Многомодовые прямоугольные диэлектрические волноводы и резонаторы КВЧ диапазона Минкара Мохамад Саадалла

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Развитие от диэлектрических волноводов к диэлектрическим КВЧ структурам и к КВЧ диэлектрической элементной базе 22

1.1. Возникновение интереса к распространению радиоволн в диэлектрических структурах 23

1.2. Исследования диэлектрических структур с высшими типами волн 27

1.3. Краткие выводы, решения и оценки по первой главе 28

Глава 2. Расчет и анализ параметров и характеристик мод прямоугольного диэлектрического волновода 30

2.1. Планарный диэлектрический волновод 31

2.1.1. Уравнения поля ПлДВ 31

2.1.2. Волновые числа и замедления ПлДВ 33

2.2. Многомодовый прямоугольный диэлектрический волновод 39

2.2.1. Обоснование математической модели МПДВ 39

2.2.2. Модель волн МПДВ в виде суперпозиции волн ПлДВ 41

2.2.3. Характеристические уравнения 43

2.2.4. Аналитические модели полей волн МПДВ 44

2.2.5. Замедления волн МПДВ 47

2.2.6. Исследование характеристик образцов 50

2.3. Краткие выводы и результаты по второй главе 51

Глава 3. Многомодовые явления в системе близко расположенных диэлектрических волноводов 53

3.1. Матричная модель соединений 54

3.2. Модель соединения одиночного ДВ с системой двух связанных волноводов 57

3.3. Элементы матрицы рассеяния 58

3.4. Результаты моделирования в коэффициентов матрицы рассеяния 60

3.5. Некоторые свойства стыка МПДВ и системы МПДВ 61

3.6. Краткие выводы и рекомендации по третьей главе 67

Глава 4. Экспериментальные стенды и модели, методики исследований 69

4.1. Методика эксперимента 70

4.2. Параметры и конструкция резонатора

4.2.1. Нагруженная добротность резонатора 72

4.2.2. Конструкция резонатора

4.3. Численный эксперимент 76

4.4. Установки для физических экспериментальных исследований 79

4.5. Программное обеспечение для формирования и обработки измерений 83

4.5.1. Система управления измерением распределений электромагнитного поля 83

4.5.2. Программа обработки экспериментальных данных 85

4.6. Оценка точности измерительной установки 86

4.7. Краткие выводы и результаты по четвертой главе 87

Глава 5. Результаты исследования диэлектрических волноводов и резонаторов 89

5.1. Оценка влияния параметров элементов резонатора на результаты измерения 90

5.1.1. Влияние объема резонатора на результаты расчетов 92

5.1.2. Резонатор с зазором между отражателем и диэлектрическим стержнем 94

5.1.3. Резонатор с не параллельными зеркалами 99

5.1.4. Резонатор с диэлектрической подложкой под стержнем 102

5.1.5. Резонатор с диэлектрическим стержнем, повернутым под углом к возбуждающей щели 104

5.2. Исследование резонаторов с волнами высших типов 105

5.2.1. Экспериментальные исследования образцов длиной 200мм 105

5.3. Методики измерений и обработки результатов, разрешающие возникшие проблемы 108

5.3.1. Массив данных о дисперсионных характеристиках 110

5.3. Оценка результатов экспериментов и выводы 114

Заключение 117

• Исследования диэлектрических структур с высшими типами волн
• Многомодовый прямоугольный диэлектрический волновод
• Результаты моделирования в коэффициентов матрицы рассеяния
• Система управления измерением распределений электромагнитного поля

Введение к работе

Актуальность работы - в том, что понимание явлений и знание характеристик и параметров спектра волн многомодовых диэлектрических волноводов (МДВ) необходимы для создания широкого класса диэлектрических структур (ДС) и элементов диэлектрической элементной базы (ДЭБ), а также для разработки рекомендаций для их проектирования и конструирования. Обсуждаемая диссертация – часть фронта работ, ведущихся в последние годы в Лаборатории диэлектрических структур (ЛДС) НИУ МЭИ для решения актуальных прикладных задач на ДС и ДЭБ в содружестве с рядом промышленных организаций.

Истоки работы можно проследить от задач канализации энергии с помощью диэлектрических волноводов (ДВ), которые активно изучались с 50-х годов ХХ века в ходе освоения радиотехникой миллиметрового (КВЧ) диапазона волн. Как показали результаты этих работ, применение ДВ позволяет уменьшить потери, упростить и удешевить производство и расширить функциональные возможности по сравнению с металлическими волноводами (МВ). Один из примеров – волноводы серии ПДВ (Взятышев В.Ф., Рябов Б.И., Рожков Г.Д. и др.), запатентованные в 1960-х годах в США, Великобритании, Франции, Германии и Японии, а также функциональные узлы на их базе (более 50 изобретений и зарубежных патентов).

Расширение областей применения радиосистем миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн (измерители скоростей и расстояний, системы связи и передачи информации, широкий комплекс физико-технических и промышленных измерений) предъявляет все более широкие и разнообразные требования к функциональным устройствам для них.

