автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Щелевые интегральные схемы КВЧ диапазона

•ЮСШВОККИ ЗНЕГГЗТЖЕСКЙЛ ККСТКГУТ (Тэхктее сккй Уягл грсит«, т)

Нз правах руке:

БАНКОВ Сергей Езгеньвып . ЩаЯЕЕЩ ШЕГРАЛЬКЬШ СХЕМЫ КЕЧ £Ш1А30КА

(Сявцлальнооть 05.12.07 - ¿кгеняч к СЕЧ ycvpoít-rea)

AÍ'Í о р е Оо р о i диссертации на соскастэ учзней степени доктора техжческ;;^ на/к

Москва

- —

Работа Еппслкеяа на кафедре Конструирования и производства радиоаппаратур;; Московского энергетического институте.

Научный консультант: доктор технических паук профессор ВЗЯтЫЛЕВ „.0.

Официальные ошютнти: доктор фасжо-кагемэтшеских наук профессор КАЦЕНЕЛЕН5АУМ Б.З. доктор технические наук профессор САЗОНОВ Д.М. . доктор физико-математических наук' профессор ТРЕТЬЯКОВ O.A.

Вэдудое предприятие указано в решении специализированного Совета :,;оскоеокого энергетического' института.

Ваонта состоится • _ _________IS94 г.. в

аудитор.на _ заседании

специализирозанвого Совета . Д~053,16.П - Московского

энергетического института по адресу: 10Б835 ГСП, Москва ■ Е-250,/

Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭИ. '

С диссертацией монно ознакомиться' в' библиотеке МЭМ.

Автореферат разослан " 1994 г. •

Гчешй секретарь специализированното . О /

Совета к.т.н., доцент , „ V' ,/<? КУР0ЧШИД Т.И.

У.ЦлЖш^п

- 3 -

ОКАЙ ХЛРАК1ЕР2СТНЛ FASOTH

Актуальность_ теунт Ссг.р<>енноэ аслок?:«-? в обкгота зрксурогзккя кифоволвовж устройств к систем хьр«Ь-эр;зув?ся рдесх Ifepsoa as них является внт?нсданоо осэо*вая килга^трскогэ (гит КБЧ) дапазоаэ дл/н во®. Отногенз« к КБЧ вэлзш :*.гжк;:лссь ь сзязл с. хочверсиеЗ в<*.тнсто производства кв>. у нос в етрвке, так к зз _ рубежом. Стхмултрозак-г.й е» поиск- нсв-гх прглслкйЯ CB'í тихни® показал, что ряд ' задач нк'-С^йзз адэкгэгю, етл бить ре&гн с покссью КЗЧ зела.

Вторь:?,! скостзомшгл жжктсм является то, что тглккчзекое ОСЗООЕИд КВЧ ДОЗП850Н8 ЬЭ ПОрВНХ КО ЕПСХ ВКШКО лЗЛ:1ЧЖ СЕлкдаФячоскйХ ароксворечк2, требующих р'зр-яботкг: осоСах средств их прводэлешя. Одно кз HXi в то;.:, что традзи:«ккые устройства ка основе кгтедйкчееккх волпозедоз, будучи пр::«луз!е:д1 с точки зрвная других характеристик, и:з»? ыдопуекго шгоя/в для коммерческих црякенэкзй стоимость.

Рззрпзенав данного противоречил ьсг"о:хно на вутл .жгегрвдяи, то есть изгосовяеная устройств метод:;:«: группевей технологий, когда все- asa большая часть нзделкя реализуется з. 'едином тех&ологкческок декле. •&200яье& д?:зт сквсзн&ч

ггктеграция КВЧ кекпд&хсз, подразумеваемая выполнен"? bcsá составных пястей, в ®оп ткохе екотшы и ягзгркжобрьзуедзг схе:,:-: в вида единой ин?егрьйьв.сй схем:. 3 токе бгоул, йгвэстнид. .технические средства '(элементная база) чз позволяют регдть оту задачу на необходимой уревн.-..

Такта образом, викнсЗ проблемой разодет техкгкк КБЧ диапазона оказывается разработка элементной базы, решакк,еД задачу сквозной интеграции КВЧ комплексов. Поскольку з дисоертгциснкой работе рассматривается одан из вариантов резвакя. этой проблемы,', то актуальность ее теш очэвздна.

¡¡¡мл. задачи и осяоеязз ишц pgsorau Целью ррботн является создание. физических, мйтемзтичошас а тахЕаческлх основ инженерного проектирования щелевых интегральные схем (ИС) КВЧ диапазона. Под ¡¡¡елешми КС понжаьтся ко на основе рядл бззоызг, линий передачи (рисЛ), вазявйаей кз . которых является диэлектрический щелевой волновод (5l¡3) (ряс.la). Задача выбора

осьс-хта 2сс.-лгоззнка (етгезых КС) рзаается в работе исходя из ен&лиза ь о?дас?я' прсектгровзяая КЗЧ ИС.

Досж;ек::е цол*. зсслзхозашя подразумевает ребенке следужаг.; кругзих пго'ле:.::

- совокупноста конструкций але.ментов щелевых КС, , сэс«зл»-алх эл^-ектнуй сазу дагпого класса устройств;

- форг.г.-'ртлияз представлс-нкЛ эз . элок-грсдагнктяьк процессах в клевых структурах, гзу\ош»б наг.оолее характерных явлений;- рагрьбзтка х->тодэз юд>\!арэвазия и оптепгзавш элементов и устройств кз ссноье делень^. вгуяоводоь;

- разработка и реэлгашк хн'лгр-уьжк -КБЧ устройств • на , базе -

щелэвкх волноводов.

