автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.21, диссертация на тему:Электродинамическая теория полосково-щелевых волноведущих структур с анизотропными и нелинейными пленками

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ. ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

?ГБ ОД

На правах рукописи УВАРОВ ВАЛЕРИЙ ГЕННАДЬЕВИЧ

элЕктродаау^'.чнЕскАЯ ТЕСКШ ПМОС1{ОБО-^ЛЕ^:ЛС

ВОЛНСБЕДЯЦЗС СТРУКТУР С АКЗОТРОШЕКН и НЕЛйШЖг-Я ПЛЕНКА?.!:!

05.12.21 - радиотехнические системы специального назначения, включая технику СВЧ и технологию их производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Поволжском институте информатики, радиотехники и сеязи и Самарском государственном университете.

Научный руководитель - доктор физико-математических

наук, профессор Наганов В.А.

Официальные оппоненты - доктор технических наук

Стародубровский Р.К. (ГНИЛИ)

кандидат технических наук, доцент Калмык Е.А. (НГТУ)

Ведущая организация - АО Центральное КБ ашаратостроения (г. Тула)

Защита состоится " 25 " ОПР&ЛЯ 1996г. в /5 часов на заседании специализированного совета 0638506 по радиотехническим системам специального назначения, включая технику, СВЧ и технологию их производства при Нижегородском государственном техническом университете (603155, г.Нгскшй Новгород, ул.&пшна, 24, ауд 1252).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотека Нижегородского ордена Трудового Красного знамени государственного технического униЕ&рситета

Автореферат разослан " " _ 1996г.

Ученый секретарь специализированного ^^

кандидат технических наук

Горюнов М.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность_темы. Одним из перспективных направлений развития электродинамики и техники СБЧ является мжтатюаризация СВЧ устройств, ведущая к созданию таких принципиально новых технических объектов, как пленарные и объёмные (слоистые) интегральные схемы СВЧ (ОИС СВЧ) и КВЧ диапазонов.

Достижения в области технологии полупроводниковой электроники позволяют создавать миниатюрные базовые элементы СВЧ-устройств с хорошей воспроизводимостью параметров при групповых методах изготовления. В связи с этим резко возросли требования к расчету характеристик базовых элементов ОМС СВЧ. Возникла проблема их строгого анализа на электродинамическом уровне точности. Это прежде всего относится к полосковых и щелевых волноведущкм структурам, составляющим основу ОИС СВЧ.

ОИС СВЧ нередко содержат тонкие анизотропные намагниченные слои, пронщземостью которых можо легко управлять с помощью внешнего магнитного поля. Особенно интересны в этом плане монокристаллические ферритовыэ пленки, повышенный интерес к которым Еызван с одной стороны их хорошими импульсными и статически,я характеристиками, а с другой стороны технология производства таких пленок позволяет получать высококачественные зпитаксиальные слои, на которые могло непосредственно наносить микросхемы и,-таким образом, реализовать преимущества технолога! ОИС СВЧ.

Болылзя часть работ по исследовании волноведущих структур с анизотропными пленками носит экспериментальный характер. Строгий теоретический анализ линий передачи (ЛП) с тонкими пленками в настоящее время либо отсутствует, либо проводится на эвристическом уровне.

Не менее интересным направлением разработки полосково-щеле-вых структур (ПЩС) является использование пленок с нелинейными параметрам в местах сосредоточения электромагнитного поля.' Наличие даже слэбонелинейных сред з волноведупей структуре монет привести к возможности солитснного регяма распространения электромагнитных волн. Данный эффект позволяет подойти к проблеме передачи информации и созданию логических устройств СВЧ с принципиально новых позиций, но вместе с тем требует расчета трехмерных моделей волноведущкх структур с тонкими нелинейными слоями, принципиально оглкчакнегося. от расчета плоских моделей, которыми

ограничиваются большинство авторов. Поэтому наиболее актуальной проблемой, Еозшп:алдсй при создании систем автоматизированного проектирования (САПР) ОИС СВЧ, является разработка обоснованных и эффективных математических,физических и расчетных моделей для ПЩС с различными тонкослойными включениями (изотропные, анизотропные и нелинейные пленки и др.). Такие модели можно построить только на ■основе электродинамического подхода к анализу плоскостных ЛП.

Развитие теории регулярных ПЩС играет важную роль при разработке ноеых функциональных устройств СВЧ и КВЧ, установлении 'границ применимости приблиненных методов исследования, а такие при -'создании эффективных методов синтеза базовых элементов плоскостных и ОИС СВЧ.