Мощный толчок к развитию физики и техники ДВ дали пионерские работы двух японских исследователей - Йонеяма Т. и Нишида С. из универси-3

тета Тохоку. Они в 1981 году первыми обнаружили возможность реализации неизвестного ранее явления неизлучения в Н-образном металлодиэлектриче-ском волноводе, хотя такой же по конструкции волновод изучался до них в течение 25 лет. Отличающийся от хорошо известного только режимом работы, волновод с явлением неизлучения был назван его «новооткрывателями» неизлучающим ДВ (НДВ – nonradiative dielectric guide – NRD-G).

После 2000-го года начали активно развиваться многомодовые (способные направлять несколько типов волн) ДВ и многосвязные (содержащие несколько диэлектрических стержней) ДВ. Появились также дуплексные системы передачи данных внутри ЭВМ на базе ДВ, работающие на двух ортогональных модах одновременно (Dolatsha N., Arbabian A.).

Активно переносится в микроволновый диапазон опыт исследований, проведенных за последние несколько десятилетий в оптическом диапазоне. Создаются интегральные микросхемы КВЧ диапазона на одном кристалле вплоть до частоты в 90 ГГц (Dolatsha N., Hesselbrath J.).

Ввиду удешевления элементной базы КВЧ диапазона и благодаря уникальным возможностям электромагнитных полей этого диапазона, создаются и применяются устройства для измерения геометрических размеров, скорости движения и состава материала объекта (например, бесконтактные сканеры для обуви и одежды в системах безопасности аэропортов или для измерения толщины сложных профилей различных изделий).

Преимущество радиоволновых методов для такого класса устройств заключается в том, что кроме точного размера, можно дополнительно определять толщину полимерного покрытия или делать радиофотографии человека в одежде, выявляющие не только металлические, но и диэлектрические предметы, не нарушая при этом этических норм.

Современные разработки, использующие радиоволновый принцип действия сканеров, сталкиваются с задачей формирования зондирующего электромагнитного поля в ближней зоне облучателя. При этом возникают, среди прочих, такие вопросы:

как сформировать поле с заданным распределением в пространстве?

как создавать и на какие физические принципы опираться при проектировании широкоформатных облучателей?

как взаимодействуют между собой элементы таких устройств?
Примером такой конструкции может служить гипотетический облуча
тель, показанный на рисунке 1. Здесь нижняя пластина является облучателем
(формирующим заданное электромагнитное поле в пространстве), а верхняя

пластина - приемной частью системы с решеткой дискретных детекторов, установленных в ее отверстиях.

Рис. 1. Облучатель на многомодовом прямоугольном диэлектрическом волноводе

Для решения подобных задач можно использовать многомодовые ДС и многомодовую ДЭБ.

Вот почему данная работа

направлена на исследование явлений в многомодовых ДС. В первую очередь - модового спектра волн в многомодовых диэлектрических волноводах (МДВ) и колебаний в многомодовых диэлектрических резонаторах (МДР), взаимодействия волн в двух близко расположенных МДВ, а также на решение ряда сопутствующих вопросов.

Из возможных форм сечения МДВ (круглая, эллиптическая, овальная и др.) с физической и технологической точек зрения в работе выбрана прямоугольная. Так что главный объект исследования в настоящей работе – прямоугольные ДВ и прямоугольные ДР. Далее в тексте автореферата речь будет идти только о такой форме сечения.

2. Цель и задачи диссертационной работы

Цель работы - провести комплексное (теоретическое, экспериментальное и модельное) исследование спектра типов волн в многомодовых прямоугольных диэлектрических волноводах (МПДВ) и колебаний в много-модовых диэлектрических резонаторах КВЧ диапазона.

Для достижения названной комплексной цели в работе необходимо решить следующие задачи:

1) Обосновать выбор объектов исследований: волновых явлений, модо-вых режимов, видов и конструкций изучаемых многомодовых ДС.

1. Освоить и развить: методы исследования свойств высших типов волн (ВТВ) в волноводах и колебаний в резонаторах, методы приближенного анализа мод МПДВ, работу с экспериментальными КВЧ стендами, выбор параметров и способы построения моделей для проведения вычислительных экспериментов.

2. Изучить поведение ВТВ на плавно нерегулярных участках МПДВ и их систем, особенно в областях вблизи критических сечений ВТВ. Установить связь характера возникающих при этом явлений со свойствами волно-водных соединений на ДВ с нечетным числом плеч.

3. Исследовать возможность и построить методику определения параметров ВТВ в МПДВ через исследование измерительных диэлектрических резонаторов (ИДР), состоящих из двух плоских отражателей и отрезка исследуемого ДВ.

5. Изучить влияние на измеряемые параметры ИДР отклонений гео
метрии и параметров его базовых элементов: зазоров между отражателями и
торцами стержня ДВ, наклона плоскостей отражателей относительно норма
ли к оси ДВ, разворота стержня ДВ вокруг оси ИДР и др.

3. Методы исследования

Теоретическая часть работы основана на проверенных приближенных методах прикладной электродинамики. Физические обобщения опираются на мировую базу знаний в теории электромагнитных полей и направляющих структур, а также на многолетний опыт в изучении ДВ, ДС и ДЭБ, накопленный в научных школах НИУ МЭИ (кафедра ОРТ, кафедра КПР, ЛДС).

