автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Круглые волноводы с анизотропно-проводящей поверхностью

На правах рукописи

Иванов Сергей Владимирович

КРУГЛЫЕ ВОЛНОВОДЫ С АНИЗОТРОПНО-ПРОВОДЯЩЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

05.12.07 - Антенны, СВЧ-устройства и их технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Нижний Новгород - 2013 005542497

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева»

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Назаров Андрей Викторович

Официальные оппоненты:

Белов Юрий Георгиевич, доктор технических наук, профессор, Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева, заведующий кафедрой «Техника радиосвязи и телевидения»

Смирнов Александр Александрович, кандидат технических наук, Администрация Советского района города Нижнего Новгорода, начальник отдела информационного обеспечения

Ведущая организация:

Открытое акционерное общество «Федеральный научно-производственный центр «Нижегородский научно-исследовательский приборостроительный институт «Кварц» имени А.П. Горшкова», г. Нижний Новгород

Защита состоится 26. декабря 2013 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.01 на базе Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева.

Автореферат разослан ««<✓» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Назаров Андрей Викторович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Современные электродинамические системы представляют собой сложные аппаратно-программные комплексы, предназначенные для решения широкого круга задач, таких как обеспечение коммуникации большого количества абонентов и обмен информацией между ними, радионавигация для обеспечения безопасности управления и маневрирования летательных аппаратов, выполнение измерений в СВЧ и КВЧ технике, а также разработка и улучшение приборов в медицинской технике. Эти важные задачи требуют постоянной разработки новой элементной базы и совершенствования уже зарекомендовавших себя в определенных направлениях базовых структур. Поскольку как строгие, так и инженерные расчеты электродинамических устройств требуют существенных затрат, как временных, интеллектуальных, так и аппаратных, то существенное внимание в настоящее время уделяется теоретическим аспектам принципов функционирования и взаимодействия данных устройств. И действительно, зная принцип работы простейших элементов, мы можем предсказать их поведение при построении более сложной электродинамической структуры, что может частично сократить время, затрачиваемое на исследование и проектирование последней. Таким образом, теоретическое исследование и описание принципов работы электродинамических устройств имеет, несомненно, большое значение.

В настоящей диссертации приводится обзор таких методов расчета электродинамических структур, как метод частичных областей, метод поверхностного тока, метод укорочения дифференциального уравнения, определяются области их применения и существующие ограничения по использованию. На основе рассмотренных методов в диссертации решаются' краевые задачи для круглого диэлектрического волновода (ДВ) с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности и круглого продольно намагниченного ферритового волновода с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности. Исследуются дисперсионные, энергетические и поляризационные свойства волн данных направляющих электродинамических структур.

Круглый ДВ - это структура, наиболее часто используемая при построении линий связи и функциональных узлов техники СВЧ, КВЧ и оптического диапазонов [1-5]. Причиной такого интереса к нему является его относительная конструктивная простота, легкость расчетов характеристик и наличие доступного теоретического описания процессов и механизмов распространения электромагнитных волн в такой направляющей структуре. Круглые диэлектрические волноводы находят свое применение при построении таких устройств, как диэлектрические антенны неосевого излучения, различные виды датчиков, полосовые фильтры [6-11].

Открытые спиральные линии в настоящее время широко используются как линии задержки в метровом диапазоне, как замедляющие системы в сантиметровом диапазоне, как волноводные системы в миллиметровом диапазоне, применяются для конструирования антенн осевого и неосевого излучения. На

сегодняшний день хорошо изучены спиральные линии с воздушным заполнением [12, 13]. В [14] проведено исследование электромагнитных волн круглого открытого ДВ с идеально проводящей спиралью на поверхности, приведены дисперсионные и поляризационные характеристики нескольких азимутально-симметричных и азимутально-несимметричных волн данной направляющей структуры. Однако случаи, когда спираль, находящаяся на поверхности диэлектрического стержня, имеет конечную проводимость, ранее не рассматривались.

В последнее время повышенный интерес проявляется к невзаимным направляющим структурам, использующим при своём построении анизотропные среды, к которым, в частности, относятся ферриты. Ферриты [15, 16] имеют в диапазоне СВЧ и КВЧ высокое удельное сопротивление (р = 1 + 104 Ом м) и малые потери = 10~2 -нЮ"4), обладают одновременно магнитными и полупроводниковыми свойствами, благодаря чему находят широкое применение в радиотехнике, радиоэлектронике и вычислительной технике. На основе ферритовых сред создаются такие устройства, как вентили, циркуляторы, фазовращатели, делители мощности, аттенюаторы и др. Расчету некоторых направляющих структур с ферритами посвящены работы [17-21]. При этом вопросам распространения электромагнитных волн в ферритовых волноводах с резистивными пленками на поверхности ранее внимания не уделялось. В данном случае интерес представляет исследование взаимодействия эффектов, обусловленных анизотропией магнитных свойств ферритовой среды и анизотропией электрических свойств пленки.

Цель диссертации — исследование особенностей дисперсионных, энергетических и поляризационных свойств волн круглых диэлектрического и продольно намагниченного ферритового волноводов с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности, определение перспектив применения рассматриваемых электродинамических структур при создании новых и совершенствовании существующих СВЧ устройств и антенн.

Методы исследования

Представленные в диссертационной работе теоретические результаты получены на основе модели анизотропно-проводящего цилиндра [12, 22, 23], метода частичных областей (МЧО) [24-25], метода укорочения дифференциального уравнения [26], метода поверхностного тока [22] и принципа Гюйгенса-Френеля [24]. Расчет комплексных корней дисперсионных уравнений производился с использованием метода вариации фазы [25], основанного на принципе аргумента [27, 28].

Научная новизна:

- аналитически обоснована полнота системы решений краевых задач, получаемой методом укорочения дифференциального уравнения;

- исследованы дисперсионные, энергетические и поляризационные свойства волн круглого ДВ с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности;

- установлено, что изменения угла напыления резистивной спирали и величины ее поверхностной проводимости оказывают различное влияние на дисперсионные свойства разных волн круглого ДВ с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности;

- исследованы дисперсионные, энергетические и поляризационные свойства волн круглого ДВ с идеально-проводящей спиралью на поверхности. Показано, что рассматриваемая направляющая структура сочетает в себе одновременно свойства как открытого, так и экранированного волноводов;

- исследованы дисперсионные и поляризационные свойства волн круглого продольно намагниченного ферритового волновода с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности;

- установлено, что свойства волн круглого продольно намагниченного ферритового волновода с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности в области частоты ферромагнитного резонанса определяются свойствами феррита, а в высокочастотной (дальней зарезонансной) области -свойствами резистивной пленки;

- определены особенности дисперсионных свойств волн круглого продольно намагниченного ферритового волновода с идеально-проводящей спиралью на поверхности;

- получены диаграммы направленности излучения с открытых концов круглых диэлектрического и продольно намагниченного ферритового волноводов с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности.

