автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Радио- и микроволновые резонаторы квазистационарного типа на отрезках замедляющих систем

На правах рукописи

Титов Андрей Петрович

РАДИО- И МИКРОВОЛНОВЫЕ РЕЗОНАТОРЫ КВАЗИСТАЦИОНАРНОГО ТИПА НА ОТРЕЗКАХ ЗАМЕДЛЯЮЩИХ СИСТЕМ

Специальность: 05.12.07 "Антенны, СВЧ устройства и их технологии"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2005

Работа выполнена на кафедре «Лазерные и микроволновые информационные системы» Московского государственного института электроники и математики (Технического университета)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Елизаров Андрей Альбертович Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Солнцев Виктор Анатольевич кандидат технических наук, доцент Власов Вячеслав Петрович

Ведущее предприятие - Институт проблем управления РАН им. В.А. Трапезникова

Защита состоится «Л » 200£ Г. в часов на заседании Диссертационного

Совета Д.212.133.06 Московского государственного института электроники и математики по адресу: 109028, г. Москва, Большой Трехсвятительский пер., 3/12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГИЭМ

Автореферат разослан

Ученый секретарь Диссертационного Совета Д.212.133.06 Профессор

Грачев Н.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Современный этап создания СВЧ-узлов и модулей различного функционального назначения на элементах с распределёнными постоянными наглядно демонстрирует широкие возможности применения пассивных устройств на отрезках полосковых линий, изготовление которых удачно вписывается в технологию микроэлектроники.

Однако широкое применение таких элементов сдерживается относительно узким рабочим диапазоном частот (10... 100 ГГц). На более низких частотах размеры элементов слишком велики, а на более высоких частотах слишком велики омические потери в них. Уменьшить размеры элементов с распределёнными постоянными, в том числе на относительно низких частотах (0,01... 10 ГГц), удается, применяя резонансные отрезки замедляющих систем (ЗС), представляющие собой двухпроводные линии передачи, один или оба проводника которых свёрнуты в спираль, меандр-линию, штыревую гребёнку и др. Однако при сворачивании проводников, омические потери в них растут пропорционально замедлению электромагнитной волны, что ограничивает возможность применения ЗС для уменьшения размеров элементов. Исследования, проведенные ранее [1*, 2*, 3*], показали, что в ЗС, проводники которых являются повёрнутыми на 180° зеркальными отображениями друг друга, можно получить дополнительное замедление без увеличения омических потерь. Однако особенности теоретического и практического применения этого свойства для миниатюризации пассивных элементов и устройств СВЧ-техники не получили должного обоснования.

Состояние вопроса

В 50-х годах прошлого столетия понятие резонаторов квазистационарного типа впервые ввел Нейман М.С. [4*]. Последующие его работы доказали полноправное существование таких резонаторов наравне с резонаторами на основе волноводных, коаксиальных и щелевых линий передачи. В отличие от всех перечисленных структур квазирезонаторы обладают возможностью практически полного разделения в пространстве электрического и магнитного полей. Линейные размеры таких резонаторов для основного типа колебаний оказываются значительно меньше резонансной длины волны, что позволяет проектировать малогабаритные радио- и микроволновые устройства различного функционального назначения.

В настоящее время наиболее известными и хорошо изученными являются резонаторы квазистационарного типа на основе волноводных линий [5 ]. В микроволновом диапазоне находят применение резонаторы квазистационарного типа на основе микрополосковых и щелевых линий. Уменьшить размеры резонатора квазистационарного типа можно, применяя замедляющие системы (ЗС) [6*,

Резонаторы квазистационарного типа на основе отрезков цилиндрических или радиальных спиралей, можно использовать в качестве миниатюрных элементов радио- и микроволновых трактов, малогабаритных устройств электромагнитного нагрева и физиотерапии, первичных преобразователей для измерения физических величин и контроля технологических процессов [8*].

Анализ физических и конструктивных особенностей резонаторов квазистационарного типа на отрезках различных линий позволяет сделать вывод о перспективности дальнейших исследований и разработки структур, представляющих собой последовательные соединения отрезков радио- и микроволновых трактов с разными волновыми сопротивлениями. При этом практический интерес представляют резонаторы, в которых отрезок с большим волновым сопротивлением выполнен в виде замедляющей системы. Использование эффекта замедления фазовой скорости волны открывает возможности уменьшения геометрических размеров таких резонаторов при заданной рабочей частоте и незначительном снижении собственной добротности по сравнению с резонансными системами на основе волноводных, коаксиальных или микрополосковых линий.

Цель диссертации

Исследование свойств электромагнитных полей в радио- и микроволновых резонаторах на отрезках одиночных и связанных замедляющих систем, обладающих большими коэффициентами замедления и высокой собственной добротностью, для создания пассивных элементов, узлов и модулей, обеспечивающих миниатюризацию устройств СВЧ-техники.

Для достижения указанной цели необходимо решение следующих задач:

• исследование электродинамических систем с разделенными в пространстве электрическим и магнитным полями, в том числе, при близком к равномерному распределению для выбранного поля;

• реализация для выбранных типов одиночных и связанных электродинамических систем требуемых коэффициентов замедления и собственных добротно-стей;

• обеспечение условий согласования распространения медленных волн в электродинамических системах с условиями распространения в окружающих средах при заданной диаграмме направленности и поляризации излучателя.

Методы исследования

Исследования проведены с помощью математических аппаратов электродинамики и теории электромагнитного поля; теории электрических цепей и сигналов; численных методов и компьютерного моделирования, изготовленных экспериментальных макетов и устройств.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректностью используемых и опубликованных математических выводов и моделей; согласованностью ряда полученных результатов с опубликованными в отечественной и зарубежной печати; результатами компьютерного моделирования, экспериментальных исследований и внедрением разработанных элементов и устройств в производство.

Научная новизна, основные научные положения и результаты

На защиту выносятся перечисленные выше новые результаты, полученные в работе:

1. Методика расчета и компьютерного моделирования радио- и микроволновых резонаторов квазистационарного типа на отрезках ЗС, основанная на ком-

бинированном использовании приближенно-аналитических (методы частичных областей, методы эквивалентных длинных линий) и численных (методы конечных элементов, методы конечных элементов во временной области) методов, позволяющая наглядно продемонстрировать распределение напряженностей составляющих полей, а также описать осевое излучение с вращающейся круговой поляризацией в исследуемых структурах.

2. Исследованные физические и конструктивные особенности радиальных резонаторов квазистационарного типа на отрезках одиночных и связанных ЗС, позволяющие обеспечить:

- существенное уменьшение (в десятки - сотни раз) их габаритных размеров по сравнению с рабочей длиной волны;

- практически полное разделение электрического й магнитного полей замедленной волны в областях, прилегающих к проводникам ЗС, причем при противофазном возбуждении резонатора на связанных ЗС энергия электрического поля снаружи проводников приблизительно в квадрат коэффициента замедления раз меньше энергии магнитного поля.

3. Экспериментальные исследования одно- и многосекционных систем на связанных радиальных резонаторах квазистационарного типа, подтверждающие:

- получение коэффициентов замедления в десятки раз превышающих геометрическое замедление, равное отношению длины проводников к длине ЗС в направлении распространения волны;

- сохранение высокого волнового сопротивления (десятки - сотни Ом), обеспечивающего получение высокой собственной добротности (сотни - тысячи).

Указанные выше конструктивные и физические особенности резонаторов квазистационарного типа и подтверждающие их экспериментальные результаты позволяют использовать такие структуры в качестве элементов радио- и микроволновых трактов, чувствительных элементов измерительных преобразователей и излучателей с заданной диаграммой направленности.

Апробация работы

Основные теоретические и практические результаты диссертации докладывались и обсуждались на 6 российских и зарубежных конференциях, школах-семинарах и симпозиумах:

• LVI Научной сессии, посвященной Дню радио, Москва, 2001. Доклад: «Анализ замедленных электромагнитных волн в коаксиальной ребристой линии»;

• I Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», Самара, 2001. Доклад: «Электроды для внутриполостной УВЧ физиотерапии с экранировкой магнитного поля»;

• I Евразийском конгрессе «Медицинская физика», Москва, 2001. Доклад: «Электроды для внутриполостной УВЧ физиотерапии с экранировкой магнитного поля»;

• III Межвузовской научной школе молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине», Москва, 2002. Доклад: «Исследование многосекционного радиоволнового излучателя на связанных радиальных спиралях»;

• LVШ Научной сессии, посвященной Дню радио, Москва, 2003. Доклад: «Компьютерное моделирование радио- и микроволновых излучателей на радиальных замедляющих системах»;

• Международном научном семинаре «Электродинамика периодических и нерегулярных структур» при секции электроники НТО РЭС им. А.С. Попова, Москва, 2003. Доклад: «Радио- и микроволновые резонаторы квазистационарного типа на отрезках замедляющих систем»;

• IV Межвузовской научной школе молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине», Москва, 2003. Доклад: «Применение связанных замедляющих систем для пассивных элементов СВЧ трактов и устройств твердотельной электроники».

Практическая ценность и внедрение результатов

Основные результаты диссертации получены при выполнении научно исследовательских хоздоговорных и инициативных работ, выполненных в МГИЭМ при участии автора за период 1998-2003 г.г.