Экспериментальные исследования проводились по двум сопоставимым технологиям: физического (ТФЭ) и вычислительного (ТВЭ) эксперимента.

Многие количественные результаты сопоставлены с полученными ранее частными решениями задач. Ключевые рекомендации, полученные в результате работы, по возможности, либо проверены экспериментально, либо основаны на достоверных результатах опубликованных работ.

4. Научная новизна

Научная новизна работы заключается в следующих ее результатах.

1. Впервые поставлено и проведено широкое исследование параметров высших типов волн (ВТВ) в многомодовых прямоугольных ДВ с большим значением формата (отношения размеров широкой и узкой стороны сечения).

2. Предложена эмпирическая формула для зависимости количества мод от значения формата (МПДВ). В интервале значений форматов до 18, при котором общее число типов волн в МПДВ не превышает 25, эта зависимость оказалась близка к тангенциальной.

3. Рассмотрены переходы в системах ДВ (СДВ) с многомодовых участков на одномодовые. Показано, что уникальные свойства согласованности и направленности таких переходов объясняются тем, что ВТВ СДВ испытывают чрезвычайно малое отражение от области критических сечений.

4. В качестве основного метода исследований в работе выбран, методически разработан и освоен применительно к изучению измерительных диэлектрических резонаторов (ИДР), построенных на базе отрезка изучаемого ДВ и двух металлических отражателей, метод «комплексного эксперимента», объединяющий две группы исследовательских технологий:

технологии физического эксперимента (ТФЭ), в которых матрицы рассея-

ния ИДР изучаются на специальных КВЧ измерительных стендах;

технологии вычислительного эксперимента (ТВЭ), в которых электромаг-

нитные поля, возбуждаемые в трехмерных моделях из диэлектрика и металла, имитирующих ИДР, рассчитываются и исследуются в локальной сети персональных компьютеров с помощью программных пакетов.

5) При изучении влияния зазора между стержнем ДВ и отражателем обнаружено, что вблизи полупрозрачного отражателя (в котором находятся возбуждающие ИДР щели) зависимость добротности ИДР от величины зазора является немонотонной - при некоторой величине зазора в графике измеренной величины добротности наблюдается явно выраженный всплеск.

5. Достоверность результатов

Обоснованность и достоверность результатов работы подтверждается:

тем, что большинства результатов получено экспериментально, причем по двум независимым экспериментальным технологиям;

тем, что они не противоречат известным теоретическим и практическим данным, полученным предшественниками;

регулярными контактами и обсуждениями с людьми, работающими и работавшими в области электродинамики КВЧ диэлектрических структур.

6. Практическая полезность

Практическая полезность выполненной работы заключается в следующих ее результатах.

5. Поставлена общая задача исследования свойств ДВ, находящегося в таком многогодовом режиме, когда все распространяющиеся типы волн, имеющие различное число вариаций поля вдоль широкой стороны сечения, имеют только одну вариацию поля вдоль узкой стороны. С учетом физических и технологических требований выбрана конкретная форма сечения ДВ -прямоугольная.

6. Получена информация о волновых характеристиках и параметрах ВТВ в таком ДВ, необходимая для разработки широкого класса многомодо-вых диэлектрических структур и многомодовых элементов ДЭБ. Она уже нашла применение на кафедре ОРТ НИУ МЭИ в разработках оригинальных КВЧ устройств для решения актуальных прикладных задач.

7. Наглядно обосновано явление: ВТВ в плавно нерегулярных МДВ от критических сечений не отражаются, а полностью излучаются во внешнюю

среду ДВ. Именно это явление в диэлектрических соединениях определяет их уникальные свойства согласованности и направленности со стороны всех плеч. А в волноводно-пучковых преобразователях (ВПП) и формирователях (ВПФ) - проявляющееся в них свойство модовой самофильтрации.

4) Представляет практический интерес также ряд конкретных результатов, полученных в работе с помощью сочетания технологии физического эксперимента (ТФЭ) и технологии вычислительного эксперимента (ТВЭ):

развиты и сопоставлены три варианта КВЧ стендов по технологии ТФЭ для работы в диапазонах частот от 25 до 56 ГГц;

исследовано влияние на получаемые результаты важного при решении задач методами ТВЭ параметра модели - «объема модели»;

при исследовании моделей ИДР с одной, двумя и тремя щелями в отражателе показано, что наиболее эффективен вариант с тремя щелями;

описаны пять конструкций диэлектрических зондов для исследования распределений полей; выявлены их достоинства;

изучено влияние на результат ТФЭ отклонений геометрии и параметров элементов ИДР: зазора между отражателями и торцом ДВ, наклона отражателей; значения диэлектрической проницаемости элемента крепления образца МПДВ; разворота стержня ДВ вокруг оси ИДР.

7. Реализация результатов работы

На основании материалов работы составлены три лекции, включенные в учебный курс кафедры ОРТ НИУ МЭИ, и проектное предложение по постановке лабораторной работы по спецкурсу.

8. Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждались в шести докладах на следующих конференциях: «Актуальные проблемы радиофизики» (г. Томск, 2012 г.), XX и XXI Международные научно-технические конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2014 и 2015 годы); XI Международная

научно-технической конференция «Физика и технические приложения волновых процессов» (г. Екатеринбург, 2012 год); 24-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо-2014) (г. Севастополь, 2014 год).

9. Публикации по теме диссертационной работы

По теме диссертационной работы в общей сложности сделано семь публикаций из них 3 публикации в журналах перечня ВАК и приравненных к ним, а также оформлена и направлена в ФИПС заявка на изобретение, по которой получено положительное решение на выдачу патента РФ.

10. Основные положения, выносимые на защиту

8. Выбор объектов исследований – многомодовые режимы и свойства высших типов волн (ВТВ) в ряде диэлектрических структур (ДС); в их числе многомодовые прямоугольные диэлектрические волноводы (МПДВ) и измерительные диэлектрические резонаторы (ИДР), состоящие из двух отражателей и отрезка исследуемого ДВ.

9. Результаты приближенного расчета и исследования дисперсионных характеристик десяти мод МПДВ, частотных зависимостей внутреннего и внешнего волновых чисел этих мод, а также структуры спектра этих мод.

10. Выбор в качестве основного метода экспериментальных исследований «комплексного» метода, объединяющего технологии вычислительных экспериментов (ТВЭ) и технологии физических экспериментов (ТФЭ).

11. Сопоставление и анализ результатов, охватывающих различные объекты исследования и широкую область параметров МПДВ, которые получены в диссертационной работе с помощью различных экспериментальных технологий (ТВЭ и ТФЭ), а также результатов, полученных с помощью ТФЭ на различных экспериментальных стендах.

5) Демонстрация возможности получать с помощью ТВЭ результаты
исследования ИДР с достаточно высокой точностью - при условии привлече
ния достаточно больших аппаратных и временных ресурсов. Это условие вы-

полнялось в работе применением локальной сети персональных компьютеров (до 10 штук) и длительностью экспериментов до десятка часов.

11. Объем и структура диссертации

Работа общим объемом 154 стр. состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и 3 приложений (20 стр.). Работа проиллюстрирована 84 рисунками (в т.ч. 14 в приложениях). Список литературы включает 166 наименований, в том числе 7 авторских работ.

Исследования диэлектрических структур с высшими типами волн

Впервые анализ несимметричных волн, подобных волнам в современном круглом ДВ, но применительно к металлическому цилиндру, выполнили Хондрос и Дебай [115, 116] еще в 1910г. Они теоретически показали, что такие волны в металлическом цилиндре затухают много сильнее, чем симметричная волна Еоі в проводе с конечной проводимостью. Обнаружив, что затухание резко падает с уменьшением проводимости, они сделали парадоксальный для того времени вывод: волны вдоль диэлектрического цилиндра также могут распространяться, как и вдоль металлических проводов. В то время их теория не имела экспериментального подтверждения, а без него распространение волн вдоль диэлектрических цилиндров казалось невероятным.

В 50-е - 60-е - 70-е - годы XX века основная работа велась в направлении: канализации волн [22-35]; разработка устройств ответвления [70, 71], деления мощности [59]; избирательные цепи - фильтры [1-3, 63, 74], резонаторы [67, 45-47]; все узлы, необходимые для сформирования тракта СВЧ в аппаратуре связи и радиолокации. Появление материалов с новыми электротехническими свойствами позволило открывать новые области применения СВЧ техники на диэлектрической базе. Однако, будем последовательными и проведем исторический анализ в области диэлектрических СВЧ структур. В 1899г. Зоммерфельд опубликовал теоретические исследования волновода в виде провода с несовершенной проводимостью.

Замедление фазовой скорости поверхностной волны Зоммерфельда и соответствующее экспоненциальное затухание поля по волновому фронту при удалении от провода обусловлено именно конечной величиной поверх 24 ностного сопротивления провода. Протяженность электромагнитного поля в

окружающем пространстве и погонные потери мощности для данного материала зависят от диаметра провода: с уменьшением диаметра - увеличивается концентрация поля и, соответственно, возрастают потери.

Практического применения волновод Зоммерфельда не получил и вряд ли получит. Причина - в том, что эффективное поперечное сечение поля в волноводе Зоммерфельда слишком велико, и волна поэтому слабо связана с направляющим проводом.

Кроме того, и по той же причине, достаточно велики потери на возбуждение и прием с помощью рупорных переходов. Как показали расчеты, проведенные по формулам [28] для линии Зоммерфельда, чтобы обеспечить концентрацию 99% мощности в пределах окрестности радиуса 0.5Л, необходимо изготовить волновод из медного провода очень малого диаметра.

В 1907г. Хармс, развивая идею Зоммерфельда, показал [32], что более эффективного замедления фазовой скорости волны и, следовательно, лучшей концентрации поля можно добиться в волноводе, выполненном из провода с диэлектрической оболочкой. Подробные аналитические и экспериментальные исследования провода, покрытого диэлектриком, были проведены Губау и др.