Обоснованность и достоверность положений и выводов, сформулированных в диссертации, подтверждаются использованием при расчете направляющих структур теоретически обоснованных методов и численной проверкой выполнения предельных переходов от рассматриваемых структур к структурам, решения краевых задач для которых достоверно известны.

Практическая значимость работы заключается:

- в разработке алгоритмов расчета дисперсионных характеристик волн круглых диэлектрического и продольно намагниченного ферритового волноводов с анизотропно-проводящей поверхностью;

- в создании универсальной программы для ЭВМ, позволяющей на базе модели круглого продольно намагниченного ферритового волновода с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности получать решения дисперсионных уравнений волн всех рассматриваемых в диссертации направляющих структур;

- в создании программ для ЭВМ, позволяющих рассчитывать диаграммы направленности излучения с открытых концов круглых диэлектрического и продольно намагниченного ферритового волноводов с анизотропно-проводящей поверхностью;

- в получении информации о дисперсионных, энергетических и поляризационных свойствах волн круглого ДВ с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности и круглого продольно намагниченного ферритового волновода с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности, позволяющей определить перспективы их [волноводов] применения при создании новых и совершенствовании существующих СВЧ устройств;

- в расчете диаграмм направленности излучения с открытых концов круглых диэлектрического и продольно намагниченного ферритового волноводов с анизотропно-проводящей поверхностью, позволяющих определить перспективы применения рассмотренных в диссертации направляющих структур в антенной технике.

Положения, выносимые на защиту:

- обоснование полноты системы решений краевых задач, получаемой методом укорочения дифференциального уравнения;

- результаты исследования дисперсионных, энергетических и поляризационных свойств волн круглого диэлектрического волновода с анизотропно-проводящей поверхностью, демонстрирующие селективное воздействие резистивной пленки на волны разных типов;

- подход к классификации волн круглого диэлектрического волновода с анизотропно-проводящей поверхностью;

- результаты исследования дисперсионных и поляризационных свойств волн круглого продольно намагниченного ферритового волновода с анизотропно-проводящей поверхностью;

- результаты исследования излучения с открытых концов круглых диэлектрического и продольно намагниченного ферритового волноводов с анизотропно-проводящей поверхностью, позволяющие определить возможности данных структур при построении антенн осевого излучения.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на:

- IX Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций», Казань, 2008;

- XIV Нижегородской сессии молодых ученых (технические науки), Нижний Новгород, 2009;

- VIII Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки», Нижний Новгород, 2009;

- XVI Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии. ИСТ - 2010», Нижний Новгород, 2010;

- IX Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки», Нижний Новгород, 2010;

- XVII Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии. ИСТ — 2011», Нижний Новгород, 2011;

- XVIII Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии. ИСТ — 2012», Нижний Новгород, 2012;

- XIX Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии. ИСТ - 2013», Нижний Новгород, 2013.

Публикации

По результатам диссертации опубликовано 17 научных работ: 4 статьи (из них 3 - в журналах, входящих в перечень ВАК), 13 публикаций в сборниках трудов научных конференций.

Личный вклад автора

Автором были сформулированы краевые задачи и составлены дисперсионные уравнения волн рассмотренных в диссертации направляющих структур. На их основе разработаны алгоритмы и созданы программные комплексы, позволяющие проводить строгий электродинамический анализ направляющих свойств круглых диэлектрического и продольно намагниченного ферритового волноводов с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности. Рассчитаны дисперсионные характеристики волн данных структур, исследованы энергетические и поляризационные свойства волн, получены диаграммы направленности излучения с открытых концов круглых волноводов с анизотропно-проводящей поверхностью.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения. Работа изложена на 190 страницах, включает 1 таблицу, 82 иллюстрации, 92 библиографических ссылки, 1 приложение, содержащее акт внедрения результатов диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении формулируется цель диссертационной работы, обосновывается ее актуальность, указываются методы исследований, определяется научная новизна полученных результатов, их практическая значимость и достоверность, формулируются основные положения, выносимые на защиту, кратко излагается содержание диссертации.

В первом разделе диссертации приводится краткий обзор методов решения краевых электродинамических задач для цилиндрических направляющих структур с анизотропно-проводящей поверхностью: метода частичных областей (МЧО), метода поверхностного тока и метода укорочения дифференциального уравнения.

Приводятся постановки краевых задач и описываются процедуры получения дисперсионных уравнений волн круглых диэлектрического и продольно намагниченного ферритового волноводов с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности, а также их частных случаев: волноводов с азимутально- и продольно-проводящей пленкой на поверхности.

На рисунке 1 представлен круглый волновод, на поверхность которого нанесена тонкая резистивная спираль. Радиус волновода (область I) - а,

диэлектрическая проницаемость его материала - £1, магнитная проницаемость — Ц] (в случае ферритового материала магнитная проницаемость стержня является тензором второго ранга [16]). Внешняя среда (область II) представляет собой неограниченный изотропный диэлектрик с параметрами е2, ц2- Шаг анизотропно-проводящей резистивной пленки (спирали) — й, угол ее напыления — у. Вектор 5 на рисунке 1 направлен вдоль витков спирали. В его направлении протекает ток, связанный с распространением электромагнитной волны. Вектор Я направлен перпендикулярно виткам спирали по касательной к ее поверхности. В направлении вектора п ток отсутствует.

Рисунок 1

Для решения задачи о распространении электромагнитных волн вдоль рассматриваемой направляющей структуры используется модель анизотропно-проводящего цилиндра [12, 22, 23]. Сущность этой модели заключается в том, что при А.»с/ и а» <1, где Я - длина электромагнитной волны, спираль может быть заменена тонким анизотропно-проводящим цилиндром (цилиндром с анизотропной поверхностной проводимостью).

