автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Многомодовые прямоугольные диэлектрические волноводы и резонаторы КВЧ диапазона

На правах рукописи

М ИНКА РА МОХАМАД СААДАЛЛА

МНОГОМОДОВЫЕ ПРЯМОУГОЛЬНЫЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДЫ И РЕЗОНАТОРЫ КВЧ ДИАПАЗОНА

Специальность 05.12.04 - «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 ОКТ 2015

Москва - 2015

005563864

005563864

Работа выполнена на кафедре «Основы радиотехники» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» (ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Крутских Владислав Викторович

Официальные оппоненты: Нефедов Евгений Иванович,

доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник ФГБУН «Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельни-кова РАН

Рябов Борис Алексеевич,

кандидат технических наук, доцент, доцент ФГБОУ ВО "Московский государственный педагогический университет" (г. Москва)

Ведущая организация: ФГБОУ ВО "Пензенский государственный

университет" (г. Пенза)

Защита состоится « 17 » декабря 2015 года в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 212.157.05 при ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 17, аудитория А-402.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» и на сайте www.mpei.ru

Автореферат разослан » октября 2015 года.

Ученый секретарь диссертационного совета U

Д 212.157.05 к.т.н., доцент Куликов P.C.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 1. Актуальность работы

Актуальность работы - в том, что понимание явлений и знание характеристик и параметров спектра волн многомодовых диэлектрических волноводов (МДВ) необходимы для создания широкого класса диэлектрических структур (ДС) и элементов диэлектрической элементной базы (ДЭБ), а также для разработки рекомендаций для их проектирования и конструирования. Обсуждаемая диссертация - часть фронта работ, ведущихся в последние годы в Лаборатории диэлектрических структур (ЛДС) НИУ МЭИ для решения актуальных прикладных задач на ДС и ДЭБ в содружестве с радом промышленных организаций.

Истоки работы можно проследить от задач канализации энергии с помощью диэлектрических волноводов (ДВ), которые активно изучались с 50-х годов XX века в ходе освоения радиотехникой миллиметрового (КВЧ) диапазона волн. Как показали результаты этих работ, применение ДВ позволяет уменьшить потери, упростить и удешевить производство и расширить функциональные возможности' по сравнению с металлическими волноводами (МВ). Один из примеров - волноводы серии ПДВ (Взятышев В.Ф., Рябов Б.И., Рожков Г.Д. и др.), запатентованные в 1960-х годах в США, Великобритании, Франции, Германии и Японии, а также функциональные узлы на их базе (более 50 изобретений и зарубежных патентов).

Расширение областей применения радиосистем миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн (измерители скоростей и расстояний, системы связи и передачи информации, широкий комплекс физико-технических и промышленных измерений) предъявляет все более широкие и разнообразные требования к функциональным устройствам для них.

Мощный толчок к развитию физики и техники ДВ дали пионерские работы двух японских исследователей - Йонеяма Т. и Нишида С. из универси-

тета Тохоку. Они в 1981 году первыми обнаружили возможность реализации неизвестного ранее явления неизлучения в Н-образном металлодиэлектриче-ском волноводе, хотя такой же по конструкции волновод изучался до них в течение 25 лет. Отличающийся от хорошо известного только режимом работы, волновод с явлением неизлучения был назван его «новооткрывателями» неизлучающим ДВ (НДВ - nonradiative dielectric guide - NRD-G).

После 2000-го года начали активно развиваться многомодовые (способные направлять несколько типов волн) ДВ и многосвязные (содержащие несколько диэлектрических стержней) ДВ. Появились также дуплексные системы передачи данных внутри ЭВМ на базе ДВ, работающие на двух ортогональных модах одновременно (Dolatsha N., Arbabian А.).

Активно переносится в микроволновый диапазон опыт исследований, проведенных за последние несколько десятилетий в оптическом диапазоне. Создаются интегральные микросхемы КВЧ диапазона на одном кристалле вплоть до частоты в 90 ГГц (Dolatsha N.. Hesselbrath J.).

Ввиду удешевления элементной базы КВЧ диапазона и благодаря уникальным возможностям электромагнитных полей этого диапазона, создаются и применяются устройства для измерения геометрических размеров, скорости движения и состава материала объекта (например, бесконтактные сканеры для обуви и одежды в системах безопасности аэропортов или для измерения толщины сложных профилей различных изделий).

Преимущество радиоволновых методов для такого класса устройств заключается в том, что кроме точного размера, можно дополнительно определять толщину полимерного покрытия или делать радиофотографии человека в одежде, выявляющие не только металлические, но и диэлектрические предметы, не нарушая при этом этических норм.

Современные разработки, использующие радиоволновый принцип действия сканеров, сталкиваются с задачей формирования зондирующего электромагнитного поля в ближней зоне облучателя. При этом возникают, среди прочих, такие вопросы:

• как сформировать поле с заданным распределением в пространстве?

• как создавать и на какие физические принципы опираться при проектировании широкоформатных облучателей?

• как взаимодействуют между собой элементы таких устройств? Примером такой конструкции может служить гипотетический облучатель, показанный на рисунке 1. Здесь нижняя пластина является облучателем (формирующим заданное электромагнитное поле в пространстве), а верхняя

пластина - приемной частью систе-

направлена на исследование явлений в многомодовых ДС. В первую очередь - модового спектра волн в многомодовых диэлектрических волноводах (МДВ) и колебаний в многомодовых диэлектрических резонаторах (МДР), взаимодействия волн в двух близко расположенных МДВ, а также на решение ряда сопутствующих вопросов.

Из возможных форм сечения МДВ (круглая, эллиптическая, овальная и др.) с физической и технологической точек зрения в работе выбрана прямоугольная. Так что главный объект исследования в настоящей работе - прямоугольные ДВ и прямоугольные ДР. Далее в тексте автореферата речь будет идти только о такой форме сечения.

2. Цель и задачи диссертационной работы

Цель работы - провести комплексное (теоретическое, экспериментальное и модельное) исследование спектра типов волн в многомодовых прямоугольных диэлектрических волноводах (МПДВ) и колебаний в многомодовых диэлектрических резонаторах КВЧ диапазона.

мы с решеткой дискретных детекторов, установленных в ее отверстиях.

Для решения подобных задач можно использовать многомодовые ДС и многомодовую ДЭБ.

Рис. 1. Облучатель на многомодовом прямоугольном диэлектрическом волноводе

Вот почему данная работа

Для достижения названной комплексной цели в работе необходимо решить следующие задачи:

1) Обосновать выбор объектов исследований: волновых явлений, модо-вых режимов, видов и конструкций изучаемых многомодовых ДС.

2. Освоить и развить: методы исследования свойств высших типов волн (ВТВ) в волноводах и колебаний в резонаторах, методы приближенного анализа мод МПДВ, работу с экспериментальными КВЧ стендами, выбор параметров и способы построения моделей для проведения вычислительных экспериментов.

3. Изучить поведение ВТВ на плавно нерегулярных участках МПДВ и их систем, особенно в областях вблизи критических сечений ВТВ. Установить связь характера возникающих при этом явлений со свойствами волно-водных соединений на ДВ с нечетным числом плеч.

4. Исследовать возможность и построить методику определения параметров ВТВ в МПДВ через исследование измерительных диэлектрических резонаторов (ИДР), состоящих из двух плоских отражателей и отрезка исследуемого ДВ.

5. Изучить влияние на измеряемые параметры ИДР отклонений геометрии и параметров его базовых элементов: зазоров между отражателями и торцами стержня ДВ, наклона плоскостей отражателей относительно нормали к оси ДВ, разворота стержня ДВ вокруг оси ИДР и др.