В начале 20 годов прошлого века возможность распространения волн в диэлектрическом стержне была экспериментально доказана работами Рутера, Шривера и Цана [29]. Но в тот период практическая потребность в использовании этого явления отсутствовала, и интерес к проблеме упал.

В 30 годах ХХ века, в связи с освоением дециметрового, а позже и сантиметрового диапазонов длин волн (в основном, в интересах зарождающейся радиолокации), начались прикладные экспериментальные математические работы в области диэлектрических волноводов [74]. Однако практическое применение нашли только полые металлические волноводы. Тому был ряд причин. Одна из них - только еще не существовало диэлектрических материалов, удовлетворяющего качество для СВЧ техники. Другая: тогда осваива 25 лись дециметровые и сантиметровые волны, а диэлектрические волноводы конкурентоспособны только на более коротких волнах, начиная с миллиметрового диапазона.

Возможность применения диэлектрических волноводов как линий передачи и элементной базы узлов и устройств стала всесторонне обсуждаться только с началом освоения сначала миллиметрового, а через 15-20 лет субмиллиметрового и оптического диапазонов.

Наиболее ценными из ранних работ являются работы Эльзассера и Чандлера [29] по определению затухания в диэлектрическом волноводе (1949г.).

Примерно к 50 годам стали появляться новые материалы (с углом диэлектрических потерь порядка 10-4). Одновременно с этим прошли десятки сообщений о работах по теории и применению диэлектрических волноводов и диэлектрических резонаторов.

В 60 годы были проведены теоретические исследования плоского ДВ [25, 29, 74, 85, 36], круглого и эллиптического ДВ [14, 49], экспериментальные работы с прямоугольным ДВ [4], исследованы направленные ответвите-ли и многоплечие гибридные соединения [65, 66, 59]. В то же время проводились исследования металлодиэлектрических волноводов [9-12, 21, 31].

Взрывоподобный интерес к линиям передачи различного вида наблюдался в поздние 1950-е и в 1960-е годы.

В то время изобретались, анализировались и измерялись новые структуры, способные направлять поверхностные волны. Этот взрыв был вызван предполагаемой в перспективе потребностью КВЧ радиотехнических систем в волноводах с малыми потерями для миллиметрового диапазона волн. Вот два типичных примера:

«Диэлектрический отражательный волновод» Д.Д. Кинга [133], состоящий из диэлектрического полуцилиндра малого радиуса, расположенного на металлической опорной плоскости.

Многомодовый прямоугольный диэлектрический волновод

КВ2.1. Метод «Зигзаг», основанный на представлении ВТВ МПДВ в виде суперпозиции соответствующих основных волн ПлДВ (Е или Н типа), пере отражающихся от граней МПДВ с меньшим размером, позволил получить приближенные дисперсионные характеристики первых пяти типов волн МПДВ. КВ2.2. Получены частотные зависимости внутреннего и внешнего волновых чисел, которые описывают распределения полей названных выше мод во внутренней и внешней областях сечения ДВ соответственно.

КВ2.3. Показано, что построение метода точного анализа волн прямоугольного ДВ невозможно при одновременном удовлетворении совокупности граничных условий в областях вблизи угловых точек прямоугольного сечения волновода.

КВ2.4. Проведен анализ структуры спектра распространяющихся мод МПДВ. Показано, что все моды МПДВ разумно разделить на два класса: 1) Моды, формируемые суммой распространяющихся под различными углами к оси МПДВ Е1 волн ПлДВ. Поперечное Е поле у них ориентировано перпендикулярно широкой стороне сечения МПДВ. Эти волны далее в работе называются «модами с перпендикулярной (или вертикальной) поляризацией» и обозначаются символами ЕН1n. 2) Моды, формируемые суммой распространяющихся под различными углами к оси МПДВ Н1 волн ПлДВ. У них поперечное Е поле ориентировано параллельно широкой стороне сечения МПДВ. Эти волны далее в работе называются «модами с параллельной (или горизонтальной) поляризацией» и обозначаются символами НЕ1n.

КВ2.5. Предложена эмпирическая формула для зависимости количества мод от значения формата МПДВ. В интервале значений форматов до 18, при котором общее число типов волн в МПДВ не превышает 5, эта зависимость оказалась близка к тангенциальной.

Система двух близкорасположенных диэлектрических волноводов (СДВ) [29] является, пожалуй, исторически первой диэлектрической структурой (ДС), в функционировании которой были принципиально важными многомодовые волновые явления. Поэтому целесообразно начать изучение многомодовых явлений в ДС и ДЭБ именно с этого рода ДС.

До сих пор описанные системы ДВ изучались, в основном, с позиций теории распределенной связи. И это было правильно, поскольку исторически первым применением СДВ было построение на основе СДВ чрезвычайно удобных и эффективных многоплечих устройств, работающих на основе распределенной связи волн близкорасположенных ДВ и существенно обогативших состав ДЭБ.

При числе волноводов в СДВ более двух и при равных расстояниях между соседними ДВ такие многосвязные СДВ было принято называть пучками диэлектрических волноводов. Пучки ДВ изучались в работах Взятыше-ва В.Ф., Беланова А.С, Рябова Б.И и Ермолаева Е.А. [33, 70 и многие др.]. Волноводные пучки - это отдельное большое научно-технологическое направление. В настоящей работе мы его развивать не будем.