Научные и практические результаты работы используются в НТЦ "Реагент"; в ООО «Фирма «Антенные системы»; в учебном процессе МГИЭМ при подготовке инженеров по специальности "Электронные приборы и устройства".

Внедрение результатов подтверждено соответствующими актами и заключениями.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 17 работ, включая 5 статей в российских и зарубежных журналах, 1 авторское свидетельство на полезную модель и 1 свидетельство РФ об официальной регистрации программы для ЭВМ, 3 учебных пособия.

Структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложения. Общий объем диссертации составляет 158 страниц, включая 97 рисунков и 3 таблицы, библиографический список из 103 отечественных и зарубежных источников на 10 страницах, приложения с актами внедрения и использования результатов на 3 страницах.

Во введении к диссертации обоснована ее актуальность, рассмотрено состояние вопроса, сформулированы цели, задачи и методы исследований, научная новизна, основные положения, выносимые на защиту, вопросы практической ценности, внедрения результатов, апробации и публикаций. Приводится краткое содержание каждой из глав.

В первой главе "Разработка методов расчета и анализа радио- и микроволновых резонаторов квазистационарного типа на отрезках замедляющих систем"

проведен обзор современного состояния и тенденций развития радио- и микроволновых резонаторов квазистационарного типа на отрезках линий передач радио- и микроволновых диапазонов, в том числе и на отрезках замедляющих систем, проведена их классификация по типам и конструкциям (рис.1).

Рис. 1 Типы и конструкции рацио- и микроволновых резонаторов квазистационарного типа

Рассмотрены три возможности уменьшения резонансной длины резонатора:

1) заполнением резонатора средой с проницаемостями £, ¡.I > 1;

2) применением резонаторов на основе замедляющих линий;

3) применением неоднородного резонатора, образованного из участков линий с разным эквивалентным волновым сопротивлением.

Рассмотрены конструктивные особенности резонаторов квазистационарного типа, нашедшие практическое применение, такие как: П-образный, тороидальный, на отрезках коаксиальных линий, подковообразный на микрополосковой линии, на щелевой линии, на основе цилиндрической спирали с экраном, на основе спирально-проводящего цилиндра с противоположным направлением проводимости, а также на основе одиночной спирали с экраном и на основе связанных радиальных спиралей.

Проанализированы основные методы расчета и моделирования электродинамических структур и устройств с замедленными электромагнитными волнами[10*, И*]: метод факторизации; метод задачи Римана - Гильберта; метод частичного обращения оператора и его модификации на основе математического аппарата теории сингулярных интегральных уравнений; методы частичных областей, включающие метод Трефт-ца и его модификации, и методы, основанные на вариационных принципах. Рассмотрен также обобщающий методы частичных областей метод моментов (в частном случае -метод Галеркина). Выбор перечисленных математических методов обусловлен необходимостью строгой формулировки граничных задач электродинамики и пригодностью для исследования структур с произвольным отношением периода к длине волны.

Проведена качественная оценка численных методов моделирования и их вариаций (табл. 1), получивших практическое применение. Рассмотрены возможности ускорения численной обработки результатов применением нескольких методов.

Метод Оперативная память, Мб Процессорное время Предварительная обработка

Конечных разностей 512 часы -

Конечных элементов 512 минуты десятки минут

Метод моментов 256 десятки минут десятки минут

Матрицы линий передачи 128 минуты десятки минут

Интегральных уравнений 256 десятки минут десятки минут I

- для компьютера Pentium 4 с оперативной памятью 1 Гбайт. Таблица 1. Сравнение численных методов моделирования электродинамических структур

Во второй главе "Расчетрадиальныхрезонаторов квазистационарного типа на отрезках замедляющих систем методом эквивалентных длинных линий" показана возможность создания резонансных структур с линейными размерами, значительно меньшими длины волны возбуждения; отмечено, что резонаторы, выполненные на основе последовательного соединения радиальных связанных замедляющих систем (СЗС) даже при различных значениях их волновых сопротивлений, не обладают эффектом уменьшения резонансной частоты.

Рассмотрен резонатор квазистационарного типа на основе отрезка одиночной радиальной арифметической СЗС, расположенной на одной стороне диэлектрической подложки и изотропным металлическим экраном с другой стороны (рис. 2).

О 0.1 0.2 0.3 04 0.5 0,6 0.1 0.8 г,/т; _

0.1 02 01 04 05 06 О? 08 Ч/Ч

Рис. 3. Относительное значение резонансной Рис. 5. Относительное значение резонансной длины волны в зависимости от г^для резонатор длины волны в зависимости Г|/ггдля резонато-

по рис. 2 ра по рис. 4

Условие четвертьволнового резонанса для резонатора квазистационарного типа на основе отрезка арифметической СЗС и значение резонансной длины волны Хг структуры:

А г*

(1)

где - внутренний радиус спирали, - внешний радиус спирали, £ -диэлектрическая проницаемость подложки, к - шаг спирали.

На рис. 3 показана зависимость относительного значения резонансной длины

волны Д^/йтр^л/г от отношения радиусов Г2/Г1 для различных значений г/И (максимально возможное количество витков с определенным шагом). Как следует из результатов расчета, отношение радиусов меньших 0.5 резонансной длины волны мало зависит от внутреннего радиуса спирали

Свободная площадь внутри спирали может использоваться для создания дополнительной емкости, которая включается между внутренним концом спирали и экраном, что увеличит резонансную длину волны, для этого в центре арифметической спирали расположим микрополосковый емкостной диск с радиусом и соединим его с внутренним концом спирали (рис. 4).

Рис. 6. Резонатор на основе связанных эллиптических спиралей: модель резонатора (а) и зависимости резонансной длины волны (б) и собственной добротности (в) от внешнего радиуса для резонатора на основе связанных логарифмических спиралей - 1 и для резонатора на основе связанных эллиптических спиралей - 2

Выражение для относительного значения резонансной длины волны в этом случае будет равно:

(2)

4лг2 7е у А Ь гг г2

где Ь - толщина подложки.

На рис. 5 представлены зависимости относительного значения резонансной длины волны резонатора квазистационарного типа от отношения радиусов г ¡/г2 показанные для различных значений г^к, рассчитан ые с помощью формулы (2) при отношении Г/Г^Ь

=10. Из сравнения зависимостей, показанных на рисунках 3 и 5 видно, что в случае резонатора на связанных спиралях эффект уменьшения линейных размеров по сравнению с резонансной длиной волны становится более значительным, чем для резонатора на одиночной спирали с микрополосковым емкостным диском. Отметим также, что максимальный эффект влияния емкостной нагрузки на увеличение резонансной длины волны структуры достигается в случае применения связанных арифметических спиралей с отношением радиусов rt\r2 приблизительно равным 0.5.

Проанализирован резонатор с квазистационарными параметрами на основе связанных эллиптических спиралей, выполненный по микрополосковой технологии (рис. 6 а). Конструкция такого резонатора содержит две радиальные эллиптические спирали с противоположными направлениями намотки, соосно нанесенные на обе стороны диэлектрической пластины толщиной b. В расчете модель эллипса заменяется на усредненную модель окружности, причем замена справедлива только для эллипсов с малым эксцентриситетом. В центрах обеих спиралей расположены металлические эллипсы с

внешним радиусом - большая и малая полуоси эллипсов соответ-

ственно. Эллипсы имеют радиальные щели, необходимые для разрыва азимутальных токов. Закорачивая концы эллиптических спиралей с внешним радиусом Гг = yjf^i' > где - большая и малая полуоси спиралей соответственно, получаем четвертьвол-

новый эллиптический спиральный резонатор, считая

Из проведенного сравнения параметров резонаторов на связанных логарифмических и эллиптических спиралях показано, что при близких значениях полуосей эллиптической спирали и внешнего радиуса логарифмической спирали, резонансные длины волн (рис. 6 б) и собственные добротности (рис. 6 в) обоих резонаторов практически совпадают. Увеличение разницы между этими величинами приводит к тому, что резонансная длина волны резонатора на связанных эллиптических спиралях может быть увеличена по сравнению с резонатором на связанных логарифмических спиралях при

выполнении условия: yjf^ï > ^ ■ В случае если выполняется условие < гг, собст-

венная добротность резонатора на основе связанных эллиптических спиралей может быть выше по сравнению с резонатором на основе связанных логарифмических спиралей.

В третьей главе "Компьютерное моделирование радиальных резонаторов квазистационарного типа на основе отрезков одиночных и связанных замедляющих систем " проведено моделирование интенсивности распределения электрического и магнитного полей в резонаторах квазистационарного типа на одиночных и связанных арифметических спиралях на стандартный частотах 27,16; 40,68; 433,92; 915; 2450; 5800 и 22125МГц. На основе результатов моделирования получены аналитические соотношения, позволяющие анализировать условия осевого излучения с вращающейся поляризацией для исследуемых резонаторов квазистационарного типа (оптимальный коэффициент замедления, диаметры (периметры) «резонансных» колец, входное сопротивление).