В последние годы главные усилия в электродинамике планарных полосковых и щелевых структур были направлены нач; развитие численных методов анализа Еолноведущих структур, ориентированных на использование быстродействующих ЭВМ. В частности, на первый план выдвинулись прямые вариационные (проекционные) методы решения внутренних задач электродинамики, главным достоинством которых является универсальность и простота численной реализации. Это работы В.В. Никольского, A.M. Лерера, A.C. Ильинского и др.

Однако практическое осуществление этих методов наталкивается на ощутимые трудности, связанные со сложностью обоснования окончательных результатов, медленной сходимостью, а в ряде случаев отсутствием сходимости приближенных решений к точному и .явлениями неустойчивости соответствующих алгоритмов. Основная причина вышеупомянутых трудностей заключается в том, что вариационные метода применяются непосредственно к интегральным уравнениям первого рода, решение которых представляет собой некорректно поставленную математическую задачу. Поэтому численные результаты, полученные с помощью этих методов, требуют проверки на достоверность. И как следствие,в научной литературе нет единого мнения в выборе базисных функций для вариационных методов, и способе усечения бесконечных рядов в ядрах интегральных уравнений первого рода. Очевидно и то, что прямые вариационные (проекционные) метода приводят к численному расчету регулярных ЛП, и о теории полосковых и щелевых структур как об области знаний,где -используется в осноеном математический аппарат и очень простые численные манипуляции, говорить не приходится.

В связи с этим резко возрастает роль аналитических и численно-аналитических методов рэшешя краевых задач о собственных

волнах в направлявших ЛП, опирающихся па учет специфики структур и возможность существенного аналитического преобразования первоначально получаемых интегральных уравнений первого рода. Одним из эффективных методов получения аналитических или численно-аналитических решений. является метод квазиполного обращения оператора, сводящий двумерную краевую задачу о собственных волнах регулярной ЛП к Еекторному сингулярному интегральному уравнению (СИУ), азатем к одномерному интегральному уравнению Фредгольма второго рода с регулярным ядром, методика решения - которого разработана достаточно подробно и не является сложной 'математической задачей. Этот метод получил развитие в работах В.А. Неганова. В настоящей диссертации проводится обобщение метода квазиполного обращения сингулярных операторов интегральных уравнений на случай водно-ведущих ПЩС с анизотропными и нелинейными пленками.

Цель»_работы является построение теории полосково-щелевнх структур с анизотропными и нелинейными пленкам нл основе метода квазиполного обращения сингулярного оператора интегральных уравнений и разработка новых функциональных устройств СВЧ и КВЧ.

1. Приближенное аналитическое решение краевой задачи о собственных волнах обобщенной В11У1 в четвертом приближении, полученное методом квазиполного обращения сингулярного оператора интегральных уравнений и анализ сходимости приближенных решенн?.

2. Методика анализа обобщенной ВЩЛ с произвольно подмагни-чешюй фзрритовой пленкой в области щели и приближенное аналити-. ческое репение краевой задачи о собственных ■ волнах структуры (дисперсионное уравнение (ДУ) в замкнутой форме)."

3. Метод расчета ВЩЛ с -нелинейной. сегнетоэлектрической пленкой и анализ солитонных реиений в волноведущих структурах.

4. Результаты электродинамического анализа новых функционал*.них устройств СВЧ и КВЧ диапазонов: ГОЛ с продольными и поперечными канавками, Т-камера 'для испытаний радиоэлектронных устройств ■ при разрядах статического электричества на основе экранированной симметричной полосковсй лшзя передачи (ЭСПЛ), •полосовой фильтр (П5) с улучпеннымп характеристике.',я. '

Научная _нор.изна.

1. На пр^.'зрэ Е"'Д лрегздэпо исследование сз:од:г.:огтз прпблг-:-:е;п£ых аналитических решений, получекых методом квазиполного обращения сингулярного оператора интегральных уравнений. Показано,что для получения значений постоялкой распространения с

точностью до второго знака после запятой достаточно использовать ДУ во втором приближении.

2. Разработана ноезя методика получения аналитических выражений для волновых сопротивлений ПЩС, представляющих собой стационарные функционалы относительно электрического поля в щелях.

3. Разработан метод расчета ВЩЛ с произвольно подмагниченной ферритовой пленкой в области щели, учет которой проведен с помощью приближенных двухсторонних граничных условий.

4. Впервые рассмотрены трехмерные экранированные" ПЩС с нелинейной пленкой в области щели и разработан метод, позволяющий сводить трехмерную краевую задачу для электромагнитных волн к векторному нелинейному сингулярному интегродифференциальному уравнению относительно одномерной функции распределения электрического поля в области щели.

5. Показана возможность распространения солитонов в ВЩЛ с нелинейной сегнетоэлектрической пленкой.

6. Выявлены новые физические эффекты в ГЩЛ с поперечными канаЕками. В частности, показано существование областей "непрозрачности'' для электромагнитных волн в ЛП и возможность распространения поверхностных волн с большими коэффициентами замедления в структуре без диэлектрика.