Задачей настоящей главы является попытка оценить теоретически и описать на уровне многомодовых явлений процессы, происходящие в системе двух близкорасположенных ДВ. В первую очередь мы исследовали два класса явлений.

1)Явления на резких и плавных нерегулярностях СДВ. Они изучались и ранее. Нам представляется, что подход с позиций многомодовых явлений может дать новую информацию о СДВ в нескольких направлениях: с одной стороны, открыть новые возможности анализа и обнаружить новые свойства СДВ и элементов ДЭБ на их основе; с другой стороны, обогатить базу знаний в области многомодовых ДВ уже имеющимися знаниями о распределенной связи в СДВ. 2) Явления в особом классе многоплечих ДС и элементов ДЭБ, называемых «соединениями» (яркий пример трехплечего диэлектрического соединения - Y-делитель на ДВ). Они обладают свойствами настолько необычными, что их обнаружение признано научным открытием нового явления [29,26]. Именно подход к анализу волноводных соединений с позиций многомодовых явлений позволил авторам этого открытия впервые теоретически объяснить механизм их уникальных свойств, обнаруженных в физическом эксперименте.

Соединение - это многоплечий функциональный узел, плечами которого являются разные ДВ или даже их системы (в последнем случае физическое плечо может быть представлено двумя или более плечами эквивалентной волноводной схемы) [68].

Традиционно принято считать, что в физическом плече имеет место только одна волна - основного типа. А для ДВ могут существовать сразу две и более волны.

В нашем случае каждое физическое плечо может иметь множество типов волн и для каждого из типов волн в матрице рассеяния устройства определяется соответствующий коэффициент. Продемонстрируем это на простом примере.

Рассмотрим соединение двух ДВ. Оно может быть выполнено как постепенно плавно изменяющийся облик и параметры соединяемых ДВ, а может содержать резкую нерегулярность, когда параметры изменяются скачком. Резконерегулярные соединения могут рассматриваться как стыки раз 55 личных ДВ. В настоящей работе в порядке первого этапа исследования рассматриваются именно такие соединения.

Соответственно все соединения класса стыков можно представлять че-тырехплечими схемами. Будем их описывать в следующем виде представленном на рис. 3.1. и с матрицей рассеяния (3.1)

Рассматривая случай соединения ДВ и системы двух связанных ДВ, нельзя ограничиться четырехплечей моделью, поскольку в системе, кроме двух типов волн Е и Н, существуют еще и четная и нечетная волна для каждого из типов волн системы. Поэтому будем использовать шестиплечую модель. Точно также нужно поступить для каждой моды с номером выше первого. 3

Из предположения взаимности вытекает, что S21=S12 ,S31=S13 , S54=S45 , S64=S46. Из чего следует, что наше шестиплечее соединение описывается всего четырьмя коэффициентами передачи: двумя для Н волн и двумя для Е волн.

Если же предположить, что рассматривается не волны Е и Н в плече 1 и 4, а волны E1 и Е2 в тех же плечах, то матрица будет выглядеть иначе.

Для проведения выкладок будем использовать упрощенную систему, которая учитывает волны Е и Н и имеет ряд описанных выше упрощений. А в численном эксперименте, рассмотренном в следующих разделах, покажем, что коэффициенты S14, S15, S16, а так же S41, S42, S43 действительно малы, что означает отсутствие (или незначительное) межмодовое взаимодействие. Если учитывать отражения от физических плеч, то станут не равными нулю элементы диагонали.

В этом разделе будем проводить моделирование коэффициента передачи S21, S31, S54, S64 стыка ДВ1 и системы двух связанных ДВ (рис.3.3) (далее системы), модели которых приведены в п. 1.2 и п. 1.3 соответственно [29,3].

Моделируемое соединение представляет собой стык уединенного ДВ (слева) и системы связанных ДВ (справа), оси которых параллельны. Первое физическое плечо соединения моделируется двумя модельными плечами: плечо

Результаты моделирования в коэффициентов матрицы рассеяния

Технология преодоления описанных проблем содержит два приема. 1) Прием (метод) модуляции добротности ИДР. Этот прием заклю чается в периодическом изменении добротности ИДР. Внося и удаляя из области поля поглощающий элемент, экспериментатор2 следит (или следят) за синхронным с модуляцией изменениями ЧХ и принимает последователь ность бинарных решений: если в изменениях ЧХ нет элементов, синхронных с модуляцией добротности, значит в наблюдаемой полосе частот искомых резонансных колебаний - нет; Если же к какой-то области ЧХ замечается «дрожание» (изменение формы, синхронное с модуляцией), значит - в этой области ЧХ резонансное колебание имеет место. 2) Прием модуляции резонансных частот ИДР. Этот прием заключа ется в периодическом изменении сетки3 резонансных частот ИДР (напри мер, внесением и удалением из области поля металлической пластины). Экс периментатор следит за синхронным с модуляцией изменениями и при этом плавно перестраивает среднюю частоту генерации в ЭС. В ходе этой «иссле довательской» деятельности он принимает последовательность решений: ? Если в изменениях ЧХ нет элементов, синхронных с модуляцией добротности, значит, в наблюдаемой полосе частот искомых резонансов нет. ? Если же к какой-то области замечается изменение формы, синхронное с модуляцией, значит - в этой области частот резонанс есть. 1 Данный раздел был сделан совместно с аспирантами Андреевым А.С. и Николаенко Д.В. 2 Часто он был коллективным – двух рук не хватало. 3 ИДР в нашем ЭИ – «многорезонансная» ДС. В нем могут существовать множество (до многих десятков) резонансных колебаний различно вида и типа.