Анализ как излучающих, так и неизлучающих устройств на ЗС показывает сложность распределения полей в самих ЗС и в окружающем пространстве. Интенсивность и направление излучения волны зависят не только от величины замедления и параметров облучаемого объекта, но и от зазора между излучателем и объектом. Задача ещё более усложняется при использовании связанных ЗС (СЗС), замедление в которых, в зависимости от типа возбуждаемой волны, может быть существенно меньше (при синфазном возбуждении) или существенно больше (при противофазном возбуждении) т.н. геометрического замедления. При этом происходит перераспределение электрического и магнитного полей в поперечном сечении ЗС и окружающем пространстве. Всё

это в значительной степени затрудняет проектирование устройств на ЗС и приводит к необходимости компьютерного моделирования электромагнитных процессов в таких структурах.

В настоящее время существует целый ряд численных методов, на основе которых можно осуществить необходимый анализ, а также большое разнообразие программных продуктов для их реализации. В данной работе расчет выполнен с помощью программы High Frequency Structure Simulator от компании Agilent (HFSS), моделирующей распределение электромагнитных полей в структурах с помощью метода конечных элементов.

С помощью программы HFSS проведено моделирование интенсивности распределения электрического и магнитного полей в резонаторах квазистационарного типа на одиночных и связанных арифметических спиралях на стандартных частотах в диапазоне 27,16 - 22125 МГц.

На основе полученных результатов показано, что

а) при близких геометрических размерах и материалах подложек (рис. 7) резонаторы на круглых и прямоугольных спиралях имеют близкие резонансные частоты и распределения интенсивностей электрического и магнитного полей;

б) в исследуемых резонаторах соблюдаются условия осевого излучения с вращающейся поляризацией, близкой к круговой, причем для сохранения максимальной интенсивности излучения диаметр (периметр) спиралей резонатора должен быть больше Х^/п (рис. 8-9);

в) с ростом частоты (после 400 МГц) и потерь на излучение в исследуемых резонаторах наблюдается изменение направления вектора поляризации, причем в центральной части структуры направление вращения сохраняется как на более низких частотах, а на периферии - изменяется на противоположное (рис. 10);

г) в резонаторе на прямоугольных спиралях эффект увеличения интенсивности осевого излучения проявляется на более низких частотах (915 МГц), чем в резонаторе на круглых спиралях, что объясняется более высокой собственной добротностью последнего (примерно на 20%) (рис. 10 б).

При противофазной запитке связанных арифметических спиралей, образующих резонатор квазистанионарного типа, расхождение фазы токов, текущих но идеальным импедансным проводникам, повернутым на 180° относительно друг друга, увеличивается. ')то связано с увеличением длины витка но мере развертывания спирали.

Обозначим средний диаметр витка ilrp , тогда на длине половины витка спирали

фазовый сдвиг равен Tt~dc/IjX . С учетом начального сдвига, равного я , получим результирующее расхождение токов по фазе:

Фазовый сдвиг для круглого и прямоугольного резонаторов, показанных на рис. 7, составляет У = л +1.8° и = + 2.7" соответственно.

(а) (б.)

Рис. 8. Распределение интенсивности электрического ноля круглого (а) и прямоугольною (б) резонатора на связанных радиальных спиралях на частоте 27,16 МГц

Поскольку угол Ц/ отличается от я, то соблюдается условие осевого излучения с вращающейся поляризацией. В этом случае оптимальное значение коэффициента замедления, соответствующее противофазе поля первого и последнего витков, определяется формулой:

где к - шаг, р - число витков спирали, 1С -- длина одного витка спирали.

Оптимальный коэффициент замедления для круглого и прямоугольного резонаторов на частоте 27,16 МГц составляет пор1 =55 и Н^ =68 соответственно.

Из последней формулы следует, что поскольку Я/2р«Я + А, то поляризацию можно считать эллиптической. Однако, если величина коэффициента замедления не

оптимальна, т.е. п * — - — , то разница между Ч и ^„р/ весьма мала, а значит, полученная поляризация близка к круговой.

Условие осевого излучения выполняется не для всей структуры, а только для той ее части, в которой токи обеих спиралей совпадают по фазе:

я + -

= k-2x,

(5)

(а) (б)

Рис. 9. Распределение интенсивности магнитною поля круглого (а) и прямоугольного (б) резонаго-ра на связанных радиальных спиралях на частоте 27,16МГц

Из полученного соотношения следует, что средний диаметр первого «резонансного» кольца (к = 1) равен = Х/'я , а его периметр, в случае резонатора на прямоугольных спиралях, . Средний диаметр и периметр следующих «резонансных» колец в к раз больше.

Наиболее интенсивно излучает первое «резонансное» кольцо. Это связано с тем, что излучение спирали вызывает затухание волны, сопровождающееся уменьшением тока от ее начала (в центре) к периферийной области. Большая величина коэффициента затухания в рассматриваемой структуре объясняется малым отражением поверхностной волны от концов обеих спиралей (эффект бегущей волны тока).

Этот эффект позволяет обеспечить постоянное входное сопротивление структуры, которое является активным и может быть приближенно определено по формуле:

(а) (б)

Рис. 10. Распределение интенсивности электрического поля круглого (а) и прямоугольного (б) резонатора на одиночной спирали с экраном на частоте 915 МГц Постоянное входное сопротивление для круглого резонатора составляет , а для прямоугольного резонатора

Для того, чтобы на максимальной длине волны рабочего диапазона сохранялось первое «резонансное» кольцо излучения, диаметр спиралей должен быть доста-

точно велик: с1 > Хтю ¡я . С уменьшением длины волны это кольцо начинает сжимать-

ся до величины Лщц, , определяемой размерами узла запитки структуры.

Особо следует отметить тот факт, что при изменении частоты, отношение пери метра первого «резонансного» кольца Тй/.

к длине волны остается постоянным, что

позволяет сохранить направленные свойства резонансной системы в широком диапазоне длин волн.

В четвертой главе "Экспериментальное исследование радиальных резонаторов на основе отрезков одиночных и связанных замедляющих систем" выполнены эксперименты на макетах резонаторов, которые подтвердили ранее полученные теоретические зависимости.

Схема экспериментальной установки на основе панорамного измерителя КСВН и ослабления типа XI-42, работающего в поддиапазоне 0,5—610 МГц, приведена на рис. 11. Макет радиального резонатора подключался к схеме измерения как согласующий шлейф. По полученной амплитудно-частотной характеристике исследуемой структуры фиксировали резонансные частоты и по уровню половинной мощности рассчитывали собственную добротность

Рис. 11. Схема экспериментальной установки

Рис. 12. Зависимости резонансной частоты (1,3) и собственной добротности (2,4) резонатора от номера резонанса. Кривые 1,2 получены для режима возбуждения с периферии и короткого замыкания в центре, 3, 4 - для режима возбуждения в центре и холостого хода на периферии

Рис. 13. Зависимости резонансной частоты (1,3) и собственной добротности (2,4) резонатора от номера резонанса. Кривые 1,2 получены для режима возбуждения с периферии и короткого замыкания в центре, 3,4 - для режима возбуждения в центре и холостого хода на периферии

Полученные результаты изображены на рис. 12 и рис. 13 зависимостями и

от номера резонанса N. Данные графики показывают практически линейный рост резонансных частот резонаторов и близкое к экспоненциальному снижение их собственных добротностей с увеличением номера резонанса.

Подтверждение соответствия экспериментальных зависимостей и результатов моделирования прямоугольных спиралей с габаритными размерами 69х70мм, полученных с помощью программы НБ88 в главе 3, наглядно демонстрируется рис. 14 и рис.

15.

Рис. 14. Сравнение экспериментальных данных (1) и результатов численного моделирования (2) для резонатора на прямоугольных спиралях с габаритными размерами 69х70мм

Рис. 15. Сравнение экспериментальных данных (1) и результатов численного моделирования (2) для резонатора на прямоугольных спиралях с габаритными размерами 69х70мм

Расчетные дисперсионные характеристики получены из зависимостей распределения электрического и магнитного полей на стандартных частотах (27,16; 40,68; 80,42; 160,74; 433,92 МГц), выполненных на НБ88. Из картины распределения узлов и пучно-

стей на указанных частотах возбуждения можно определить величину замедленной длины волны Я3, по которой легко вычислить коэффициент замедления п.

Представленные зависимости на рис. 14 (режим короткого замыкания) и 15 (режим холостого хода) позволяют оценить относительные погрешности расчета и эксперимента, которые составляют на частотах О..15ОМГц 2-3%, на частотах 16О..4ООМГц 3 - 5%, что подтверждает хорошее соответствие результатов эксперимента и компьютерного моделирования.

Проведены исследования многосекционной структуры («этажерки»), собранной на основе нескольких резонаторов на прямоугольных связанных спиралях с противоположным направлением намотки. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 16. Резонаторы соединялись между собой двумя или четырьмя проводниками и запитывались из центра либо с периферии.

Рис. 16. Схема экспериментальной установки

В результате эксперимента удалось показать, что увеличение числа связанных резонаторов квазистационарного типа при расстояниях между ними менее 1/6 длины волны возбуждения не оказывает сильного влияния на ход дисперсионных характеристик. При холостом ходе на периферии отличие наблюдается только на первых двух резонансах, причем коэффициент замедления значительно растет с ростом количества пластин на основной и первой резонансных частотах. Следовательно, для случая четвертьволновой многоэтажной структуры, собранной из шести связанных квазистационарных резонаторов, возможно получение коэффициента замедления в десятки раз больше геометрического.

