Введение к работе
Актуальность темы- В последнее время при проектировании различных устройств СВЧ и КВЧ диапазонов используют новые достижения в области электродинамики, конструирования, технологии и материаловедения. В частности, одним из возможных путей построения малогабаритных узлов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) является применение в них объемных (многослойных) интегральных схем <ИЄ) /Л.І/, то есть таких ИС, в которых токонесущие полоски располагаются в разных плоскостях. В данной работе рассматриваются цилиндрические и секториально-цилиндрические полосково-щелевые резонаторы, на основе которых может быть построено большое число новых базовых элементов для ИС СВЧ /Л.2/. Применение секториально-цилиндрических полосково-щелевых резонансных структур позволяет значительно улучшить электродинамические параметры известных устройств, а также предложить и реализовать принципиально новые многофункциональные элементы, некоторые из которых приведены в диссертации.
Современные антенно-фидерные устройства, генераторная, приемная, измерительная СВЧ аппаратура, как правило, содержат в своем составе ферритовые развязывающие приборы, количество которых иногда доходит до сотен единиц в одном комплекте. Они обеспечивают хорошую стабильность частоты и уровня мощности генерируемых колебаний, возможность работы на переменные нагрузки, что позволяет решить вопросы электромагнитной совместимости радиоэлектронной аппаратуры. Отсюда и неослабевающий интерес к ферриговым цилиндрическим резонаторам, на основе которых проектируются вентили и циркуляторы СВЧ и КВЧ диапазона. Постановка и решение задач синтеза устройств с использованием прямых электродинамических методов до настоящего момента является редкостью /Л.З/.
Одной из актуальных проблем, возникающих при создании систем автоматизированного (машинного) проектирования (САПР) широкого класса твердотельных устройств СВЧ и КВЧ, способных выполнять самые различные функции, направленные на обеспечение эффективного приема, передачи и обработки СВЧ сигналов, является разработка обоснованных и эффективных математических, физических моделей для резонансных структур , с различными включениями (изотропными и анизотропными) /Л.1,Л.4/.
Одним из эффективных подходов в получении аналитических или численно-аналитических решений краевых задач о собственных колебаниях полосково-щелевых резонансных структур является метод квазиполного (почтиполного) обращения сингулярного оператора, получившего развитие в работах В.А.Неганова, Е.И.Нефедова, в основном для плоскостных структур /Л.Z,Л.5/. В настоящей работе метод квазиполного обращения сингулярного оператора применяется при исследовании свойств собственных колебаний секториально-цилиндрических полосково-щелевых резонаторов.
Из большого класса важнейших задач электродинамики следует выделить задачи возбуждения, дифракции электромагнитных волн на различных цилиндрах (металлических, диэлектрических и т.д.) /Л.6,Л.7/. Особый интерес представляет задача дифракции электромагнитных волн на намагниченных феррито-диэлектрических и феррито-металлических цилиндрических резонаторах, что связано с невзаимными свойствами полей в задаче дифракции при изменении направления подмагничивавдего поля. Такие свойства полного поля в задаче дифракции могут быть использованы для новых технологий обработки сигналов непосредственно на СВЧ (топологическая обработка) /Л.8/ при реализации топологического ключа.
Цель работы закатается в построении электродинамических моделей секториально - цилиндрических и цилиндрических феррито-диэлектрических резонаторов с частичной металлизацией боковой поверхности, решении задач дифракции электромагнитных волн на резонансных структурах и разработке устройств на их основе.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Приближенное аналитическое решение (дисперсионные уравнения в замкнутой форме) краевой задачи о собственных колебаниях секториально-цилиндрического щелевого резонатора, полученное методом квазиполного обращения сингулярного оператора интегрального уравнения и записанное в унифицированном виде относительно входных поверхностных адмитансов областей над и под щелью.
-
Результаты электродинамического анализа собственных колебаний секториально-цилиндрических щелевых резонансных структур: нетривиальные зависимости собственных частот от
формы, геометрических размеров и физических параметров резонаторов.
-
Результаты анализа спектра и распределений полей собственных колебаний намагниченного цилиндрического ферритового резонатора, установившие существование достаточно большого интервала частот (до Ю ГГц), в котором возможно возбуждение только одного колебания с азимутальным вращением в одном направлении (по или против часовой стрелки). .
-
Постановка задачи и алгоритм расчета оптимального распределения электрического поля на поверхности намагниченного ферритового резонатора в волноводном Н-плоскостном Y-циркуляторе.
-
Строгое электродинамическое решение задачи дифракции плоской электромагнитной волны на намагниченном феррито -металлическом резонаторе в виде быстросходящихся рядов Релея.
-
Результаты исследований азимутальных распределений ближних полей в задаче дифракции плоской электромагнитной волны на намагниченных ферритовом и феррито-металлическом резонаторах и обоснование новых свойств: асимметричного характера полей рассеяния относительно направления падения волны, расщепления собственных частот намагниченных резонаторов, изменения направления поворота поля рассеяния в зависимости от степени близости частоты к той или иной собственной частоте резонатора.