Учет конечной поверхностной проводимости анизотропно-проводящей резистивной пленки осуществляется введением разрывных граничных условий в соответствии с методом поверхностного тока [22], согласно которому при выполнении условия

. цсо(о2 + е2со2 + еюл/ б2ш2 + о2) \ —--, -- «1,

У 2(еш + Л/е2со2+с2) где Д — толщина резистивного слоя; а - удельная проводимость резистивного материала; в - диэлектрическая проницаемость материала пленки; ц — ее магнитная проницаемость;

со - частота электромагнитного поля,

которое для используемых на практике резистивных материалов (а»ею) можно переписать в виде

где 8 - толщина скин-слоя материала резистивной пленки, касательные составляющие напряженности электрического поля на резистивной пленке можно считать непрерывными, а граничное условие для

где п - единичный вектор нормали к границе раздела частичных областей I и II, направленный из области I в область И;

Jnoe ~ плотность поверхностного тока на границе раздела.

Приводятся постановки краевых задач для круглых диэлектрического и продольно намагниченного ферритового волноводов с идеально-проводящей (а->оо) спиралью, идеально-проводящими кольцами и продольными идеально-проводящими полосками на поверхности.

Показывается, что спектр волн круглого ДВ с азимутально-проводящей резистивной пленкой на поверхности состоит из азимутально-симметричных волн Eqт круглого открытого диэлектрического волновода (КОДВ) и волн Н0т, НЕПт> ЕНПт> свойства которых, зависят от величины поверхностной проводимости пленки До; спектр волн круглого ДВ с продольно-проводящей резистивной пленкой на поверхности состоит из азимутально-симметричных волн т КОДВ и волн Е0т> НЕпт, ЕНпт, свойства которых определяются, величиной поверхностной проводимости пленки Дет; спектр волн круглого ДВ с идеально-проводящими кольцами на поверхности состоит из азимутально-симметричных волн Е0т КОДВ, волн Н0т круглого экранированного волновода, и несимметричных гибридных волн НЕ„т и ЕНпт; спектр волн круглого ДВ с продольными идеально-проводящими полосками на поверхности состоит из азимутально-симметричных волн Н0т КОДВ, азимутально-симметричных и несимметричных волн Е„т круглого экранированного волновода и азимутально-несимметричных волн Нпт.

Рассматривается вопрос полноты системы решений краевых задач, получаемой методом укорочения дифференциального уравнения. Показывается, что понижение порядка дифференциального уравнения не приводит к потере физичных решений краевой задачи.

Во втором разделе диссертации проводится электродинамический анализ круглых диэлектрических направляющих структур с анизотропно-проводящей поверхностью.

Отмечается, что волны круглого ДВ с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности даже при отсутствии угловой зависимости у электромагнитного поля являются гибридными, что позволяет классифицировать

их как волны ЕНпт и НЕпт, где первый индекс п означает число вариаций поля по азимутальной координате ср, а второй индекс т - номер волны по порядку следования частот отсечки (в сторону их увеличения). При этом в случае азимутально-несимметричных волн краевая задача имеет два независимых решения, описывающих гибридные циркулярно-поляризованные волны с левым ЕН^, НЕ%> и правым ЕН^, НЕ^ вращением плоскости поляризации. Приводятся результаты решения дисперсионного уравнения для нескольких азимутально-симметричных (рисунок 2, а) и азимутально-несимметричных (п= 1) собственных волн (рисунок 2, б). Здесь и далее = сол/е0^0 , Р' и Р" -вещественная и мнимая части продольного волнового числа р соответственно.

а) б)

Рисунок 2

Как видно из рисунка 2, собственные волны направляющей структуры с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности могут быть как медленными (Р'/&0 > 1), так и быстрыми (0 < Р'/к0 < 1).

Производится сравнение дисперсионных свойств волн круглого ДВ с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности с дисперсионными свойствами волн КОДВ. Исследуется влияние поверхностной проводимости пленки и величины угла ее напыления на дисперсионные свойства волн. Отмечается, что изменения угла намотки спирали и величины поверхностной проводимости пленки по-разному влияют на свойства различных волн круглого ДВ с анизотропно-проводящей поверхностью.

Отмечается, что основной волной круглого ДВ с идеально-проводящей спиралью на поверхности является волна, не имеющая критической частоты, величина коэффициента замедления которой на высоких частотах определяется как диэлектрической проницаемостью внутренней области, так и геометрическим замедлением спирали.

Исследуется изменение поляризации линейно поляризованной волны НЕ и при ее распространении в круглом ДВ с анизотропно-проводящей поверхностью.

Поскольку коэффициенты замедления и коэффициенты затухания волн НЕ[~[' и

НЕ^ круглого ДВ с анизотропно-проводящей поверхностью различны, то при распространении в рассматриваемой направляющей структуре изначально линейно поляризованной волны, образованной суперпозицией двух указанных выше циркулярно-поляризованных волн с левым и правым вращением, будет происходить изменение ее поляризации - волна станет эллиптически поляризованной. На рисунке 3 приведены результаты расчета частотных зависимостей погонного угла поворота большой оси эллипса поляризации и его эксцентриситета (положительным считается поворот большой оси эллипса против часовой стрелки, если смотреть навстречу оси Ог, вдоль которой распространяется волна).

Зависимость ф(£0 а) не является монотонной, а имеет максимум, величина и положение которого зависят от значения поверхностной проводимости пленки Да. При значении поверхностной проводимости пленки До = 0,001 См величина угла поворота большой оси эллипса поляризации становится очень малой. В отмеченном случае волновод с резистивной пленкой оказывается близок по своим свойствам к КОДВ.

О 0,5 1 ¡,5 1 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 б)

Рисунок 3

а)

Из рисунка 3, б следует, что при к0а> 4,0 эксцентриситет эллипса поляризации е » 1. Таким образом, при к0а> 4,0 волна НЕи на выходе волновода является квазилинейно поляризованной. Угол поворота ее плоскости поляризации можно определить из рисунка 3, а.

При распространении изначально линейно поляризованной волны НЕи вдоль направляющей структуры с идеально-проводящей спиралью на поверхности вид поляризации не изменяется, но происходит поворот плоскости поляризации поля относительно её первоначального положения.

Приводятся результаты решения дисперсионного уравнения для нескольких азимутально-симметричных и азимутально-несимметричных («=!) волн круглого ДВ с азимутально- и продольно-проводящей поверхностью.

Исследуются зависимости составляющих электромагнитных полей некоторых волн круглых ДВ с анизотропно-проводящей резистивной пленкой, идеально-проводящей спиралью, идеально-проводящими кольцами и продольными идеально-проводящими полосками на поверхности от радиальной координаты. Демонстрируется выполнение граничных условий на поверхности диэлектрического стержня и показывается, что во внешней области поля убывают в радиальном направлении по закону, близкому к экспоненциальному. Проводится сравнение полученных зависимостей с радиальными распределениями составляющих электромагнитных полей соответствующих волн КОДВ без резистивной пленки с целью определения подхода к классификации волн.

