя.
Рассмотрены характеристики излучения антенны на РДЛ, полученные с помощью построенных математических и физических моделей, а также измеренные на опыте. Показана несостоятельность модели, в которой используется функция Грина для свободного пространства. Обсуждаются причины неверного описания этой моделью полей излучения. Выяснено, что в формировании поля дальней зоны значительный вклад дает дифракция электромагнитной волны на излучающем крае антенны. Сделанные выводы подтверждены результатами измерений характеристик излучения опытных образцов.
Сравнительный анализ зависимостей ширины луча по уровню -3 дБ от длины направляющей структуры антенн на реберно-диэлектрической и симметричной щелевой линий, а также диэлектрической стержневой антенны (рис. 4), говорит о схожести поведения кривых - типичного для класса антенн бегущей волны. Этот факт в сочетании с тем, что в направляющей структуре РРДА распространяются медленные волны, при этом реализуется режим осевого излучения, позволяют отнести этот излучатель к подклассу антенн бегущей волны - «антеннам медленных (поверхностных) волн осевого излучения».
Ш Ч го
Q х ш о о. >.
>»
с;
О.
LD СО
2 і ш о
Q. >>
с го.
>>
с;
X S
а.
Рис. 4 Зависимости ширины основного луча диаграмм направленности
по уровню -3 дБ от длины направляющей структуры антенн, измеренные
для излучателей на основе реберно-диэлектрической линии и симметричной
щелевой линии, а также рассчитанные для диэлектрической стержневой
антенны, как для линейного источника
Представлена модель, в которой используется функция Грина для тока на идеально проводящей полуплоскости [23-25], учитывающая вклад дифракции на металлических ребрах излучающего края антенны при этом выражение для диаграммы направленности излучателя записывается в виде
Ев(в,<Р) =
jcos-smp-e
Аттг
-jk0r w/2
\
-w/2
Ez(x)e
jk0z'cos9
dz'x
Л .It 2
(3)
x . eJk0x'sinOcosp tejkxx'
\+e4F
v-j—
dx',
-Єї
,-,2
^00 = 1(- \ e~J'dt - интеграл Френеля, о
|2o;c'sin0(l + cos^)
Ez(x) - поперечная компонента электрического поля в щели направляющей структуры антенны, учитывающая особенности на ребре, определенная выше (2).
Представлены результаты сравнения основных параметров диаграммы направленности (ширины основного луча, уровень боковых лепестков), полученных с помощью созданной математической модели с результатами опытов (Рис. 5).
В рамках математической модели исследовано влияние ширины щели направляющей структуры антенны на реберно-диэлектрической линии на уровень боковых лепестков и ширину основного луча диаграммы направленности.
Рис. 5 Сравнение диаграмм направленности антенны
на реберно-диэлектрической линии полученных путем опытных измерений
и рассчитанных по математической модели, использующей диадическую функцию
Грина для тока на бесконечной полуплоскости (w = Л
Представлены результаты опытных исследований частотных характеристик излучателя на РДЛ в диапазоне 7-12 ГГц.
Аппроксимацией рассчитанных дисперсионных кривых для РДЛ и результатов вычислений по рассмотренной выше математической модели были получены эмпирические выражения для замедления волны и ширины основного луча по уровню -3 дБ в Е и Н - плоскостях, которые дают 10% точности относительно численного результата и могут составить основу для инженерного проектирования излучателей на РДЛ:
с/ v = 0,0351n(w/20) + 0,66^+1,
(4)
( уО,43ВД-0,3
\Kj
вЕ e0,QH
f ^-0,34.1n(#)-0,5
н~е'0Н\Я ,
e V о J
(5)
азфф - *
Опытные измерения параметров антенн проводились в безэховой камере аппаратно-программного измерительного комплекса (АПИК) "Флора", при этом исследуемая антенна работала в режиме приема и при измерении диаграммы направленности поворачивалась вокруг своей оси с помощью поворотного механизма.