3. Методы исследования

Теоретическая часть работы основана на проверенных приближенных методах прикладной электродинамики. Физические обобщения опираются на мировую базу знаний в теории электромагнитных полей и направляющих структур, а также на многолетний опыт в изучении ДВ, ДС и ДЭБ, накопленный в научных школах НИУ МЭИ (кафедра ОРТ, кафедра КПР, ЛДС).

Экспериментальные исследования проводились по двум сопоставимым технологиям: физического (ТФЭ) и вычислительного (ТВЭ) эксперимента.

Многие количественные результаты сопоставлены с полученными ранее частными решениями задач. Ключевые рекомендации, полученные в результате работы, по возможности, либо проверены экспериментально, либо основаны на достоверных результатах опубликованных работ.

4. Научная новизна

Научная новизна работы заключается в следующих ее результатах.

1) Впервые поставлено и проведено широкое исследование параметров высших типов волн (ВТВ) в многомодовых прямоугольных ДВ с большим значением формата (отношения размеров широкой и узкой стороны сечения).

2) Предложена эмпирическая формула для зависимости количества мод от значения формата (МПДВ). В интервале значений форматов до 18, при котором общее число типов волн в МПДВ не превышает 25, эта зависимость оказалась близка к тангенциальной.

3) Рассмотрены переходы в системах ДВ (СДВ) с многомодовых участков на одномодовые. Показано, что уникальные свойства согласованности и направленности таких переходов объясняются тем, что ВТВ СДВ испытывают чрезвычайно малое отражение от области критических сечений.

4) В качестве основного метода исследований в работе выбран, методически разработан и освоен применительно к изучению измерительных диэлектрических резонаторов (ИДР), построенных на базе отрезка изучаемого ДВ и двух металлических отражателей, метод «комплексного эксперимента», объединяющий две группы исследовательских технологий:

• технологии физического эксперимента (ТФЭ), в которых матрицы рассея-

ния ИДР изучаются на специальных КВЧ измерительных стендах;

• технологии вычислительного эксперимента (ТВЭ), в которых электромаг-

нитные поля, возбуждаемые в трехмерных моделях из диэлектрика и металла, имитирующих ИДР, рассчитываются и исследуются в локальной сети персональных компьютеров с помощью программных пакетов.

5) При изучении влияния зазора между стержнем ДВ и отражателем обнаружено, что вблизи полупрозрачного отражателя (в котором находятся возбуждающие ИДР щели) зависимость добротности ИДР от величины зазора является немонотонной - при некоторой величине зазора в графике измеренной величины добротности наблюдается явно выраженный всплеск.

5. Достоверность результатов

Обоснованность и достоверность результатов работы подтверждается:

• тем, что большинства результатов получено экспериментально, причем по двум независимым экспериментальным технологиям;

• тем, что они не противоречат известным теоретическим и практическим данным, полученным предшественниками;

• регулярными контактами и обсуждениями с людьми, работающими и работавшими в области электродинамики КВЧ диэлектрических структур.

6. Практическая полезность

Практическая полезность выполненной работы заключается в следующих ее результатах.

1) Поставлена общая задача исследования свойств ДВ, находящегося в таком многогодовом режиме, когда все распространяющиеся типы волн, имеющие различное число вариаций поля вдоль широкой стороны сечения, имеют только одну вариацию поля вдоль узкой стороны. С учетом физических и технологических требований выбрана конкретная форма сечения ДВ -прямоугольная.

2) Получена информация о волновых характеристиках и параметрах ВТВ в таком ДВ, необходимая для разработки широкого класса многомодо-вых диэлектрических структур и многомодовых элементов ДЭБ. Она уже нашла применение на кафедре ОРТ НИУ МЭИ в разработках оригинальных КВЧ устройств для решения актуальных прикладных задач.

