автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.21, диссертация на тему:Исследование и расчет функциональных СВЧ и КВЧ узлов на основе неоднородных и продольнонерегулярных волноведущих структур



•Л/

\ ' На правах рукописи

' Щербаков Владимир Викторович

Исследование и расчет функциональных СВЧ и КВЧ узлов на основе неоднородных и продольно-нерегулярных волноВедущих структур

Специальность 05:12.21

Радиотехнические системы специального назначения, включая-

технику СВЧ и технологию их производства

• ((•,

Шт

^ ) ' Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических кате

Н. Новгород • 1998

Работа выполнена в! Нижегородском государственном техническом университете,

Научный, руководитель - доктор технических наук Родионов А .Л. Официальные оппоненты:

Орлов О. С.-доктор технических наук, зам. директора по науке НТП "Сзлют-21", г. Н.Новгорол ;

г 7

Рыжахов С. М.-кгщпизт'теммчгсклх клу^; .-.чяат ННГУ, г. Н.Козгород,

Ведущая оргшизаиия - Нижегородский наут^-нссл^омтельсмь-' приборостроупелъный институт, г. НЛгемород ; •

Зашла состою ся 25 тоня 1998 г. в 15 часов ш заседании спецпали-знроьанного Совета Д.063.85.06 и Нижегородском {оеударствешюм техническом университете по адресу; 603600, г. I{-.Новгород, ГСП-41, уд. Минина, 24 . ,

С диссертацией -мож!Ю ознакомиться »-библиотеке НГГУ. Автерефграг разослан 1998.г.

Ученый сек{*етарь специаяшироааь'но! о Совета

к.т.н., доцеиг . ^* М. В Горюноз

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Традиционными для сантиметровой части СВЧ диапазона являются мнкрополосковые, коаксиальные и волноводные однородные и регулярные направляющие структуры, на основе которых разработана и разшгта функциональная база указанного диапазона волн. Развитие современных систем передачи и обработки информации обуславливают необходимость освоения и развития верхней части СВЧ, миллиметрового и субмшишметрового диапазонов волн, где большой интерес вызывает использование, помимо указанных, более сложных неоднородных по поперечному сечению [Л.1] и нерегулярных по продольной оси направляющих 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, разрзботашшх 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 выяснення 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 субмшшиметрового диапазонов волн;

- расчет и оггп(мизация 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.

Методы 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 создашги электродинамических моделей неоднородностей волноводно-микрополоскового тракта с помощью метода интегральных уравнений, полученных на основе леммы Лоренца применительно к дифракционным задачам, и модифицированного метода поперечных сечений - к расчету резонансных частот открытых предельных биконическдас 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-полоскового перехода (КПП), волководно-полоскового перехода

(ВЛП), перехода от прямоугольного волновода к П-образному, перехода между двумя П-образнмми волноводами с различным поперечным сечением, короткоззмкнутой нагрузки мчкрополоскового тракта, конструктор ско-техпологнческих псолнородностей, возшжающих в держателе транзистора 1! при соединении литеграпьных модулей СВЧ и КВЧ диапазонов.

3. С помощью моги (филированного метода поперечных сечешш решены задачи о расчете открытых бионических резонаторов и . широкодиапазонных резонаторов с нерегулярной экршпфуюшей-поверхностью, перестраиваемых аксиальными мстахчнческнмц стержнямн.

4. С использованием "слабо нерегулярного" приближения метода поперечных ссчсннй получено достаточно простое уравнение, позволяющее вычислять резонансные частоты ширскодкапазонных резонаторов с нерегулярной экранирующей поверхностью, перестраиваемых аксиальными металлическим;: стсржнзми, с малыми затратами машшшого кремени. Определены пределы применимости этого уравнения.'

5. С помощью ишепшьного метода основанного на лемме Лоренца, решена задача дифракции мостромзшпного поля на изменении поперечного сечения круглого волноьода.

6. Рассчитаны основш-к характеристики резонатора на основе нового явления, существующего в двухслойном круглом ммн'оводе'-комшсксного резонанса.

7. Создан пакет прикладных программ расчёта" электрических характеристик и огшшкатигиараметров'рядз ФУ СВЧ и КВЧ диапазонов, являющегося базой для создания САП? систем обрабаш!' ¡1' передачи' информации указанных диапазонов.

