Введение к работе
Актуальность работы. Традиционными для сантиметровой части СВЧ диапазона являются мнкрополосковые, коаксиалыше и волноводные однородные и регулярные направляющие структуры, на основе которых разработана и развігта функциональная база указанного диапазона волн. Развитие современных систем передачи и обработки информации обуславливают необходимость освоения и развития верхней части СВЧ, миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн, где большой интерес вызывает использование, помимо указанных, более сложных неоднородных по поперечному сечению [Л.1] и нерегулярных по продольной оси каправляюпвгх структур [Л.2]. Характер зависимости параметров структуры от продольной и поперечной координат определяется функциональным назначением устройства, особенностями включения его в тракт, конструктивной и технологической спецификой его построения.
При этом применение традиционных конструкций- элементов и узлов,
разработанных для сантиметровой часта СВЧ. диапазона становится
затруднительным, а иногда и. невозможным, что объясняется их
миниатюризацией и возрастанием потерь. В связи с этим на передний план
выступают задачи создания новых принципов построения функциональных
устройств (ФУ) СВЧ и КВЧ диапазонов, использующие новейшие научные и
технологические разработки. Так, например, открытие комплексных волн [Л.1],
являющихся собственными волнами неоднородных по поперечному сечению
направляющих структур, позволяет учитывать их при расчете уже известных
ФУ или создании новых.
При расчете электрических характеристик сложных ФУ СВЧ и КВЧ диапазонов широко используется метод декомпозиции [Л.З]. Сущность метода состоит в следующем - сложное пассивное ФУ разбивается на простейшие базовые неоднородности (элементы),, для которых можно рассчитать обобщенную матрицу рассеяния путем решения соответствующей краевой задачи. Матрица рассеяния всего сложного ФУ получается соединением матриц рассеяния базовых элементов на основе матричной теории СВЧ цепей. Такой метод анализа сложных ФУ оправдан тем, что дает-возможность' использовать накопленный опыт разработчиков СВЧ аппаратуры объединенный в САПР, где собраны программы по расчету обобщенной матрицы рассеяния наиболее часто встречающихся базовых элементов. Любое пассивное СВЧ устройство можно представить а виде набора отрезков регулярных, нерегулярных и неоднородных направляющих структур.
Опыт разработки СВЧ и КВЧ устройств говорит о необходимости подробного исследования физических процессов происходящих з реальном исследуемом базовом элементе с целью выяснения их функциональных возможностей, -целевого определения оптимальных параметров к прогнозирования перспектив их эффективного практического использования.
Таким образом, проблема исследования неоднородных по поперечному
сечению и нерегулярных по продольной оси направляющих структур, решение которой направлено на совершенствование СВЧ и КВЧ устройств и создание их адекватных математических моделей, является актуальной.
Цель раёэты - построение и исследование физически достоверных моделей ФУ СВЧ и КВЧ диапазонов волн, предназначенных для решения дифракционных задач, позволяющих на электродинамическом уровне строгости проводить расчет и оптимизацию этих узлов, создание основы для системы их (узлов) машинного проектирования с целью улучшения их технических характеристик и сокращения времени и материальных затрат на их производство.
Программу исследований, проводившихся для достижения поставленной цели, составляют:
создание эффективных алгоритмов и программ расчета, предназначенных стать основой машинного проектирования элементной базы миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн;
расчет и оптимизация параметров типовых неоднородностей волноведущего тракта с целью получения электрических характеристик ФУ, содержащих такие неоднородности, на уровне лучших отечественных и зарубежных образцов;
экспериментальная проверка действенности разработанных методов расчета и внедрение созданного математического и программного обеспечения в организациях . отраслей радиотехнического и приборостроительного профилей.
КТетоды исследования. Основные теоретические результаты работы базируются на строгих методах -электродинамики: методе интегральных уравнений, получаемых на основе леммы Лоренца, методе частичных областей с использованием условия энергетической ортогональности, аппарате цепей СВЧ с применением обобщенных матриц' рассеяния, модифицированном методе поперечных сечений, методе декомпозиции, методе возмущений.