Отмечается, что круглый ДВ с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности можно использовать в качестве базовой структуры при построении таких функциональных устройств СВЧ и КВЧ диапазонов как фильтры паразитных мод и аттенюаторы.

Принцип действия фильтра паразитных мод основан на том, что анизотропно-проводящая резистивная пленка, нанесенная на поверхность диэлектрического стержня, не одинаково влияет на дисперсионные и энергетические свойства волн разных типов. Волны одного типа, испытывающие значительные потери электромагнитной энергии, обусловленные наличием резистивной пленки, будут поглощаться на некоторой длине волновода (тем меньшей, чем меньше поверхностная проводимость пленки), волны другого типа будут проходить через волновод, затухая незначительно.

Принцип действия аттенюатора может быть основан на двух эффектах: эффекте поглощения энергии волны в направляющей структуре с резистивной пленкой либо эффекте вращения плоскости поляризации электромагнитной волны в волноводе с идеально-проводящей спиралью. Во втором случае уровень ослабления сигнала по амплитуде в воспринимающем линейно поляризованную волну поляризационно-избирательном устройстве определяется углом поворота плоскости поляризации. В обоих случаях величина ослабления будет зависеть от частоты электромагнитного поля и длины волновода.

В третьем разделе диссертации проводится электродинамический анализ круглых продольно намагниченных ферритовых направляющих структур с анизотропно-проводящей поверхностью.

Приводятся результаты расчетов дисперсионных характеристик нескольких азимутально-симметричных и азимутально-несимметричных («=1) волн рассматриваемой направляющей структуры (рисунок 4). Проводится сравнение полученных дисперсионных характеристик с характеристиками соответствующих волн круглого открытого ферритового волновода (КОФВ). Показывается, что круглый продольно намагниченный ферритовый волновод (ФВ) с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности сочетает в себе одновременно свойства КОФВ, которые проявляются в области частоты ферромагнитного резонанса, и круглого ДВ с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности, которые проявляются в высокочастотной области, когда влияние феррита ослабевает, и свойства волн направляющей структуры начинают определяться свойствами резистивной пленки.

Рисунок 4

Отмечается, что, как и в случае направляющей структуры с диэлектрическим стержнем, основной волной круглого продольно намагниченного ФВ с идеально-проводящей спиралью на поверхности является волна, не имеющая критической частоты, величина коэффициента замедления которой на высоких частотах определяется как диэлектрической проницаемостью внутренней области, так и геометрическим замедлением спирали.

Исследуется изменение поляризации линейно поляризованной электромагнитной волны, образованной суперпозицией циркулярно-поляризованных волн с левым и правым вращением плоскости поляризации, в круглом продольно намагниченном ферритовом волноводе с анизотропно-проводящей поверхностью. На рисунке 5 приведены зависимости угла поворота большой оси эллипса поляризации и эксцентриситета эллипса поляризации для

волны НЕ,,.

Отмечается, что частотные зависимости погонного угла поворота большой оси эллипса поляризации и его эксцентриситета имеют немонотонный характер, и экстремумы этих функций наблюдаются на частоте ферромагнитного резонанса. При этом, в отличие от круглого ДВ с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности (рисунок 3), большая ось эллипса поляризации волны НЕи, распространяющейся в направляющей структуре с ферритом, может поворачиваться как по часовой стрелке, так и в противоположном направлении.

На основании проведенных исследований делается вывод, что круглый продольно намагниченный ФВ с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности может найти применение в технике СВЧ и КВЧ диапазонов в качестве базовой структуры для создания:

- вентилей. Изменение направления внешнего поля подмагничивания с прямого на обратное приводит к изменению коэффициентов затухания волн. Развязка по амплитуде прямой и обратной волн у такого устройства зависит от

частоты волны и длины волновода. На фиксированной частоте уровень ослабления обратной (или прямой) волны можно регулировать изменением напряженности внешнего поля подмагничивания;

- фазовращателей. Поскольку дисперсионные свойства волн направляющей структуры с ферритом обусловлены явлением ферромагнитного резонанса, частота которого определяется величиной напряженности внешнего магнитного поля, то изменяя величину поля подмагничивания в соответствии с заданным законом можно изменять фазу сигнала на выходе волновода;

- устройств изменения поляризации волны. Как отмечалось ранее, в круглом продольно намагниченном ФВ с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности происходит изменение поляризации линейно поляризованной волны - волна становится эллиптически поляризованной. При определенных длинах волноводов на некоторых частотах может произойти вырождение эллиптически поляризованной волны в волну с круговой поляризацией поля. Ширина диапазона вырождения определяется длиной волновода. Смещение этого диапазона по оси частот возможно изменением напряженности внешнего магнитного поля. Таким образом, если есть необходимость перейти в заданном диапазоне частот от линейно поляризованной волны к волне с круговой поляризацией поля, нужно рассчитать длину волновода и величину поля подмагничивания. Если же необходимо сохранить линейную поляризацию волны, нужно проверять, не попадает ли рабочая частота в диапазон вырождения. При этом, если добиться равенства рабочей частоты волны частоте, на которой эксцентриситет эллипса поляризации строго равен единице, линейная поляризация волны будет сохраняться независимо от длины волновода;

- аттенюаторов, принцип действия которых аналогичен принципу действия аттенюаторов на основе круглого ДВ с анизотропно-проводящей поверхностью. При этом следует отметить, что поскольку свойства волн ферритовой направляющей структуры определяются значением частоты ферромагнитного резонанса, которое зависит от величины поля подмагничивания, то при фиксированной длине волновода и частоте сигнала уровень ослабления в аттенюаторе можно регулировать, изменяя величину напряженности поля подмагничивания.

В четвертом разделе диссертации на основании принципа Гюйгенса-Френеля в приближении Кирхгофа производится расчет поля излучения с открытых концов круглых диэлектрического и продольно намагниченного ферритового волноводов с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности.

Показывается, что увеличение угла напыления резистивной спирали, находящейся на поверхности круглого ДВ, приводит к изменению вида диаграммы направленности (ДН) как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях. При напылении спирали на поверхность диэлектрического стержня под углом \|/ О ДН имеет максимум излучения электромагнитной энергии в направлении угла 90°. Вертикальная ДН имеет два максимума в направлениях, определяемых углами 0° и 180°, в направлении угла 90° излучение отсутствует.