3) Наглядно обосновано явление: ВТВ в плавно нерегулярных МДВ от критических сечений не отражаются, а полностью излучаются во внешнюю

8

среду ДВ. Именно это явление в диэлектрических соединениях определяет их уникальные свойства согласованности и направленности со стороны всех плеч. А в волноводно-пучковых преобразователях (ВПП) и формирователях (ВПФ) - проявляющееся в них свойство модовой самофильтрации.

4) Представляет практический интерес также ряд конкретных результатов, полученных в работе с помощью сочетания технологии физического эксперимента (ТФЭ) и технологии вычислительного эксперимента (ТВЭ):

• развиты и сопоставлены три варианта КВЧ стендов по технологии ТФЭ для работы в диапазонах частот от 25 до 56 ГГц;

• исследовано влияние на получаемые результаты важного при решении задач методами ТВЭ параметра модели - «объема модели»;

• при исследовании моделей ИДР с одной, двумя и тремя щелями в отражателе показано, что наиболее эффективен вариант с тремя щелями;

• описаны пять конструкций диэлектрических зондов для исследования распределений полей; выявлены их достоинства;

• изучено влияние на результат ТФЭ отклонений геометрии и параметров элементов ИДР: зазора между отражателями и торцом ДВ, наклона отражателей; значения диэлектрической проницаемости элемента крепления образца МПДВ; разворота стержня ДВ вокруг оси ИДР.

7. Реализация результатов работы

На основании материалов работы составлены три лекции, включенные в учебный курс кафедры ОРТ НИУ МЭИ, и проектное предложение по постановке лабораторной работы по спецкурсу.

8. Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждались в шести докладах на следующих конференциях: «Актуальные проблемы радиофизики» (г.Томск, 2012 г.), XX и XXI Международные научно-технические конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2014 и 2015 годы); XI Международная

научно-технической конференция «Физика и технические приложения волновых процессов» (г.Екатеринбург, 2012 год); 24-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо-2014) (г. Севастополь, 2014 год).

9. Публикации по теме диссертационной работы

По теме диссертационной работы в общей сложности сделано семь публикаций из них 3 публикации в журналах перечня ВАК и приравненных к ним, а также оформлена и направлена в ФИПС заявка на изобретение, по которой получено положительное решение на выдачу патента РФ.

10. Основные положения, выносимые на защиту

1) Выбор объектов исследований - многомодовые режимы и свойства высших типов волн (ВТВ) в ряде диэлектрических структур (ДС); в их числе многомодовые прямоугольные диэлектрические волноводы (МПДВ) и измерительные диэлектрические резонаторы (ИДР), состоящие из двух отражателей и отрезка исследуемого ДВ.

2) Результаты приближенного расчета и исследования дисперсионных характеристик десяти мод МПДВ, частотных зависимостей внутреннего и внешнего волновых чисел этих мод, а также структуры спектра этих мод.

3) Выбор в качестве основного метода экспериментальных исследований «комплексного» метода, объединяющего технологии вычислительных экспериментов (ТВЭ) и технологии физических экспериментов (ТФЭ).

4) Сопоставление и анализ результатов, охватывающих различные объекты исследования и широкую область параметров МПДВ, которые получены в диссертационной работе с помощью различных экспериментальных технологий (ТВЭ и ТФЭ), а также результатов, полученных с помощью ТФЭ на различных экспериментальных стендах.

5) Демонстрация возможности получать с помощью ТВЭ результаты исследования ИДР с достаточно высокой точностью - при условии привлечения достаточно больших аппаратных и временных ресурсов. Это условие вы-

полнялось в работе применением локальной сети персональных компьютеров (до 10 штук) и длительностью экспериментов до десятка часов.

11. Объем и структура диссертации

Работа общим объемом 154 стр. состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и 3 приложений (20 стр.). Работа проиллюстрирована 84 рисунками (в т.ч. 14 в приложениях). Список литературы включает 166 наименований, в том числе 7 авторских работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении формулируются цели и задачи работы, рассматриваются вопросы актуальности, новизны, практической значимости и другие оценочные признаки диссертации. Приводятся примеры возможного применения полученных в результате работы научных результатов.