При холостом ходе наибольший коэффициент замедления (п=97) имеет «этажерка» из шести резонаторов с расстояниями между платами 150мм и 50мм, а при коротком замыкании - 175мм и 25мм (п=270). Следовательно, коэффициент замедления на резонансной частоте для резонаторов с габаритными размерами 69х70мм почти в три раза больше коэффициента замедления, полученного для резонатора на платах с размерами 140x142мм.

В пятой главе "Применение радио- и микроволновых резонаторов квазистационарного типа на отрезках замедляющих систем " исследован эффект излучения замедленной электромагнитной волны в магнитодиэлектрик, возникающий при замедлениях меньших корня квадратного из произведения относительных диэлектрической и магнитной проницаемостей безграничной среды; проведено моделирование многосек-

ционного излучателя на связанных радиальных спиралях.

Основным недостатком известных СВЧ излучателей на основе цилиндрических и плоских арифметических (архимедовых), равноугольных (логарифмических) и лого-периодических спиралей являются относительно большие размеры, сравнимые с максимальной длиной волны рабочего диапазона, а также недостаточно эффективное излучение вследствие концентрации поля в объеме между спиралью и экраном.

Сравнение основных параметров исследуемого многосекционного излучателя на связанных арифметических спиралях с известными логопериодическими структурами приведено в таблице 2.

Излучатели на связанных радиальных арифметических спиралях Логопериодические излучатели

Диапазон 1 МГц-1 ГГц 100 МГц-1 ГГц

Ширина диаграммы направленности в горизонтальной плоскости »120° / V т у о ■ «5 6°

Ширина диаграммы направленности в вертикальной плоскости »115° Г «4 Мтт 1° гО

Уровень бокового излучения £5 дБ >12 дБ

Входное сопротивление 50; 75 Ом 50; 75 Ом

Габаритные размеры геометрические размеры меньше длины волны сравнимы с резонансной длины волны

Таблица 2. Сравнение основных параметров многосекционного излучателя на связанных арифметических спиралях с известными логопериодическими структурами

Из данной таблицы видно, что предложенный излучатель (рис. 16) обладает большей шириной диаграммы направленности (120 ), меньшим уровнем бокового излучения (<5 дБ), что позволяет обеспечить нужное входное сопротивление и габаритные размеры, существенно меньше резонансной длины волны.

Представленные на рис. 17-20 модели многосекционных излучателей и рассчитанные для них с помощью программы MMANA диаграмма направленности, показали, что такие структуры обладают малыми по сравнению с длиной волны в свободном пространстве размерами, близкими к классическому магнитному диполю диаграммами направленности и высокой излучающей способностью, обеспечиваемой резонансным

режимом работы, что позволяет их использовать в качестве излучателей технологических установок для локальной термообработки материалов и малогабаритных радиоволновых антенн.

Рис. 17. Модель излучателя на круглых арифме- Рис. 19. Модель излучателя на прямоугольных тических спиралях

1у. Ш

арифметических спиралях : <;- -

1 • вертикальная поляризация

2 - горизонтальная поляризация

Рис. 18. Диаграмма направленности, полученная при расчете на ММАЫА для модели излучателя по рис. 17

Рис. 20. Диаграмма направленности, полученная при расчете на MMANA для модели излучателя по рис.19

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основным итогом диссертационной работы является решение актуальной задачи, заключающейся в разработке новых малогабаритных радио- и микроволновых резонаторов на основе исследования физических особенностей электродинамических структур на отрезках замедляющих систем. Особенностью работы является ее прикладная направленность, позволяющая использовать полученные теоретические и экспериментальные результаты для решения конкретных научно-практических задач. Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Проведен анализ современного состояния и тенденций развития радио-и микроволновых резонаторов квазистационарного типа на отрезках замедляющих систем, включающий анализ физических и конструктивных особенностей, аналитические и численные методы расчета и моделирования, классификацию по типам и конструкциям. На основе анализа установлено, что для практических конструкций резонаторов квазистационарного типа эффективно применение комбинированных приближенно-аналитических (методы частичных областей, методы эквивалентных длиннвк линий) и численнвж (методы конечнвж элементов, методы конечнвж элементов во временной области) методов, позволяющих наглядно продемонстрировать распределение напряженностей составляющих полей, а также описать осевое излучение с вращающейся круговой поляризацией в исследуемых структурах.

2. Использование последовательных соединений отрезков связанных радиальных замедляющих систем с микрополосковыми емкостными дисками, имеющими не менее чем на порядок меньшее волновое сопротивление, позволяет существенно уменьшить резонансные размеры структур при сохранении высокой собственной добротности (десятки - сотни). Показано, что резонаторы, выполненные на основе последовательного соединения отрезков одиночных радиальных ЗС не обладают эффектом уменьшения резонансной частоты даже при различных значениях их волновых сопротивлений, а собственная добротность таких структур меньше добротности резонаторов, образованных отрезками регулярных линий.

3. Использование программных продуктов моделирования СВЧ устройств, в частности программы HFSS (Agilent High Frequency Structure Simulator, version 5.6), реализующей метод конечных элементов, позволяет наглядно продемонстрировать распределение напряженностей составляющих полей в исследуемых электродинамических системах для различных режимов их возбуждения. На основе результатов моделирования получены аналитические соотношения, позволяющие описывать условия осевого излучения с вращающейся поляризацией для проектирования спиральных излучателей с заданной диаграммой направленности.

4. Предложены, теоретически обоснованы и экспериментально исследованы малогабаритные структуры с замедленными электромагнитными волнами на основе спиральных резонаторов. В результате экспериментальных исследований подтверждена возможность получения с помощью исследуемых радиальных резонаторов значений коэффициентов замедления, в десятки раз превышающих геометрическое замедление, равное отношению длины проводников к длине замедляющей системы в направлении распространения волны. Малые потери в проводниках позволяют сохранить высокое волновое сопротивление таких структур (десятки - сотни Ом) и обеспечивают получение достаточно высокой собственной добротности (десятки - сотни). Показаны способы управления распределением электромагнитного поля медленной волны в радиальных резонаторах на связанных арифметических спиралях, обеспечивающие возможность их миниатюризации и многофункционального применения.

5. Теоретические и экспериментальные результаты работы нашли практическое применение при проектировании малогабаритного многосекционного радиоволнового излучателя с близкой к классическому магнитному диполю диаграммой направленности и высокой излучающей способностью.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

1. Елизаров А.А., Титов А.П. Современное состояние и перспективы применения радио- и микроволновых резонаторов квазистационарного типа// Метрология. 2003. - № 4. - С. 34-44.

2. Пчельников Ю.Н., Елизаров АА, Титов А.П. Резонаторы квазистационарного типа на радиальных арифметических спиралях// Радиотехника и электроника. 2004. - Т.49. - № 7. - С. 758-762.

3. Елизаров А.А., Титов А.П. Параметры резонатора на основе связанных эллиптических спиралей// Радиотехника. 2003. - № 6. - С. 41-43.

4. Курушин АА., Титов А.П. Проектирование СВЧ устройств с помощью программы HFSS// Учебное пособие. - М.: МГИЭМ. 2003. - 176с.

5. Пчельников Ю.Н., Елизаров АА, Лебедева ТА, Титов А.П. Компьютерное моделирование радио- и микроволновых излучателей на радиальных замедляющих системах// LVIII Научная сессия, посвященная Дню радио. Москва,

2003.-Т.2.-С.7-9.

6. Елизаров АА, Лебедева ТА, Титов А.П. Радиальные замедляющие системы и их применение в технике СВЧ// Учебное пособие. - М.: МГИЭМ.

2004. - 60с.

7.Елизаров АА, Лебедева ТА, Титов А.П. Особенности измерений дисперсионных характеристик радиальных резонаторов на связанных спиралях Архимеда// Измерительная техника. 2003. - № 6. - С. 64-66.

8. Негин А.М., Титов А.П., Уваров ИА Изучение панорамного измерителя КСВН типа Р2-62// Методические указания. М.: МГИЭМ. 2003.

9. Елизаров АА, Титов А.П. Исследование многосекционного радиоволнового излучателя на связанных радиальных спиралях// Труды III межвузовской научной школы молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине». Москва, МГУ, 2002. -С. 93-98.

10. Свидетельство РФ № 21253, МПК Н 01 Р7/08 на полезную модель. Спиральный резонатор/ Елизаров АА., Титов А.П. Опубл. в БИ № 36,2001.

11. Свидетельство РФ №2003610278, МПК Н 01 Р7/08 об официальной регистрации программ для ЭВМ. Моделирование замедляющих систем эллиптического сечения с использованием аппарата функций Матье/ Елизаров АА, Баг-разян П.Г., Титов А.П. 2003.

12. Елизаров АА, Лебедева ТА, Титов А.П.. Применение связанных замедляющих систем для пассивных элементов СВЧ трактов и устройств твердотельной электроники// Труды IV межвузовской научной школы молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине». Москва, 2003. - С. 68-72.

13. Пчельников Ю.Н., Елизаров АА, Лебедева ТА, Титов А.П. Пассивные устройства твердотельной СВЧ электроники на связанных замедляющих системах// LVTII Научная сессия, посвященная Дню радио. Москва, 2003. - Т. 2. -С.5-7.

14. Елизаров АА, Репьева И.В., Титов АЛ. Анализ замедленных электромагнитных волн в коаксиальной ребристой линии// LVI Научной сессии, посвященной Дню радио. Москва, 2001. - С. 313-314.

15. Елизаров АА, Титов А.П. Электроды для внутриполостной УВЧ физиотерапии с экранировкой магнитного поля//1 Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов». Самара, 2001.

16. Елизаров АА, Репьева И.В., Титов А.П. Электроды для внутриполост-ной УВЧ физиотерапии с экранировкой магнитного поля// Медицинская физика. Материалы I Евразийского Конгресса. 2001. - № 11. - С. 68-69.

17. Елизаров АА, Репьева И.В., Титов А.П. Электроды для УВЧ-физиотерапии на замедляющих системах с электрическим полем в рабочем объеме// Радиотехника. № 10. - 2002. - С. 46-47.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Елизаров. А.А., Пчельников Ю.Н. Радиоволновые элементы технологических приборов и устройств с использованием электродинамических замедляющих систем// М: Радио и связь, 2002.

2*. Захарьящев Л.И. Конструирование СВЧ каскадов на резонансных линиях и спиральных фильтрах// М: Сов. радио, 1974.

3*. Антенны и устройства СВЧ/ Воскресенский Д.И., Грановская Р.А.,

Давыдова Н.С. и др.// Под ред. Воскресенского Д.И. М.: Радио и связь, 1981. 4*. Нейман М.С. Обобщение теории цепей на волновые системы// М.-Л.: Госэнергоиздат, 1955.

5*. Вайнштейн Л.А., Солнцев В.А. Лекции по сверхвысокочастотной электронике// М: Сов.радио, 1973.

6*. Баскаков СИ Радиотехнические цепи с распределенными параметрами// М.: Высшая школа, 1980.

7*. Григорьев АД Янкевич В.Б. Резонаторы и резонаторные замедляющие системы СВЧ// М.: Радио и связь, 1984.

8*. Елизаров А.А., Пчельников Ю.Н. Квазирезонаторы на замедляющих системах// Известия ВУЗов. Радиоэлектроника. 1991. Т.34. №10.С.70-74. 9*. Елизаров А.А. Технологические процессы и устройства на замедленных электромагнитных волнах: современное состояние и тенденции развитии// Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 1998. Т.1. №1. С. 41-49. 10*. Mansour R.R., Ye S., Peik S.F. Quasi-Dual-Mode Resonatois// IEEE MTT. 2000. V. 48. № 12. P. 2476.

11*. «Numerical Techniques for Microwave and Milliraeterwave Passive Structure»/ By edited Tatsuo Itoh// John Wiley&Sons. N-Y. 1989. P. 707.

Подписано к печати "У/" СЗ 2005 г. Отпечатано в типографии МИЭМ. Москва, ул. М. Пионерская, 12 Заказ № 63 . Объем п.л. Тираж /ОС экз.

05.1Z - Oí. /3

Введение.

Глава 1. Разработка методов расчета и анализа радио- и микроволновых резонаторов квазистационарного типа на отрезках замедляющих систем:

1.1. Современное состояние и перспективы применения.

1.2. Анализ методов расчета и моделирования.

1.3. Выводы по главе 1.

Глава 2. Расчет радиальных резонаторов квазистационарного типа на отрезках замедляющих систем методом эквивалентных длинных линий:

2.1. Резонаторы квазистационарного типа на радиальных арифметических спиралях.

2.2. Анализ радиального резонатора на связанных спиралях эллиптического сечения.

2.3. Выводы по главе 2.

Глава 3. Компьютерное моделирование радиальных резонаторов квазистационарного типа на основе отрезков одиночных и связанных замедляющих систем:

3.1. Особенности численного моделирования электродинамических структур с помощью программы High Frequency Structure Simulator.

3.2. Моделирование резонатора на круглой арифметической спирали с изотропным экраном.

3.3. Моделирование резонатора на связанных круглых арифметических спиралях.

3.4. Моделирование резонатора на прямоугольной арифметической спирали с изотропным экраном.

3.5. Моделирование резонатора на связанных прямоугольных арифметических спиралях.

3.6. Анализ результатов моделирования.

3.7. Выводы по главе 3.

Глава 4. Экспериментальное исследование радиальных резонаторов на основе отрезков одиночных и связанных замедляющих систем:

4.1. Особенности измерения характеристик и параметров квазистационарного типа.

4.2. Исследование резонатора на связанных прямоугольных арифметических спиралях.

4.3. Сравнение экспериментальных результатов и результатов моделирования, полученных с помощью HFSS.

4.4. Исследование многосекционного резонатора на связанных прямоугольных арифметических спиралях.

4.5. Выводы по главе 4.

Глава 5. Применение радио- и микроволновых резонаторов квазистационарного типа на отрезках замедляющих систем:

5.1. Особенности излучения замедленной электромагнитной волны в магнитодиэлектрическую среду.

5.2. Выводы по главе 5.

Актуальность темы

Современный этап создания СВЧ-узлов и модулей различного функционального назначения на элементах с распределёнными постоянными наглядно демонстрирует широкие возможности применения пассивных устройств на отрезках полосковых линий, изготовление которых удачно вписывается в технологию микроэлектроники.

Однако широкое применение таких элементов сдерживается относительно узким рабочим диапазоном частот (10.100 ГГц). На более низких частотах размеры элементов слишком велики, а на более высоких частотах в них слишком велики омические потери. Уменьшить размеры элементов с распределёнными постоянными, в том числе на относительно низких частотах (0,01.10 ГГц), удаётся применяя резонансные отрезки замедляющих систем (ЗС), представляющие собой двухпроводные линии передачи, один или оба проводника которых свёрнуты в спираль, меандр-линию, штыревую гребёнку и др. Однако при сворачивании проводников омические потери в них растут пропорционально замедлению электромагнитной волны, что ограничивает возможность применения ЗС для уменьшения размеров элементов. Исследования, проведенные ранее [1, 2] показали, что в ЗС, проводники которых являются повёрнутыми на 180° зеркальными отображениями друг друга, можно получить дополнительное замедление без увеличения омических потерь. Однако особенности теоретического и практического применения этого свойства для миниатюризации пассивных элементов и устройств СВЧ-техники не получили должного обоснования.

Состояние вопроса

В 50-х годах прошлого столетия понятие резонаторов с квазистационарными параметрами впервые ввел Нейман М.С. [3]. Последующие его работы доказали полноправное существование таких резонаторов наравне с резонаторами на основе волноводных, коаксиальных и щелевых линий передачи. В отличие от всех перечисленных структур квазирезонаторы обладают возможностью практически полного разделения в пространстве электрического и магнитного полей. Линейные размеры таких резонаторов для основного типа колебаний оказываются значительно меньше резонансной длины волны, что позволяет проектировать малогабаритные радио- и микроволновые устройства различного функционального назначения.

В настоящее время наиболее известными и хорошо изученными являются резонаторы квазистационарного типа на основе волноводных линий [3]. В микроволновом диапазоне находят применение резонаторы квазистационарного типа на основе микрополосковых и щелевых линий. Уменьшить размеры резонатора квазистационарного типа можно применяя замедляющие системы (ЗС) [5, 6].

Резонаторы квазистационарного типа на основе отрезков цилиндрических или радиальных спиралей, можно использовать в качестве миниатюрных элементов радио- и микроволновых трактов, малогабаритных устройств электромагнитного нагрева и физиотерапии, первичных преобразователей для измерения физических величин и контроля технологических процессов [7].

Анализ физических и конструктивных особенностей резонаторов квазистационарного типа на отрезках различных линий позволяет сделать вывод о перспективности дальнейших исследований и разработки структур, представляющих собой последовательные соединения отрезков радио- и микроволновых трактов с разными волновыми сопротивлениями. При этом практический интерес представляют резонаторы, в которых отрезок с большим волновым сопротивлением выполнен в виде замедляющей системы. Использование эффекта замедления фазовой скорости волны открывает возможности уменьшения геометрических размеров таких резонаторов при заданной рабочей частоте и незначительном снижении собственной добротности по сравнению с резонансными системами на основе волноводных, коаксиальных или микрополосковых линий.

Целью диссертации является исследование закономерностей распределения электромагнитных полей в радио- и микроволновых резонаторах на отрезках одиночных и связанных замедляющих систем, обладающих большими коэффициентами замедления и высокой собственной добротностью, для создания пассивных элементов, узлов и модулей, обеспечивающих миниатюризацию устройств СВЧ-техники. Для достижения указанной цели необходимо решение следующих задач:

• исследование электродинамических систем с разделенными в пространстве электрическим и магнитным полями, в том числе, при близком к равномерному распределению для выбранного поля;

• реализация для выбранных типов одиночных и связанных электродинамических систем требуемых коэффициентов замедления и собственных добротностей;

• обеспечение условий согласования распространения медленных волн в электродинамических системах с условиями распространения в окружающих средах при заданной диаграмме направленности и поляризации излучателя.