Положения выносимые на защиту:
Математическая модель реберно-диэлектрической линии, в рамках которой определяется диапазон геометрических параметров, влияющих на излучение, распространяющейся в РДЛ основной волны, в свободное пространство. Границы этого диапазона определяются расстоянием между ребрами (шириной щели) в реберно-диэлектрической линии Xol2
Математическая модель антенны на основе РДЛ, учитывающая вклад дифракции волны на металлических ребрах ее излучающего края в осевое излучение антенны. Алгоритмы и программы для анализа характеристик излучения антенн на основе РДЛ.
Результаты опытных измерений, показывающие, что практическое увеличение высоты ребер излучающего края антенны более 3 Хо не влияет на диаграмму направленности.
4. Зависимости основных характеристик излучения от геометрических параметров антенны полученные на основе созданной математической модели и опытных исследований.
Достоверность результатов, научных положений и выводов подтверждается:
исследованием внутренней сходимости алгоритмов, реализующих физические и математические модели;
совпадением результатов исследования, в частности, для предельных случаев геометрии исследуемых структур, с общеизвестными результатами или данными, полученными из литературных источников;
логическим соответствием результатов, полученных в различных сериях опытов;
совпадением результатов, полученных с помощью математических моделей, с результатами опытов.
Практическая ценность работы определяется:
Созданием нового излучателя, основанного на базовом элементе объемных интегральных схем СВЧ-КВЧ диапазона - реберно-диэлектрической линии, позволяющего организовать включение антенны непосредственно в СВЧ-КВЧ модули и ее питание без дополнительных согласующих устройств.
Созданием физических и математических моделей, алгоритмов и программ для анализа характеристик антенн на реберно-диэлектрической линии.
Получением эмпирических выражений для определения фазовой скорости распространения волны в направляющей структуре излучателя на реберно-диэлектрической линии, ширины основного луча и уровня боковых лепестков ее диаграммы направленности, значительно упрощающие инженерные расчеты.
4. Возможностью применения антенны на реберно-диэлектрической линии в ряде приборов различного прикладного назначения, таких, как радиолокационные комплексы ближнего радиуса действия, датчики обнаружения систем охраны, облучатели зеркальных антенн, антенные решётки.
Научная новизна:
Впервые представлены конструкция антенны на основе реберно-диэлектрической линии, опытные характеристики ее излучения и их зависимости от геометрических размеров направляющей структуры.
Впервые определены параметры реберно-диэлектрической линии, при которых распространяющаяся волна становится слабо связанной с направляющей структурой и начинает излучаться в свободное пространство.
На основании впервые проведенного анализа зависимостей ширины основного луча от длины антенны, и сравнении их с аналогичными характеристиками других излучателей, антенна на основе реберно-диэлектрической линии отнесена классу антенн бегущей волны осевого излучения и среди этого класса она имеет наиболее узкий луч и высокий КНД.
Впервые проведены исследования частотных характеристик антенн на основе реберно-диэлектрической линии, которые показывают, что характеристики излучения слабо меняются в диапазоне 1,5:1 и остаются удовлетворительными в диапазоне 2:1.
Впервые построена математическая модель антенны на основе реберно-диэлектрической линии, которая с точностью 5-Ю % описывает основной луч диаграммы направленности и с 15-20 % точностью уровень первых боковых лепестков. В рамках этой модели показана невозможность использования функции Грина для свободного пространства при определении поля в дальней зоне, а так же учтен вклад дифракции на
ребрах излучающего края антенны, за счет которой антенна излучает вдоль своей оси.
Впервые показано, что увеличение высоты ребер излучающего края антенны более чем ЪХо не влияет на диаграмму направленности, и при этом результат хорошо согласуется с математической моделью, в которой ребра рассматривались бесконечно большими.
Впервые получены приближенные выражения для расчета электродинамических характеристик реберно-диэлектрической линии, как направляющей структуры излучателя и вторичных параметров антенны (ширины основного луча и уровня боковых лепестков диаграммы направленности).
По результатам диссертационных исследований опубликовано 15 печатных работ, сделаны доклады: на международной школе-семинаре Московского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова в секции "Объёмные интегральные схемы и биоэнергоинформационные технологии" г. Москва, 2004г., на I международной научно-технической конференции "Физика и технические приложения волновых процессов" г. Самара, 2001г., на VI Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области г. Волгоград, 2001г.
