автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Электродинамический анализ плоской микрополосковой периодической структуры с нелинейными нагрузками

2 / -/рс?^ л

«>* / " ч/Ч/ """,'./ У "Г Ж

■ / ./ С/ %/ •

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Таганрогский государственный радиотехнический университет

На правах рукописи

Гамолина Ирина Эдуардовна

Электродинамический анализ плоской микрополосковой периодической структуры с нелинейными нагрузками

Специальность 05.12.07 - "Антенны и устройства СВЧ"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Б.М.Петров

Научный консультант -кандидат технических наук, доцент Д.В.Семенихина

Таганрог -1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

СПИСОК ПРИНЯТЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ 4

ВВЕДЕНИЕ 5

1. МИКРОПОЛОСКОВЫЕ СИСТЕМЫ, СОДЕРЖАЩИЕ НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ: ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ МОДЕЛИ

И МЕТОДЫ ИХ АНАЛИЗА 13

1.1. Применение микрополосковых структур

с нелинейными включениями в технике СВЧ 13

1.2. Методы исследования антенн с нелинейными

нагрузками 14

1.3. Учет нелинейных эффектов при проектировании интегральных схем СВЧ 20

1.4. Моделирование нелинейных рефлекторов 21

1.5. Нелинейно нагруженные частотно-селективные поверхности, выполненные на основе периодических решеток 24

1.6. Электродинамический подход к анализу рассеивателей

и излучателей с нелинейными контактами 26

1.7. Выводы 27

2. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПЛОСКОЙ МИКРОПОЛОСКОВОЙ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ

СТРУКТУРЫ С НЕЛИНЕЙНЫМИ НАГРУЗКАМИ 28

2.1. Постановка задачи 2 8

2.2. Граничные условия 30

2.3. Интегральные соотношения для полей 34

2.4. Интегральные соотношения для полей рассеяния 41

2.5. Решение вспомогательных задач 44

2.6. Микрополосковая решетка с нелинейными включениями

2.7. Применение условия периодичности для задачи рассеяния

2.8. Выводы

53 61 65

3. АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ЗАДАЧИ 66

3.1. Формулировка системы нелинейных алгебраических уравнений 66

3.2. Выбор базисных функций 67

3.3. Характеристики рассеяния 7 6

3.4. Пакет прикладных программ 79

3.5. Тестирование программ 84

3.6. Выводы 86

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА 89

4.1. Сходимость численных расчетов 89

4.2. Отражение плоской электромагнитной волны от решетки с распределенными поверхностными нелинейными элементами (нелинейный рейфлектор) 90

4.3. Рассеяние плоской электромагнитной волны на микрополосковой решетке с сосредоточенной

поверхностной нелинейной нагрузкой 104

4.4. Выводы 120

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 125

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 126

ПРИЛОЖЕНИЕ 136

Список принятых обозначений и сокращений

НЭ - нелинейный элемент

НГУ - нелинейные граничные условия

ДСК - Декартова система координат

ЦСК - цилиндрическая система координат

ССК - сферическая система координат

ЭМВ - электромагнитная волна

ЭМП - электромагнитное поле

ПВЭ - приемно-выпрямительный элемент

РЛС - радиолокационные станции

АФАР - активные фазированные антенные решетки

ИС - интегральные схемы

ОИС - объемные интегральные схемы

ВАХ - вольт-амперная характеристика

ЧСП - частотно-селективная поверхность

СНИУ - система нелинейных интегральных уравнений

СНАУ - система нелинейных алгебраических уравнений

ЭНР - эффект нелинейного рассеяния

ПСС - плоскослоистая среда

Введение

Актуальность темы и состояние вопроса. Эффект нелинейного рассеяния (ЭНР), впервые обнаруженный при исследовании систем связи морских кораблей, состоит в том, что при облучении объектов с нелинейными характеристиками электромагнитной волной (ЭМВ) рассеянное электромагнитное поле (ЭМП) содержит спектральные составляющие, отсутствующие в спектре падающего поля.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что источниками нелинейного рассеяния могут служить окисные пленки в местах соединений металлических конструкций, контакты «металл-диэлектрик-металл», ржавчина, сварные швы (источники ЭНР естественного происхождения), а также различные нелинейные полупроводниковые приборы - диоды, транзисторы, параметрические усилители (источники ЭНР искусственного происхождения). Уровень рассеянного поля на высших частотах зависит от электрофизических параметров нелинейно нагруженного объекта, характеристик облучающей ЭМВ, вольт-амперных характеристик (ВАХ) нелинейных включений и их взаимного расположения.