-Г"аречжлекнче шге прсбдзг.м весьма рззясрсиьк, поскольку ст;:сс.-;тсд к рггякм этапа.; гтоцесса квнекврного прслгаароьакия. 'Чи не износ- тслно кх совместнее, ксхгглекснос редзике приближает нес к досяакшяо змга рвботы. •

I таксй ситуации рвсзк^еь значение приобретает наличке оетой кда нескольких центральных хде-л, г.озволяюс^и: ооьедзнзга», казалось бы разрозненные части работа б единое' целое. Одной из так:«;-. ;:деЛ является покя^-ле тегплческего противоречия, скграьсего,-глагнуч роль при айсоре объекта исследования и формулировке, хотя я :> сг.ск оо-.:ем вздз, зраСозенай, предъявляема- к к&ку (технического гадания}'. Среди них воянейвам является условие -сквозной -нпбгращга.

Другой центральной хдзей явилась концепция ЕС ■ как нерегулярной плоско-слоистой структуры, то есть совокупности плоских (пленарных) метадпо-диэлектричвских волновода?, огрзяхче.чш?х з плоскости КС. '

Поля }■: плоском Еолноьоде представляется набором собстедавс- волн с ШШГСУД8КЯ, 22в»сетми только от полояения-точкя наблюдения в плоскости волновода (то есть они являются . дзуамрнама фувшшми). Для аашкгуд нсля ■ формулируется двужркзя граничная задача' (дифференциальные уравнения' и граничные услськя) с учетом конкретной топологи? ' плоского волновода. Переход к деумвснам задачам , - . центральная идея моделирования интегралы;: :х структур.

Наконец последней центральной; эдеей является уже

высказанная концепция единства физических, математических и технически аспектов рзСогл.

С учетом Екке::зло::.экного задачи, реч-аеже в работе выглядят следукжу'м образом:

1. Анализ проектной ситуации в сбласта: разработки КС КЗЧ к гь'бор объекте исследования.

2. Разработка облдх прнк'дпяоа постановки днукэрнзх граничных задач дал интеградьЕнх зле:.:еятоз.

3. . Приложение обгдх прашк-ой «гхолкоеззюм интегралыгих элементов к целевкм структура.

разработка моделей и исследование злехентоз-целевых'"С. 5. РззраСотка и ре&жгздв» интегральных у'"тройств. КУ/ч^ея воукзиа заключается з рекзвкй вз;хной научно-технической задачи - создании основ инженерного гроект/ровакия п;елег.;х ПС ЬВЧ. Она раскрывается в слсдуэдих результата-.:

- разработка обзах прккццпоз моделкрованил лктегральнах структур иутэм форйудхрозхи для яхх двугдарянх грзгзгпг-и задач;

- реализация об:днх принципов для чайного случая челевих КС:

- исследование комплекса злектромагнигних явлений Езагз.-.одеязгзня волн на гранзде плосках волноводов, образующее целевую ис и связанная с этим разработка ;.:этодоз- решения систем интегральных уравнений типа Влнера-Хопфэ;

- разработка модолея. к ксояздаваае базовых злег-ентсв еелевпх Х-З;

генерация оригинальных конструкций телек»; элементов, форагтруззгда. эле^ентнуы базу щелевых

й£1-дизеская_цо^еоность заключается в разработке кдаплекса технических -средств, необходимых для проектирования целевых КО:

совокупности элементов болноводных . трактов ¡долевых КС, квазиопткческих элементов, антенн, диаграглообразующих схем, устройств, содержали; н&ганейныэ и невзаикше- злзменк:;

- совокупности математических л программных средств, необходимое для моделирования, расчета и опи&а.зации где лавах КС;

- концепции сквозной интеграции кикроволка-в« частя и ее реализации в ряде- интегральных модулей для измерительных, локационных и связных систем.

QÍSsajíeTo^jKajiccíeggBamíU Выбор метода исследования определяется спецификой работы в области инженерного

проектирования, связанней с необходимость» изучения широкого класса разнородных структур в ограниченное время. В связи с этим акту&кксвг является поиск ь.схяра\«оса кезду строгостью опнса:-г,;>; ' бъектоз исследовыт г затратами в широком с:.г,.;сле на ' создание их моделей. Предпочтение было отдано комплексному подходу, Екллчакг^ку ?зуч»тм клмчевых явло крибл>,декнсе

математическое опксагпч электрмагнитшк процессов, уччтывокаее • ,стг оснеьлвх эффектов и прекесрогащяв второстепеклаак,

экспержинтальнух' ьлробашпо иолучетсх результатов.

В большинстве рассмотренных в работа случаев исследование ши5?г следувцие атага.. Пэркь. состоит в вкделбкви, так назывзишс КЛйЧ&гвх структур - двух полубсоконечних плоских волноаодой с прямолинейно;! гралкцей и исследование взаимодействия, электромагнитных шля на „хЗ границе, далее на ьр/аяшлеЯной гг^нице вводятся трагичные' условия для амплитуд водя влосккх волноводов, а таюл двумерно дифференциальные уравнения, которым ■ последние подчиняется. Полученные граничные условия затем приближенно распространятся на траншу отличные - от пршшш-Якай. Таким обрагом, для интегрального элемента с конкретной топологией моует быть сформулировавз двумерная задача, , решение которой позволит найти амплитуды воли, а следовательно и; полное л о.

Второй этап состоит в решении задач для элементов, ийеюшвх конкретную топологию. Вшшм моментом ка втором этапе является Влбор когходааего метода реаения уке д«укерной задачи. Предпочтение отдается методам, дшеав: аналитические результаты.

Наконец трогая этап состоит в шрсбаэди модели и ее экспериментальной проверке. Большое внимание при этом уделяется получении нагладаис, физически значимых результатов, допусками интерпретацию на качественном уровне.