Праи'пг'.оскпчгичнюс?;. работы згжтючался:

- в сооди'ни шгсмапшсских моделей',' более" г.олно, по, сравнению с супкаяуюиуйш, отражающих реальные физические процессы, происхода«^« исследуемых функшюиал'ьшах утих;

- в сошши, ал!пр;1Р.,ч;я расчета нерегулярных участков волповедущего тракта, пригод»!!.:\ дприменения в задачах аналпгэ'ноиггемустройств' СВЧ и К-.'Ч ;::>.:•:••.. ' .....;,

- в алгоритмт\ ¡: кр-м-рачмач расчета''согласной»к устройств и переходов между различными л;; с; передачи, в выполнении на основе этих алгоршмок и «рсчфдум ьошерепюго кондукторского проектирования и оптимизации ]!;;ра>'е11х4'де)У,каи: ¡4 граизнстора;

в алгор!пма\ м пр«рам\)а\ расчета ¡:.>{4» шгамхнутой нагрузки мпкропйлотч»«гм трама;

- в алгоритмах и программах раечЬкг открытых бикокнческнх и широкодмапаюнных иереетраиплемм'х

- в проведенной 'он гимнин шн иэргч'сфов вл'.ч функциональных узлов и устройств, расс.мо!репных и диссертации.

£>юшодз1шос1^ц_.лет научных положсш-н, г.и кодов и

рекомендации, сформулированных в диеесрпщ<ч1, подгвераааэтеч:'

- соответствием постановок - краевых задач предложенным электродинамическим моделям исследуемых ФУ;

- использованием теоретически обоснованных методов расчета нерегулярных волноведущих структур;

- проверкой теоретических, результатов проведенными экспсримекгалышуи исследованиями;

- соответствием результатов полученных при помощи выражений следующих из предельных переходоз, известным тестовым;

- разработкой реальных конструкций КПП, ВПП, держателя транзистора, широкодиапазонных перестраиваемых резонаторов с характеристиками, не уступающими их лучшим зарубежным аналогам.

Реализация результатов и предложения оо их использовании-. Результаты диссертационной работы внедрены и нашли практическое использование на ряде предприятий различных министерств и ведомств. Основные результаты нашли применение в Нижегородском научно-исследовательской приборостроительном институте (ННИПИ) при конструировании СВЧ. генераторов нового поколения (НИОКР Трафнк-80", "Гетеродин")..

На основе разработанных алгоритмов к программ в ННИПИ созданы коаксиально-полосковые и волноводно-полоскозые переходы, разработан держатель транзистора, позволяющий измерять- Б-параметры СВЧ транзисторов с погрешностью не хуже 7% (НИОКР "Фауна-2", "Комплект-К", "Комплект СВЧ-П", "Флюорография", "Разел1Ш-90М1Д-Моргель-10"}.

Результаты проведенных исследований по согласованию коаксиальных и полоскозых линий использовались в ННИПИ при'разработке и промышленном . производстве прецизионных коммутационных устройств в специализированном изделии ГО1ИТ-А-2 (ОКР "Чершаса-80"), созданном по соогвегствующему Постаковлсшпо правительства СССР.

Теоретические и практические результаты по созданию согласующих устройств волноводно-микрополоскового тракта внедрены в НИИИС (г. Н. Новгород). Алгоритмы и программы по расчету коаксиально-полосковых и волповодно-полосковых переходов вошли в библиотеки алгоритмов и программ САПР этих организаций. ■

Апробация- работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на: 35-й,37-й Всесоюзных научных сессиях, посвященных Дню радио (Москва, 1980,1982); Всесоюзной конференции "Перспективы развития техники СВЧ" (Киев, 1981); Научная конференция молодых ученых Волго-Вятского региона, посвященная 60-летню образования СССР (Горький. 1982); I Республиканской научно-техшгческой. конференции "Расчет и проектирование подосковых антенн" (Свердловск, 1982); Всероссийская конференция "Высокие технологии в. радиоэлектронике" (Н. Новгород, 1996);.'Научно-технической конференции факультета радиотехники и технической кибернетики, поезященмой 80-летию НГГУ (Н.Новгород 1997).

. По результатам диссертационной работы имеется 14 научных публикации в центральной научно-технической печати. Подученные и процессе выполнения

диссертационной работы результаты используются при создании элементной базы систем передачи и обработки информации в СВЧ и КВЧ диапазонах волн.

Положения, выносимые на защиту:

1. Электродинамические модели и созданные на их основе алгоритмы и программы расчета соосных коаксиалыю-полоскового и волноводно-лолоскового переходов.'