7. С помощью метода квазиполного обращения сингулярного оператора проведен анализ Т-камары, выполненной на основе ЭСЕЛ и выданы рекомендации для еб использования.

8. Разработана методика расчета ПФ на основе отрезков микрополосковой ЛП с различными геометрическими размерами

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждается:

- адекватностью разработанных математических моделей изучаемым физически,1 процессам;

- использованием обоснованного метода расчета волноведущих структур СВЧ;

- соответствием теоретические: результатов расчета эксперименту;

- соответствием полученных результатов с 12 аналогами, найденными другими авторами;

- переходом асимптотам приближенных аналитических рзоений б ранее известные выражения.

Практическая ценность работы заключается:

- в обосновании эффективности применения члеленкэ-апа.гпг?-

- б -

ческого метода квазиполного обращения оператора на основе сингулярных интегральных уравнений,позволяющего получать унифицированные приближенные аналитические решения краевых задач для ПШС;

- в использовании в качестве исходных соотношений приближенных двухсторонних граничных условий,адекватно отражающих электродинамические свойства волноведущих структур с регулярными и нерегулярными тонкослойны;® включениями;

- в получении численно-аналитических решений, на основе которых может быть построена обоснованная - и. эффетивная методика инженерных расчетов волноведущих структур с различными тонкопленочными включениями;

- в предложенной новой технологии конструирования устройств 'СВЧ и КВЧ на основе ГЕЯ с улучшенными электромеханическими свойствами;

- в предложенной методике расчета полосоеых фильтров на основе отрезков микрополоскошх .Ш с разлзгизыми геометрическими и физическими параметрами.

Апрооащ1я_работы.

Диссертация выполнена в рамках гранта' на НИР "Разработка электродинамических методов анализа юлосково-целеЕых структур СВЧ с учетом анизотропии, флуктуации и нелинейности параметров среды" (дог..1с 29/92 от 16.03.92г., контр-грант 2-83-14-33, Санкт-Петербургский гос. университет) и в рамках НИР "Разр-ботка электродинамических методов анализа полосково-селевых 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 - ПИИРС", 1994 - 1995 гг.). Метод расчета и результаты анализа ГШ, а такте методика расчета волнового сопротивления подоскоео-Щелевых ЛП,выполненные в рамках диссертации, были использованы при разработке ряг.з устройств в НИИ "Экран" (г. Самара), в И® новых медицинских технологий (г. Тула),а также внедрены в унебнкй процесс в Поволжском институте информатики, радиотехники и связи (г. Самара).

Основные результаты диссертационной работы докладывались на IV Всесоюзном спзшозиуме "Методы' дискретных особенностей в задачах математической физики" (Харьков, 1992), 1 международной конференции молодых ученых и студентов "Сизика и прогресс" (Санкт-Петербург, 1993), 1 Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов-физиков (Екатеринбург,1993), 2 Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов-физиков

(Екатеринбург, 1994), 49 Научной сессии ИЕГОРЭС, посзяценной Дню радио (Москва, 13Э4), 5 Международной конференции "Математическое моделирование и САПР систем сверхбыстрой обработки информации на ОИС СВЧ и КВЧ" "(Сергиев. Посад, 1995), а такзе на выгодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ГОШРС (1992-1995 гг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14_работ, в том числе 4 статьи и 10 опубликованных тезисов докладов на научно-технических конференциях и семинарах.

Структура_и_объем_аиссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Сна изложена на 151 страницах, содераит 39 рисунков, список из. 104 наименования и 2 таблицы и акты

внедрения. •

®

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1о_ввеаекии дан краткий обзор современного состояния вопроса, обоснована актуальность теш, .определена цель исследования, кратко излозчно содержание работы, перечислены-положения,, выносимые на защиту. •. _

В_первой_главе "Электродинамическая теория волноведудих полосково-щелевых. структур СВЧ и КВЧ с линейными параметрами" на примере волноводно-щелевой Л1 описан метод сведения краевой задачи для собственных волн изотропных. ПЩС с линейными параметрами к векторным интегральным уравнениям Фредгольма второго рода, получены дисперсионные характеристики структуры в 0- и 2-приблихении в замкнутой форме и проведено сравнение численных результатов с результатами 4-приближения. В конце главы приведена методика аналитического расчета волнового сопротивления ВВД и полосковой ЛП, результаты которого в предельных случаях совпадают с выражениями, полученными другими авторами.

В п.1.1 показана сущность метода квазиполного обращения оператора на основе'СИУ для расчета ВВД. В случае бесконечно тонких и идеально' проводящих полосок краевая задача для собственных волн датой структура сводится интегральному уравнению первого

* - ■' ■ ■ . рода относительно тангенциального "электрического поля '£,,-(2) в

области щэли (рис. 1)

где

■а=0

<т{

(х^Ог').