9225ковэнностъ научных результатов десзертации следует из строгих рекэний ключевых задач, физической наглядности использованных приближения и оценки пределов корректного ' их применения, экспериментально! проверки осноеных теоретических результатов. Рвзякз'дия результатов. Работа выполнена в интересах Ко!Д1лекской црогртса 1Ш> СССР "СВЧ-2" и . в соответствии с основными направлениями К/.Р кафедры Констру1фоваш-.я и производства .

радиоаппаратуры МЭЙ.

Результаты диссертации используются в разработках ряда организация (ШКЖС, Ц8ШГ, Г.:-Г,ГЛ?С. ТОО "йятелз") при прооктхровзж.: КЗЧ слотам.

результатов. Результаты работ;. докладвэллсь и обсуздадись ко Всесоюзной ков^эргецо: "Лрсбл&мз интегральной электрожгки СйЧ" (Ленинград, 1534 г.). на 1У Рзесо:лзком «кпозвумэ по мкгяввегрсЕЗД к тулглллкметровым волна:,; (ларъксн, 1584 г.), на X научно-технической кон$арен:;л;, посзяпкнной Гэдгю (Москва, 1984 г.), нз конференции "Устройства функциональной к интегральной электроники СБЧ" (Киоз, 19=5 г. ка У Московской городской ксн^-рскцдл молодых ученых л скецвадкотов (Москва, 1&&5 г.), Ма I и II Всесскзкнх ^колах-се-гкнарах "Ззапу.одзйстз.И'"' здектрокзгнктнкх если с ЕОлупроЕо.тккакл:; псдупрою;ида\оьо-;д:одоктгт:ческ;:;я структура;«" (Саратов, 1885, ' 1963 г.г.Ч на Е ее сок-зной научно-технической конференции "Проектирование и :;р:женеяк0 радаозлехтрокных устройств на диэлектрических Еолноьодах к резонаторах" (Сбилиси, 1568 г.), на юбилейной коаЗервпши УЗХ (Москва, 153>3 г.), на Бсесовзнсм научном семинаре "Уч^маготзсхое моделирование к применение явлений дифракции" (Ь!сскаа, 1993 г.;, на ¿сесзузнсй научно-техчетгекей хонф£роз*даг ""З'гекатическее кэделирезаже и создайте САПР для расчета, анализа и синтеза знтенно-фидершх скот«.' л их элементов" (Ростов Ярославский, 1950 г.), на Международном имозиукэ по электромагнитной -теорнд (Стокгольм, 1939 г.), на II Всесоюзной .Е.т/чн^-тахнлчзсксй кон^реннда "Устройства 2 ь'.етоды пр'.гкладной электродинамики" (Одесса, 1591 г.), на 22-ой Европейской каироволноЕой конференции (Хельсинки, 1992 г.).

Результаты ¡аюсерхиам спубл-.псонзпк в 27 тезисах докладов, 20 статьях б научно-технических журналах, научно-техническхх. сборниках к трудах кездукаро.'с-е-'л конференций, 13 описаниях авторских свидетельств на изсСржг-яи.

Стргктура^_объем_^ссертацк/^ .Глссертацил состоит из двух тсмоа. В пераом томе представлен основной текст, ьо втором прилолх-нлл. Первый том содержи воезмь глав, выденио, заключение, список литературы. Второй - том содержат елть Приложений к различным

гл?в:,м азрвого то:<п, а такж? документы внедрежл. Основная часть длссертадгл вкльчаот 505 макжопгсжх страниц, 244 рисунков и гьЗягц, Г?5 литературных источников.

СОД5НШВЕ РАБОТЫ

Ео ВЕ.ь„«ая дается сбдая характеристика работа, ее связь с ратч.итглм »»•йкроьслгюной техники в деле:,',, излагаются оскозши аде и дезеертеццл, фор-лулйиэуптся полохения, Еа-гоокааэ х'.а сайту»

дассертзаак посвяцена ечасед проектио.". сктуацти .в области разработки интегральных И.Ч устройств. Б первом разделе рзоо:.:отргт.:; ссобоянссзи применения КЕЧ вол:: на современном этапе и '.'-X влияние на постановку задачи К;Гвгрьди1. Лелавтся сгвдувю». глгодк. Б условиях кок «роиа, как определясь?, тоздо'щии, с»>е<нйгс" акцепты в оцеаке значимости показателей качества р«д..ог'.жтро12шх устройств. На первый план выходят всходят такие показателя качества как стоимость изделия, простота сто эксплуатации, технологичность. Повкле'гие этах показателей качества возможно пз путл сквозной интегредкя КВЧ комш:*кса.

Во втором разделе первсЛ главы рассматриваются тедкгаептае .. р;еь"эы:я, лрименяхдиеся в КБЧ диапазон» для создания ИС. К ювг относятся полоск'ш^з, волноводкочделевые и диэлектрические КС. Отмечаются следующие моменты. Полосковые двдии передачи на ИВЧ не мсгуг слуи1Т-ь основой для реализации сложных разветвленных устройств пространственной обработки сигналов

(,Т--:агр?Амообразундз1е схемы, устройства питания антенн, антенны) в силу бользих погонах потерь. Поэтому задача сквозной интеграции на КЕЧ с помощь» полосковых КС не может быть ререка. Аналогичной влвод делается относительно воляоводио-целевкх КС. Хотя последние имеют много - кеиьпке' ' потери, однако для реализации лросгранстЕенно-распределенных, мкогопяечкх устройств они .малопригодна у;ке в силу специфической конструкции волаоводно-щелевой линии, содерлздеЯ. металлический волновод. Наконец диэлектрические 1-ГО. -Основным тормозом для их внедрения являются технологические проблемы. Создание диэлектрических йС требует специальной технологии, имеющей пока уникальный зарактер.