. 2. Расчет и оптимизация, параметров ступенчатых неоднородноеген волноводно-микрополоскового тракта КВЧ диапазона.

3. Расчет и оптимизация параметров КПП, ВПП, короткозамкнутой нафузки мнкршюлоскивой линии (МПЛ), конструкторско-технологической неоднородности, возникающей в держателе транзистора и при сочленении интегральных модулей, выполненных из основе различных МПЛ.

4. Расчет шнрокодианазопных псрестрангае.угых колебательных систем, выполненных па базе цилиндрических резолачеров с нерегулярной боковой поверхностью и открытых биконических резонаторов.

5. Расчет задачи дифракции электромагнитного ноля на изменении поперечного сечения круглого волновода, основанный на лемме Лоренца.

6. Расчет резонатора на основе нового явления, существующего в двухслойном круглом волноводе -комплексного резонанса.

7. Результата экспериментального Исследования рассматриваемых в диссертации неодиородпостей 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 наименований, 8 приложений, содержащих акты внедрения результатов диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дан анализ современного состояния вопроса, поставлена цель диссертационной работы, обоснована ее актуальность, сформулированы задачи исследований, определена новизна лолучешых речультатоз и их практическая значимость, обоснована их достоверность, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе описываются результаты построения электродинамически строгих моделей типовых неоднородное «ей' коаксизлмт-иашоводно-микрополоскового тракта. С использованием метода расчета ступенчатых нерегулярностей в линиях передачи, основанного на интегральном соотношении Лоренца, составлены алгоритмы расчета осносных базовых, элементов держателя транзистора: ролноводно-полоскепых и кеакспально-полосковых переходов, стыка двух МПЛ с проводи псами, расположенными в одной плоскости на различных подложках,- корот незамкнутой нагрузки микрополоскового тракта. Держатель 7ранзиетора используется для измерения

8-параметров СВЧ транзисторов в микрополосковом тракте с помощью автоматизированного измерительного стенда (АИС) [Л.4], в котором функции управления, отработки данных и расчета скорректированных результатов возлагаются на мини-ЭВМ Для включения транзисторов в тракт СВЧ используется держатель транзистора [Л.5] с микрополосковой линией передачи, который, благодаря наличию сменных секций, позволяет проводить калибровочные измерения и измерение Б-параметров транзисторов при одних и тех же КПП. Для выделения Б-параметров СВЧ транзисторов необходимо проводить калибровочные измерения нагрузок'с известными коэффициентами отражения, помешенных в плоскости подключения измеряемого транзистора. Калибровочные нагрузки изготавливаются на основе МПЛ и конструктивно выполнены в виде сменных секций. Обычно применяются следующие нагрузки, располагающиеся в плоскости отсчета: согласованная, разомкнутая и корогкозамкнутая. Их использование позволяет проводить калибровку одновременно во всем диапазоне рабочих частот АИС (0.11-И8 ГТц), результатом которой являются параметры четырехполюсника ошибок (калибровочные постоянные).

Погрешность измерения Б-параметров складывается из погрешностей связанных с характеристиками СВЧ узлов АИС, держателя транзистора и калибровочных нагрузок.

Расчет и оптимизация параметров ступенчатых неоднородностей коаксиально-волноводно-микрополоскового тракта позволяет оптимизировать параметры КПП, ВПП, короткозамкнугой нагрузки мнкрополоскового тракта и держателя транзистора в целом.

В п. 1.2 показано применение метода леммы Лоренца к задачам о расчете ступенчатой нерегулярности (рис. 1] Полагая, что поля Л'2. Н-, в лемме Лоренца [Л.6]

£ ^ЁЩ-^гН^^^Ёг-Ш.-^Нг+^Н^. (1)

создаются источниками ][", расположенными в плоскости стыкуемых волноводов, 2=0, т. е. -

Л = Ж^Л'-Ё?) . (2)

Поля Ё2, Я2 в этом случае можем представить в виде: ¿ад =¿£«.2 = (3)

где Ё$х, Н'„1~)- поля собственных волноводных областей стыкуемых волноводов (рис. 1] ,

Под полем £',, Я, в (1) понимаем решение однородной задачи, т.е. можем его представить

[Т3 11 ^

, I

0

Рис. 1

в виде:

д(и> = £<и>; ' _ я<'-2> = (4)

где Щ-г), Я[',2} - поля собственных волн соответствующего волновод! В этом случае интегральное уравнение (1) преобразуется к виду

; (5)

\{н, ,Ё? к= }я . (б)

5(г-0) 5(1-0)

Алгебраизация системы уравнений (5), (6) приводит к достаточно простому алгоритму расчета характеристик передачи ступенчатого соединения двух произвольных волноведущих структур. С физической точки зрения систему уравнений (5), (6) можно трактовать как условие энергетической (модовой) ортогональности волн в стыкуемых структурах [Л.7].