Научная новизна работы состоит в создают электродинамических моделей неоднородностей волноводно-микрополоскового тракта с помощью метода интегральных уравнений, полученных на основе леммы Лоренца применительно к дифракционным задачам, и модифицированного метода поперечных сечешй - к расчету резонансных частот открытых предельных биконических резонаторов и настроечных характеристик широкодиапазонных резонаторов с нерегулярной экранирующей поверхностью, перестраиваемых аксиальными металлическими стержнями. Методом возмущений рассчитана добротность нового явления, существующего в двухслойном круглом волноводе -комплексного резонанса.
В результате проведенных исследований: .
1. Разработаны эффективные электродинамические модели базовых
неоднородностей волноводно-микрополоскового тракта.
2. В строгой электродинамической постановке решены задачи о расчете:
коаксиально-полоскоБого перехода (КПП), велководно-полоскового перехода
'4
(ВПП), перехода от прямоугольного волновода к П-обрззному, перехода между двумя П-образпыми волноводами с различным поперечным сечением, короткозамкнутой нагрузки микрополоскового тракта, конструкторско-техиологлческих пеодшродностей, возникающтгх в держателе транзистора is при соединении шпеграпьных модулей СВЧ и КВЧ диапазонов. .\ С помощью модифицированного метода поперечных сечешвз решены задачи о расчете открытых Органических резонаторов и широкодиапазонных резонаторов с нерегулярной экрашфуюшей поверхностью, перестраиваемых аксиальными мстхтлнчсекнмн стержнями.
-
С использованием "слабо нерегулярного" приближения метода поперечных сечений получено достаточно простое уравнение, позволяющее вычислять резонансные частоты ширскодкапззонных резонаторов с нерегулярной экранирующей поверхностью, перестраиваемых аксиальными металлическими стержнями, с малыми затратами машинного кремени. Определены пределы применимости эчого уравнения.
-
С помощью интегрального метода ссповшшого на лемме Лоренца, решена задача дифракции электромагнитного поля на изменении поперечного сечения круглого волноьода.
-
Рассчитаны основные 'характеристики резонатора'на основе нового явления, сушесг сующего в двухслойном круглом волноводе -комплексного резонанса.
-
Создан пакет прикладных программ' расчёта' электрических характеристик іі оптимизациипараметров ряда ФУ СВЧ и КВЧ Диапазонов, являющегося базой для создания СЛП? систем oGpaGuiNh' іі Передачи информации указанных диапазонов.
ПгШШ'луі^іВіШі^іЬ работы злгЛкикеТся:
в сотдашш математических лїолс.'ісГЇ." более" і.отно, по, сравнению с существующими, отражающих реальные физические процессы, проислоляные- а иесделуемых функциональных )і;:.іх;'
в couamrii. аліпрііР.,ч;я расчета нерегулярных участков волповедущего тракта, пригодных дуі применения в задачах анализа" пенптсіауеіронсть СВЧ и КВЧ діилекпои; ' . ,_:
в an ори см т\ i: i:roipa".\'j\ расчета 'согласующих устройств '«'переходов между различными л;:.-;.;м:і передачи, в выполнении на основе этих алгоршмов н программ нечестного конструкторского проектирования и оптимизации парлмсіріФ лержаїе ;>; транзистора;
в алгоритмах м программах расчета г.'рЧмкозамхнутой нагрузки микропОлоскоіяччі трама;
в алгоритмах и программах расчхча'' открытых б; [конических и шпрокодпапа}(чші.іх перестрлічпемм'х резоі.'еморов;
в проведенной оптимизации параметров всех ф\ национальных узлов и устройств, раес.мої пенных в диссертации.
OjMiCHpBaxnjp^j.i^^jT^TOjj^Hsyei^ научных г.ато/ки'р'й, г.ы кодов и рекомендации, сформулированных н диссертант1;!, подгвержеиетсч:
соответствием постановок - краевых задач предложенным электродинамическим моделям исследуемых ФУ;
использованием теоретически обоснованных методов расчета нерегулярных волноведущнх структур;
проверкой теоретически, результатов проведенными зкеперішеталмшмн исследованиями;
соответствием результатов полученных при помощи выражений следующих їв предельных переходоз, ювестным тестовым;
разработкой реальных конструкций КПП, ВПП, держателя транзистора, широкоднапазоиных перестраиваемых резонаторов с характеристиками, не уступающими их лучшим зарубежным аналогам.