(2)

Рио.1. Поперечное сечекке экранированной БЩЛ

<рп1 (х), ф^ (х')~ тригонометрические функции, а Г ,, - элементы тен-111,1

зора адмитавсов в плоскости цели (у=0). Необходимо отаетить, что бесконечные ряды (2) содержат в неявной форме логарифмические особенности и сингулярности типа Коли, поэтому являются плохо сходящимися функциями, что зачастую приводит к неверным результатам непосредственного численного решения (1). Сходимость функций (х.х') могно улучшить,'вычитая из рядов (2) соответствуете асимптотические ряды.

Тогда, приводя в соответствие отрезок интегрирование и интервал

определения уравнения (1) с помощью преобразований Швингера

и = р_1(соз Ц - д), V = р'1(соэ <?).

(3)

где

та

^ (соэ - соэ

•га, , . ти>.

"¡Г>- Я = % (соз

+ соз

векторное уравнение (1) монет быть сведено к следующему сингулярному интегральному уравнении относительно новой неизвестной

функции, выракаемой через Ет(х)

где

г бХ) г ■*-*■ *■

J - + р | Т(и,и) Р(и)<2и =0.

-1 Р(и)

¿а >

бх &1

1

1

тти<и-и)= 2 I 6пи ^(р^д). • (5)

Тт(ри+д>, ит_((ри+д) - полиномы Чзбышева 1 и 2 рода, (1=1,2)

- постоянные, выражения для которых определены через элементы тензора поверхностных адмлтансов над и под щелью.

Для регуляризации СИУ. (4) использовались формулы обращения интеграла Кош для решения, не ограниченного на краях щели. В результате получается векторное интегральное уравнение Фредгольма второго рода

1 .

'*■ г*~*~ *■ Д • -

Р(и)= р С(и,и)Р(и№ + • (б)

/т^

ядро й(и,и) которого узе не содержат особенностей.

"Таким образом, метод квазиполного обращения оператора позво- < ляет перейти от решения уравнения (1), тлеющего особенности на отрезке интегрирования и являющегося в данном случае некорректно поставленной математической задачей (из-за непосредственного усечения бесконечных рядов), к уравнению (б), решение которого не представляем особых математических трудностей.

В п.1.2 поставлена краевая задача для собственных еолн обобщенной ВЩЯ с произвольным числом токопроводящих полосок и неограниченным числом слоев над и под ними.Приведена процедура нахождения элементов тензора поверхностных адмлтансов для двухслойной и многослойной ВЩЛ, записаны выражения для обобщенного ДУ ВЩЯ (число учитываемых слагаемых М в рядах (б) не конкретезяровано) и для ДУ при ¡.1=0,2. Описана методика получения ДУ в случае' М=4.

В п.1.3 разработан метод расчета волновых сопротивлений для ПЩС на электродинамическом уровне строгости. В частности, для щелевой структуры с й-щелями волновое сопротивление определялось еле дудим образом:

иг

2- = —. (7)

ы ¿Р

где и - напряжение в области щелей I (й - число щелей), а

Р = 2 Не { ЯГ*. Ц ~ (8)

о я

- активная мощность, переносш-'ая основной волной структуры, опре-

дэляемая интегралом от зектора Пойтинга этой волны по поперечному сечения Б ЛП. .Напряжение в Ъ^ можно определить как интеграл от' напряженности электрического поля в щелях. С учетом того, что поперечная тангенциальная составляющая электрического поля £_ на отрезке I. гораздо больше (по модуля) продольной составляющей Е

и

= | Ег(х,)с£г'.

(9)

В случае ВЗИ (рисЛ) волновое сопротивление-тлеет следушиа

вид

V

к а

К у ЛЕ„>

(10)

= Ъ~

1—, (1+й )

- 1

схгг«>ьУ1

«1 I

Е (Х')С08 р х'бх'.

где = ^«У»- 1?, [<П]2= & Рп=

АУ(=Уг Ау2^у2-у (, е<ч;У1-' - диэлектрическая и магнитная проницаемость слоев над и под целью, Л=ы/с, с -.скорость света, Н - постоянная распространения основной волны вдоль осп г, ?(£_) -известный стационарный функционал относительно неизвестного распре деления электрического поля Е_ в щоли ВЩ, что позволяет при использовании формула (10) подыхать значения с погрсЕностьп второго порядка малости, т.к. иэрзая вариация волнового сопротивления оСраояется в нуль. В качестве пробной функции'для структуры с симметричны:.! расположением дели относительно х=а/2 использовалось выражение для Е в виде

Е_=

Ао о1п Г

/

г %х з"- соз —

(11)

где s = sin g- , wf - левая коорданата симметричной щели, AQ-постоявная. При s —1 (прямоугольный волновод) с пропорциями сторон 1:2 (у2=2а) получаем известную, формулу для волнового сопротивления Я-волнн ,

m

V¡r- ,,2>

В случае расчета волнового сопротивления экранированной несимметричной полосковой ЛП целесообразно ввести полный ток на металлической полоске как интеграл от плотности продольного поверхностного тока ¡

I = J Jz(x')áx'.