В п. 1.3 методом частичных областей с условием энергетической ортогональности составлены алгоритмы расчета стыка двух П-образных волноводов с различными высотами гребней, стыка П-образного волновода с экранированной микрополосковой линией (ЭМПЛ). На основе метода декомпозвдни с применением аппарата обобщенных матриц рассеяния стыков двух П-образных волноводов' и стыка П-образного волновода и ЭМПЛ составлен алгоритм расчета соосного ВПП со ступенчатым согласующим трансформатором. Результаты расчетов, проведенных с использованием разработанного алгоритма,- позволили оптимизировать параметры перехода: перепады высот гребней и длины отрезков регулярных П-образных волноводов, соотношение ширины гребня и ширины полоска ЭМПЛ, высоту гребня конечного отрезка П-образного волновода, обеспечивающие заданное согласование ВПП. Приведено экспериментальное исследование ВПП с помощью метода измерения К„1! (н) и ослабления "на пару", подтвердившие все основные теоретические результаты и показавшие возможность применения разработанного метода расчета согласующих устройств волноводно-полоскового тракта. ■

В п. 1.4 методом частичных областей с условием энергетической ортогональности составлены алгоритмы расчета ' КПП. Исследование характеристик стыка коаксиального кабеля с ЭМПЛ, проведенное на основе разработанного метода, позволило сформулировать рекомендации по оптимизации параметров КПП. Приведено экспериментальное исследование электрических характеристик КПП методом подвижной полосховой нагрузки. Для экспериментального исследования зависимости параметров КПП от взаимного расположения центральных проводников КЛ и ЭМПЛ использовался метод измерения "на пару". В результате проведенных экспериментальных исследований . подтверждена действенность описанных з настоящей главе диссертации алгоритмов расчета К1Ш. •.

В п. 1.5 приводятся алгоритм и результаты расчета электрических характеристик, короткозамкнутой нагрузки ЭМПЛ, которая используется в качестве образцовой нагрузки при определении калибровочных постоянных

ЛИС в случае измерения Б-параметров СВЧ транзисторов. Полученные численные результаты, позволяют сформулировать требования к геометрическим размерам короткозамкнутой нагрузки, обеспечивающих необходимые величины электрических характеристик. Приведено экспериментальное ' измерение модулей коэффициентов отражения калибровочных нагрузок (согласованной, разомкнутой и короткозамкнутой) используемых при калибровке АИС, выполненных методом подвижной нагрузки.

В п. 1.6 описан разработанный на основе предложенного метода атгоритм расчета стыка двух МПЛ с проводниками, расположенными в одной плоскости на различных подложках. Такой стык возникает в держателе транзистора и часто встречаются при сочленении шггегральных модулей, выполненных на основе различных МПЛ гибридных и объемных интегральных схемах СВЧ и КВЧ. Полученные численные результаты позволяют, исходя из заданного согласования стыкуемых линий, формулировать требования к конструкторским и технологическим' допускам на параметры сочленения. Кроме того, эти результаты дают возможность использовать исследуемую неоднородность в качестве компенсирующего элемента для минимизации чувствительности коэффициента отражения на входе ГИС и ОИС СВЧ к точности реализации первичных параметров.

Во второй главе . с использованием модифицированного метода поперечных сечений [Л.8] и метода частичных областей разработал алгоритм расчета широкодиапазонных резонаторов выполненных на базе цилиндрических волноводов с нерегулярной экранирующей поверхностью, перестраиваемых аксиальными металлическими стержнями и открытого предельного биконического резонатора.

В п. 2.2 показано применение 'модифицированного метода поперечных сечений для расчета волноводов с нерегулярной экранирующей поверхностью.