Получены акты о внедрении антенного устройства на основе реберно-диэлектрической линии передачи:
- в радиолучевом датчике обнаружения "ПИК". Акт выдан
Межрегиональным центром инженерно-технического обеспечения
федеральной службы исполнения наказания (ФГУ МЦИТО ФСИН РФ).
при разработке и изготовлении антенных устройств аппаратуры «Кедр-29.31». Акт выдан ФГУП «ЦНИРТИ им. Академика А.И. Берга».
в учебном процессе по специальностям «Антенны и устройства СВЧ», «Радиофизика и электроника». Акт выдан Волгоградским государственным университетом.
Моделирование базовых элементов объёмных интегральных схем на основе рёберно-диэлектрической линии передачи
Развитие интегральных схем СВЧ и КВЧ во многом связано с созданием новой элементной базы на основе объёмных линий передачи, к которым относится широкополосная рёберно-диэлектрическая линия, обладающая хорошей совместимостью с полосковыми и щелевыми линиями. Это качество РДЛ позволяет проектировать функциональные СВЧ-КВЧ узлы с полосой рабочих частот свыше октавы.
Например, в системах пространственно-временной обработки сигнала требуется большой банк широкополосных фазовращателей как перестраиваемых, так и на фиксированный сдвиг фазы. Создание широкополосных фиксированных фазовращателей основывается на выборе базовой линии передачи, оптимальной с точки зрения простоты получения необходимых фазовых характеристик. Фазовращатель Шиффмана, использующий четвертьволновую секцию на связанных ЛП, имеет малую величину сдвига фазы и узкую полосу частот [35]. Это обусловлено невозможностью технологического осуществления сверхсильной связи на плоскостных ЛП (связанные несимметричные полосковые линии (НПЛ), связанные НПЛ и симметричная щелевая линия (СЩЛ) и т. д.). Применение в качестве фазосдвигающей цепи четвертьволновой секции на связанных рёберно-диэлектирических линиях [36] решает эту проблему. Результаты опытных исследований фиксированного фазовращателя на связанных РДЛ приведены в [37]. Использование связанных РДЛ, обеспечивающих сверхсильную связь, позволило создать широкополосный фазовращатель с величиной сдвига фазы, достигающей 270, работающий в диапазоне частот чуть меньше октавы. Однако с повышением рабочей частоты полоса частот фазовращателя уменьшается до половины октавы. Обойти эту трудность можно известным способом расширения полосы рабочих частот путём включения последовательно нескольких четвертьволновых связанных линий с разными коэффициентами связи. Такой способ может быть осуществлен на РДЛ, например, путем ступенчатого изменения высоты рёбер и толщины пластины.
Из проведенных ранее исследований [16] известно, что поле в РДЛ локализовано в области металлических рёбер и экспоненциально затухает в поперечном направлении. Поэтому, если расположить на поверхности рёбер с двух сторон поглощающий материал, то получится максимальное затухание электромагнитной волны. Используя это свойство, разработана согласованная нагрузка, представляющая собой Т-соединение несимметричной полосковой линии и РДЛ. Из частотной характеристики коэффициента отражения видно, что рассмотренная нагрузка имеет удовлетворительное согласование в широкой полосе частот работы [38].
В многоканальных устройствах обработки СВЧ сигнала широко используются квадратурные направленные структуры на связанных линиях передачи. Основным недостатком известных плоскостных трёхдецибельных направленных ответвителей (НО) является узкая полоса рабочих частот. Полоса рабочих частот НО на связанных линиях может быть расширена за счёт увеличения числа каскадно-включенных синтезированных звеньев равной электрической длинны. Так, например, для трехсекционного НО с переходным ослаблением в центральной секции равным 1,47 дБ, в крайних - 14,3 дБ теоретически доказано равномерное деление мощности пополам в полосе частот до двух октав [39]. Однако практически построить такую структуру невозможно, так как ослабление 1,47 дБ на плоскостных линиях передачи ведет к технологической сложности выполнения очень узких зазоров. Снять эти ограничения можно используя комбинации двух типов линий -несимметричной полосковой и рёберно-диэлектрической. Данные опытов по созданию широкополосного НО представлены в [39]. Секции со слабой связью выполнены на основе НПЛ, а звено с сильной связью - на РДЛ.
В прикладной электродинамике часто возникают задачи, связанные с моделированием частотно-избирательных систем, работающих в диапазоне СВЧ и КВЧ. Устройства, имеющие избирательные по частоте свойства, входят в состав большинства СВЧ-КВЧ приборов, в которых происходят нелинейные преобразования сигнала. Классическое применение - подавление некоторых частотных составляющих сложных сигналов.
По мере роста требований к радиотехнической аппаратуре по чувствительности, избирательности, помехозащищенности и т.д. возрастают требования к фильтрующим и резонансным структурам СВЧ: уменьшение потерь, увеличение крутизны скатов частотной характеристики, разряжение спектра собственных частот, снижение массогабаритных параметров, повышение надежности и т.д.
К настоящему времени теория анализа и синтеза фильтров (по крайней мере, инженерный подход, основанный на методе эквивалентных схем с сосредоточенными параметрами) разработана достаточно хорошо, однако, освоение миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов требует создания строгой электродинамической теории резонансных и фильтрующих устройств. Особенно это актуально для устройств на ОИС, являющихся принципиально трёхмерными. В качестве примера фильтра, рассчитанного методом эквивалентных схем можно рассматривать структуру, предложенную в [40]. В этой работе представлен фильтр, выполненный на основе волновода с металлическими вставками.
Частично заполненный волновод, ограниченный металлическим экраном (полуоткрытая структура)
К сожалению, в [23] авторы не учитывали в своих моделях конечную высоту ребер Н, хотя проведенные экспериментальные исследования показали хорошее совпадение с теорией при Н 6Ло Логическое совершенствование математической модели антенн на СЩЛ было сделано в [65]. Представленная модель, учитывая конечную величину Я, позволила найти поля излучения антенн, используя численный метод моментов в спектральной области. Однако, такой подход потребовал больших вычислительных ресурсов и не позволил строго учесть наличие диэлектрической подложки.
Несмотря на то, что за последние годы вычислительная техника сделала очень большой шаг вперед, столь громоздкие для практического использования математические модели, предложенные в [23, 64, 65], по мнению самих авторов, неоправданно расточительны и представляют интерес скорее как поиск и исследование самих методов и подходов к решению этого класса задач электродинамики.
Результатом поиска литературных источников, посвященных исследованиям излучения РДЛ и описанию конструкций антенн на ее основе, стала единственная статья, в которой авторы не столько ставили задачу создания антенны на основе РДЛ, сколько исследовали физические параметры открытой линии передачи [63]. В тоже время, имея специфические особенности дисперсионных зависимостей открытой РДЛ [4], данная линия передачи может рассматриваться как одна из наиболее перспективных основ для создания широкополосных излучателей.
В результате изучения отечественной и зарубежной литературы выяснилось, что основная тенденция развития техники и приборов СВЧ и КВЧ диапазонов направлена на уменьшение массогабаритных параметров РТА. В этой области особый интерес вызывают вопросы разработки и изготовления объемных интегральных схем. РДЛ, являясь базовым элементом ОИС, имеет особую привлекательность при конструировании различных схем и узлов РТА. Конструктивные особенности этой линии, в сочетании с уникальными дисперсионными характеристиками, позволяют эффективно осуществлять межэтажные соединения ОИС.
Между тем, основой проектирования многочисленных БЭ для ОИС (многоэтажных переходов, согласующих устройств, фильтров, резонаторов и т.д.) до сих пор являются методы эквивалентных схем с сосредоточенными элементами, построенные на использовании понятия волнового сопротивления, которое, в свою очередь, теряет смысл в устройствах миллиметрового диапазона, а для линий с продольным типом волны вообще определяется неоднозначно. [31-33] Следовательно, существует острая необходимость в создании математических моделей электродинамического уровня строгости, как для регулярных линий передачи, так и для различного рода неоднородностей в них, которые давали бы возможность ясно понять физическую картину процессов, происходящих в базовом элементе, что в свою очередь позволит наиболее эффективно применять ту или иную ЛП в технике ОИС СВЧ - КВЧ.
Описание конструкций антенн на РДЛ и их характеристик излучения в отечественной и зарубежной литературе не обнаружено, поэтому, данная работа может рассматриваться как первая попытка обобщения результатов исследования антенн на РДЛ, классифицируя их, как антенны бегущей волны осевого излучения.
Наиболее близкими по конструкции к излучателю на РДЛ являются диэлектрическая стержневая антенна и антенна на основе симметричной щелевой линии, поэтому, следует ожидать, что характеристики и механизм излучения у этих антенн будут схожими, при этом важную роль может играть дифракция электромагнитной волны на металлических ребрах излучающего края антенны.
Вывод дисперсионного уравнения для симметричной реберно-диэлектрической линии передачи
Использование РДЛ как направляющей структуры антенны накладывает на ее электродинамические характеристики ряд ограничений, связанных как с непосредственным физическим процессом излучения, так и требованиями получения необходимых характеристик излучателя, в частности диаграммы направленности. Для того чтобы волна, распространяющаяся в РДЛ, могла излучаться, она должна быть слабо связанной с направляющей структурой, а для реализации осевого излучения необходимо, чтобы фазовая скорость волны была равна или чуть меньше скорости света в вакууме. Чрезмерное замедление электромагнитной волны = с/Уф 1,2 негативно сказывается на характеристиках излучения, вплоть до исчезновения основного луча диаграммы направленности [50].
Для выполнения указанных выше условий необходимо, чтобы расстояние между металлическими ребрами РДЛ было соизмеримо с XQ/2, а диэлектрическая пластина должна быть электрически тонкой. В этом случае волна не будет уже сильно связанной с направляющей структурой и начнет излучаться, т.е. трансформироваться в свободную волну.
Несмотря на «богатый» набор собственных волн и уникальные дисперсионные характеристики РДЛ, для ее применения в качестве направляющей структуры излучателя может быть использован очень узкий спектр ее решений. При этом доминирующей компонентой становится поперечная составляющая вертикальной поляризации электрического поля лишь слегка искажающаяся диэлектриком.
Дисперсионные зависимости такой структуры уже не имеют резонансного характера, а представляют собой плавные кривые, стремящиеся из области медленных волн к единице.
Приведены результаты исследования реберно-диэлектрической линии в роли направляющей структуры излучателя. Т. е. ширина щели сравнима с длиной волны, а параметры диэлектрической подложки удовлетворяют условию для осевого излучения. Кроме этого, замедление волны, распространяющейся в РДЛ, не должно превышать значений, определенных условием Вудъярда-Хансена.
Построена модель реберно-диэлектрической линии, произведен расчет основных характеристик. На основе уравнения Гельмгольца была получена система интегральных уравнений, которая посредством алгебраи-зации по процедуре Галеркина приводилась к системе линейных алгебраических уравнений, решение которой обеспечивало нахождение дисперсионных характеристик реберно-диэлектрической линии. Результаты расчетов хорошо согласуются с известными результатами, в частности, для предельных случаев геометрии исследуемых структур, или данными, полученными из литературных источников.
Предлагаемая в работе методика решения задачи о нахождении собственных волн распространяющихся в реберно-диэлектрической линии дает большую гибкость для моделирования различных поперечных неоднород-ностей. Например, использование пластин с различными диэлектрическими проницаемостями.
Антенны СВЧ имеют много характерных особенностей, отличающих их от антенн более длинноволнового диапазона. Малая длина волны в рассматриваемом диапазоне позволяет сконструировать антенны, размеры которых много больше длины волны. Следовательно, появляется возможность создания остронаправленных антенн, имеющих сравнительно небольшие размеры.
В случае антенн СВЧ решение задачи об излучении может проводиться через поле в ее раскрыве [68]. Действительно, многие типы антенн СВЧ характеризуются наличием излучающей апертуры, т.е. некоторой поверхности, через которую происходит излучение. Каждый элемент площади раскрыва можно рассматривать как источник Гюйгенса, который создает некоторую напряженность поля в точке наблюдения. Полная напряженность поля определится путем суммирования полей, создаваемых в точке наблюдения всеми элементами поверхности раскрыва. Это суммирование производится путем интегрирования по всей площади апертуры антенны. Таким образом, в рассматриваемом методе задача об излучении разбивается на две самостоятельные задачи: 1) определение источника излучения - поля на некоторой замкнутой поверхности (апертуре антенны); 2) определение поля излучения антенны в дальней зоне по известному источнику. Для решения первой задачи будет достаточно определить поле только в раскрыве антенны, считая, что на остальной части поверхности (внешняя поверхность антенны) поле равно нулю. Апертурное поле антенны было получено во второй главе. Термин антенна бегущей волны обычно связывают с понятием непрерывного, как правило, линейного источника. Однако на практике многие антенные решетки (АР) из дискретных элементов можно удовлетворительно аппроксимировать полями и токами бегущей волны. Такими примерами могут служить АР Уда-Яги или АР из щелей в волноводах [20, 50, 55].
Измерения характеристик излучения антенн на основе реберно-диэлектрической линии
В процессе исследования характеристик излучения регулярной ре-берно-диэлектричекой антенны построена электродинамическая модель, в которой показано, что поле в дальней зоне излучения главным образом является результатом дифракции волны на полуплоскости.
В частности показано, что модель, в которой для расчета ДН используется функция Грина свободного пространства, выдает результат, противоречащий данным, полученным опытным путем. А именно, антенна, рассчитанная по этой модели, не реализует режим осевого излучения. Предположения о существенной роли дифракции в излучении РРДА привели к модели, в которой была использована функция Грина для тока на проводящей полуплоскости. В такой модели антенна излучала вдоль своей оси, а рассчитанная ДН по ширине основного луча, уровню и положению первых боковых лепестков совпадала с результатами измерений с точностью до 10%.
Исследования вклада в ДН дифракции на излучающем крае показали, что осевое излучение в -плоскости формируется только благодаря дифракции. Она же вносит ощутимый вклад в главный луч ДН в Я-плоскости.
Результаты опытов, проведенных с образцами РРДА на разных частотах, подтверждают выводы, полученные в ходе рассмотрения электродинамической модели.
Создана и обоснована электродинамическая модель реберно-диэлектрической линии, в которой численный расчет полей и дисперсионных зависимостей производится методом Галёркина в спектральной области. Получены эмпирические выражения для замедления волны. Результаты расчетов хорошо согласуются с данными опытов.
В процессе исследования характеристик излучения антенны на реберно-диэлектрической линии построено несколько электродинамических моделей, в которых показано, что в поле дальней зоне излучения значительный вклад дает дифракция волны на полуплоскости образуемой металлической ребрами излучающего края антенны.
Исследования вклада в диаграмму направленности дифракции на излучающем крае показали, что осевое излучение в -плоскости формируется, в основном, благодаря ей (дифракции). Она же вносит ощутимый вклад в главный луч диаграммы направленности в Я-плоскости.
Произведено сравнение зависимостей ширины основного луча диаграммы направленности от длины излучателя для антенн на реберно-диэлектрической и симметрично щелевой линии, а также для диэлектрической стержневой антенны, которое позволяет классифицировать исследуемый излучатель как антенну бегущей волны осевого излучения. Показано, что при одинаковой длине образцов антенна на реберно-диэлектрической линии формирует диаграмму направленности с самым узким основным лучом.
Путем аппроксимации результатов полученных на основании рассмотренной выше модели, были получены математические выражения, связывающие основные характеристики излучения антенны на РДЛ с ее геометрическими параметрами. Записано условие выбора оптимальной толщины диэлектрической подложки для антенн бегущей волны, созданных на основе реберно-диэлектрической линии. При этом расхождение с результатом по электродинамической модели не превышает 10% (если ширина щели больше XQ/4).