(13)

.огда формула для волнового сопротивления принимает вид

2Ри )

= —¡Г-- <14>

где мощность Риг>. переносимая основной волной, определяется как стационарный функционал от плотности продольного поверхностного тока ] .

В п.1-4 проведено сравнение метода квазиполного обращения оператора с другими методами расчета ПЩС. Приведена Динамика изменения численных значений дисперсионной характеристики ВЩ с ростом числа учитываемых членов М в ядре уравнения (6), из' которого видно, что для получения значений постоянной распространения с точностью до второго знака после запятой достаточно использовать ДУ во втором приближении.

Вторая глава■"Регулярные волноводно-щелевые линии передачи с анизотропными 'ферритовыми пленками в области щели1* посвящена расчету полосково-щелевых структур с произвольно подмагниченныки ферритовыми пленками в области щелей.

В п.2.1, исходя из уравнений Максвелла в интегральной форме, получены выражения для приближенных двухсторонних граничных условий, учитывавшие влияние ферритовой пленки в области цела

¡¡(2) _

2ке„

+ ^(33)^1 и (2)

1й

2к£„

Н(1>- н

\п1 + и(=2)] - ^^ В«'] = о.

(15)

(2)

2£и

22

1М

^2

'21

+ Ц

= о,

где А* =

- л-. Щ.

(13) _

= и

'13

(1.3 = 1,3); -

элементы тензора ¡1' пленка, 2(_1 ),Е(_2),Я(_ ,Н(_2) - Еырат.ения для

проницаемость плеыш.

• 3 п.2.2,. 2.3 проведено обоснованно применения приближенных двухсторонних граничных условий для расчета волноведушх структур. В частности, ДУ прямоугольного волновода с тонким ферритовым слоем и ВПИ с изотропной пленкой в области цели, полученные с помощью (15), полностью совпадают с результатами расчета этих структур другими авторами.

В п.2.4 при помощи (15) проведен расчет ЕПИ с произвольно подмагниченной ферритовой пленкой в области сели. Используя интегральные выражения для полой в ЕШЛ, полученные методов квазиполного обращения оператора, систем (15) погно запасать в следутсем виде . • - '

ПЦ - 1 >— > »

А<\>- А(г)

ии.

(15)

где Л(1),А(г> - _псстсяпн,.:5, входя^э в гырштогая для пспоречнсго электрического' поля в областях над п под шгенкоЗ. Ограшгп»паясъ ТО-ТЫ'О порз^гн члепсг* в рядп.х Суоьэ п 'хпстях

урагпеннй с:-сте::1„ (16), гюпго получить ДУ

"Я Е'.'и з случае

цроигвольпого под<апичпБапяя фзрратсвой плэихи. НшгСолее ьросаое ЛУ Л-.30Т место при касательном додаагничзванш! з плссхосга цел;:

полей над и под пленкой, а - толщина пленка, е„ - .^электрическая

ЛУ Г , ГДш"

- Кг + Ки) + [-

СГ22

где лш - ширина щели, а - размер экрана, Л*22 = д^ ± ¿¿Ц. Л022

Ощ^-Ч -

(к=1,2) - составляхше ДУ БШЯ без пленки, а = —Кроме того,

2^22

соотношение (17) при отсутствии щели совпадает с ДУ для Я-волны в прямоугольном волноводе с тонким ферритовым слоем, а при отсутствии пленки с ДУ для двухслойной ВШ.

В_третьей_главе "Нелинейная электродинамическая теория вол-новедущих полосково-щелевых структур с сегнетоэлектрическими пленками" приведены результаты применения развиваемого в 1 и 2 главах метода расчета ЩС с нелинейными пленками в области щелей, который позволяет свести краевую задачу для электромагнитных волн трехмерных экранированных ЩС к нелинейному сингулярному интегро-дисйеренциачьному уравнению (СИДУ) относительно функции распределения- тангенциального электрического поля в области щелей, решение которого сводится к решению нелинейного уравнения Шредингера (НУШ) для огибающей несущей волны ПЩС.

В п.3.1 кратко описаны системы, решения которых удовлетворяют НУШ, а такхэ приведен формальный, способ получения НУШ для систем, ДУ которых зависит от амплитуды.