В п. 2.3 приводится полученный на основе метода частичных областей и модифицированного метода поперечных сечений алгоритм расчета широкодиапазонных резонаторов, выполненных на базе цилиндрических волноводов с нерегулярной экранирующей поверхностью, перестраиваемых аксиальными металлическими стержнями. С использованием "слабо нерегулярного" приближения метода поперечных сечений подучено дост аточно простое уравнение, позволяющее вычислять резонансные частоты широкодиапазонных резонаторов с нерегулярной экранирующей поверхностью, перестраиваемых аксиальными металлическими стержнями, с малыми затратами машинного времени. Определены пределы применимости этого уравнения. Приводятся результаты расчета и экспериментального исследования настроечных характеристик и измерения добротности (с помощью АИС) разработанных в глайе резонаторов с конической нерегулярной поверхностью для колебания квази-Еощ. .

В п. 2.4 на основе модифицированного 'метода поперечных сечений разраб01ан алгоритм и приведены результаты расчета 'открытых предельных

нерегулярных резонаторов. Показано, что в таких резонаторах колебания оказываются более разреженными и высокодобротнымн по сравнению с колебаниями закрытых резонаторов, что подтверждено, приведенными в глазе экспериментальными результатами измерения резонансной частоты и добротности колебания Нои открытого предельного б!жонического резонатора, проведешюго прямым методом.

Хорошее совпадение экспериментальных и теоретических результатов исследования широкодиапазонных резонаторов выполненных . на базе цилиндрических волноводов с нерегулярной экранирующей поверхностью, перестраиваемых аксиальными металлическими стержнями и открытого предельного бикошпеского резонатора показали правомерность испсльэоаашя модифицированного метода поперечных ссчсгап! для расчета ФУ СВЧ и КВЧ диапазонов на основе нерегулярных волпопелущпх структур.

П третьей глазе используется метод иг-ггегрддьгалх уравнений, основанный на лемме Лоренца для решения задачи дпфракшш волны Hoi на изменении галерочного сечения круглого водьчтаода с помощью конусообразного перехода и задачи о рдочете дифракции на скачке поперечного сечспия круглого волноводу.' Показывается, что благодаря штарпантиости выСера места расположения вспомогательных источников, обеспечивается вроется процедура алгебра! [зацни задачи.

В п. 3.2 показано, что в общем случае, когда иссдеду емый стык яздястся аксиально-несимметричным, либо он симметричный, но возбужЛастс.я несимметричной волной, в записи уравнения (!) используются и электрический, и магнитный диполи. При этом элементарные' магнитные диполи размещаются в точках, близких к максимуму искомого мапттисго поля, а элементарные электрические диполи - в точках, близких к максимуму электрического поля. Определив оптимальное расположение этих источнике» ' из условия наилучшего выполнения закона сохранения энергии получагм достаточно точные результаты уже в . небольших приближениях. Орие1ггировочпун> структуру'искомого поля можно представить, исходя из-_ структуры поля соответствующей волны в регулярном круглом волноводе.

В п. 3.3 на основе метода леммы Лоренца разработан алгоритм для решения задачи дифракции волны Hoi на изменении поперечного сечения круглого волновода с помощью конусообразного перехода и задачи о расчете дифракции на скачке поперечного сечения круглого волной ода. В этом случае а качестве вспомогательных источников используются элементарные магнитные диполи, расположенные вдоль оси исследуемой структуры. Основные трудности при реализации разработанного алгоритма- .связаны с вычислением получающихся интегралов. При решении задачи в тем или ином приближен;:и при конечном числе точек, в которых помешаются вспомогательные источник!!, их координаты можно выбирать произвольным образом.

В п. 3.4 покачано, что для рассматриваемого случая дифракции водны.h'ci• на стыке двух круглых волноводов все .нмтстролм,. имеющие &:скомечныс •пределы, удается взять аналил!ческн.

В п. 3.5 приведено сравнение численных результатов решения задачи дифракции волны Нш на скачкоооразном осесимметричном изменении поперечного сечения круглого волновода, с результатами, приведенными в работе [Л.9], показавшее высокую эффективность предлагаемого метода расчета нерегулярных волноведущих структур .

Данный метод оказывается значительно экономичнее обычного метода интегральных уравнений в отношении ресурсов ЭВМ, что дает возможное!ь использовать его для расчета более сложных неоднородностсй. Показывается, что для ступенчатых нерегулярностей расчетные выражения, получаемые па основе предлагаемого метода, можно значительно упростит ь.

В четвертой главе были исследованы электрические- характеристики полосовых СВЧ фильтров выполненных па основе двухслойного круглого волновода, использующих явление комплексного резонанса, которые отличаются простотой конструкции, .технологичностью изготовлени>;. Проектирование таких фильтров можно проводить на основе достаточно простых предварительных расчетов, которые сводятся к определению диапазона частот комплексных воли. Полоса пропускания рассматриваемы?; полосовых фильтров может бьпь выбрана как. широкой, так и в сколь угодно узкой (область существования комплексных волн).