Описанная противоречивая ситуация ставит на первый план

задачу поиска новых вариантов вшюдаеяйя КС КБЧ, удскятаорлкгзх, с одной стороны, кокц>лпщгн сквозной интеграции и, с другой

■ стороны, совкесимых с пленочной тсхло/огией.

Далее в первой главе в качестве самостоятельной про: л-на рассматривается моделирование кнаагрьлыгзх &-ьксз?ов и устройств

■ КБЧ. Обзор методов мсделзфозакия показал, что для создан::.- банка. ' моделей' базовых элементов - адекватных этапа» гсодс-зсз

проектирования, когда необходим достаточно ом;;ра оценить параметры широкого набора устройств, целесообразно развитие проблемно ориентированных методов, ухтаза-юя. специфику тех объектов, к которым они применяется. Г'ри атом за счет учета главных и пренебрежения. второе ¿поникла' фактора:.*;: матемаигеесюа аппарат становится хного преде.

В пятом разделе осуществляемся выбор оСтекта после дона: д;л, - то есть внбор типа КС, которые загс.-,: будут подробно изуча^-ьол. Поскольку тит. ИС определяется тине« базовой лнии передачи, то в данном случае задача формулируется к ж задача выбора Рассматривается . ряд конструкций, альтернативных известны:,«

■ полосковым, волноводно-целевнм лишим и длэлектрлческг.м волноводам. Далее на основе качественных соображений, а также на основе результатов предварительных исслздоБЗний проводится^ сопоставление, предлоаекных л?ниа передачи. Б результате сопоставительного анализа предпочтение было отдано соисгвед линий .передача щелевого ш.а, так называемым делении волноводам (рис.1)'. Среди них особое место занимает х'зяектрический щелевой волновод-(ДЦВ) (рис.1а).

1 '71. ' -тчЦ

а б з

Рис. I .

Перечислил соображения, которые легли в основу указанного

:д;'ора. Кэясхд'ксяя да допускает увеличение поперечных размеров .такта без. увеличения кгдуноняя па норегулярностях. Это дло-:нгастст за счет сохранения зьпроделыюстк плоских волноводов, боковые области ДЗ вплоть до толщин подложки -?Л'Х'2/е (л. - длина волну вакууме, £ - диэлектрическая ггрс-.глцооность подло:«-;:). В результате в линии уменьшается ' ясгоккое затухание без увеличе;ня да^ракииояного рассеяния волн на керзгулзрноотях. счет этого достигается общее уменьшение 'потерь в ко вместе о нов;жшуем степей: интеграции из-за разливает Оунниионзлышх элементов з ещ> малогабаритных резких нер;;гулчресстей.

В ь:вото:,' разделе £ер;,'.улируется в' самом общем виде ковдтавпя ¡гаде.чиров;-,ния ьюктроиагткикх явлений в шеловых КС.,-Огл ойкрается на известиве овпкедтскш кетодч Олзязра' и

»ЭДадстяыксЗ диэлектрический проницаемости. Отмечается, что общий ил ййх переход от троеау.ерних задач к двумерным является адекватка;;.: охрав.ен/.ек дву:<:ирного характера взаимодействия волн в пнхегралж::-: структурах. Последнее приводит к радикальному упрощений ;,!ате!.;'Л'йчеснсго аппарата и позволяет в сжатый сроки создать баь'х коде лей:, пригодных для ирооктироваяия. Отмечаются также суаественные недостатки эвристических методов./ Направление, в котором намечается развитие подходов к ЩГ.аДфСВШЗО интегральных структур, формулируется следующим образе;.:. Сохранение двумерного описания, основанное на строгих электродинамических результатах его обоснование, выявление необходима дспуцегал и * .>нб./ш:екий и определение связанного с ккми ограде;-гения пределов применимости подхода.

В заключительном содь разделе определяются задачи научного исследования и структура работы.

диссертационной работы, посвящена разработке подхода к моделирование электродинамических явлений в ИС с помощью двумерных уравнений и Функций двух переменах.

3 самом начале второй главк формулируется концепция ИС как совокупности ограниченных в плоскости Х01 плоских' волноводов (рис.2). По. оси ОУ ИС ограничена плоскими металлическими, экранами. О.уккциональннэ элемента ИС формируются путем создания в плоскости ХОг неоднородных свойств. • ' •'

, Анализ начинается с лрздстоьдештг В к-л/лтопэнт поля ;•. плоском волноводе в виде наСорэ сосггтенгшх шли: ■

№1

тг'Ггтт/г/ / /////// /г

Рис.

рц

П-Т п» <

где индексы е и К указывают на принадлежность к Е-ьаянам (Ку-0) и Н-волнам (Е*0). Функции ®в(у) . яьлякггел решениями задачи Штурма-Диувилля для поперечного оператора и зазиант только от структуры слоев плоского ьолноьода. Функции О напротив, не

зависят от у и удовлетворяют урвв»Ешаам Гильмг^дьча

дх* ъгл п (2)

где 7 - постоянная раопрострэнения соСс«^аяоа

Функции Ф (х,г) имеют емасл а-ятлитуд сссстшиах золи, зависящих от топологии неоднородного плоского волновода. Так как Ф (У). наоборот, не зависят от топологии и могут Сыть определен;; безотносительно к структуре интегрального • элемента, то задача .определения полл в последнем сводктол к находани»

Далее в главе 2 вводятся следушкв нектэрние функции

! £<*) Ч'®

j

[ р£„ 2Ф«е. 0. ¡а£.-> ЗФлеу

V Э2 ' Тпе1 ЭХ'-'

(0-, ф^; 0) .