В первой главе кратко описываются результаты исследований и разработок в области диэлектрических волноводов (ДВ), диэлектрических структур (ДС) и диэлектрической КВЧ элементной базы (ДЭБ), а также общие тенденции развития этого направления. По итогам работы и информационных исследований были сделаны следующие выводы, которые в полном объеме приведены в диссертации.

1) Удачной структурой конструкции для проведения этих исследований является широкоформатный (у которого одна сторона сечения много больше другой) диэлектрический волновод, находящийся в таком многогодовом режиме, когда все распространяющиеся типы волн, имеющие различное число вариаций поля вдоль широкой стороны сечения (ширины), имеют только одну вариацию поля вдоль узкой стороны сечения (толщины).

2) С физической и с технологической точек зрения разумно выбрать форму сечения широкоформатного ДВ прямоугольной. С учетом этого выбора основной объект диссертационного исследования назван в работе много-модовым прямоугольным диэлектрическим волноводом (МПДВ).

3) Актуальность настоящей работы - в том, что понимание поведения и знание волновых характеристик и параметров высших типов волн МПДВ необходимы для создания широкого класса многомодовых ДС и элементов

ДЭБ, а также для разработки рекомендаций для проектирования и конструирования ДС и ДЭБ на их основе.

Во второй главе рассматривается решение задачи нахождения дисперсионных характеристик мод МПДВ и определения модового состава в МПДВ с заданными поперечными размерами. Для этого вначале описаны дисперсионные характеристики собственных волн планарного ДВ (ПлДВ).

Внешнее а и внутреннее р волновые числа волн ПлДВ находятся в результате решения характеристического уравнения

* I -«£(/?)/ I1'

Они определяются численным размером ДВ

Л = *•£/'• (2)

или приведенным размером ДВ

? = (3)

/

где с1 относительный размер волновода

= 2-а-%]е2ц2 /Л (4)

а также значениями относительной диэлектрической проницаемости е в случае Е-волн или относительной магнитной проницаемости ц в случае Н-волн

е = у - для волны типа Е (5)

/ Ег

И = у/ - для волны типа Н

Различные комбинации волновых чисел а„ и Д характеризуют различные типы волн, отличающиеся порядком п. Низшие (основные) волны имеют порядок п=1.

По фазовой скорости направляемые волны в ПлДВ являются замедленными по отношению к внешней среде и ускоренными по отношению к внутренней среде. Степень замедления описывается коэффициентом замедления

и1_Е/л-аг + /31 (6)

а2 + 01

Описанные выше аналитические модели были положены в основу метода «Зигзаг». Он основан на представлении ВТВ МПДВ в виде суперпозиции

Х =

соответствующих основных волн ПлДВ (Е или Н типа), переотражающихся от граней МГТДВ с меньшим размером. С помощью этого метода:

1) Получены приближенные дисперсионные характеристики первых десяти типов волн МПДВ.

2) Получены частотные зависимости внутреннего и внешнего волновых чисел, описывающих распределения полей этих мод во внутренней и внешней областях сечения МПДВ соответственно.

3) Проведен анализ структуры спектра распространяющихся мод МПДВ. Показано, что все моды МПДВ разумно разделить на два класса:

• Моды, формируемые суммой распространяющихся под углами к оси МПДВ £/ волн ПлДВ. Поперечное Е поле у них ориентировано перпендикулярно ширине МПДВ. Эти волны называются модами с перпендикулярной (или вертикальной) поляризацией и обозначаются символами ЕН1п.

• Моды, формируемые суммой распространяющихся под углами к оси МПДВ Н) волн ПлДВ. У них поперечное Е поле ориентировано параллельно ширине МПДВ. Эти называются модами с параллельной (или горизонтальной) поляризацией и обозначаются символами НЕ1п.

4) Предложена эмпирическая формула для оценки общего числа мод в МПДВ большого формата в интервале значений форматов до 18, при котором общее число типов волн в МПДВ не превышает 25:

5) Разработан алгоритм, позволяющий произвести расчет замедлений и определить количество волн в МПДВ заданных физических размеров на заданной частоте.

На рисунке 2 приведен пример расчета дисперсионных характеристик и определения модового состава в МПДВ с форматом 30/3,4 (ширина образца МПДВ равна 30 мм, а толщина - 3,4 мм) в широком диапазоне частот и длин волн.

Рис. 2. Дисперсионные характеристики мод в МПДВ из материала с е=2,08 (относительный размер и замедление - величины безразмерные)

В третьей главе решается задача исследования стыка МПДВ и системы двух связанных ДВ (СДВ) (см. рис.3).

Сделана также попытка оценить теоретически и описать на уровне много-модовых явлений процессы, происходящие в системе двух близкорасположенных ДВ. Явления на резких и плавных нерегулярностях СДВ изучались и ранее. В главе показано, что подход с позиций многомодовых явлений может дать новую информацию о системах ДВ в нескольких направлениях:

• с одной стороны, открыть новые возможности анализа и обнаружить новые свойства СДВ и элементов ДЭБ на их основе;

• с другой стороны, обогатить базу знаний в области многомодовых ДВ уже имеющимися знаниями о распределенной связи в СДВ.

Особый интерес представляют явления в специфическом классе много-плечих ДС и элементов ДЭБ, называемых «соединениями» (яркий пример трехплечего диэлектрического соединения - У-делитель на ДВ).

©я

с

0

тГ

шшж

ям ®

Рис. 3. Стык ДВ и системы двух близко расположенных ДВ (СДВ)

В такой системе существуют, как собственные волны МПДВ, так и собственные волны системы связанных МПДВ. Предложенная ранее модель такой системы предполагала, что в системе связанных ДВ возникают четная и нечетная волны, в результате чего система описывается гремя физическими плечами и шестью волновыми плечами, поскольку в ДВ могут существовать одновременно два типа волн с ортогональной поляризацией.

Проведен аналитический расчет матрицы рассеяния для различных мод, получены зависимости коэффициента связи от расстояния между МПДВ. Исследованы зависимости коэффициентов отражения от частоты при различных коэффициентах связи (при различных расстояниях между пластинами) для двух первых мод.

Проведена также оценка межмодового преобразования (см. рис. 4-5). На рисунках 4 и 5 представлены результаты численного моделирования такой СДВ. При их интерпретации необходимо учесть, что это результат совокупного влияния переотражений от возбудителя, от нерегулярного участка и от торца системы двух связанных МПДВ. Все эти переотражения вносят свой вклад в общую картину.

Рис. 4. Зависимость коэффициента Рис. 5. Зависимость коэффициента

отражения Эц от частоты для различных отражения вц от частоты и преобразования расстояний между МПДВ мод СДВ друг в друга

По всей видимости, описанный подход к изучению многомодовых волноводов и резонаторов с позиций распределенной связи целесообразно развивать. Такой подход может дать новую информацию о многомодовых элементах ДЭБ.

В четвертой главе описаны экспериментальные стенды для физических экспериментов и модели для вычислительных экспериментов, а также программное обеспечение для обработки результатов. На рисунке 6 приведено фото экспериментального стенда для измерения частотных зависимостей

Рис. 6. Фото стенда ЭС-03 Рис. 7. Интерфейс

для измерения S11 -параметров ИДР программы обработки

коэффициента отражения Su- Стенд включает: 1 - векторный анализатор цепей R&S ZVA-50, 2 - измерительный диэлектрический резонатор (ИДР); 3 -метрологический коаксиальный кабель; 4 - коаксиально-волноводный переход МВ-8 на SMA.

На рисунке 7 приведен интерфейс программы, написанной на языке LabVIEW, для обработки результатов эксперимента. Программа позволяет определять параметры резонансной кривой в обычной и логарифмической шкалах. Программа может работать с комплексными и действительными данными.

Проведены оценки точности измерительных стендов.

В пятой главе обсуждаются результаты экспериментов с различными образцами МПДВ длиной 100 мм и 200 мм, проведены сопоставления физического и вычислительного экспериментов. Проведены также эксперименты по определению влияния различных факторов на параметры и характеристики ИДР: «объема модели», несимметричности отражателей ИДР, возбуждения ортогональной моды, а также элементов крепления образца.

На рисунке 8 приведен пример одного из результатов физического и вычислительного экспериментов - зависимость Бц от частоты для ИДР с об-

Непрерывная линия - физический эксперимент, пунктир - вычислительный эксперимент

Показано, что увеличение объема модели повышает точность расчетов по технологии ТВЭ, но при этом увеличивается время расчетов, а от компьютера требуется больше оперативной памяти.

По результатам исследования влияния угла наклона зеркала на результат измерения было установлено, что углы от 0 до 10° не очень сильно влияют на результат.

Наиболее интересным оказался результат исследования влияния зазоров между отражателями и стержнем МПДВ.

На рисунке 9 (см. следующую страницу) приведены результаты физического и вычислительного (численного) эксперимента. Из них следует, что влияние зазоров у разных отражателей ИДР является качественно различным.

Так, характер зависимости обратной величины нормированной полосы пропускания по уровню ЗдБ от величины зазора у непрозрачного отражателя имеет характер гауссовой кривой, а та же кривая для зазора у полупрозрачного отражателя имеет явно немонотонный характер.

Рис. 9. Влияние величины зазора между стержнем МПДВ и отражателями: а - зазор у непрозрачного отражателя, б - у полупрозрачного отражателя

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Таким образом, в ходе исследовательской работы, выполненной во время пребывания в аспирантуре кафедры ОРТ НИУ МЭИ, получены и изложены в тексте диссертации следующие основные результаты.

1) Обоснован выбор объектов исследований - многомодовые режимы и свойства высших типов волн (ВТВ) в ряде диэлектрических структур (ДС):

• широкоформатный диэлектрический волновод в таком режиме, когда все моды имеют различное число вариаций поля только вдоль его ширины;

• многомодовый прямоугольный диэлектрический волновод (МПДВ) - выбранная конкретная конструкция ДВ для углубленного изучения;

• система двух МПДВ, между волнами которых существует связь;

• многомодовые прямоугольные диэлектрические резонаторы, состоящие из двух отражателей и отрезка исследуемого ДВ или их системы.

2) В качестве основного метода исследований, в дополнение к традиционному электродинамическому анализу, выбран и освоен комплексный метод, объединяющий два экспериментальных подхода:

• технологию вычислительных экспериментов (ТВЭ), проводимых с помощью программных пакетов на локальных сетях компьютеров;

• технологию физических экспериментов (ТФЭ) с ИДР, реализованную как на стендах с оригинальной диэлектрической элементной базой, так и с современным векторным анализатором цепей.

.3) Освоен приближенный метод анализа мод МПДВ, основанный на их представлении в виде суперпозиции волн планарного ДВ (Е или Н), переотражающихся от граней МПДВ. С его помощью рассчитаны и исследованы:

• дисперсионные характеристики первых десяти типов мод МП/TR;

• частотные зависимости внутреннего и внешнего волновых чисел, описывающих распределения полей этих мод в сечении МПДВ;

• структура спектра распространяющихся мод МПДВ.

4) В ходе проведения экспериментальных исследований по ТФЭ:

• освоены три экспериментальных КВЧ стенда и разработаны макеты ИДР, роль волновода в которых выполняли исследуемые МПДВ;

• построены и исследованы модели ИДР с различным числом щелей; показано, что наиболее эффективен вариант с тремя щелями;

• для стенда ЭС-2, предназначенного для исследования распределений поля, предложены и испытаны пять конструкций диэлектрических зондов;

• показано, что наблюдаемые на ЭС-3 частотные характеристики имеют многофакторный характер; разработаны методы идентификации мод.

5) Показано, что результаты, полученные с помощью различных экспериментальных технологий, а также результаты по ТФЭ, полученные на различных экспериментальных стендах, охватывая различные объекты исследования, их параметры и конструкции, удачно дополняют друг друга.

6) Установлено, что сравнение результатов, полученных по различным технологиям, дает, удовлетворительные количественные соответствия. Например, результаты измерения скоростей мод МПДВ по ТФЭ и по ТВЭ сходятся с точностью около 1%.

7) Показано, что применение ТВЭ позволяет получить результаты по ИДР на МПДВ с достаточно высокой точностью. Однако, в силу большого физического объема моделей, для этого требуются большие аппаратные и временные ресурсы. В работе автора применялись локальные сети компьютеров (до 10 штук), а время решения задач достигало десятка часов.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В ведущих рецензируемых научных ясурналах и изданиях из перечня ВАК

министерства образования и науки РФ и приравненных к ним на основании приказа № 793 от 25.06.14 Министерства образования и науки российской федерации « 05 утверждении правил формирования перечня рецензируемых научных изданий...», приложение 1 п.З, п.5, в системе SCOPUS:

1. Андреев A.C., Минкара М.С.М. Поведение высших типов волн в области критических сечений нерегулярных диэлектрических структур И Известия высших учебных заведений. Физика. - 2012. - Т.55, № 9/2. - С. 72-76

2. Андреев A.C., Взятышев В.Ф., Минкара М.С.М., Орехов Ю.И. Совещание 1969 года по ДВ. Социально-информационная оценка в диалоге поколений спустя 45 лет // 24-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо-2014) (г. Севастополь, 2014 год). Материалы конф. в 2 т. - Севастополь: изд. Вебер, 2014. -С 619-620. DOI: 10.1109/CRMIC0.2014.6959555

3. Андреев A.C., Минкара М.С.М., Николаенко Д.В. Программа экспериментальных исследований спектра собственных волн широкоформатного диэлектрического волновода резонансными методами // 24-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо-2014) (г. Севастополь, 2014 год). Материалы конф. в 2 т. -Севастополь: изд. Вебер, 2014. -С. 621-622. DOI: 10.1109/ CRMIC0.2014.6959556

Публикации в прочих научных журналах и изданиях: 4. Заявка на изобретение №2015120940/28(032465) от 03.06.2015г. «Измеритель частоты СВЧ сигнала». Авторы: Крутских В.В., Минкара М.С.М., ВасюковВ.Д. Решение о выдаче патента Российской Федерации с приоритетом от 03.06.2015г.

5. Будагян И.Ф., Взятышев В.Ф, Дубровин В.Ф., Минкара М.С.М. Мно-гоплечие диэлектрические соединения: принципы действия и закономерности дифракции высших топов волн // Труды XI Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (г. Екатеринбург, 26-28 2012 год). -Екатеринбург, изд. УФУ, - С. 28-29.

6. Минкара М.С.М., Чуркин С.С. Распределенная связь в одномерно широких диэлектрических структурах // Двадцатая международная научно-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиотехника, электротехника и энергетика». Тез. докл. в 4 томах, том 1. - М.: Изд. дом МЭИ,-2014. - 260 с. - С. 13.

7. Владимиров C.B., Минкара М.С.М., Щербаков В.А. Проблемы исследования дифракционных явлений с использованием диэлектрических структур // Двадцать первая международная научно-техническая конф. студентов и аспирантов «Радиотехника, электротехника и энергетика». Тезисы докл. в 4 томах, том 1. - М.: Издательский дом МЭИ,-2014. - 244с. - С. 8.

Подписано в печать OS^û'ÂOib закТир. П.л. Типография Издательства МЭИ, Красноказарменная ул., д.13