Поскольку понятие комплексного резонанса тесно связано с понятием комплексных волн, в п. 4.2 приведены основные сведения о свойствах комплексных воли ва примере комплексной волны НЕц двухслойного круглого экранированного волновода, где-определена область параметров и границы частотного диапазона в которых существует эта волна и-.показано, что в волноводе наблюдается "разворот" энергии комплексной волны, благодаря наличию поперечных составляющих плогноетн потока акпшной мощности, в результате чего и образуется явление комплексного резонанса [)}-.

В п. 4.3 приводятся результаты расчета добротности комплексного рекшанса двухслойного круглого волновода работающе!« на комплексной волны НЕц, выполненные методом возмущенна. Показано, что наряду с достаточно большим численным значением - .добротность комплексного резонанса отличается относительным постоянством в -значительной полосе частот.

Б п. 4.4 представлены результаты экспериментального исследования доброгносгн комплексного резонанса. В связи с особешк-сгыо комплексного резонанса, существующего как в широкой, так и в сколь уч одно узкой полосе частот, разработали специальные методики расчет, и ншерения его добротности: Экспериментально показано, чю численные значения до.'рогност еп комплексного резонанса комплексной - водны Ш-ц и резонатора -выполненного на закороченном отрезке двухслойно! о кругло! о волновода работающей» на колебании имеют стнн и тот жс'ж>р«дои.

В п. 4.5 па основании полученных реЗульТйкж нсояедуекя возможность пр::;шг:еско: о использования комплексно) о рспсинса при разработке iuvjpcomav СВЧ фюыро» рьтодпадки?; -на 'осксчч; др; чс.'ктного круглого

волновода, использующего явление комплексного резонанса, рассматриваются конкретные конструкции полосовых фильтров.

В заключении перечислены основные результаты, полученные в процессе ее выполнения.

В приложениях приведены расшифровки формул и обозначений, используемых в диссертации, прщедены акты внедрения результатов диссертации.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Показано, что применение метода, осноьанного на лемме Лоренца, для расчета ступенчатых нерегулярностей типа сочленений различных линий передачи приводит к системе интегральных уравнений, допускающих простую процедуру алгебраизапии за счет использования условия непрерывности потока энергии в исследуемой структуре.

2. С помощью метода, основанного на лемме Лоренца, разработан!.I алгоритмы и составлены пакеты программ расчета базовых элементов коаксиально-аолноводно-полоскового тракта: сгыка двух П-образных волноводов с различными высотами гребней, стыка П-образного волновода с ЭМПЛ. стыка коаксиальной линии и ЭМПЛ. корогкозамкнутой нагрузки ЭМПЛ, стыка двух ЭМПЛ с различными диэлектрическими подложками.

3. Проведено исследование влияния параметров стыка (геометрических размеров, взаимного расположения, ' диэлектрических проницаемое гей заполняющих сред) коаксиальной линии и • ЭМПЛ на электрические характеристики КПП.

4. На основе метода декомпозиции с применением аппарата сообщенных матриц рассеяния стыка двух П-образных волнозодов и стыка П-образного волновода и ЭМПЛ разработан алгоритм и составлен пакет программ расчета соосного ВПП со ступенчатым согласующим трансформатором. Исследование зависимости электрических характеристик ВПП от . его геометрических параметров позволило оптимизировать Последние и обеспечить 'хорошее согласование в широкой полосе частот. В результате проведенных исследований была разработана конструкция ВПП, имеющего К^Ь7 (ч) з диапазоне частот 26,5 -г 37 ГГц, не превышающий 1,3. Переход является элементом конструкции держателя трашистора, используемого а АИС для измерения параметров СВЧ схем.

5. Разработан алгоритм расчета корогкозамкнутой нагрузки в ЭМПЛ, которая входит а комплект образцовых нагрззок для шмерения параметров СВЧ схем с помощью АИС. Получены'численные результаты,. позволяющие сформулировать требования к геометрическим размерам короткозамкнутой нагрузки, обеспечивающих необходимые электрические характериспга'.

6. Разработан алгоритм расчета конструкционной . неоднерозчостп. возникающей в держателе транзистора и при соедингики интеграл-.н;.''-:

модулей СВЧ и КВЧ диапазонов в виде стыка двух ЭМПЛ с различными диэлектрическими подложками. Получены численные результаты, позволяющие сформулировать требования к конструкторским и технологическим допускам.