При увеличении угла напыления спирали ц/ ДН изменяется следующим образом: при угле намотки спирали у = 15° в горизонтальной плоскости происходит сужение центрального максимума, при \|/ = 35° наблюдаются два максимума различной величины в направлениях 60° и 120°, второй из которых существенно больше первого. При угле намотки спирали \|/ —► 90° ДН в горизонтальной плоскости имеет уже два равнозначных максимума в направлениях углов 60° и 120°. В вертикальной плоскости при увеличении \|/ также появляются дополнительные максимумы в направлениях углов 60° и 120°.

Показывается, что величина проводимости пленки мало влияет на вид горизонтальной и вертикальной ДН излучения с открытого конца круглого ДВ с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности.

В случае круглого продольно намагниченного ФВ с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности горизонтальная ДН имеет максимум излучения в направлении 45°, который сохраняется при любом значении угла напыления пленки у. При малых углах напыления пленки в вертикальной плоскости структура с ферритовым стержнем излучает преимущественно в направлениях от 0° до 135°, в направлении 180° излучение

крайне мало, а в направлении 150° - отсутствует. При значениях угла напыления пленки у > 15° в вертикальной плоскости появляется излучение в направлении 150°, но полностью исчезает излучение в направлении 180°.

Показывается, что в случае ферритового волновода изменение величины поверхностной проводимости пленки приводит к существенным изменениям вертикальной ДН.

Отмечается, что круглый ДВ с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности можно применять для создания направленных антенн осевого излучения, а круглый продольно намагниченный ФВ с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности - для создания секторных антенн.

В заключении приводятся основные выводы, сформулированные в процессе выполнения диссертации.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1 Взятышев, В.Ф. Диэлектрические волноводы / В.Ф. Взятышев. - М.: Сов.радио, 1970. - 216 с.

2 Семенов, H.A. Оптические кабели связи. Теория и расчет / H.A. Семенов. - М.: Радио и связь, 1981. - 152 с.

3 Гроднев, И.И. Оптические кабели / И.И. Гроднев, Ю.Т. Ларин, И.И. Теумин. - М.: Мир, 1974. - 264 с.

4 Маркузе, Д. Оптические волноводы / Д. Маркузе. - М.: Мир, 1974. -

576 с.

5 Теумин, И.И. Волноводы оптической связи / И.И. Теумин. - М.: Связь, 1988.- 168с.

6 Микроэлектронные устройства СВЧ / Под ред. Г.И. Веселова. - М.: Высшая школа, 1988. - 280 с.

7 Воскресенский, Д.И. Антенны и устройства СВЧ / Д.И. Воскресенский, P.A. Грановская, Н.С. Давыдова [и др.]. - М.: Радио и связь, 1981. - 293 с.

8 Раевский, С.Б. Комплексные волны в двухслойном круглом экранированном волноводе / С.Б. Раевский // Изв. вузов СССР. Сер. Радиофизика. - 1972. — Т. 15.- № 1. - С.112-116.

9 Раевский, С.Б. О существовании комплексных волн в некоторых двухслойных изотропных структурах / С.Б. Раевский // Изв. вузов СССР. Сер. Радиофизика. - 1972. - Т. 15.- № 12. - С. 1926-1931.

10 Веселов, Г.И. О встречных потоках мощности в некоторых двухслойных изотропных структурах / Г.И. Веселов, С.Б. Раевский // Изв. вузов СССР. Сер. Радиофизика. - 1983. - Т.26.- № 9. - С.1041-1044.

11 Раевский, A.C. Комплексные волны / A.C. Раевский, С.Б. Раевский. -М.: Радиотехника, 2010. - 224 с.

12 Силин, P.A. Замедляющие системы / P.A. Силин, В.П. Сазонов. - М.: Советское радио, 1966. - 632 с.

13 Юрцев, O.A. Спиральные антенны / O.A. Юрцев, A.B. Рунов, А.Н. Каразин. - М.: Сов. Радио, 1974. - 224 с.

14 Назаров, A.B. Электромагнитные волны в круглом открытом диэлектрическом волноводе со спирально-проводящей поверхностью / A.B. Назаров, Е.А. Попов // Антенны, 2009. - Вып. 6 (144). - С. 60 - 64.

15 Сато, К. Ферриты / К. Сато, Ю. Ситидзе. - М.: Мир, 1964. - 408 с.

16 Микаэлян, A.JI. Теория и применение ферритов на сверхвысоких частотах / A.JI. Микаэлян. — М.; Л.: Госэнергоиздат, 1963. - 664 с.

17 Назаров, A.B. О спектре волн круглого открытого ферритового волновода / A.B. Назаров, С.Б. Раевский // Радиотехника и электроника. - 2004. -Т. 49. - № 4. - С.439-444.

18 Виприцкий, Д.Д. Спектр волн круглого волновода с аксиальным продольно-намагниченным ферритовым стержнем / Д.Д. Виприцкий, A.B. Назаров, С.Б. Раевский // Антенны. - 2005. - Вып. 5 (96). - С.24-28.

19 Карбовский, С.Б. Ферритовые циркуляторы и вентили / С.Б. Карбовский, В.Н. Шахгеданов - М.: Советское радио, 1970. - 72 с.

20 Ильченко, M. Е. Ферритовые и диэлектрические резонаторы СВЧ / М.Е. Ильченко, Е.В. Кудинов. - Изд. Киевского университета, 1973. - 175 с.

21 Михайлова, M. Магнитомягкие ферриты для радиоэлектронной аппаратуры / М. Михайлова, В. Филиппов, В. Муслаков. - М.: Радио и связь, 1983.-200 с.

22 Веселов, Г.И. Слоистые металло-диэлектрические волноводы / Г.И. Веселов, С.Б. Раевский. - М.: Радио и связь, 1998. - 404 с.

23 Неганов, В.А. Линейная макроскопическая электродинамика. Т.2 / В.А. Неганов, С.Б. Раевский, Г.П. Яровой. - М.: Радио и связь, 2001. - 575 с.

24 Неганов, В.А. Электродинамика и распространение радиоволн / О.В. Осипов, С.Б. Раевский, Г.П. Яровой. - М.: Радиотехника, 2007. - 744 с.

25 Раевский, A.C. Электродинамика направляющих и резонансных структур, описываемых несамосопряженными краевыми задачами: дис. докт. физ.-мат. наук / A.C. Раевский. - Самара: [б. м.], 2004. - 441 с.

26 Сул, Г. Вопросы волноводного распространения электромагнитных волн в гиротропных средах / Г. Сул, Л. Уокер. - М.: Изд-во ИЛ, 1955. - 189 с.