Реализация результатов и предложения об их использовании.. Результаты диссертационной раооты внедрены н нашли практическое использование на ряде предприятий различных мишістерств и ведомств. Основные результаты нашли применение в Нижегородском научно-исследовательском приборостроительном институте (НЛІИПИ) при конструировании СВЧ генераторов нового поколения (НИОКР "Графнк-80", ''Гетеродин").
На основе разраооташіьіх алгоритмов и программ в ННИПИ создаїіь; коаксиалыю-полоскозые и волноводно-полоскозые переходы, разрабоган держатель транзистора, позволяющий измерять S-параметры СВЧ транзисторов с погрешностью не хуже 7% (НИОКР "Фауна-2", "Комплект-К", "Комплект СВЧ-П", "Флюорография", "Разелшт-90МГД-Моргелъ-10").
Результаты проведенных исследований по согласованию коаксиальных и
полоскозых линий использовались в ННИПИ при разработке и промышленном
. производстве прецизионных коммутационных устройств в специализированном
изделии ГОІИТ-А-2 (ОКР "Черннка-80"), созданном по соотвегствующему
Постановлсиию правительства СССР.
Теоретические и практические результаты по созданшо согласующих
устройств волноводио-микрополоскового тракта внедрены в НИИИС
(г. Н. Новгород). Алгоритмы и программы по расчету коаксиально-полосковых
и волповодно-полосковых переходов .вошли в библиотеки алгоритмов 1!
программ САПР этих организаций.
Апробация- работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на:
35-й,37-й Всесоюзных научных сессиях, посвященных Дшо радио (Москва,
1980,1982); Всесоюзной конференции "Перспективы разшггия техники СВЧ"
(Киев, 1981); Научная конференция молодых ученых Волго-Вятского региона,
посвященная 60-лсппо образования СССР (Горький. 1982); I Республиканской
научно-техшгческой конференции "Расчет и проектирование подосковых
антенн" (Свердловск, 1982); Всероссийская конференция "Высокие технологии
в. рахяоэлектронике" (Н. Новгород, 1996);. Научно-технической конференции
факультета радиотехники и технической кибернетики, поезященной 80-летню
НГТУ (Н. Новгород 1997). .'
. По результатам диссертационной работы имеется 14 научных публикаций s центральной научно-технической печати. Подученные и процессе выполнения
диссертационной работы результаты используются при создаївпі элементной базы систем передачи и обработки информации в СВЧ и КВЧ диапазонах волн. Положения, выносимые на зашиту:
1. Электродинамические модели и созданные на их основе алгоритмы и
программы расчета соосных коаксиалыю-полоскового и волноводно-
полоскового переходов.' .
. 2. Расчет и. оптимизация, параметров ступенчатых неоднородностей волноводно-микрополоскового тракта КВЧ диапазона.
-
Расчет и оптимизация параметров КПП, ВПП, короткозамкяугой наїрузки микриполосковой линии (МПЛ), конструкторско-те.чнологической неоднородности, возникающей в держателе транзистора и при сочленений интегральных модулей, выполненных из основе различных МПЛ.
-
Расчет широкодиаиазоиных перестрангае.уллх колебательных систем, выполненных па базе цилиндрических резонаторов с нерегулярной боковой поверхностью и открытых биконических резонаторов.
-
Расчет задачи дифракции электромагнитного поля на изменении поперечного сечения круглого волновода, основанный на лемме Лоренца.
-
Расчет резона і ора на основе нового явления, существующего в двухслойном круглом волноводе -комплексного резонанса.
7. Результаты экспериментального исследования рассматриваемых в
диссертации неоднородностей с целью подтверждения правомерности
использования разработанных методов, алгоритмов и программ для создания
элементной базы СВЧ и КВЧ диапазонов.
Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глаз и заключения, содержит 152 страницы основного текста, 75 рисунков, 5 таблиц. библиографию из 128 наименовании, 8 приложений, 'содержащих акты внедрения результатов диссертации.