Сопоставление приемов. Относительно метода модуляции частоты (ММЧ), в сравнении его с методом модуляции добротности (ММД), следует сделать важных замечания. В ММД частота резонанса почти не меняется. Так что движение участка ЧХ при МД происходит по вертикали - «вверх и вниз». В ММЧ, напротив, почти не изменяется добротность. Движение ЧХ под действием МЧ происходит по горизонтали - «направо и налево». В ММЧ направление изменения резонансной частоты колебания (РЧК) при МЧ зависит от поляризации электрического поля колебания: Если поле параллельно плоскости пластины, РЧК увеличивается (поскольку замедление соответствующей волны уменьшается).

Если же поле перпендикулярно плоскости пластины, РЧК уменьшается (поскольку замедление - увеличивается). Последнее обстоятельство можно и нужно использовать для диагностики вида колебания. В табл. 5.1 приведены результаты измерения резонансных частот ИДР и вычисления замедлений МПДВ с размерами поперечного сечения. На рис. 5.26 приведены соответствующие данных табл.5.1 графики.

Экспериментальные дисперсионные характеристики. Значения параметров ШПДВ и сведения о методике, соответствующих приведенным на графике данным – см. по формам экспериментальных точек в подписи на рис.5.26

КВ5.1. Результаты работы, полученные с помощью различных экспериментальных технологий (ТВЭ и ТФЭ), а также результаты по ТФЭ, полученные на различных экспериментальных стендах (ЭС-3, ЭС-2 и ЭС-1), охватывая различные объекты исследования, различные параметры и конструкции, удачно дополняют друг друга.

Однако следует заметить, что наблюдаемые на ЭС-3 частотные характеристики имеют чрезвычайно сложный и многофакторный характер, что весьма затруднило выделение и диагностику резонансных провалов и идентификацию отвечающих за них типов колебаний.

КВ5.2. Сравнение результатов, полученных по различным технологиям или с помощью различных методик, но при одинаковых параметрах, дает 115 вполне удовлетворительные количественные соответствия. Например, результаты измерения скоростей собственных волн МПДВ, полученные с помощью корректно поставленных физического (ТФЭ) и вычислительного (ТВЭ) эксперимента, сходятся с высокой степенью точности (точнее 1%).

KB5.3. В ряде источников отмечается, что потенциальная точность ре-зонаторной методики по технологии ТФЭ может быть на порядок выше (около 0,1%-0,01%). В нашей ситуации такая точность оказалась недостижимой минимум по двум причинам: невысокая точность изготовления размеров образцов МПДВ (единицы процентов - см. Приложение П1); приближенность знания диэлектрической проницаемости материала (фторопласт, изготовленный по технологии ООО «АФС-52», г. Нижний Новгород), из которого образцы изготовлялись. KB5.4. При корректном использовании пакетов вычислительного моделирования (ТВЭ) возможно проводить анализ МДР на МПДВ с высокой степенью точности. Однако в силу большого физического объема модели для этого требуются достаточно большие аппаратные и временные ресурсы.

В наших исследованиях по ТВЭ применялись локальные сети персональных компьютеров (до 10 штук), а время решения многопараметрических задач достигало десятка часов.

КВ5.5. Установлено, что наклон плоскостей отражателей ИДР вплоть до 5 градусов мало влияет на его добротность, когда ее величина составляет несколько сотен.

КВ5.6. Получены и проанализированы результаты исследования по ТВЭ зависимости нормированной полосы пропускания ИДР по уровню 3дБ от размера зазора между торцом стержня МПДВ и плоскостью отражателей: для зазора вблизи сплошного отражателя эта зависимость хорошо аппроксимируется гауссовой кривой. для зазора вблизи полупрозрачного отражателя (в котором находятся возбуждающие щели) эта зависимость является немонотонной - при некоторой величине зазора в измеренной величине добротности наблюдается явно выраженный пик.

В наших исследованиях по ТВЭ применялись локальные сети персональных компьютеров (до 10 штук), а время вычислений многопараметрических задач достигало десятка часов.

КВ5.5. Установлено, что наклон плоскостей отражателей ИДР вплоть до 5 градусов мало влияет на его добротность, когда ее величина составляет несколько сотен.

КВ5.6. Получены результаты исследования по ТВЭ зависимости нормированной полосы пропускания ИДР по уровню 3дБ от размера зазора между торцом стержня МПДВ и плоскостью отражателей: для зазора вблизи сплошного отражателя эта зависимость хорошо аппроксимируется гауссовой кривой. для зазора вблизи полупрозрачного отражателя (в котором находятся возбуждающие щели) эта зависимость является немонотонной - при некоторой величине зазора в измеренной величине добротности наблюдается явно выраженный пик.