(3)

К1;* эг ' г ф» Ъх '

веташе строчки отвечают Б-волнам, ниэдше. - Н. Виктора ^ н I

зависят только ог т, г 'и удовлетворяю? ■двумерным уравнениям

Максвелла:

• <ХеЬёЛ = Нгг , • хЛ Ьй = I»£с£пел > ^ '

где ^В./"; е„-1 для Е-еоднн и -'для Н-волны, С*у/к. -

Нетрудно убедиться, что знание ё и 5 достаточно для определения

полного поля Е, Н. •

Л-так, нам необходимо найти некоторую упорядоченную

госледовательнооть векторних функций. Для- удобства и компактной

зависп темах последовательностей , з 'работе вводятся понятия'.

гипервектора А:, - '•

где а.

■¡Г - ,<¿¿2 .,, а,,) ,

- вокторн Эвклидова пространства, гипвртензора:

' г-г гт

(5)

2,

%ч ... 1

(6)

¿д-у

где - никоторые тензоры того пространства, М-вектора

к - .. аы) ,

скаля;

Я»

У-

где - скалярные величины, М-тензора

'У« .... а^]

I.

Уд,, .. . Чуы^

с.-салярнда величины.

(8)

Понятая М-вектора и- М-тензора введены ■ специально,' чтобы можно бнло их отличать от. аналогичных понятий для Эвклидова пространства. Далее определяются операции. над гипер- и

}

задачу поиска новых Еариачтоз выполнения КС КЕЧ, удяьктвордкгж, С ОДНОЙ сторони, КСНЦ^ГЩК! ' СКВОЗНОЙ интеграции' н, с другой стороны, совместимых с пленочной тсхжуоп'.е?..

Далее ь первой главе в качестве самостоятельной прсгягха рассматривается моделирование интегральных ьлеуентов и устройств

■ КБЧ. Обзор методов моделирования показал, что для создан.::.' о

' моделей' базовых элементов адекзатшх ыглзгк этапам гсоис-сса проектирования, когда нзобходп.» достаточно единить

параметры широкого набора устройств, целесооор^зно развитие проблемно ориентированных методгв, учитывала специфику тех объектов, к которым они применяется. При этом за с:ет

. - учета главных и . пренебрежения второеггпеннка фактор в:,гл математическая аппарат становится vл-:oгo преде.

В пятом-разделе ссусествляе^ся выбор осьс-кта ."соле;:опа:л;я. то есть вя<Зор типа КО, которое затек будут подробно изучаться. Поскольку тип ИС определяется типом базовой линии шредьчж, тс в данном случае задача формулируется кзк задача выбора пос.кдкоЛ. Рассматривается . ряд конструкций, альтернативных гзьсотздч

■ полосковым, волноводно-г;елеЕкм линиям и даэлектрлгче-екгл; волноводам. Далее на основе качественна ссоСраз.екхй, а также на основе результатов предварительных исследовангз! прово.^гтея сопоставление. предложенных данкй передачи. Б результате сопоставительного анализо предпочтение было отдано со;.:с~отвл линий .передачи щелевого тиьа, так называемым ¡дс-ле-ьым волноводам (рис.1)'. Среди них особое место зантгает • Х'зл^ктрвчссхий ¡делззей волновод (да) (рис.1а).

з

С

в

Рис. I

Перечислил соображения, которые легли в основу указанного

- 1С -

гч'ора. Козструктая допуска*? уьажчевие поперечных размеров дпнга Сев увеличения излучения на нсрегулярностях. Это доагкттся зз счет сохранения запродельностк плоских воляозодов,

боковые области Д® вплоть до толщин подложки ■ -?Л<МЫ.г (л - длина вольы в вакууме, г - диэлектрическая пр'лг.-цаокостъ птддокпО. Ь результате в линии уменьшается погонное затухание без увеличен»! дй&рокционного рассеяния волн на керзгуллрноогях. За счет этого достигается общее уменьшение 'потерь в яо вместе с пов; гением степени интеграции из-за реалиеа^'и Сунхдиональных алекентсв в виде малогабаритных резких кер^гулчрнаете?.

3 ыйчтоу раоделе формулируется в самом сбием виде коьигтвд!?. годелированмя оле.п'рсмзтнитнкх явлений в кодовых КС., сне опкр-отг? не г.зглсг«шо эвристические метода Оливера' и сФГеитлвио;! днелектркчеекхй проницаемости. Отмечается, что общий для ж/, переход от трехмерных задач к двумерным является аде.чеатнв.м о гранением деумирного характера взаимодействия воли в интегрально; структур»«. Последнее приводит к радиквлыюму улрсвж» матекатачбск&го аппарата и позволяет в сжатые сроки создать банк моделей, пригодных для проектирования. Отмечаются тгкзм существенные недостатки эвристических методов./

Направление, в котором намечается развитие подходов к мсдалгрсвагша янтогральчых структур, формулируется следуюдим образом. Сохранение даушриого описания, основанное на строгих электродинамических результатах его обоснование, выявление иеобходаж допущений к ^.иЗлшгекнй и определение связанного с нг'.:и огрыпмения пределов пралолаеости подхода.

Ь заключительном седь. ¿м разделе определяются .задачи научного исследования и структура работы.

Рторы^г-лшеа диссертационной работы посвяаена разработке подхода -к моделированию элакхроддшамп'.'еских явлений в ИС с помощью двумерных уравнений и функций двух поремеь..^х.

3 самом начале второй главы формулируется концепция ИС как совокупности ограниченных в плоскости Х02 плоских' волноводов (рис.2;. По оси ОУ КС ограничена плоскими 'металлическими экранами. Функциональные элементы ИС формируются путем создания в плоскости ХО* неоднородшх свойств. - '

'• ' Оказывается, что То отвечает токам, но имеющим особенностей на кромках, в отличие от электрических то»ов на идеально проводящих металлисациях. Поэтому Т0 находится в том же . классе функций, что и искомое решение (20). Так™ образом, устраняется известное противоречие • , препятствующее применению метода последовательных приближений для анализа .неидеально

■ проводяиих структур с острыми кромками.