27 Бритов, И.Е. Целенаправленный поиск комплексных волн в направляющих электродинамических структурах / И.Е. Бритов, A.C. Раевский, С.Б. Раевский // Антенны. - 2003. - Вып. 5 (72). - С.64-71.

28 Свешников, А.Г. Теория функции комплексного переменного / А.Г. Свешников, А.Н. Тихонов. - М.: Наука, 1967. — 304 с.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1 Иванов, C.B. Круглый диэлектрический волновод с азимутально проводящей резистивной пленкой на поверхности / C.B. Иванов, A.B. Назаров, H.A. Чечин // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2011. -Т.14. -№ 4. - С.6-12.

2 Иванов, C.B. Спектр волн круглого диэлектрического волновода с продольно-проводящей резистивной пленкой на поверхности / C.B. Иванов, A.B. Назаров // Антенны. - 2012. - Вып. 11 (186). - С.24-29.

3 Иванов, C.B. Круглый диэлектрический волновод со спирально-проводящей резистивной пленкой на поверхности / C.B. Иванов, A.B. Назаров II Антенны. - 2013. - Вып. 6 (193). - С.67-73.

4 Иванов, C.B. Краевая задача для круглого открытого ферритового волновода со спирально проводящей поверхностью / C.B. Иванов, A.B. Назаров, Е.А. Попов // Труды Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева. - 2010. - № 1 (80). - С.28-35.

5 Иванов, C.B. Электромагнитные волны в круглом открытом ферритовом волноводе со спирально-проводящей поверхностью / C.B. Иванов, A.B. Назаров, Е.А. Попов //13 Нижегородская сессия молодых ученых (технические науки): тез. докл. - Н.Новгород, 2008. - С. 109.

6 Иванов, C.B. Круглый открытый продольно намагниченный ферритовый волновод со спирально-проводящей поверхностью / C.B. Иванов, A.B. Назаров, Е.А. Попов // Информационные системы и технологии. ИСТ - 2008: Материалы Междунар. науч-техн. конф. - Н.Новгород, 2008. - С.65-66.

7 Иванов, C.B. О дисперсионных, энергетических и поляризационных свойствах волн круглого открытого диэлектрического волновода с анизотропно-проводящей поверхностью / C.B. Иванов, A.B. Назаров, Е.А. Попов // Тезисы докладов IX МНТК «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» и VI МНТК «Оптические технологии в телекоммуникациях». - Казань, 2008. - С.339-340.

8 Иванов, C.B. Исследование дисперсии волн круглого открытого диэлектрического волновода со спирально-проводящей резистивной плёнкой на поверхности / C.B. Иванов, A.B. Назаров, Е.А. Попов, H.A. Чечин // Будущее технической науки: Тезисы докладов VIII Международной молодежной научно-технической конференции. - Н.Новгород, 2009. - С.263-264.

9 Иванов, C.B. О дисперсионных свойствах волн круглого открытого диэлектрического волновода со спирально-проводящей поверхностью / C.B. Иванов, A.B. Назаров, Е.А. Попов // Физика и технические приложения волновых процессов: материалы докладов VIII Международной научно-технической конференции. - Санкт-Петербург, 2009. - С.84-85.

10 Иванов, C.B. Об особенностях спектра волн круглого диэлектрического волновода с азимутально-проводящей поверхностью / C.B. Иванов, A.B. Назаров, H.A. Чечин // Информационные системы и технологии. ИСТ - 2010: Материалы XVI Международной научно-технической конференции. - Н.Новгород, 2010. -С.90.

11 Иванов, C.B. Постановка и результаты решения краевой задачи для круглого диэлектрического волновода с продольно-проводящей поверхностью / C.B. Иванов, A.B. Назаров, H.A. Чечин // Будущее технической науки: Тезисы докладов IX Международной молодежной научно-технической конференции. — Н.Новгород, 2010. - С.285-286.

12 Иванов, C.B. Электромагнитные волны в периодически нерегулярных цилиндрических структурах / C.B. Иванов, A.B. Назаров, H.A. Чечин // Физика и технические приложения волновых процессов: материалы IX Международной научно-технической конференции. - Челябинск, 2010. - С.12-13.

13 Виприцкий, Д.Д. О спектре волн круглого диэлектрического волновода с тонкими продольными идеально проводящими полосками на поверхности / Д.Д. Виприцкий, C.B. Иванов, A.B. Назаров // Информационные системы и технологии. ИСТ - 2011: Материалы XVII Международной научно-технической конференции. - Н.Новгород, 2011. - С. 120.

14 Иванов, C.B. Постановка и результаты решения краевой задачи для круглого диэлектрического волновода с азимутально проводящей резистивной пленкой на поверхности / C.B. Иванов, A.B. Назаров // Информационные системы и технологии. ИСТ - 2012: Материалы XVIII Международной научно-технической конференции. - Н.Новгород, 2012. - С.105.

15 Иванов, C.B. Электромагнитные волны в круглом диэлектрическом волноводе со спирально-проводящей поверхностью / C.B. Иванов, A.B. Назаров, Е.А. Попов // Высокие технологии атомной отрасли. Молодежь в инновационном процессе: сборник докладов конференции: 2009-2010 гг. - Н.Новгород: Гладкова О.В., 2012. — С.171-174.

. • л ! ' _ ' '

16 Иванов, C.B. Круглый ферритовый волновод с анизотропно проводящей резистивной пленкой на поверхности / C.B. Иванов, A.B. Назаров, Е.А. Попов // Физика и технические приложения волновых процессов: труды XI Международной научно-технической конференции. - Екатеринбург, 2012. — С.201-202.

17 Иванов, C.B. Постановка и результаты решения краевой задачи для круглого диэлектрического волновода с продольно проводящей резистивной пленкой на поверхности / C.B. Иванов, A.B. Назаров // Информационные системы и технологии. ИСТ - 2013: Материалы XIX Международной научно-технической конференции. - Н.Новгород, 2013. - С. 120.

Подписано в печать 20.11.2013. Формат 60 * 84 l/¡6. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л.1,0. Тираж 100 экз. Заказ 838.

Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева. Типография НГТУ. 603950, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Р.Е. АЛЕКСЕЕВА

На правах рукописи

04201454408 Иванов Сергей Владимирович

КРУГЛЫЕ ВОЛНОВОДЫ С АНИЗОТРОПНО-ПРОВОДЯЩЕЙ

ПОВЕРХНОСТЬЮ

05.12.07 - Антенны, СВЧ-устройства и их технологии

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Назаров Андрей Викторович

Нижний Новгород -2013

Содержание

Введение 4

1 Краевые задачи для круглых волноводов с анизотропно-проводящей поверхностью............................................................................................................15

1.1 Методы решения краевых задач для круглых волноводов с анизотропно-проводящей поверхностью.................................................................................17

1.1.1 Метод частичных областей 19

1.1.2 Метод поверхностного тока 21

1.1.3 Метод укорочения дифференциального уравнения..............22

1.2 Краевая задача для круглого диэлектрического волновода с анизотропно-проводящей поверхностью................................................................................32

1.3 Краевая задача для круглого продольно намагниченного ферритового волновода с анизотропно-проводящей поверхностью 49

1.4 О полноте системы решений краевых задач, получаемой методом укорочения дифференциального уравнения........................................................61

1.5 Выводы 65

2 Результаты численного решения дисперсионных уравнений волн круглых диэлектрических волноводов с анизотропно-проводящей поверхностью 68

2.1 Круглый диэлектрический волновод с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности............................................................68

2.2 Круглый диэлектрический волновод с азимутально-проводящей резистивной пленкой на поверхности............................................................95

2.3 Круглый диэлектрический волновод с продольно-проводящей резистивной пленкой на поверхности............................................................97

2.4 Круглый диэлектрический волновод с идеально-проводящей спиралью на поверхности...............................................................................................................100

2.5 Круглый диэлектрический волновод с идеально-проводящими кольцами на поверхности..................................................................................106

2.6 Круглый диэлектрический волновод с продольными идеально-проводящими полосками на поверхности..........................................................113

2.7 Выводы 117

3 Результаты численного решения дисперсионного уравнения волн круглого продольно намагниченного ферритового волновода с анизотропно-проводящей поверхностью........................................................................... 123

3.1 Круглый продольно намагниченный ферритовый волновод с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности 124

3.2 Круглый продольно намагниченный ферритовый волновод с азимутально-проводящей резистивной пленкой на поверхности 138

3.3 Круглый продольно намагниченный ферритовый волновод с продольно-проводящей резистивной пленкой на поверхности.....................................141

3.4 Круглый продольно намагниченный ферритовый волновод с идеально-проводящей спиралью на поверхности................................................................144

3.5 Круглый продольно намагниченный ферритовый волновод с идеально-проводящими кольцами на поверхности.............................................................148

3.6 Круглый продольно намагниченный ферритовый волновод с продольными идеально-проводящими полосками на поверхности.............................151

3.7 Выводы......................................................................................................................154

4 Исследование излучения с открытых концов круглых волноводов с анизотропно-проводящей поверхностью.................................................................................160

4.1 Постановка задачи расчета диаграмм направленности излучения с открытых концов круглых волноводов с анизотропно-проводящей поверхностью.............................................................................................................161

4.2 Результаты расчета диаграмм направленности излучения с открытого конца круглого диэлектрического волновода с анизотропно-проводящей поверхностью.............................................................................................................164

4.3 Результаты расчета диаграмм направленности излучения с открытого конца круглого продольно намагниченного ферритового волновода с анизотропно-проводящей поверхностью.......................................................168

4.4 Выводы......................................................................................................................173

Заключение...............................................................................................................................175

Список использованной литературы.............................................................................180

Приложение А.........................................................................................................................190

Введение

Актуальность темы

Современные электродинамические системы представляют собой сложные аппаратно-программные комплексы, предназначенные для решения широкого круга задач, таких как: обеспечение коммуникации большого количества абонентов и обмен информацией между ними, радионавигация для обеспечения безопасности управления и маневрирования летательных аппаратов, выполнение измерений в СВЧ и КВЧ технике, а также разработка и улучшение приборов в медицинской технике. Эти важные задачи требуют постоянной разработки новой элементной базы и совершенствования уже зарекомендовавших себя в определенных направлениях базовых структур. Поскольку как строгие, так и инженерные расчеты электродинамических устройств требуют существенных затрат, как временных, интеллектуальных, так и аппаратных, то существенное внимание в настоящее время уделяется теоретическим аспектам принципов функционирования и взаимодействия данных устройств. И действительно, зная принцип работы простейших элементов, мы можем предсказать их поведение при построении более сложной электродинамической структуры, что может частично сократить время, затрачиваемое на исследование и проектирование последней. Таким образом, теоретическое исследование и описание принципов работы электродинамических устройств имеет, несомненно, большое значение.

В настоящей диссертации приводится обзор существующих методов расчета электродинамических структур, определяются области их применения и существующие ограничения по использованию. На основе рассмотренных методов в диссертации решаются краевые задачи для круглого диэлектрического волновода с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности и круглого продольно намагниченного ферритового волновода с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности. Исследуются дисперсионные, энергетические и поляризационные свойства волн данных направляющих электродинамических структур.

Круглый диэлектрический волновод - это структура, наиболее часто используемая при построении линий связи и функциональных узлов техники СВЧ, КВЧ и оптического диапазонов [1-5]. Причиной такого интереса к нему является его относительная конструктивная простота, легкость расчетов характеристик и наличие доступного теоретического описания процессов и механизмов распространения электромагнитных волн в данной направляющей структуре. Круглые диэлектрические волноводы находят свое применение при построении таких устройств, как диэлектрические антенны неосевого излучения, различные виды датчиков, полосовые фильтры [6-11].

Открытые спиральные линии в настоящее время широко используются как линии задержки в метровом диапазоне, как замедляющие системы в сантиметровом диапазоне, как волноводные системы в миллиметровом диапазоне. Спиральные линии применяются для конструирования антенн осевого и неосевого излучения, в качестве замедляющих систем электронных устройств. На сегодняшний день хорошо изучены спиральные линии с воздушным заполнением [12, 13]. В [14] проведено исследование электромагнитных волн круглого открытого диэлектрического волновода с идеально проводящей спиралью на поверхности, приведены дисперсионные характеристики нескольких азимутально-симметричных и азимутально-несимметричных волн данной направляющей структуры. Однако случаи, когда спираль, находящаяся на поверхности диэлектрического стержня, имеет конечную проводимость, ранее не рассматривались.

