Введение к работе
Актуальность работы. Проблема создания частотно-избирательных схем, предназначенных для работы в диапазоне сверхвысоких частот, является в электродинамике СВЧ одной иэ ключевых. Селективные устройства (фильтры) входят в состав большинства СВЧ-узлов. Кроме классических применений -задач подавления частотных составляющих сложного сигнала, принадлежащих к определенному диапазону, и в частности, подавления гармоник монохромного сигнала, фильтры могут использоваться и для решения ряда смежных задач, например, разделения частот в двухканальных и многоканальных разделительных устройствах (диплексерах и мультиплексорах).
Топологические классы волноводных структур, обладающих ярко выраженными селективными свойствами, в большинстве случаев, имеют характерную общую особенность, представляя собой цепь связанных отрезков регулярных волноводов с различными параметрами. Ориентация на данную топологию тем более оправдана, что наметившаяся в последние годы тенденция использования на практике все более высоких рабочих частот, и как следствие, уменьшения габаритов СВЧ-узлов, предъявляет дополнительные требования к технологичности и простоте настройки фильтров, осложняющие задачу воспроизводимости их электрических характеристик при серийном производстве.
Расчет таких структур требует применения строгих математических
моделей. Необходимо учесть, что в современной прзктике, для достаточно
высоких частот, точность расчета имеет доминирующее значение. Построение
таких моделей связано с непосредственным решением уравнений Максвелла
или эквивалентной им системы уравнений, например для векторов Герца,
требующим обычно значительных затрат машинного времени. Особую
актуальность поэтому приобретают вопросы создания быстродействующих
алгоритмов численного анализа и соответствующих программных средств.
Задачи исследований.
-
Задача нахождения спектра собственных волн отрезков регулярных линий, образующих фильтр, сводящуюся к решению двумерных краевых задач на собственные значения.
-
Задачи дифракции волн на стыках отрезков регулярных линий.
-
Задача параметрического синтеза фильтров, удовлетворяющих заданным требованиям.
-
Задача расчета и построения СВЧ-фильтров.
Целью диссертационной работы является создание высокоэффективного и универсального алгоритма расчета и параметрического синтеза волноводных СВЧ-фильтрсв, составляющих рассматриваемый в диссертации топологический класс структур - цепи связанных отрезков регулярных волноводных трактов.
Научная новизна. 3 результате выполнения работы:
-
Исследованы задачи определения собственных функций двумерных краевых задач для Г-области и элементарной ячейки МПЛ с различными граничными условиями. Особое внимание уделено частным случаям - определению спектра П-волновода и двусторонней волнсводно-щелевой линии (ВЩЛ), являющихся базовыми для ряда рассматриваемых в диссертации фильтров. Для процедуры Бубнова-Галеркина даны рекомендации .по выбору проекционных базисов, наиболее эффективных для последующего решения задач дифракции на стыках отрезков регулярных структур.
-
Создан универсальный алгоритм, позволяющий рассчитывать практически любые фильтры, принадлежащие к рассматриваемому топологическому'классу. Входными данными для алгоритма является информация о спектре собственных волн отрезков регулярных линий, образующих фильтр.
3. На основе данного алгоритма исследован ряд селективных структур,
представляющих большой практический интерес - фильтры на основе одно- и
многослойных Е-планарных диафрагм, фильтры на основе гребенчатых
А '
зтруктур, фильтры на основе ВЩЛ (fin-line), волноводно-диэлектрические фильтры.
І. Создана программа параметрического синтеза, позволяющая получить геометрические параметры СВЧ-структур указанных типов по требуемой ампли-гудно-частотной характеристике (АЧХ) фильтра.
5. Исследованы вопросы выбора целевой функции для задачи параметрического синтеза фильтров. . Введено обобщающее понятие целевого функционала, позволившее увеличить эффективность работы программы зинтеза и снизить критичность по отношению к выбору начального приближения.
5. Создан комплект СВЧ-фильтров, удовлетворяющих современным требова
ниям. ...
Практическая ценность. Результаты исследований легли в основу созданной зистемы автоматизированного проектирования (САПР) волноводных СЗЧ-фильтров, успешно внедренной в Нижегородском научно-исследовательском приборостроительном институте. Система использовалась в ряде научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по темам "Флюорография", "Комплект СВЧ-П","Комплект-К", "Симфония 2л,2к", "Гетеродин", "Четвэрка-15". Программы расчета и параметрического синтеза фильтров на Е-планарных диафрагмах и волноводно-диэлектрических фильтров внедрены в Нижегородском научно-исследовательском институте измерительных систем (НИИС).
На основе расчетов создан комплект полосно-пропускающих фильтров для различных волноводных диапазонов. Фильтры, рассчитанные на основе данного алгоритма, практически не требуют необходимой обычно дополнительной настройки, что является важным достоинством при серийном производстве.
Обоснованность и достоверности результатов работы. Теоретиче-ские зезультаты диссертационной работы получены строго обоснованным методом астичных облзстей с использованием математически корректной процедуры Зубнова-Галеркина, Контроль результатов осуществлялся путем исследования
внутренней сходимости решений, проверки выполнения закона сохранена энергии, сравнения с известными тестовыми результатами.
Теоретические результаты подтаерждеяы экспериментальныму исследованиями созданных фильтров (гл.4).
Публикации и апробация работы. По материалам диссертации опубликована 7 печатных работ, сделано 4 доклада на конференциях и семинарах.
Положения, выносимые на зашиту:
Уточнение методики применения МЧО для решения двумерных краевых задач на собственные значения;
Методы увеличения быстродействия используемых на практике алгоритмов расчета спектра собственных волн П-волновода и волноводно-щелевой линии.
Методика применения МЧО для расчета многозвенных селективных СВЧ-устройотв;
Универсальный алгоритм расчета амплитудно-частотных и фазовых характеристик фильтров, образованных связанными отрезками регулярных волново-дных структур;
Результаты расчета фильтров различной конструкции на одно- и многослойных Е-планарных металлических диафрагмах, на основе гребенчатых структур, на основе волноеодно-щелевых линий, на основе диэлектрических резонаторов
(ВДФ);
- Выбор целевой функции и целевого функционала для параметрического
синтеза указанных структур;
- Комплект полосно-лропускающих СВЧ-фильтров, сконструированных на
основе разработанного алгоритма.
Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержит 99 страниц основного текста, 46 рисунков, 18 таблиц, библиографию из 80 наименований, 2 приложения, акты внедрения.