.В п.3.2 с помощью приближенных двухсторонних граничных условий для нелинейной пленки получено нелинейное СИДУ для обобщенной полосково-щелевой ЛП, которое в случае ВПЩ с нелинейной пленкой в области щели имеет следующий вид

(18)

= <ЗРх(г,г.х). х = [■а1,юг\,

+С0

где ггв(ы,л,*,)=и Е<Ь)^,г.х)е1(т-ыг}(Иаг.

-со

о

вЛи.Ь.Х.Х') = > собб г соэб X',

I / ■ Ь» й

<?г - Фурье-амплитуда поперечного. электрического шля в плоскости '¿ели, - нелинейная поляризация пленки, Лш^Л) - функция, содержащая элементы тензора входных адмитансов для областей над и под аелью. Примечательно, что при отсутствии нелинейной пленки уравнение (18; переходит в интегральное уравнение первого рода для ВЩЛ без пленки (1).

В п.3.4 - 3.6 приведен метод ресения уравнения (18) для БЩ и прямоугольного волновода с нелинейной пленкой,а такхе приведены соотношения для определения параметра солитона. Считая пленку слабонелинейной, а амплитуду бегущей волны в структуре медленно меняющейся функцией по переменным Гиг, ядро уравнения (18) можно разложить в ряд Тейлора в окрестности - параметров

ЕЩЛ при отсутствии нелинейной пленки и перейти от (18) к рвпенин слодущего нелинейного дифференциального уравнения относительно огибающей несущей волны в структуре 3

аз . ез -{£> — + Ю.— +

"■дг

I

п=2

ИГ п!

Ч2 -,

(Эааг дПдг

где функция О. учитывает наличие в структуре токопроводяшх полосок, О ,Он - производные О по соответствуете переменным. Левая часть уравнения (19) описывает дисперсионные характеристики волноведущей структуры, а правая - ее нелинейные свойства, причем обе части представляют собой в принципа бесконечные ряди. 3 случае кубически нелинейной пленки (2=1) а при учете первых двух дисперсионных слагае?,-нх {Н=2) г.гы приходим к НУИ

Ь —

2 ей2

1, а

д -12

00 + 2 &,+ -Го— + 5—]

ы , н 21 бы

(20)

,-д

1 а

где ¡3„ = I— +--)

V сЬ)

- [О

а=и

= Г-г/у, и =

-в + Го в + 1г . 1

о 1. ш иН)

1-7х -к , и - ясргмотг:: иссукз;1 полз.: з структуре.

и о

Рсг:г.-;п'о (20) • ?

"1СП

} л)

- г

Ляс1 —¡г— ! его» I (Ш - ,;;:>!. <21)

*л -I ' »• '

1 Г 6 6 I2 I 1 ? 5>

где = — П В + £ £>.+ - О— + Я— В ш=и> , <~г =

231 и 2'-аш а^ |*=»£| 3 р2 8

$ .1 - амплитуда к длительность солитона.. Анализ решения (21) показал, что в зависимости от соотношения параметров дисперсии и нелинейности пленки /ипс принимает значение секанса или тангенса гиперболического,- что соответствует распространению "светлого" или "темного" солитона в ВВД с нелинейной пленкой.

В четвертой главе метод квазиполного обращения оператора на основе СИУ применен для анализа ряда практически важных устройств СВЧ п КВЧ.

- В п.4.1-4.3 проведен электродинамический анализ ПЩГ передачи с продольными и поперечными канавками и приведены конструкции и технология ПДЛ для применения в виде многофункциональных модулей в ОйС СВЧ. Применение известных эквивалентных граничных условий для периодических структур для мелкой гофры с продольными и поперечными канавкам позволило получить выражение для тензора входных адмитансов ПЩГ. элементы которых при т]т=0 (т)т - параметр гофры) переходят в соответствующие выражения для ВВД без гофры.-Проведенный анализ ДУ ГЩЛ показал, что в случае гофры с продольными канавками с увеличением параметра гофры (например, глубины канавок) частота отсечки основной волны ЯП начинает сдвигаться в сторону 0, но до 0 не доходит, так как в случае т)т>1 граничные условия (22) становятся неприменимы, и ГШ необходимо рассматривать как периодическую структуру. Уменьшение частоты отсечки с ростом т)11 объясняется эквивалентным увеличением размеров широкой стенки волновода с увеличением глубины канавок с гофрры. В случае гофры с поперечныг,и канавками эффект сдвига частоты отсечки отсутствует, но при некоторых значениях параметра с (с £ 0,09) в ЛП возможно распространение поверхностных волн с достаточно большш коэффащиентом замедления Ь/к>8, причем с увеличением параметра с его величина замедления возрастает. . Так как рассматриваемая структура является экранированной, то с приближением к частоте ■ отсечки в ЩЯ начинают проявляться свойства пространственных волн, что приводит к наличию частотных областей с аномальной дисперсионной зависимость».

Кроме существования поверхностных волн при определенных параметрах гофры в ГШ существует полоса частот, в которой распространение волны неЕозмогспо, то есть падайте волны эффективно отражаются от структуры. Интересной особенностью является т&чже

то, что величина и положение полосы "непрозрачности" зэеисит от параметров гофры и самой Еолноведупей структуры, что позволяет использовать данный эффект при проектировании управляющих СВЧ устройств, некоторые из которых приведены в п.4.3.

В п.4.4 в ралках рассматриваемого метода проведен электродинамический анализ Т-камеры для испытаний радиоэлектронных устройств при разрядах статического электричества, выполненной на основе ЭСПЛ с воздушным заполнением. В результате анализа получены характеристики структуры волнового поля в поперечном сечении Т-камеры. Определены размеры рабочей зоны в поперечном сечении ЗСПЛ, позволяющие производить испытания РЭС при заданных ограничениях неравномерности первичного возбуждавшего ЭМП, а . также оценена степень его искажения при внесении испытуемого объекта в Т-камеру. Данные результаты 'позволяет дать практические рекомендации по ее использованию.

В п.4.5 рассмотрена возможность применения развиваемой теории регулярных ПЩС к проектирование и расчету И5 па основе отрезков несимметричной полосковой ЛП. Приведена методика, позволявшая обоснованно применять результаты расчета замедления "и волнового сопротивления регулярной полосковой ЛП при проектировании различных ПФ и частотно избирательных систем на пх оснсео, топологии и фотографии которых приведены в работе. Эффективность подхода подтверждается хороши совпадением теоретических расчетов с результатами экспериментального моделирования разработанных ПЗ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ II РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Используя метод квазиполного обращения оператора кз ссноео СИУ,получено аналитическое решение в замкнутом виде краевой задачи для собственных волн о<?о<?щэпой ■ ЕЩЛ з четвертом приближении и проведен анализ сходимости приближении репешй. Показано, что для получения значений постоянных распространения рассматриваемся методом с точностью до второго знака посла запятой достаточно использовать ДУ ео втором приближение.

2. Разработала гэтодтна определения сяаласлчэсгаг гурагзшгй для волновых сопротшугзЕЛй ЕЗС, ггродстп?ляг>тгх ссСой стационарные функционалы. В частности,получена ©ор<ула для еоляового сопротивления двухслойной ЕЗД.ьврвходядяя в предельном случае з известнее ^гпя^'ещ^е для волнового сопротивления гп^а*1отгготг1,!того вол^ох^дз

3. Проведено обоснование применения приближенных двухсторонних граничных условий для расчета волноведущих структур с анизотропными пленками и определены границы их применимости.

4., Методом квазиполного обращения оператора на основе СМ, используя приближенные граничные условия, проведен электродинамический анализ несимметричной ВЩЯ с произвольно намагниченной фер-ритовой пленкой в щели. Полученное ДУ является унифицированным I том смысле, что в него входят элементы матрицы адмитансов слое! над и под щелью, что позволяет обобщить данный метод на расче? многих ЛП с ферритовыми пленками.

5. Разработан метод исследования трехмерных волноведущиз экранированных П1ДС с тонкими нелинейными слоями, позволяющй сводить трёхмерную, краевую задачу для электромагнитных волн I векторному сингулярному интегродифференциальному уравнешп относительно одномерной функции распределения поля в осласи среды с нелинейными параметрами.

6. Построена электродинамическая теория' ВЩЯ с нелинейно! сегнетоэлектрической пленкой в области щели. Получено солитоннос решение для структуры и найдены условия, необходимые длз возникновения солитонов.

7. Используя предложенный метод, найдены новые физически; эффекты в ШЛ. в частности зависимость частоты отсечки от параметра гофры в случае структуры с продольными канавками, наличие ] ШЛ с поперечной гофрой режима распространения поверхностных волз при определенных параметрах гофры и существование частотны: областей "непрозрачности", положением и величиной которых можнс управлять, изменяя параметры гофры.

8. В ра%жах рассматриваемого метода проведен расчет Т-камер1 для испытания радиоэлектронных устройств на основе симметрично) полосковой ЛП.даны оценки неравномерности первичного поля в рабочей зоне, степень его искажения при внесении испытуемого объект! и выданы практические рекомендации по использованию Т-камеры.

9. Разработана методика расчета ПФ на несимметричны; ступенчатых разомкнутых резонаторах <? электромагнитной связью пта увеличенном числе независимых параметров, которая позволяв' осуществлять произвольность выбора электрических длин и волновы; сопротивлений отрезков резонаторов; приведены результаты расчета конструктивной реализации и экспериментальные АЧХ. На основ! штодшш реализованы ПФ с улучшенными характеристиками.

ПО TBE ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЩИЕ РАБОТЫ:

1. Неганов В.А., Нефедов Е.И., Уваров В.Г. Солитонные решения в волноводно-щелевой линии■ передачи с нелинейной сегнетоэлектрической пленкой //Доклады РАН.- 1995. - т.340. - Кб. - с. 772-774.

2. Маслсв О.Н., Неганов В.А., Уваров В.Г., Шляховская S.B. К анализу Т-камеры для испытаний ■ радиоэлектронных средств при разрядах статического электричества // Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ. Н.:-19S3. - Вып. 4. - С. 81-91.

3. Неганов В.А., Уваров В.Г. Применение сингулярных интегральных уравнений для расчета волноводно-щелевсй линии передачи с намагниченной ферритоЕой пленкой. // Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ. М.: -1995. -Вып. 4. - С. 37 - 40.

4. Наганов В.А., Нефедов Е.И., Уваров Е.Г., Седоршев. H.A., Янин A.A. Математические модели управляемых соли тонных процессов для реализации лечеоной СВЧ и КВЧ медицинской аппаратуры на основе ОИС с Еолноводно-щзлевымл линиями передачи./ Вестник новых медицинских технологий.- 1996.- ТЗ.- .52.-0.78-85.

5. Неганов В.А., Уваров В.Г. Электродинамическая анализ солитонных решений з теории ЩИ. / Тез. докладов 5 Международной конференции гМатематическое моделирование и САПР систем сверхбыстрой обработки информации на ОИС ;ВЧ и КВЧ", 1995, С 40.

6. Неганов В.А., Уваров В.Г. Метод расчета волнсводно-щелевой яии передачи с ферритовой плешсой в области щелл. / Таз. докладов 5 Международной конференции "Математическое моделирование и САПР систем сверхбыстрой обработки информации на ОИС СВЧ и КВЧ", 1995, С.40.

7. Наганов В.А., Уваров З.Г. ЛхалиппосккЗ мотод расчета волясводно-щелевых передачи с снзстгспшмя гренками з щелях. / Тез.докладов Российской каучно-техначоскоЗ ксЕрэрешии.-Самэра.- 1596.- с. 20.

8. Неггнов В.А., Данилов' A.A., Унэрор в.Г- Электродинамический г'этод анализа го^рирсвгтио-¡зэлевмх "гртй пор-'дачя 'СВЧ v СВЧ дяапззоаоз. / Тез.доклздсз Российской клучяо-'гкРЕчвсксЛ кс1?2ер'Э:щ1Л1.- Самзрз,- 1955.- с. 22.

9. Наганов В.А., Уваров В.Г. Распространение сотагоноз з ^опноеодно-щ-элэзо" лнтпп передачи с че.пкзйнн?^ гагието-элзктргюсгтгмя пленил / 7оз.докладов ч9 Нау-люЗ сессий FKI0PSÖ.

М:.-1994.- с.53.

10. Наганов В.А., Петров И.А., Овчинников А.Д., Уваров В.Г Исследование сходимости алгоритмов расчета микрополосковы структур на основе метода сингулярных интегральных уравнений / Тез. докл. XXXI научно-технической конференции профессорско преподавательского состава.- Самара : Изд-во ПИИРС, 1992,.С.21.

11. Уваров В.Г. Электродинамический авали волноводно-щелевой линии с нелинейной . сегнетоэлектричвско: пленкой. / Тез. докладов научно-технической кокфзренцк профессорско-преподавательского . и инкенерно-техническог состава.-Самара •: Изд-во ПИИРС 1994, с.17.

12. Неганов В.А.,' Уваров В.Г., Коликов В.В. Нелинейны стационарные волны в волноводно-щелевой линии передачи с тонко, сегнетоэлектрической пленкой / Тез. -докладов научно-техническо конференции профессорско-преподавательского и инженерно технического состава. - Самара : Изд-во ПИИРС, 1995, с. 17.

13. Уваров В.Г. Электродинамический анализ экранирование, волноводно-щелевой линии передачи для КВЧ и СВЧ диапазонов / Тез. докл. 1-й международной студенческой конференции "Физика : прогресс". - Санкт-Петербург: А.О. "Текст", 1993, С.80-81.

14. Уваров В.Г. Расчет диаграммы направленности микрополое кового излучателя прямоугольной фор;,и. / Тез. докладов 1; Самарской областной студенческой научной конференции, 1992, с.90

Пода, к печ. ^ Формат 60x84 Бумага

Печать сфсэткгя. Уч.-изд. л. /,£> . Тирах /£!' экз. Заказ /¿5 .

Бесплатно._

Тызогргфм НГТУ. 603600, Н.Новгород, ул.Микюи, 24.