ЭНР проявляется в зависимости выходных характеристик нелинейно нагруженного устройства от уровня внешнего воздействия, появлении побочного излучения, образовании в режиме работы побочных каналов, при увеличении уровня используемых мощностей - нарушении электромагнитной совместимости и экологической обстановки.

Вместе с тем, эффект нелинейного рассеяния может быть использован для ряда прикладных задач, нерешаемых традиционными методами. Это -дистанционное обнаружение и распознавание объектов в условиях сильных фоновых отражений, создание радиолокаторов ближнего действия для осмотра

пассажиров в аэропортах; беспроводная передача энергии; выявление скрытых дефектов в промышленных изделиях, поиск терпящих бедствие людей, оснащенных заранее пассивными нелинейными рассеивателями - маркерами.

Перспективным направлением в технике СВЧ является использование нелинейно нагруженных устройств, выполненных по печатной технологии, что существенно расширяет диапазон возможного применения ЭНР. Микрополосковые структуры с нелинейными элементами (НЭ) могут служить основой для создания активных фазированных антенных решеток (АФАР), антенн-выпрямителей (ректенн), малогабаритных умножителей частоты, поляризаторов на основной и кратных частотах, частотно-селективных систем.

Применение нелинейных элементов в отражательных решетках позволяет управлять пространственно-временным спектром рассеянного поля путем его ослабления или усиления на основной и кратных частотах. Кроме того, преимуществом нелинейно нагруженных отражательных решеток по сравнению с одиночным нелинейным рассеивателем является повышение дальности и улучшение энергетических характеристик систем обнаружения.

До настоящего времени теоретическое исследование ЭНР проводилось по двум направлениям:

1) устройство с нелинейными нагрузками представлялось в виде эквивалентной схемы с сосредоточенными параметрами; анализ схемы проводился в рамках нелинейной теории цепей.

Представление электродинамической структуры в виде эквивалентной схемы невозможно при сложной геометрии объекта, является трудновыполнимой задачей в случае распределенной нагрузки (когда ток и напряжение на площади НЭ нельзя считать постоянными).

2) Для исследования ЭНР металлическими объектами с системой распределенных нелинейных нагрузок был применен электродинамический подход, основанный на решении краевой электродинамической задачи с нелинейными граничными условиями

(НГУ). На основе данного подхода изучалась нелинейная сферическая

антенна, исследовалось поле в волноводе с нелинейными стыками. Данный метод позволяет исследовать влияние электродинамических параметров объекта, нелинейных свойств нагрузок и характеристик облучающей волны (в случае рассеяния) на спектр излучаемого и рассеянного полей, рассматривать как сосредоточенные, так и распределенные нелинейные нагрузки.

Теоретическое изучение СВЧ устройств, выполненных по печатной технологии, с нелинейными включениями до сих пор проводилось в рамках первого направления, когда объект представлялся в виде эквивалентной схемы, что не учитывает все многообразие взаимодействий между различными модулями устройства.

Таким образом, актуальным является теоретический анализ на основе электродинамического подхода характеристик микрополосковой структуры с нелинейными нагрузками.

Целью диссертационной работы является исследование нелинейных электродинамических характеристик плоской микрополосковой периодической структуры с нелинейными нагрузками.