7. На основе совместного использования МЧО и модифицированного метода поперечных сечений разработан алгоритм расчета нерегулярного по продольной координате цилиндрического резонатора, перестраиваемого аксиальным металлическим стержнем, применяющегося в качестве колебательной системы генератора СВЧ. В результате проведенных расчетов было показано, что у резонатора с нерегулярным бнконичсскнм участком коэффициент перекрытия диапазона рабочих частот при нелинейности настроечных характеристик менее 2,5% может быть более 4, что почти в два раза превышает коэффициент перекрытия цилиндрических резонаторов, перестраиваемых аксиальными металлическими стержнями.

8. С использованием "слабо нерегулярного" приближения метода поперечных сечений получено достаточно простое уравнение, позволяющее вычислять резонансные частоты широкодиапазонных резонаторов с нерегулярной экранирующей поверхностью, перестраиваемых аксиальными металлическими стержнями, с малыми затратами машинного времени. Определены пределы применимости этого уравнения.

9. На основе модифицированного метода поперечных ссчений разработан алгоритм расчета открытых предельных нерегулярных резонаторов. Показано, что е таких резонаторах колебания оказываются более разреженными и высокодобротными по сравнению с колебаниями закрытых резонаторов. Проведен расчет, открытых предельных ' биконических . резонаторов, использующихся в качестве колебательных систем радиоспектроскопов.

10. Разработан алгоритм расчета нерегулярных линий передачи, в основе которого лежит , интегральное соотношение Лоренца. Покачано на осесимметричном скачке поперечного сечения круглого волновода, что метод леммы Лоренца одинаково пригоден для расчета как плавно нерегулярных волноводов, так и волноводов со ступенчатыми неоднородшетями и не имеет каких-либо ограничений па форму поперечного сечения исследуемой структуры. Благодаря инвариантности выбора места расположения вспомогательных источников поля, в качестве которых используются элементарные электрические и магнитные . диполи, получается простая процедура алгебранзацин задачи.

11. Проведены расчет и измерение добротности комплексного резонанса, позволившие оценить перспективы его практического использования. В связи с особенностью комплексного резонанса, существующего как в широкой, так ¡1 в сколь угодно узкой полосе частот, разработаны специальные методики расчета н измерения его добротности. Проведенные исследования могут служить базой для создашь системы проектирования частотно-избирательных устройств, в частности, пояоеовыч фильтров, отличающихся простотой конструкции и

технологичностью изготовления.

12. Основные теоретические результаты и выеоды, полученные при шполнсшш диссертации, были проверены экспериментально. Экспериментальные результаты совпада!от с расчетными и подтвер;кдакгг женственность разработанных методов и возможность использования вставленных алгоритмов и программ в качестве основы системы машинного ¡роектировання элемсэтной базы верхней части СВЧ я КВЧ диапазонов волн. Гоздаиные при выполнении диссертации функциональные узлы л элементы моют характер:; _шки на уровне лучших отечественных и зарубежных образцов.

ПО ТГМЬ ДЛСаЛТДЦПП ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЙ РАБОТЫ:

1. Родионов А. А., Шерб-"ев В. В. Расчет огкрттытг предельных бикокических резонзгсроз //Тезки млатов XXXV Всесоюзной научной сессии. :::;сзя1;'о;пи'11 Дню радио, - М.: 1у80. С 25 - 26. У Мфчеа А. Г., Раевский 0 Щербаков В.В., Веселов Г. II. Расчет .-шротностл СВЧ ре?оиагсрз на отрезке круглого двухслойного экранированного волновода. //ТСС. сер. РИТ, 1931, зыа 2(34). С. 25-2$. Радионоз А. А., Раевский С. Щербаков В. В. Дифракция :-п перегуд-слых участках экршшровнних полосковых лшшй /Тез. д>;лцдоь I Республиканской -Н'ПК ''Расчет и проеетировзиие полосковых ачгсй-Г, Свердловск. 1982, С. 106- 108,

Баринова В. Ф., Радионов А. А., Рудоясова Л: Г., Щербаков В. В. Расчет стыка двух полосковых лшшй /Тез. докладов I Республиканской НТК "Расчет и проектирование полосковых ангепн", СзерллоЕсх, 19Й2,С. 108 - 1 ¡0. >. Баршюва В. Ф.. Радионов А. А., Щербаков В. В. Расчет элементов матрицы рассеяния т::повых неоднородностсй экранированной мшсрополоекоеой линии //Тез: Докладов XXXVII Всесоюзной научной сессии, лосвящсниоЗ Дню разно. - М.: Радио и связь, 1982. С. 43. >. Ргдаодаз А. А., Щербаков В. В. Расчет стыка патоекапых линий /Межвузовсюш сб-к научных трудов "Злектромапштнач совместимость радносистем", Горький, ГГУ, 1984, С 29-32.

Родионов А. А., Раевский С. Б., Щербаков В. В. Расчет коаксиадыю-полосхового перехода /Межвузовский со наз'чных трудов "Электромагнитная совместимость рэдиосистем". Горький, 1985,С. 74-80. >. Раевская О. И., Макарычева С. II., Щербаков В. В. Лвгомапспфсвишые измерения 5-параметров СВЧ транзисторов //ТСС,сер. РИТ,1985,зып.1.е.72-75.:.

Ратионоя А. А., Щербаков 33. В. Расчет шярокодпгпхюниых резонаторов с линейной настроечной хлрачтеристакой. /Мс;;с:;} зояекий со научных трудоа ""Электромагнитная совместо.чость-радиоеистем'', Горький, ГГУ, 1987.С 77- 32.

10.Радионов А. А., Щербаков В. В., Шишков Г. И. Экспериментально! исследование широкодиапазонных СВЧ резонаторов //ТСС, сер. РИТ, 1989 2,с. 52-56. . • 1!.Раевская О. II., Щербаков В. В. ЦЛфокополосные удвоители частоты и;

диодах с накоплением заряда //ТСС, сер. РИТ,1991, вып.4,с.93-95. 12-Майстренко В.К., Радионов А'.А., Щербаков В.В. Расчет волноиодно полосковых и коаксналыю-лолосковых переходов /.'Вестник -ВерхнеВолжского отделения Академии технологических наук РФ. сер. Высоки', технологии в радиоэлектронике. Вып. 1 (3), 1997. - с. 60-65. В.Майстренко В. К., Радионов А. А., Щербаков В. В. Расчет нерегулярною I продольном сечении резонатора перестраиваемого аксиальны!» металлическим стержням. //Тезисы докладов научко-технлческо! конференции, фак. РиТК, поев. 80-летию НГТУ,- Н.Новгород, 1997, с. 80. 14.Калмык В. А., Раевский С. Б., Щербаков В.В. О расчете и измерена! добротности комплексного резонанса //Электродинамика и техника СВЧ \ КВЧ.Т. У.Вын. 2(18),1997. С.ПО-171.

ЛИТЕРАТУРА

ЛЛ.Веселов Г. И., Раевский С. Б. Слоистое металло-диэлектрические

волноводы - И.: Радио и связь, 1988. - 248 с. Л.2.Кацснеленбаум Б. 3. .Теория нерегулярных волноводов с медленно меняющимися параметрами -М: Изд-во АН СССР, 1961.-215 с.

' Л.З.Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн - М: Наука, 1989.-543 с^ ЛААндрсев И. Л., Нечаев Э. В. Анализ метрологических характеристик АИС для измерения параметров цепей СВЧ при_ использовании различных наборов калибровочных элементов //Техника средств связи, серия РИТ, 1984, вып. 1. С. 3-11. ~ ■

Л.5.Раевская О.И. Держатель транзисторов. - 1983. -Деп. в ВИМИ, N Д05697. Л.б.ВаГшштеГш Л. А. Электромагнитные волны. - М: Радио и связь,1988.- 440 с.

Л.Т.Итегральная оптика /Под ред. Т. Тамнра. - М.: Мир,.1977..- 308 с. Л.8. Паг.ельев В. Г., Цимрннг Ш. Е. К теории неоднородных электромагнитных волноводов, содержащих критические условия //Радиотехника и электроника. 1982.27, 6, с. 982-986. ' Л.9.Резонансное рассеяное волн. Т. 2. Водноводиые неоднородности /Шестопалов В. П., Кириленко А. А., Рудь Л. А.'-. Киев: Панова думка, 1986.-216 с.

Подл, к ni4.I2.C5. -3.Формат 60x84 '/16. Бумага Г.".ЗСТЯ?П 'Печатьофеспи«.Уч.-изд.л. 1,0. Тираж ВО экз. Заказ 232.

Типография Ш'ТУ. 60Д<>00, Нижним Новгород, ул.Мшнша, 24.