Структура с несимметричными металллзациями. Ее исследование позволяет ^ценить еце один важный эффект* . преобразование' Н,-волны в Т-волну плоского, металлического волновода при »0, |у|<а при наличии несимнетрии металлизации. Электродинамическая задача сеодится к системе функциональных

■ уравнений 4x4. Структура' содержит малый параметр - - сдвиг. металлизация ¿. Решение строится в виде' разложения по степеням А. В' окончательных формулах удержаны члекл . ■ А° и А*.

Структура с изогнутыми кромками металлизация - ' так называемый, круглый щелевой резонатор.. Ее исследование дает ответ на вопрос о-влиянии радиуса кривизны граница плоских волноводов на параметры ' установленных на них граничыт условий. Анализ круглого резонатора, проведен модифицированным методом вычетов для асимптотического случая кв»1. При этом использованы разложения Дебая для- модифицированных функций Зессьля и Макдонильда, ь которых удерж; ны. члена пропорциональные й" и И"1. Решение данной задачи дает поправочные слагаемые порядка й"* .для параметров . нелокальных граничных условий ддй щелевых ИС. ' •

Решения дифракционных задач для других структур имеют меньше оригинальных моментов. В них применяются либо.метод Винера . - Хопфз а стандартной постановке, либо метод Галеркипа.

~ — Следующий этап исследования - определение размерности - г>, для плоских волноводов щелевых ИС'и формулировка граничных

■ условий. Было принято решение, ограничиться учетом в гинервекторах . только распространяю.лхся волн. При- этом на параметры структуры , были наложены' • естественные ограничения, обеспечивающие

одаомодовость плоских металлических волноводов (см. рис.Зэ) 2(1<Я/2Уе, а<>,/2. Как уже было отмечено ранее, в этом случае в диэлектрической пластине распространяются Н, и Е^волны, а в

птагих «.•таляических волноводах. Т-водна. Это означает, что' гил'-фкекторц 5 и Ж вырождаются в векторы Е, Н для всех областей

чоЬ Ё ---1« 'а'/ /7 , и£н- £ > ° '

А* '¡Чг л £ = # , ¿у* - / , (23) ;

ооталнке &лем<зн'?и е, р. - нулевые. Уравнения (23) выполняются в пределах дизлектрической пластина. 'Здесь - коэффициент

замедления Е-волщ1. В областях КС с металлизациями Е и Н подчинятся тем же уравнениям (23), но уже

При формулировке граничных условий основное внимание было уделяно учету осоСошостий дифракционных явлений, установленных на этапе решения квючешх задач. Оаредоллквдм моментом здесь является то, что связь Е и Н-волн на границе - малый эф$ект по сравнению с взаимодействием волн одной поляризации. В результате были введено следующие граничные условия:

- Т г (л-*) Л Щм.,

■ .и ^ . к дГ (24)

«*гНгг- | Щ*-,

где т) малый параметр, учитывающий связь волн разных ' поляризаций, индекс I отвечает области х<0, 2-х>0 (см, рис, 4а). Здесь ч; и Къ) - известнее из решения ключевой задачи параметры. Аналоги'дне (24) условия были установлена на узких полосках:

- ) (г-г'Х^ - М аг' ♦ 2& Щи >

о пГШ и,л - (2б)

здесь Ъ% и г^ - также известные параметры.

Граничные условия (34), (25) являются приближенными. Однако, вычисление элементов обобщенной матрицы рассеяния с помощью (24), (25) показало, что их отличие от строгой теории во всех ситуациях не превыыает пхЮ"*.

Граничные условия (24) позволили обосновать метод Олинера для щелевых КО. Если в (24) положить т)=0, то есть пренебречь , связью Н-волны с Ег и Т-волнами, то (24) приводится к

Tfñ. i

гм Í в/ чг йг io ta

¿.«б f-ttrr* Ю/ Ы го/ % У -

i—~егщ со/ а/- й - -

í-3.8 j ¿tí" iOt"*- ~ /-зг/rj — - У «у 4.0 w/ 4.7

г.*« j Ic/'líáaHj ~ - «0' А2 г.о/ Á* %

Тя* ?

Tin -А*»-» А*** а 4вл*Ы. «/Л

ппл J , - - ■ с С, Л

. * • с,

ппл (t,tj ' S- С.«

г ЙЯМ"

ЬЦ П (2,1*3 Í . аое

л ew

ом Ш) - . -s Ц

AHüpUt) - ,t с,ал С,СЪ

Mtftt) ,г ■■ цат ллгг

обусловленного сдвигом щелей. : • .

- Потери 'в диэлектрике и -металла учитывались с помощью комплексных параметров Uh,. Ut, Z. Для'. определения-- с^ потребовались результата- решения ключевой '-эедачк (глава 4} с несимметричными металлизация»®. Наряду с расчетами были- выполнены. измерения суммарного затухания Og поликоровых и. КЕЭрдевых ДШВ.. Было установлено, ■ что при 1/dt > 0.5 расхождение расчета и. эксперимента не превышает IOS. Абсолютные значения на длину. волны в волноводе находятся на уровне 0.02-0.04 дВ/й^. В табл. Л приведены экспериментальные и расчетные значения • суммарного затухания ' ДЩВ - (через черту з дБ/м).- В табл. 2