-
Дифракционная модель ферритового Н- плоскостного волноводного Y- циркулятора, основанная на возбуждении в рабочей полосе частот только одного собственного колебания намапіиченного ферритового резонатора с азимутальным вращением . в определенном направлении (по или против часовой стрелки).
-
Способ настройки Н- плоскостного ферритового Y-циркулятора, заключающийся в предварительном подборе резонаторов перед серийной настройкой на основе выбора одного из собственных колебаний намагниченного ферритового резонатора в качестве рабочего колебания.
Научная новизна.
I. На основе метода квазиполного обращения сингулярного интегрального уравнения краевая задача о собственных колебаниях обобщенного секториально - цилиндрического полосково - щелевого резонатора с произвольным числом
токопроводящих . полосок в строгой электродинамической постановке впервые сведена к уравнениям Фредгольма второго рода, ядра которых определены через входные поверхностные адмитансы над и под частично металлизированной поверхностью.
-
Впервые получено приближенное аналитическое решение (дисперсионные уравнения в замкнутой форме и формулы для полей) краевой задачи о собственных колебаниях секториально -цилиндрического резонатора.
-
Впервые проведено исследование спектра собственных колебаний секториально - цилиндрических щелевых резонансных структур и установлены зависимости собственных частот от геометрических и физических параметров резонаторов.
-
Установлено новое свойство спектра собственных колебаний намагниченного ферритового цилиндрического резонатора, которое заключается в существовании интервала частот до 10 ГГц, в котором возбуждается только одно колебание с азимутальным вращением в одном направлении.
-
Впервые поставлена и реализована задача расчета оптимального распределения электрического поля на поверхности намагниченного ферритового резонатора в волноводном Н-плоскостном Y- циркуляторе.
-
Впервые получено строгое решение задачи дифракции плоской электромагнитной волны на намагниченном феррито-металлическоы резонаторе и проведено исследование азимутальных распределений ближних полей рассеяния на намагниченных ферритовом и феррито-металлическом резонаторах.
7. Предложена новая дифракционная модель ферритового Н-
плоскостного волноводного Y- циркулятора, на основе которой
разработан новый способ его настройки.
Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждается: адекватностью разработанных математических моделей изучаемым физическим процессам; использованием строгих методов расчета; соответствием теоретических результатов расчета эксперименту; переходом асимптотик приближенных аналитических решений в ранее известные выражения.
Практическая значимость диссертации заключается в том, что полученные результаты могут быть использованы при проектировании устройств (фильтров, циркуляторов, вентилей, диплексеров, излучателей АР) в широком диапазоне частот - от
сантиметрового до миллиметрового. Предложены новые конструкции устройств (отличающихся наличием многофункциональных свойств, меньшими габаритами и весом) и эффективный метод настройки Н-плоскостного Y- циркулятора, исключающий попытку настройки с неподходящим ферритом. Постановка задачи и алгоритм синтеза оптимального распределения поля на боковой поверхности ферритового цилиндрического резонатора в Y-циркуляторе обладают большой универсальностью и могут быть использованы при оптимизации параметров ряда других устройств СВЧ и КВЧ. Приводимые решения краевых задач могут быть использованы для инженерных расчетов и конструирования различных новых устройств, содержащих секториально - цилиндрические и цилиндрические резонаторы с частично металлизированной боковой поверхностью и феррито - диэлектрическим заполнением. На способ настройки Н- плоскостного Y- циркулятора получено положительное решение на выдачу патента РФ.
Апробация работы. Результаты работы вошли в НИР "Разработка электродинамических методов анализа полосково-щелевых структур СВЧ с учетом анизотропии и нелинейности параметров среды и создание новых принципов обработки и передачи информации в системах связи СВЧ и КВЧ диапазонов" (тема 35/93, шифр- "Аспект-ЇЇЖРС", 1994-1996 гг.). Алгоритмы расчетов резонаторов, результаты анализа и способ настройки были использованы при разработке ряда устройств в НИИ "Экран" (г.Самара), а также внедрены в учебный процесс в ПИИРС (г.Самара). Основные результаты диссертационной работы докладывались на V Международной научно - технической конференции "Математическое моделирование и САПР систем сверхбыстрой обработки информации на объемных интегральных схемах (ОИС) СВЧ и КВЧ" (1995г., Сергиев Посад), ы Научной сессии, посвященной Дню радио (1996г., г.Москва), VIII Международной школе-семинаре "Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ" (1996г., Охотино), научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ПИИРС (1985-1997 гг., г.Самара).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 3 статьи и 9 тезисов докладов на различных научно - технических конференциях, сессиях и семинарах, I авторское свидетельство, I положительное решение на выдачу
?
патента РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит предисловия, введения, четырех глав, заключения, спи литературы. Она содержит 117 страниц текста и 57 стра рисунков, список использованных источников из III наименова; и акты внедрения.