Методы исследования

Исследования проведены с помощью математического аппарата электродинамики и теории электромагнитного поля; теории электрических цепей и сигналов; численных методов и компьютерного моделирования, изготовленных экспериментальных макетов и устройств.

Научная новизна, основные научные положения и результаты.

На защиту выносятся перечисленные ниже новые результаты, полученные в работе:

1. Методика расчета и компьютерного моделирования радио- и микроволновых резонаторов квазистационарного типа на отрезках ЗС, основанная на комбинированном использовании приближенно-аналитических (методы частичных областей, методы эквивалентных длинных линий) и численных (методы конечных элементов, методы конечных элементов во временной области) методов, позволяющая наглядно продемонстрировать распределение напряженностей составляющих полей, а также описать осевое излучение с вращающейся круговой поляризацией в исследуемых структурах.

2. Исследованные физические и конструктивные особенности радиальных резонаторов квазистационарного типа на отрезках одиночных и связанных ЗС, позволившие обеспечить:

- существенное уменьшение (в десятки - сотни раз) их габаритных размеров по сравнению с рабочей длиной волны;

- практически полное разделение электрического и магнитного полей замедленной волны в областях, прилегающих к проводникам ЗС, причем при противофазном возбуждении резонатора на связанных ЗС энергия электрического поля снаружи проводников приблизительно в квадрат коэффициента замедления раз меньше энергии магнитного поля.

3. Экспериментальные исследования одно- и многосекционных систем на связанных радиальных резонаторах квазистационарного типа, подтвердившие:

- получение коэффициентов замедления в десятки раз превышающих геометрическое замедление, равное отношению длины проводников к длине ЗС в направлении распространения волны,

- сохранение высокого волнового сопротивления (десятки - сотни Ом), обеспечивающего получение высокой собственной добротности (сотни — тысячи).

Указанные выше конструктивные и физические особенности резонаторов квазистационарного типа и подтверждающие их экспериментальные результаты позволяют использовать такие структуры в качестве элементов радио- и микроволновых трактов, чувствительных элементов измерительных преобразователей и излучателей для УВЧ-физиотерапии с заданной диаграммой направленности.

Апробация работы

Основные теоретические и практические результаты диссертации докладывались и обсуждались на 6 российских и зарубежных конференциях, школах-семинарах и симпозиумах:

• LVI Научной сессии, посвященной Дню радио, Москва 2001. Доклад: «Анализ замедленных электромагнитных волн в коаксиальной ребристой линии»;

• I Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», Самара 2001. Доклад: «Электроды для внутриполостной УВЧ физиотерапии с экранировкой магнитного поля»;

• I Евразийском конгрессе «Медицинская физика», Москва 2001. Доклад: «Электроды для внутриполостной УВЧ физиотерапии с экранировкой магнитного поля»;

• III Межвузовской научной школе молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине», Москва 2002. Доклад: «Исследование многосекционного радиоволнового излучателя на связанных радиальных спиралях»;

• LVIII Научной сессии, посвященной дню радио, Москва 2003. Доклад: «Компьютерное моделирование радио- и микроволновых излучателей на радиальных замедляющих системах»;

• Международном научном семинаре «Электродинамика периодических и нерегулярных структур» при секции электроники НТО РЭС им. А.С. Попова, Москва 2003. Доклад: «Радио- и микроволновые резонаторы квазистационарного типа на отрезках замедляющих систем»;

• IV Межвузовской научной школе молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине», Москва 2003. Доклад: «Применение связанных замедляющих систем для пассивных элементов СВЧ трактов и устройств твердотельной электроники».

Практическая ценность и внедрение результатов

Основные результаты диссертации получены при выполнении научно исследовательских хоздоговорных и инициативных работ, выполненных в МГИЭМ при участи автора за период 1998-2003г.г.

Научные и практические результаты работы используются в НТЦ "Реагент"; в ООО «Фирма «Антенные системы»; в учебном процессе МГИЭМ при подготовке инженеров по специальности "Электронные приборы и устройства".

Внедрение результатов подтверждено соответствующими актами и заключениями.

Структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложения. Общий объем диссертации составляет 158 страниц, включая 97 рисунков и 3 таблицы, библиографический список из 103 отечественных и зарубежных источников на 10 страницах, приложения с актами внедрения и использования результатов на 3 страницах.

5.2. Выводы по главе 5

1. Исследован эффект излучения замедленной электромагнитной волны в магнитодиэлектрик возникающий при замедлениях, меньших корня квадратного из произведения относительных диэлектрической и магнитной проницаемостей безграничной среды.

2. Показано, что интенсивность излучения возрастает с увеличением разности между фазовой скоростью замедленной волны и скоростью света в магнитодиэлектрике. При этом направление излучения поворачивается в сторону нормали к поверхности магнитодиэлектрика.

3. С помощью программы MMANA проведено моделирование многосекционного излучателя на связанных радиальных спиралях. Показано, что такой излучатель обладает малыми по сравнению с длиной волны в свободном пространстве размерами, близкой к классическому магнитному диполю диаграммой направленности и высокой излучающей способностью, обеспечиваемой резонансным режимом работы.

Заключение

Основным итогом диссертационной работы является решение задачи, заключающейся в разработке новых малогабаритных радио- и микроволновых резонаторов на основе исследования физических особенностей, преимуществ использования электродинамических структур на отрезках замедляющих систем. Особенностью работы является ее прикладная направленность, позволяющая использовать полученные теоретические и экспериментальные результаты для решения конкретных научно-практических задач. Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Проведен анализ современного состояния и тенденций развития радио-и микроволновых резонаторов квазистационарного типа на отрезках замедляющих систем, включающий анализ физических и конструктивных особенностей, аналитические и численные методы расчета и моделирования, классификацию по типам и конструкциям. На основе анализа установлено, что для практических конструкций резонаторов квазистационарного типа эффективно применение комбинированных приближенно-аналитических (методы частичных областей, методы эквивалентных длинных линий) и численных (методы конечных элементов, методы конечных элементов во временной области) методов позволяющих наглядно продемонстрировать распределение напряженностей составляющих полей, а также описать осевое излучение с вращающейся круговой поляризацией в исследуемых структурах.

2. Использование последовательных соединений отрезков связанных радиальных замедляющих систем с микрополосковыми емкостными дисками, имеющими не менее чем на порядок меньшее волновое сопротивление, позволяет существенно уменьшить длину волны возбуждения при сохранении высокой собственной добротности (десятки - сотни). Показано, что резонаторы,

4 выполненные на основе последовательного соединения отрезков одиночных радиальных ЗС не обладают эффектом уменьшения резонансной частоты, даже при различных значениях их волновых сопротивлений, а собственная добротность таких структур меньше добротности резонаторов, образованных отрезками регулярных линий.

3. Использование программных продуктов моделирования СВЧ устройств, в частности программа HFSS (Agilent High Frequency Structure Simulator, version 5.6), реализующая метод конечных элементов, позволяет наглядно продемонстрировать распределение напряженностей составляющих полей в исследуемых электродинамических системах для различных режимов их возбуждения. На основе результатов моделирования получены аналитические соотношения, позволяющие описывать условия осевого излучения с вращающейся поляризацией для проектирования спиральных излучателей с заданной диаграммой направленности.

4. Предложены, теоретически обоснованы и экспериментально исследованы малогабаритные структуры с замедленными электромагнитными волнами на основе спиральных резонаторов. В результате экспериментальных исследований подтверждена возможность получения с помощью исследуемых радиальных резонаторов значений коэффициентов замедления, в десятки раз превышающих геометрическое замедление, равное отношению длины проводников к длине замедляющей системы в направлении распространения волны. Малые потери в проводниках позволяют сохранить высокое волновое сопротивление таких структур и обеспечивают получение достаточно высокой собственной добротности. Показаны способы управления распределением электромагнитного поля медленной волны в радиальных резонаторах на связанных арифметических спиралях, обеспечивающие возможность их миниатюризации и многофункционального применения.

5. Теоретические и экспериментальные результаты работы нашли практическое применение при проектировании малогабаритного многосекционного радиоволнового излучателя с близкой к классическому магнитному диполю диаграммой направленности и высокой излучающей способностью.

1. Захарьящев Л.И. Конструирование СВЧ каскадов на резонансных линиях и спиральных фильтрах. М.: "Сов. радио", 1974.

2. Антенны и устройства СВЧ. Воскресенский Д.И., Грановская Р.А., Давыдова Н.С. и др. Под ред. Воскресенского Д.И. М.:"Радио и связь", 1981.

3. Нейман М.С. Обобщение теории цепей на волновые системы. М.-Л.: "Госэнергоиздат", 1955.

4. Вайнштейн Л.А., Солнцев В.А. Лекции по сверхвысокочастотной электронике. М.: "Сов.радио", 1973.

5. Баскаков С.И Радиотехнические цепи с распределенными параметрами. М.: Высшая школа, 1980.

6. Григорьев А.Д, Янкевич В.Б. Резонаторы и резонаторные замедляющие системы СВЧ. М.: Радио и связь, 1984.

7. Елизаров А.А., Пчельников Ю.Н. Квазирезонаторы на замедляющих системах. Известия ВУЗов. Радиоэлектроника. 1991. Т.34. №10.С.70-74.

8. Елизаров А.А. Технологические процессы и устройства на замедленных электромагнитных волнах: современное состояние и тенденции развития. Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 1998. — Т.1 №1.-С. 41-49.

9. Пчельников Ю.Н., Свиридов В.Т. Электроника сверхвысоких частот. М.: Радио и связь. 1981.

10. Вайнштейн Л.А. Открытые резонаторы и открытые волноводы. М.: Сов. Радио.-1966.

11. Диэлектрические резонаторы. Ильченко М.Е., Взятышев В.Ф., Гасанов Л.Г. и др. М.: Радио и связь. 1989.

12. Иванова Н.Е., Лошаков Л.Н. Избранные вопросы техники СВЧ. М.: МИЭМ. 1990.

13. Добромыслов B.C. Резонансные СВЧ-устройства. М.: МЭИ. 1995.

14. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т.1. М.: Высшая школа. — 1970.

15. Гайдук В.И., Палатов К.И., Петров Д.М. Физические основы электроники сверхвысоких частот. М.: Сов. Радио. — 1971.

16. Захаров A.M. Резонаторы генераторов дециметровых волн. М.: Связь. -1967.

17. Генералов А.П. Резонаторы из отрезков длинных линий, соединенных емкостью. Устройства на их основе. Теория, примеры к проектированию. М.: Радио и связь. 2001.

18. Микроэлектронные устройства СВЧ. под ред. Г.И. Веселова. М.: Высшая школа. — 1988.

19. Елизаров А.А., Пчельников Ю.Н. Расчет добротности квазирезонаторов. Электронная техника. Сер. 1 «СВЧ-техника». — 1993. -№ 2 (456).-С. 9-12.

20. Вайнштейн JI.A. Теория дифракции и метод факторизации. М.:"Сов. радио".- 1966.

21. Шестопалов В.П. Метод задачи Римана-Гильберта в теории дифракции и распространения электромагнитных волн. Харьков: Изд. ХГУ. — 1971.

22. Шестопалов В.П., Литвиненко Л.Н., Масалов С.А., Сологуб В.Г.

23. Дифракция волн на решетках. Харьков: Изд. ХГУ. 1973.

24. Неганов В.А., Нефедов Е.Н., Яровой Г.П. Современные методы проектирования линий передачи и резонаторов сверх- и крайневысоких частот. М.: "Педагогика-Пресс",- 1998.

25. Неганов В.А. Электродинамическая теория полосково-щелевых структур СВЧ. Изд. СГУ, Самарский филиал. 1991.

26. Краснушкин П.Е., Ломнев С.П., Трагов А.Г. Метод точного расчета ячеистого волновода. Доклад АН СССР. 1964. -159. -№ 3. -С.528.

27. Кисунько Г.В. Вариационные принципы для краевых (дифракционных) задач электродинамики. Доклад АН СССР 1949 - 66 - № 5. - С.863.

28. Никольский В.В. Вариационные методы для внутренних задач электродинамики. М.: "Наука".— 1967.

29. Анго А. Математика для электро- и радиоинженеров. М.:"Наука".1965.

30. Крылов В.И., Бобков В.В., Монастырный П.И. Вычислительные методы высшей математики: в 2-х т. Минск: "Вышейшая школа".- 1975.

31. Гольдштейн Л.Д., Зернов Н.В. Электромагнитные поля и волны. М.:1. Сов. радио",-1971.

32. Вайнштейн JI.A. Электромагнитные волны. М.: "Радио и связь".-1988.

33. Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: "Наука".- 1978.

34. Тараненко З.И., Трохименко Я.К. Замедляющие системы. Киев: "Техника".- 1965.

35. Силин Р.А., Сазонов В.П. Замедляющие системы. М.: "Сов. радио".1966.

36. Пчельников Ю.Н., Зыкова Е.В., Иванова Н.Е. О методике определения параметров эквивалентных схем. Радиотехника и электроника, 1980. -Т.25. — № 6. — С.1231-1237.

37. Мухин С.В., Солнцев В.А., Ломакин О.Е., Глушков А.Р. Разветвленные схемы из четырехполюсников модели замедляющих систем. Лекции по электронике СВЧ и радиофизике. Кн.1. Саратов: Изд.- во СГУ. - 1989.

38. Пчельников Ю.Н. Эквивалентные параметры спиральной замедляющей системы. Радиотехника и электроника. 1988.— Т.ЗЗ №10,— С.2042-2045.

39. Елизаров А.А., Пчельников Ю.Н. Правила замены замедляющих систем эквивалентными длинными линиями. Тезисы докладов XLVIII Научной сессии, посвященной Дню радио. Москва, 18-19 мая 1993- С. 101102.

40. Пчельников Ю.Н. О замене замедляющих систем трехпроводной эквивалентной линией. Радиотехника и электроника— 1994 — Т.39 №5,—1. С.728-734.

41. Пчельников Ю.Н., Елизаров А.А. Расчет волнового сопротивления замедляющих систем на относительно низких частотах. Радиотехника и электроника. 1995. - Т.40. - №5. - С.745-748.

42. Автоматизированное проектирование устройств СВЧ, под ред. В.В.Никольского, М. 1982.

43. Никольский В.В., Никольская Т.И. Декомпозиционный подход к задачам электродинамики. М. — 1983. С.304.

44. Марков Г.Т., Васильев Е.Н. Математические методы прикладной электродинамики. М.: Сов. Радио. — 1970.

45. Numerical Techniques for Microwave and Millimeter wave Passive Structure. By edited Tatsuo Itoh. John Wiley&Sons.: N-Y. 1989.

46. C. Eswarappa, W.J.R. Hoefer. "Bridging the Gap Between TLM and FDTD." 1996 Microwave and Guided Wave Letters 6.1 (Jan. 1996 MGWL.): 4-6.

47. H. Jin, R. Vahldieck. "A Frequency Domain TLM Method." 1992 MTT-S Inter National Microwave Symposium Digest 92.2 (1992 Vol. II MWSYM.): 775-778.

48. Бочарова T.A., Курушин A.A., Подковырян С.И., Текшев В.Б.

49. Машинный синтез транзисторных СВЧ усилителей с помощью метода автономных блоков. Электронная техника, сер. Электроника СВЧ. Вып.2. - 1983.- С.60-65.

50. Григоев А.Д. , Янкевич В.Б. Резонаторы и резонаторные замедляющие системы СВЧ. Численные методы расчета и проектирования. М.: «Радио и связь».- 1984.

51. I.M. Yakover, Y. Pinhasi and A. Gover. "Theoretical Investigation of a

52. Free-Electron Maser Operating with а ТЕМ Transmission Line." 1996 Transactions on Microwave Theory and Techniques 44.4 (Apr. 1996 T-MTT.): 607-613.

53. K. Guillouard, M.F. Wong, V.F. Hanna and J. Citerne. "Diakoptics Using Finite Element Analysis." 1996 MTT-S International Microwave Symposium Digest 96.1 (1996 Vol. I MWSYM.): 363-366.

54. G.W. Slade and K.J. Webb. "Computation of Characteristic Impedance for Multiple Microstrip Transmission Lines Using a Vector Finite Element Method." 1992 Transactions on Microwave Theory and Techniques 40.1 (Jan. 1992 T-MTT.): 34-40.

55. Сестрорецкий Б.В. RLC и Rr- аналоги электромагнитного пространства. В кн.: «Машинное проектирование устройств и систем СВЧ». Под ред. В.В. Никольского - М.: Изд. МИРЭА. - 1977.

56. К. Naishadham and Х.Р. Lin. "Minimization of Reflection Error Caused by Absorbing Boundary Condition in the FDTD Simulation of Planar Transmission Lines." 1996 Transactions on Microwave Theory and Techniques 44.1 (Jan. 1996 T-MTT.): 41-46.

57. Yang Hao and C.J. Railton. "Analyzing electromagnetic structures with curved boundaries on Cartesian FDTD meshes." 1998 Transactions on Microwave Theory and Techniques 46. l(Jan. 1998 T-MTT.): 82-88.

58. J.A. Pereda, J.E.F. Del Rio, F. Wysocka-Schillak, A. Prieto and A.

59. Vegas. "On the use of linear-prediction techniques to improve the computational efficiency of the FDTD method for the analysis of resonant structures." 1998 Transactions on Microwave Theory and Techniques 46.7 (Jul. 1998 T-MTT.): 1027-1032.

60. Y.L. Chow and I.N. El-Behery. "A Dynamic Spatial Green's Function for Microstrip Lines." 1978 MTT-S International Microwave Symposium Digest 78.1 (1978 MWSYM.): 341-343.

61. N.K. Das and D.M. Pozar. "A Generalized Spectral-Domain Green's Function for Multilayer Dielectric Substrates with Application to Multilayer Transmission Lines." 1987 Transactions on Microwave Theory and Techniques 35.3 (Mar. 1987 T-MTT.): 326-335.

62. К. Гупта , P. Гардж , P. Чадха «Машинное проектирование СВЧ устройств», М., «Радио и связь». 1987.

63. Пчельников Ю.Н. Особенности замедленных волн и возможности их нетрадиционного применения. Радиотехника и электроника. — 2003. — Т.48. -№ 3. С.1-14.