В последнее время повышенный интерес проявляется и к невзаимным направляющим структурам, использующим при своём построении анизотропные среды, к которым, в частности, относятся ферриты. Ферриты [15, 16] представляют собой химические соединения вида Ме-Ре203, где Ме - один из следующих элементов: Мп, Со, Си, Хп, Бе, Сё, имеющие в диапазоне СВЧ и КВЧ высокое удельное сопротивление (р = 1-г104 Ом-м) и малые потери (^5 = Ю-2 -ПО-4). Ферриты обладают одновременно магнитными и

полупроводниковыми свойствами, благодаря чему находят широкое применение в радиотехнике, радиоэлектронике и вычислительной технике. Магнитная проницаемость феррита представляет собой тензор второго ранга [16], элементы которого зависят от частоты электромагнитного поля. На основе ферритовых сред создаются такие устройства, как вентили, циркуляторы, фазовращатели, делители мощности, аттенюаторы и др. Расчету некоторых направляющих структур с ферритами посвящены работы [17-21]. При этом вопросам распространения электромагнитных волн в ферритовых волноводах с резистивными пленками на поверхности ранее внимания не уделялось. В данном случае интерес представляет исследование взаимодействия эффектов, обусловленных анизотропией магнитных свойств ферритовой среды и анизотропией электрических свойств пленки.

Цель диссертации - исследование особенностей дисперсионных, энергетических и поляризационных свойств волн круглых диэлектрического и продольно намагниченного ферритового волноводов с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности, определение перспектив применения рассматриваемых электродинамических структур при создании новых и совершенствовании существующих СВЧ устройств и антенн.

Методы исследования

Представленные в диссертационной работе теоретические результаты получены на основе модели анизотропно-проводящего цилиндра [22-24], метода частичных областей (МЧО) [25, 26], метода укорочения дифференциального уравнения [27], метода поверхностного тока [22] и принципа Гюйгенса-Френеля [24]. Расчет комплексных корней дисперсионных уравнений производился с использованием метода вариации фазы [26], основанного на принципе аргумента [28, 29].

Научная новизна:

- аналитически обоснована полнота системы решений краевых задач, получаемой методом укорочения дифференциального уравнения;

- исследованы дисперсионные, энергетические и поляризационные свойства волн круглого диэлектрического волновода с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности;

- установлено, что изменения угла напыления резистивной спирали и величины ее поверхностной проводимости оказывают различное влияние на дисперсионные свойства разных волн круглого диэлектрического волновода с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности;

- исследованы дисперсионные, энергетические и поляризационные свойства волн круглого диэлектрического волновода с идеально-проводящей спиралью на поверхности. Показано, что рассматриваемая направляющая структура сочетает в себе одновременно свойства как открытого, так и экранированного волноводов;

- исследованы дисперсионные и поляризационные свойства волн круглого продольно намагниченного ферритового волновода с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности;

- установлено, что свойства волн круглого продольно намагниченного ферритового волновода с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности в области частоты ферромагнитного резонанса определяются свойствами феррита, а в высокочастотной (дальней зарезонансной) области -свойствами резистивной пленки;

- определены особенности дисперсионных свойств волн круглого продольно намагниченного ферритового волновода с идеально-проводящей спиралью на поверхности;

- получены диаграммы направленности излучения с открытых концов круглых диэлектрического и продольно намагниченного ферритового волноводов с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности.

Обоснованность и достоверность положений и выводов, сформулированных в диссертации, подтверждаются использованием при расчете направляющих структур теоретически обоснованных методов и численной проверкой выполнения предельных переходов от рассматриваемых структур к структурам, решения краевых задач для которых достоверно известны.

Практическая значимость работы заключается:

- в разработке алгоритмов расчета дисперсионных характеристик волн круглых диэлектрического и продольно намагниченного ферритового волноводов с анизотропно-проводящей поверхностью;

- в создании универсальной программы для ЭВМ, позволяющей на базе модели круглого продольно намагниченного ферритового волновода с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности получать решения дисперсионных уравнений волн всех рассматриваемых в диссертации направляющих структур;

- в создании программ для ЭВМ, позволяющих рассчитывать диаграммы направленности излучения с открытых концов круглых диэлектрического и продольно намагниченного ферритового волноводов с анизотропно-проводящей поверхностью;

- в получении информации о дисперсионных, энергетических и поляризационных свойствах волн круглого диэлектрического волновода с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности и круглого продольно намагниченного ферритового волновода с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности, позволяющей определить перспективы их [волноводов] применения при создании новых и совершенствовании существующих СВЧ устройств;

- в расчете диаграмм направленности излучения с открытых концов круглых диэлектрического и продольно намагниченного ферритового волноводов с анизотропно-проводящей поверхностью, позволяющих определить перспективы

применения рассмотренных в диссертации направляющих структур в антенной технике.

Положения, выносимые на защиту:

- : система, решений краевых задач, получаемая методом укорочения дифференциального уравнения, является полной;

- круглый диэлектрический . волновод с анизотропно-проводящей резистивной .пленкой на поверхности может быть использован в качестве базовой структуры при построении фильтров паразитных мод и аттенюаторов;

- кругльга продольно намагниченный ферритовый волновод с анизотропно-проводящей; резистивной пленкой на поверхности может быть использованы в качестве базовой структуры при построении вентилей, фазовращателей, устройств изменения поляризации волны, аттенюаторов;'

- круглый диэлектрический волновод с анизотропно-проводящей резистивной-; плёнку можно" применять для создания направленных антенн осевого излучения, круглый продольно намагниченный ферритовый волновод с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности - для создания секторных антенн.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на:

- IX Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций», Казань, 2008;

- XIV Нижегородской сессии молодых ученых. Технические науки. Нижний Новгород, 2009;

- VIII Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки», Нижний Новгород, 2009;

- XVI Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии. ИСТ - 2010», Нижний Новгород, 2010;

- IX Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки», Нижний Новгород, 2010;

- XVII Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии. ИСТ - 2011», Нижний Новгород, 2011;

- XVIII Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии. ИСТ - 2012», Нижний Новгород, 2012;

- XIX Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии. ИСТ - 2013», Нижний Новгород, 2013.

Краткое содержание работы

Во введении формулируется цель диссертационной работы, обосновывается ее актуальность, указываются методы исследований, определяется научная новизна полученных результатов, их практическая значимость и достоверность, формулируются основные положения, выносимые на защиту, кратко излагается содержание диссертации.

В первом разделе диссертации приводится краткий обзор методов решения краевых электродинамических задач для круглых волноводов с анизотропно-проводящей поверхностью: метода частичных областей (МЧО), метода поверхностного тока и метода укорочения дифференциального уравнения.

Приводятся постановки краевых задач и описываются процедуры получения дисперсионных уравнений волн круглых диэлектрического и продольно намагниченного ферритового волноводов с анизотропно-проводящей резистивной пленкой на поверхности, а также их частных случаев: