Введение к работе
Актуальность темы. Современная традиционная техника
ерхвысоких частот (СВЧ) и развивающаяся техника
>айневысоких частот (КВЧ) располагает огромным набором
ізнообразньїх типов линий передачи (ЛП), из которых строятся
ізличньїе функциональные элементы СВЧ-КВЧ модулей РТА
мого разнообразного назначения /1/, а также методами их
ісчета /1-5/. Полупроводниковые слои и пленки с отрицательной
[фференциальной проводимостью (ОДП), расположенные в
лноведущих структурах, являются при малых длинах волн (СВЧ
КВЧ диапазоны) типичными распределенными активными
однородностями /6,7/. Широкое использование
лупроводниковых материалов в твердотельной СВЧ-электронике лает актуальной проблему создания полупроводниковых іиборов как распределенных волноведущих систем.
В настоящее время известно несколько практически ализуемых структур полупроводниковых распределенных тивных элементов (РАЭ), в основе взаимодействия которых с ектромагнитными волнами лежит поперечный или продольный ейф зарядов. Типичным примером структуры с поперечным ейфом зарядов является щелевая линия передачи в ямоугольном экране с полупроводниковой подложкой с перечным дрейфом /7/. Поперечный дрейф электронов здается за счет приложения поперечного по отношению к спространению электромагнитной волны внешнего однородного этического электрического поля, создающего в подложке область порицательной дифференциальной проводимостью.
Однако такая линия передачи имеет небольшой эффициент усиления, что приводит к увеличению размеров и еньшению КПД. Частично этот недостаток связан с отсутствием тематических моделей РАЭ на электродинамическом уровне эогости, учитывающих конечную длину распределенного гивного участка линии передачи.
Другой возможностью увеличения коэффициента усиления \.Э является появление и развитие новых идей. Одной из иболее плодотворных является, на наш взгляд, идея введения в іЗ намагниченных ферримагнитных (ферритовых) слоев. В стности, коэффициент усиления структуры можно увеличить, пи ввести в линию передачи слой или слои из ферримагнитного териала с поперечным подмагничиванием в плоскости слоя.
4
В последнее время интенсивное развитие в электродинами
волноведущих структур, содержащих ребра (ВЩЛ, прямоуголыи
волновод с тонкими неоднородностями и т.д.) получшГметод почти полн<
обращения оператора на основе математического аппарата теор
сингулярных интегральных уравнений (СИУ) /8,9/, позволяющего учес
особенность электромагнитного поля вблизи ребра. Однако этот пода
использовался только при решении волноводных задач дифракции
пассивных неоднородностях. .—.
Широкое распространение в технике СВЧ и КВЧ диапазог получили и намагниченные ферритовые резонаторы/10/. Так на оснс резонаторов в форме цилиндра разработано большое число невзаимн; устройств: вентилей, циркуляторов, переключателей и т.д.. Наїпли сі применение в технике СВЧ и КВЧ и намагниченные ферритов резонаторы в форме сферы /10/. В частности, они использовались д создания волноводных электрически перестраиваемых фильтров манипуляторов. Представляется перспективным создание на основе так гиромагнитных резонаторов нового класса антенных устройе формирующих поля излучения с эллиптической и круговой поляризацш
Целью работы является:
-
Разработка электродинамических моделей РАЭ с поперечні дрейфом носителей и установление способов увеличения коэффициент усиления активных распределенных волноведущих структур.
-
Исследование спектра собственных колебаний намагничение цилиндрического ферритового резонатора, расположенного волноведущих структурах, и выдача рекомендаций по разработке нові излучающих систем.
3. Построение математической модели взаимодейств
намагниченного ферритового сферического резонатора, расположенного
волноведущей структуре, с внешними объемными резонаторами
разработка новых типов антенн с эллиптической и кругов
поляризациями поля излучения.
Основные положения, выносимые на зашиту
1. Результаты анализа дисперсионного уравнения для двумерн регулярной волноведущей структуры с полупроводниковой пленкой ОДП, расположенной между касательно подмагниченными ферритовьп слоями, позволившие установить новые физические свойства лин; передачи: способ увеличения коэффициента усиления, возможное однонаправленного усиления электромагнитных волн.
2. Метод расчета регулярных ВЩЛ с полупроводниковой пленкой ОДП.
3. Дисперсионное уравнение для комплексных постоянных
іспространения собственных волн ВЩЛ с полупроводниковой
ненкой с ОДП и результаты его анализа.
4. Аналитический метод решения задач дифракции на
грезках активных продольных тонкослоистых полупроводниковых
годнородностей.
5. Формула для коэффициента прохождения волны Ні0 через
грезок активной полупроводниковой пленки с ОДП,
асположениой на узкой стенке прямоугольного волновода, и
езультаты её анализа.
б. Математические модели и конструкции новых антенн, злучающих электромагнитное поле с вращающейся (круговой) оляризацией.
Научная новизна заключается в том, что:
1. Впервые на основе полученного нами дисперсионного
равнения для комплексных постоянных распространения для
элн Н-типа регулярного прямоугольного волновода с
олупроводниковой пленкой с отрицательной дифференциальной
роводимостью, расположенной в Я-плоскости волновода между
асательно подмагниченными ферритовыми слоями, изучены
авые физические эффекты: увеличение коэффициента усиления
ктивных структур с помощью введения в неё намагниченных
іерритовьіх слоев и возможность однонаправленного усиления
гсектромагнитных волн в распределенной системе.
2. Разработан новый численно-аналитический метод
асчета регулярных щелевых линий передачи в прямоугольном
кране с полупроводниковой пленкой с ОДП и на его основе
первые получено дисперсионное уравнение для комплексных
эбственных волн ВЩЛ с активной полупроводниковой пленкой.
-
Разработан новый аналитический метод решения задач ифракции на отрезках продольных тонкослоистых еоднородностей (полупроводниковые и намагниченные >ерритовые пленки, мелкая гофра), расположенных на узкой генке прямоугольного волновода, позволивший получить формулу ля коэффициента прохождения волны Яю через отрезок олупроводниковой пленки с ОДП.
-
Теоретически получены новые нетривиальные жзические эффекты, возникающие при прохождении волны #ю в олупроводниковой волноводе через отрезок полупроводниковой
пленки с ОДП: существование нескольких частотных интервалов которых возможно усиление волны. Вне этих интервалов неоднороднс обладает большим коэффициентом отражения по сравнению аналогичной неоднородностью, для которой проводимость равна нулю. 5. Показано, что собственные частоты ТМ - колеба
намагниченного ферритового цилиндрического резонатора
определенных условиях могут значительно отличаться (до 10 ГГц в Р диапазоне) и в определенном диапазоне частот возбуждается только о колебание с определенным азимутальным вращением (по или прс часовой стрелки).
"6: -Предложены и реализованы антенны, излучаюі
электромагнитное поле с вращающей поляризацией: антенны на "ост открытых цилиндрических диэлектрических (или ферритов резонаторов, возбуждаемых сферическим намагниченным гиромагниті резонатором (ГР), расположенным в линии передачи.
Обоснованность и достоверность полученных результа подтверждается:
достаточной строгостью разработанных физических математических моделей изучаемых физических процессов;
- использованием математически обоснованных методов рас'
линий передачи и резонаторов;
соответствием результатов теоретических расчс эксперименту;
- переходом полученных в диссертации аналитических решен*
предельных случаях в ранее известные выражения.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
-
Предложены способы увеличения коэффициента усиления I на основе волноведущих структур с полупроводниковыми пленкам поперечным дрейфом носителей заряда путем введения касатед намагниченных ферритовых слоев, а также создания но; многофункциональных активных элементов.
-
Разработанные новые методы расчета волноведущих структз полупроводниковыми пленками с поперечным дрейфом носителей зар и исследованные новые физические эффекты, возникающие дифракции волны Яю на отрезке активной полупроводниковой пленк прямоугольном волноводе, могут быть использованы при оптимиза параметров РАЭ.
3. Полученные результаты могут быть использованы
проектировании устройств и антенн в широком диапазоне частот -
сантиметрового до миллиметрового. В частности, предложены
7 сонструкции антенн с вращающейся поляризацией на основе открытых цилиндрических диэлектрических (или ферритовых) эезонаторов, возбуждаемых сферическим намагниченным ГР, эасположенным в линии передачи. На эти конструкции получено 2 шторских свидетельства.
4. Разработанные математические модели предложенных гами антенн на основе открытых цилиндрических диэлектрических (или ферритовых) резонаторов, возбуждаемых ;ферическим намагниченным ГР, могут быть использованы при гатимизации их параметров.
Апробация работы
Диссертация выполнена в рамках гранта на НИР
«Разработка электродинамических методов анализа полосково-
целевых структур СВЧ с учетом анизотропии, флуктуации и
іелинейности параметров среды» (дог. №29/92 от 16.03.92 г., контр.
- грант 2-83-14-33, Санкт-Петербургский гос. университет) и в
рамках НИР «Разработка электродинамических методов анализа
толосково-щедевых структур СВЧ с учетом анизотропии и
нелинейности параметров среды и создание новых принципов
обработки и передачи информации в системах связи СВЧ и КВЧ
гщапазонов» (тема 35/93, шифр - «Аспект-ПИИРС», 1994-1997 гг.).
Эсновные результаты диссертационной работы докладывались на
Всесоюзной научно-технической конференции « Проблемы
математического моделирования и реализации PC СВЧ на ОИС (г. Москва, 1987 г.), на II Всесоюзном семинаре « Управляемые устройства СВЧ на анизотропных средах » (г. Москва, 1988 г.) , на Всесоюзной научно-технической конференции « Современные проблемы радиотехники » (г. Москва, 1988 г.), на XVI Всесоюзном семинаре « Гиромагнитная электроника и электродинамика» (г. Куйбышев, 1988 г.), на V Международной научно-технической конференции «Математическое моделирование и САПР систем сверхбыстрой обработки информации на объемных интегральных схемах (ОИС) СВЧ и КВЧ» (1995 г., Сергиев Посад), научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ПИИРС (1987-1998 гг., Самара).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 работ, в том числе 3 статьи и 15 тезисов докладов на различных научно-технических конференциях и семинарах, 2 авторских свидетельства.
8 Структура и объем диссертации. Диссертация состоит и введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Она содержи 169 страниц текста, включая 47 страниц рисунков, список использовании
источников из 91 наименования и актьГвнёДренияг