64. Елизаров А.А., Пчельников Ю.Н. Радиоволновые элементы технологических приборов и устройств с использованием электродинамических замедляющих систем. М.: Радио и связь. — 2002. — 204С.

65. Пчельников Ю.Н. Излучение замедленной электромагнитной волны в магнитодиэлектрик. Радиотехника и электроника. 1995. - Т.40. - № 4. — С.532-538.

66. Yelizarov А.А. Antennas on surface electromagnetic waves. Proceedings XXVIII Moscow International Conference on Antennas Theory and Technology. September 22-24, 1998. -P.439-441.

67. Сестрорецкий Б.В., Петров А.С. и др. Анализ электромагнитных процессов на основе RLC и Rx-сеток. Учебное пособие. М.: МГИЭМ. — 2000.

68. Пчельников Ю.Н., Елизаров А.А., Миловская JI.A. Параметры радиальных резонаторов на связанных спиралях. Электронная техника. Серия 1 "СВЧ-техника".- 1992. Вып. 8 (452). - С.26-32.

69. Елизаров А.А., Пчельников Ю.Н. Параметры резонатора на основе радиальной спирали Архимеда. Радиотехника. 1997. — № 1. — С.93-94.

70. Елизаров А.А., Пчельников Ю.Н. Квазирезонаторы на замедляющих системах. Известия ВУЗов. Радиоэлектроника. 1991. - т.34. - №10. -С.70-74.

71. Патент РФ № 2054761, МПК Н 01 Р7/08. Спиральный резонатор. Пчельников Ю.Н., Елизаров А.А. Опубл. в БИ № 5, 1996.

72. Свидетельство РФ на полезную модель № 21253, МПК Н 01 Р7/08. Спиральный резонатор. Елизаров А.А., Титов А.П. Опубл. в БИ № 36, 2001.

73. Елизаров А. А., Пчельников Ю.Н. Расчет добротности квазирезонаторов. Электронная техника. Серия 1 "СВЧ-техника".- 1993. — Вып. 2 (456).-С. 9-12.

74. Березин В.М., Буряк B.C., Гутцайт Э.М., Марин В.П. Электронные приборы СВЧ. М.:"Высшая школа".- 1985.

75. Сазонов В.П. Электронная техника. Серия 1 "СВЧ-техника". 1992. -Вып. 8(452).-С.З.

76. Елизаров А.А. Измерительная техника. 2001. - № 1. — С. 13.

77. Pchelnikov Yu.N., Yelizarov A.A. Proceedings International University Conference "Electronics and Radiophysics of Ultra-High Frequencies (UHF-99)". St.Petersburg. - 1999. - P.464.

78. Сазонов В.П. Электроника. 1959. - № 6. - C.80.

79. Пчельников Ю.Н., Елизаров А.А., Миловская JI.A. Параметры радиальных резонаторов на связанных спиралях. Электронная техника. Серия 1 "СВЧ-техника". 1992. - Вып. 8 (452). - С.26-32.

80. Елизаров А.А., Пчельников Ю.Н. Параметры резонатора на основе радиальной спирали Архимеда. Радиотехника. 1997. - № 1. — С.93.

81. Найденко В.И. Новые методы измерения параметров периодических структур. Киев: "Знание".- 1982.

82. Пчельников Ю.Н., Елизаров А.А. Исследование дисперсионных характеристик спиральных замедляющих систем в экранах с изотропной и анизотропной проводимостью. М.: МГИЭМ. 1994.

83. Елизаров А.А., Пчельников Ю.Н. Электроды для УВЧ-физиотерапии. Труды Всесоюзной школы-семинара «Физика и применение микроволн». Изд. МГУ. 1991. - 4.1. - С. 196-200.

84. Pchelnikov Yu.N., Yelizarov А.А. Medical application of slow electromagnetic waves. Proceedings Internation University Conference «Electronics and Radio physics of Ultra-High Frequencies (UHF-99)». -St.Petersburg, 1999.-P.464-467.

85. Елизаров A.A., Репьева И.В., Титов А.П. Электроды для внутриполостной УВЧ физиотерапии с экранировкой магнитного поля. Медицинская физика. Материалы I Евразийского Конгресса. — 2001. — №11.- С.68-69.

86. Лошаков Л.Н. О расчете параметров экранированной спиральной линии при наличии диэлектрических опор. Радиотехника. 1972. -Т.28. -№ 8. — С.32-39.

87. Пчельников Ю.Н., Елизаров А.А. Магнитодиэлектрическая пластина в поле замедленной волны. Известия ВУЗов. Радиоэлектроника. — 1994. — Т.37. — № 10. С.66-73.

88. Интегральная оптика (задачи прикладной физики) под ред. Тамира Т. М.: "Мир".- 1978.

89. Середов В.М. Численное решение уравнения электромагнитного поля. Вопросы радиоэлектроники. Сер. Общие вопросы радиоэлектроники. — 1983-Вып. 5. С.34-38.

90. Сестрорецкий Б.В. Возможности прямого численного решения краевых задач на основе метода импедансного аналога электромагнитного пространства. Вопросы радиоэлектроники. Сер. Общие вопросы радиоэлектроники. 1976- Вып. 2. - С. 113-128.

91. Флетчер К. Численные методы на основе метода Галеркина. — М.: Мир. 1988.

92. Сильвестер П., Феррари Р. Метод конечных элементов для радиоинженеров и инженеров-электриков: Пер. с англ. М.: Мир. - 1986.

93. Mansour R.R., Ye S., Peik S.F. Quasi-Duul-Mode Resonators. IEEE MTT.- 2000. V. 48. - № 12. - P. 2476.

94. Пчельников Ю.Н. Сравнительная оценка затухания в СВЧ-элементах на спиральной замедляющей системе. Радиотехника и электроника. — 1987.- Т.32. № 7. - С.91-95.

95. Елизаров А.А., Титов А.П. Современное состояние и перспективы применения радио- и микроволновых резонаторов квазистационарного типа. Метрология. 2003. - № 4. - С. 34-44.

96. Елизаров А.А., Пчельников Ю.Н. Радиоволновые элементы технологических приборов и устройств с использованием электродинамических замедляющих систем. М.: Радио и связь. 2002.

97. Рамзей В. Частотно независимые антенны. Пер. с англ. Сахарова А.П. Под ред. Чаплина А.Ф. М.: Мир. 1968.

98. Кюн Р. Микроволновые антенны. (Антенны сверхвысоких частот). Пер. с нем. Тарабрина В.И. и Лабецкого Э.В. Под ред. Долуханова М.П. Л.: Судостроение. — 1967.

99. Пчельников Ю.Н. О соотношении между волновым сопротивлением и сопротивлением связи замедляющих систем. Радиотехника и электроника. 1983.- Т.28.-№ 10. - С. 1981-1985.

100. Курушин А.А., Титов А.П. Проектирование СВЧ устройств с помощью программы HFSS. Учебное пособие. МГИЭМ. М.: 2003. - 176с.

101. Елизаров А.А., Лебедева Т.А., Титов А.П. Радиальные замедляющие системы и их применение в технике СВЧ. Учебное пособие. МГИЭМ. М.: 2004. - 60с.

102. Список опубликованных работ по теме диссертации:

103. Пчельников Ю.Н., Елизаров А.А., Титов А.П. Резонаторы квазистационарного типа на радиальных арифметических спиралях// Радиотехника и электроника. 2004. -Т.49. № 7. - С. 758-762.

104. Близаров А.А., Титов А.П. Параметры резонатора на основе связанных эллиптических спиралей// Радиотехника. 2003. № 6. - С. 41-43.

105. Пчельников Ю.Н., Елизаров А.А., Лебедева Т.А., Титов А.П. Компьютерное моделирование радио- и микроволновых излучателей на радиальных замедляющих системах// LVIII Научная сессия, посвященная Дню радио. Москва, 2003. —Т.2. -С.7-9.

106. Елизаров А.А., Лебедева Т.А., Титов А.П. Особенности измерений дисперсионных характеристик радиальных резонаторов на связанных спиралях Архимеда// Измерительная техника. 2003. № 6. - С. 64-66.

107. Негин А.М., Титов А.П., Уваров И.А. Изучение панорамного измерителя КСВН типа Р2-62. М.: МГИЭМ. 2003.

108. Свидетельство РФ №2003610278, МПК Н 01 Р7/08 об официальной регистрации программ для ЭВМ. Моделирование замедляющих систем эллиптического сечения с использованием аппарата функций Матье/ Елизаров А.А., Багразян П.Г., Титов А.П. 2003.

109. Пчельников Ю.Н., Елизаров А.А., Лебедева Т.А., Титов А.П. Пассивные устройства твердотельной СВЧ электроники на связанных замедляющих системах// LVIII Научная сессия, посвященная Дню радио. Москва, 2003. Т. 2. - С.5-7.

110. Елизаров А.А., Репьева И.В., Титов А.П. Анализ замедленных электромагнитных волн в коаксиальной ребристой линии// LVI Научной сессии, посвященной Дню радио. Москва, 2001.-С. 313-314.

111. Елизаров А.А., Титов А.П. Электроды для внутриполостной УВЧ физиотерапии с экранировкой магнитного поля// I Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов». Самара, 2001.