Задачи исследования:

- решение электродинамической задачи возбуждения и рассеяния электромагнитной волны на плоской микрополосковой периодической структуре с нелинейными нагрузками (как сосредоточенными, так и распределенными) методом интегральных уравнений с применением нелинейных граничных условий на поверхности нелинейного элемента;

- алгоритмизация задачи рассеяния для решетки микрополосковых элементов прямоугольной формы с поверхностными нелинейными нагрузками;

изучение основных закономерностей нелинейного рассеяния электромагнитной волны на периодической структуре.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней:

- сформулирована и решена электродинамическая задача возбуждения и рассеяния плоской микрополосковой структурой; структура представляет собой решетку микрополосковых элементов на диэлектрической подложке с примыкающим идеально проводящим экраном; между соседними полосками, а также между полоском и экраном, включены элементы с нелинейной ВАХ;

- алгоритмизирована задача рассеяния плоской монохроматической линейно-поляризованной ЭМВ микрополосковой решеткой с поверхностными нелинейными нагрузками;

- разработан пакет программ по расчету коэффициентов отражения на согласной и кроссовой поляризациях на основной и кратных частотах;

- проведено численное исследование задачи рассеяния электромагнитной волны на решетке идеально проводящих элементов, окруженных распределенной нелинейной нагрузкой; изучено влияние на нелинейное рассеяние электродинамических параметров структуры, свойств нелинейной нагрузки, характеристик облучающей волны; рассмотрен одномодовый и многомодовый режимы;

- проведено численное исследование задачи рассеяния электромагнитной волны на решетке микрополосковых элементов с включенной между соседними полосками сосредоточенной нелинейной нагрузкой; выявлены основные закономерности нелинейного рассеяния;

- выработаны рекомендации по выбору вольт-амперной характеристики нагрузки для решения ряда прикладных задач: электромагнитной совместимости, снижения электромагнитной заметности, использования структуры в качестве пассивного нелинейного маркера.

Практическая ценность результатов, полученных в диссертационной работе, состоит в следующем:

- получение новых знаний в области исследования эффекта нелинейного

рассеяния;

- реализация алгоритма расчета коэффициентов отражения на согласной и кроссовой поляризациях микрополосковой решетки с нелинейными включениями на частоте облучения и кратных частотах;

- выявление основных электродинамических закономерностей при рассеянии плоской электромагнитной волны микрополосковой решеткой с поверхностными нелинейными нагрузками;

- определение электродинамических параметров исследуемой структуры и нелинейных нагрузок, обеспечивающих пространственно-частотное перераспределение энергии падающей ЭМВ для решения задач электромагнитной совместимости радиоэлектронных систем;

- оценка достижимого уровня значений коэффициентов отражения на частоте третьей гармоники облучающего поля;

- исследование нелинейно нагруженной микрополосковой решетки в многочастотном режиме.

Полученные результаты позволили заключить, что решетка микрополосковых элементов с нелинейными включениями может служить основой для создания нелинейных маркеров в поиске терпящих бедствие людей, поскольку достижимый уровень коэффициента отражения третьей гармоники составляет -20 дБ по сравнению с величиной облучающего поля; решать задачи электромагнитной заметности ректенны; управлять пространственно-временным спектром рассеянного поля путем его ослабления или усиления на основной частоте и третьей гармонике.

Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе на кафедре АиРПУ, в НИР №11451 «Анализ нелинейных излучающих, возбуждающих и резонирующих структур», НИР №11480 «Исследование электродинамических нелинейных эффектов и перспективы их применения».

Достоверность полученных в работе результатов подтверждается проведенными теоретическими исследованиями и вычислительными экспериментами: применением метода интегральных уравнений, использованием многократно проверенных математических моделей

нелинейных нагрузок, применением метода моментов, результатами тестирования алгоритма на случаях ненагруженной линейной и отражательной нелинейной решетках; совпадением характера ряда полученных закономерностей с известными ранее характеристиками ЭНР других объектов с нелинейными нагрузками.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях:

LII научная сессия, посвященная Дню Радио, Москва: РНТОРЭС им.А.С.Попова, 1997; Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Компьютерные технологии в инженерной и управленческой деятельности», Таганрог: ТРТУ, 1997; XI Всероссийская школа - конференция по дифракции и распространению радиоволн, Москва: МГУ, 1998; Межвузовская научно-техническая конференция «Проблемы теории и практики построения радиотехнических систем и перспективные методы приема и обработки измерительной информации», Ростов-на-Дону, 1998; 14-th Wroclaw International Symposium on Electromagnetic Compatability and Exhibitions, Варшава, 1998; 28 международная научно-техническая конференция по Теории и технике антенн, Москва, 1998;