Система управления измерением распределений электромагнитного поля

КВ5.1. Результаты работы, полученные с помощью различных экспериментальных технологий (ТВЭ и ТФЭ), а также результаты по ТФЭ, полученные на различных экспериментальных стендах (ЭС-3, ЭС-2 и ЭС-1), охватывая различные объекты исследования, различные параметры и конструкции, удачно дополняют друг друга.

Однако следует заметить, что наблюдаемые на ЭС-3 частотные характеристики имеют чрезвычайно сложный и многофакторный характер, что весьма затруднило выделение и диагностику резонансных провалов и идентификацию отвечающих за них типов колебаний.

КВ5.2. Сравнение результатов, полученных по различным технологиям или с помощью различных методик, но при одинаковых параметрах, дает вполне удовлетворительные количественные соответствия. Например, результаты измерения скоростей собственных волн МПДВ, полученные с помощью корректно поставленных физического (ТФЭ) и вычислительного (ТВЭ) эксперимента, сходятся с высокой степенью точности (точнее 1%).

KB5.3. В ряде источников отмечается, что потенциальная точность ре-зонаторной методики по технологии ТФЭ может быть на порядок выше (около 0,1%-0,01%). В нашей ситуации такая точность оказалась недостижимой минимум по двум причинам: невысокая точность изготовления размеров образцов МПДВ (единицы процентов - см. Приложение П1); приближенность знания диэлектрической проницаемости материала (фторопласт, изготовленный по технологии ООО «АФС-52», г. Нижний Новгород), из которого образцы изготовлялись.

KB5.4. При корректном использовании пакетов вычислительного моделирования (ТВЭ) возможно проводить анализ МДР на МПДВ с высокой степенью точности. Однако в силу большого физического объема модели для этого требуются достаточно большие аппаратные и временные ресурсы.

В наших исследованиях по ТВЭ применялись локальные сети персональных компьютеров (до 10 штук), а время решения многопараметрических задач достигало десятка часов. КВ5.5. Установлено, что наклон плоскостей отражателей ИДР вплоть до 5 градусов мало влияет на его добротность, когда ее величина составляет несколько сотен. КВ5.6. Получены и проанализированы результаты исследования по ТВЭ зависимости нормированной полосы пропускания ИДР по уровню 3дБ от размера зазора между торцом стержня МПДВ и плоскостью отражателей: для зазора вблизи сплошного отражателя эта зависимость хорошо аппроксимируется гауссовой кривой. для зазора вблизи полупрозрачного отражателя (в котором находятся возбуждающие щели) эта зависимость является немонотонной - при некоторой величине зазора в измеренной величине добротности наблюдается явно выраженный пик.

В наших исследованиях по ТВЭ применялись локальные сети персональных компьютеров (до 10 штук), а время вычислений многопараметрических задач достигало десятка часов.

КВ5.5. Установлено, что наклон плоскостей отражателей ИДР вплоть до 5 градусов мало влияет на его добротность, когда ее величина составляет несколько сотен. КВ5.6. Получены результаты исследования по ТВЭ зависимости нормированной полосы пропускания ИДР по уровню 3дБ от размера зазора между торцом стержня МПДВ и плоскостью отражателей: для зазора вблизи сплошного отражателя эта зависимость хорошо аппроксимируется гауссовой кривой. для зазора вблизи полупрозрачного отражателя (в котором находятся возбуждающие щели) эта зависимость является немонотонной - при некоторой величине зазора в измеренной величине добротности наблюдается явно выраженный пик. широкоформатный диэлектрический волновод (ШФДВ), находящийся в таком режиме, когда все ВТВ имеют различное число вариаций поля только вдоль ширины ДВ; многомодовый прямоугольный диэлектрический волновод (МПДВ) - так автор назвал обоснованно выбранную им конкретную форму сечения ШФДВ; систему МПДВ, расположенных так близко, что между их волнами возникает связь; измерительные диэлектрические резонаторы (ИДР), состоящие из двух плоских отражателей и отрезка исследуемого ШФДВ, МПДВ или их систем.

2) В качестве основного метода исследований, в дополнение к обычно му физическому анализу выбран и освоен «комплексный» метод», объеди няющий два подхода: технологию вычислительных экспериментов (ТВЭ), проводимых с помощью программных пакетов, реализованных на локальных сетях персональных компьютеров; технологию физических экспериментов (ТФЭ) с ИДР, реализованную как на оригинальной диэлектрической элементной базе, так и с векторным анализатором цепей. 3) Освоен приближенный метод анализа ВТВ в МПДВ, основанный на их представлении в виде суперпозиции волн планарного ДВ (Е или Н типа), переотражающихся от граней МПДВ с меньшим размером. С его помощью рассчитаны и исследованы: дисперсионные характеристики первых десяти типов волн МПДВ;. частотные зависимости внутреннего и внешнего волновых чисел, описывающих распределения полей названных выше мод в разных областях сечения МПДВ; структура спектра (типы волн и их обозначения) распространяющихся мод МПДВ;