научно- практических конференциях профессорско - преподавательского состава Таганрогского государственного радиотехнического университета 1995-1998 годов.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 работ:

1. Семенихина Д.В., Д екал о* И.Э. Граничные условия на нелинейных элементах в интегральных схемах СВЧ. - В кн.: Рассеяние электромагнитных волн. - Таганрог. - 1995. - Вып. 10. - С.75-78

2.Декало И.Э. Микрополосковая решетка с нелинейными элементами. -Известия ТРТУ. - Таганрог. - 1997. - С.64-65

Декало И.Э. - девичья фамилия Гамолиной И.Э.

3.Семенихина Д.В., Декало И.Э. - Рассеяние плоской волны на микрополосковой решетке с нелинейными элементами. - Материалы LII научной сессии, посвященной Дню Радио. - М. - 1997. - С. 174

4.Декало И.Э. Пространственно-временной спектр электромагнитного поля, рассеянного микрополосковой решеткой с нелинейными элементами. - В кн.: Труды XI Всероссийской школы - конференции по дифракции и распространению радиоволн. М. - МГУ. - 1998. - С. 199 - 200.

5.Семенихина Д.В., Декало И.Э. Рассеяние ЭМВ нелинейно нагруженной микрополосковой решеткой. - Известия ТРТУ. - Таганрог. - 1998

6.Семенихина Д.В., Декало И.Э. Применение микрополосковых элементов с нелинейными включениями в радиоэлектронике. - Компьютерные технологии в инженерной и управленческой деятельности. Часть 2. Моделирование, управление и обработка информации в технических и человеко-машинных системах. - Материалы Всероссийской НТК с международным участием . 19.06.-21.06.1996, 21.10-23.10.1997. Таганрог. - 1998. -С.125-126

7.Семенихина Д.В., Декало И.Э. Электродинамический анализ микрополосковой структуры с нелинейными элементами. - ЖЭДТ. - М.: 1997. - Т.5. - №4(20). - С.83-87

8.Semenikhina D., Dekalo I. The Analysis of the Frequent-Space Field Characteristics' of the Antenna Array with Nonlinear Inclusions. -14-th Wroclaw International Symposium on Electromagnetic Compatability and Exhibitions. -1998

9.Semenikhina D, Dekalo I. Reflection Coefficients of Microstrip Array with Nonlinear Loads. - //Теория и техника антенн 28 НТК. М. - АО «Радиофизика». -1998

Ю.Семенихина Д.В., Декало И.Э. Анализ влияния параметров нелинейных нагрузок на отражательные свойства микрополосковой решетки с нелинейными включениями. В кн.: Проблемы теории и практики построения радиотехнических систем и перспективные методы приема и обработки измерительной информации. - Межвузовская научно-техническая конференция. 10-11 декабря 1998г. - Ростов-на Дону. - 1998. - С.77

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов основного текста и заключения. Работа содержит 136с., в том числе 94с. основного текста с 31с. рисунков, список литературы из 75 наименований на 10с. и 1 с. приложений.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. решение задачи возбуждения и рассеяния электромагнитной волны на микрополосковой периодической структуре с нелинейными элементами;

2. алгоритмизация задачи рассеяния плоской монохроматической электромагнитной волны микрополосковой решеткой с поверхностными нелинейными элементами;

3. основные закономерности нелинейного рассеяния электромагнитной волны на решетке микрополосковых элементов прямоугольной формы с нелинейными нагрузками;

4. методы снижения паразитных мод Флоке;

5. рекомендации по выбору параметров нагрузки, обеспечивающих наибольший уровень генерируемых гармоник.

1. Микрополосковые системы, содержащие нелинейные элементы: используемые модели и методы их анализа

1.1. Применение микрополосковых структур с нелинейными

включениями в технике СВЧ

В настоящее время большой интерес представляют структуры, выполненные по печатной технологии (объемные интегральные схемы, микрополосковые решетки и т. д.) в связи с малыми габаритами, малым в