классическому виду нелокальных имнед&наих граничных услали. Оказывается, что входной импеданс идеально проводящей гг.-.ш, сдвинутой относительно плоскости х--0 на некоторое раосюж^ "Л1,. довольно хорошо совпадает с 2(8} при Тяке» образом, п.'.'.еет место сходство . свойств реальной гршшш в , металлизация и фиктивной б виде идеально ■ проаодккой еч-енк«, смещенной на расстояние ¿1э (см. рас. 4а). Таким образом,ь результате замены одной границы на другуг-лъОой щелевой зледапт получает волноводный аналог, эквивалентный модели С-ликера

а б ■ в

Рис. 4

В_032ой_главе моделируются и .. исследуютсз волноведущие и резонансные элементы щелевых ИС. • ,

Открывает пятую главу раздел 5.1, в котором рассматривается регулярный щелевой волновод. Его двумерная модель - магнито-диэлектрическая пластина, на поверхностях которой установлены соотношения (24). Получены в явном виде дисперсионные уравнения для четных и нечетных относительно оси волновода волн. Приведена классификация .волн.

Проведено теоретическое и экспериментальное исследования дисперсии коэффициента замедления ~ид. Отлитие экспериментальных значений Ид от расчетных не превышает 2x10"' для всех 1, кроме очень узких (1/й<0Д). На рис. 5 изображены дисперсионные кривые основной волны ДЩВ (сГ=2а/А). Точками обозначены измеренные значения коэффициента замедления.

В работе рассмотрен вопрос о затухагши ДЩВ - а^, которое имеет три компоненты с^ - за счет потерь в металле, пд - за счет потерь в диэлектрике и о^ - из-за излучения в Т-волну,

Рис. б

i ♦

i t и

Рис. 7

приведены сравнительные данные о .затухании в ДЩВ и в других

интегральных линиях передачи (данные о затухании ВЩЛ, МПЛ и ОДВ

взяты из литературных источников). :

Исследование высших типов волн имело целью проследить юс

трансформацию во всех фазах, которые они проходят при изменении,

в частности нри уменьшении ширины щели или частоты (рис. 6). При

больших 1/й в области I существует поверхностная и

антиповерхностная волны. Последняя явля&тся несобственной. Ее

_корень лежит На нефизическом листе полной Римановой поверхности.

После прохождения первой критической точки - 1 в области II

имеется две несобственные антиповерхностше волны? которые затем

переходят в несобственные вытекающую и втекающую волны (область

III). Обращает на себя внимание, что мнимая часть коэффициента

замедления и в области III незначительна. Далее втекающая и

вытекающая волны проходят критическую точку где их

кр*

комплексные постоянные распространения обращаются в нудь. После чего они п реходят в собственные комплексные волны (область IV), для которых характерен резкий рост Io> G при уменьшены 1.

Форматно критические условия задает первая критическая . точка (lKT5t). где исчезает поверхностная волна. Однако, наличие в области ÎTI несобственных волн с малыш l$J заставляет считать ' настоящей критической тонкой вторую (1.{рг). после которой еолны становятся действительно запредельными с больше;-! М.

В работе рассмотрено поведение основных велн (четной и нечетной) системы двух одинаковых связанных щелевых волноводов. С помощью двумерной «одели, кешльзующза граничные условия (24) и (25), получены дисперсионные уравнения, из которых находятся коэффициенты замедления четной ич и нечетной 1'ч волн, э также линейный коэффициент связи волноводов " СгВД.чу/й. Выли • провед-ла численные и экспериментальные исследования. Установлено хорошее совладение .расчетных и изкореннкг. значений: . ДС,.Ж,<?х10"\ • бт'/1'.,<2х IO'V ' Показано, что ' частотная

ч Ч H и

зависимость С< î > имеет экстремум, что позволяет создавать 1ырско1г>лосны9 направленные ответьители. '

В третьем разделе анализируется три -та щелевых резонаторов: круглый, прямоугольный и квазпопткческиЯ'.' Наиболее простым из них я.-.ляетсп круглый резонатор. 'Для него может 'быть получено • б явном виде характеристическое уравнение'. Проведена классификация типов колебаний.

Физика функционирования круглого резонатора аналогична' физике цилиндрического резонатора с металлическими- стенками в . силу эффективного отражения Н-волн от- металлизация. Из-за связи о Т-зо.таами часть. энергии из резонансной области излучается (открытая система), .а часть, ее тзряется из-за тепловых потерь в "металле и диэлектрике.- : .'..■'•''

Нетрудно убедиться, что осеоимметричные колебания НЕвал в силу вырожденного характера поля (Н7,Е,.,Еф) не имеет, потерь на излучение. Они оказываются основными," хотя при том ке оадлусе их резонансные частоты- выше частот колебаний с азимутальными индексами I и 2 (рис. 7). Тем не менее они имеют много большую добротность. Реально- для поликоровых розонатЬров на частоте *40 ' ГГц она составила величину порядка 3x10* при радиусе в 6 мм.

Более сложен расчет прямоугольного резонатора. Аналитическое решение внешней задачи доя прямоугольиоЛ области неизвестно. Поэтому предложено приближенное решение основанное лп малости параметра г>, описывающего связь К и ~>волн. Решаке для прямоугольного резонатора вынесено в приложение П5.

Наиболее слож-гым с точки зрения анализа и . наиболее интересным по физиг.е . функционирования является щдза^икй квазиоптический резонатор .(рис. 8). Его двумерьая модель -магнитодиэлектркческкй слой переменной ширины с- граничными условиями■(24) на поверхностях.

- Колебания- б квазиоптическом резонаторе формируются за счет почти полного отражения волн широкого. щелевого волновода (Мд1>>!) ■ от критических сечений, ■ существование которых определяется залречельность» волновода при а -»-о . Деформация волновода незначительно' ' ,

' ■ кик (■<Г 1 • ; ' (яз).

Легко понять, что- резонансные частоты добротных колебания ^ для переотражлхгдхся' волн лежат в. пределах

4/> (О) < / < СЬо) , ' ' (37)

где - критическая частота волновода ври е«0, а Ь^») при

г->« . При выполнении (?и) близка к !,_..>»)1 и лаи^

у ли Кр

колебания с небольшим числом зариа>ий пи.: по оси С2

удовлетворяют (27). .Ъжко обеспечить условия, когда (27) будет

выполнено лаь для колебаний с одно'' вариацией поля по оси 02. .

Учет всех перечисленных факторов позволил упрг отить анализ

резонатора, рассматривая его как возмущенный еолюеод, а

.возмущение описочь источшшауи, расположенные на его поверхности

при Чкг<Ь. Выражения для источников получаются " помощь» уже

использовавшихся в главе 3 ь.-свивалентных граничных условий. Б

результате выполнения условий самооопряксвия та приходим к

интегральному уравнению второго вода: г

Рис. 8

е

Г 4

1—Ч £......1 *

Ж л

ОО СП

<1 * А

Рис". 9

ф

0.3 0,1

11, г {¿шйХнн

/ .

4 2 5 *

ри9<_11

где £(2) - неизвестная, а К(г,г'), ц(г) - известные функции.

Для решения (28) использован вариационный подход, в рамках которого характеристическое уравнение представляется в виде вариационно устойчивого функционала относительно Г (г) . Для Г(г) предяоиены простые пробные функции. Проведено численное исследование резонатора с профилем 41 (г) =41соз(ю/21». Показано .существование диапазона частот, в котором спектр добротных , колебаний максимально разрежен.

Экспериментально исследовался резонатор из поликора с размерами 50x40 мм. На частотах порядка 40 'ГГц добротность колебаний достигала 8'103.

■ ®££тая^глдва ' посвящена исследованию и разр^отне моделей волноводных нерегулярностей. Для ка.:дай из рассмотренных структур задача состояла в определении матрицы рассеяния. Еа данном этапе считалось, что матрицы рассеяния одяомодовые. Были рассмотрены нерегулярности, изображенные на рис. 9.

Нерегулярности а,б относятся к числу плавных, !*х анализ полностью аналогичен рошению для обобщенных волноводов (глава 3). Поэтому он вынесен в приложение П6. Нерегулярности в-е моделлрозались .с. 'помощью нелокальных граничите условий. Нерегулярности е-и исследовались в рамках волноводной модели (см. главу 4). Наконец, нерегулярности :;-л описывались комбинацией упомянутых выше подходов.

Анализ У . - делителя сводится к исследования». полубеоконечной структуры в виде щелевого волновода с узкой далубеоконечной полоской'в центре. В двумерной модели нэ стенках' волновода выполняются условия (24), а на полуоси в центре условия (25). Основную сложость здесь составляет техника решения нелокальной задачи для разрывной границы. В работе показана возможность использования (25)- и в этом случае. Окончательно задача, сводится к решению интегрального уравнения на полубссконечном интервале метода.- Винера Хопфа^ Получены в явном виде выражения для элементов матрица рабсеяния.

Ьагкным результатом исследования У делителя явшГооь . изучение поведения поля вблизи обрыва нелокальной границы. Оказалось, что поля вблизи крокет нелокальной границы ведут себя .также как вблизи металлической полуплоскости. •

С.точки зрения физики функронировзкчя наиболее интересным результатом является то, что матрица рассеяния Т • - делителя близка к унитарной, что говорит о почти полном отсутствии потерь на . излучение. Последнее препятствует развязке я согласованию .боковых плеч. Для устранения этого недостатка ' используется балансное сопротивление в виде резистивных полосок.

Анализ У-делдтеля с балансным сопротивлением тоже сводится к анализу полубеоконечной структуры г виде волновода, в центре ■которого расположена бесконечная плоскость с условиями (25), в которых Не га(Р) меняется скачком в месте сочленена волноводов. Применение метода Винера - Хонфа позволяет по пучить матрицу

рассеяния в явном вида.

Ьолюьо.аи, связанные через узкую щель (рис. Сд). Двумерная модель для дынной не регулярное; и имеет вид магнию д'.а..!«ктричиской пластины с условиями (24) на поверхностях и (25) в плоскости ее симметрии. Условия (25) установлены -на бесконечном интервале, исключая область зазора. Решение задачи рассеяния -волноьодных волн сводится к неоднородному интегральному уравнению первого рода, заданному на конечном интервале. Предполагается, что k>.'i. в работе показано, что в пределе при w -»■ 0 для неизвестной функции имеет место простое представление (v-a ) , учитывающее особенности ни краях зазора. Для элементов матрицы рассеяния получены выражения в виде вариационно устойчивых функционалов. •

. Последняя в атом ряду нерегулярность - короткозомнкатель. Его анализ основан на предельном ■ переходе в характеристическом уравнении для прямоугольного резонатора (приложение Па) - при стремлении одного из его размеров к бесконечности. Уравнение удается привести к виду, из которого легко находится коффкдоент отражения К. Были проведены измерения arg R для волноводов разной ширина. Измерению и посчитанные зависимости arg а от частотного параметра d'=2dA, представлены на рис. 10.

Следующая серия нерегулярноотей показана на рис. 6 е-и. В рамках ьолноводаой модели их анализ сводится к решению двумерных внутренних задач для плоских металлических волноводов, которые неоднократно рассматривались.в литературе. Для . скачка ширины и излома взяты готовые решения методом конформных отображений. Для Т-образного сочленения . тем же методом ' в сочетании с вариационным подходом получено модифицированное решение. . Для скачка ширины ДЩБ и Т - образного сочленения били проведены Измерения элементов матрицы рассеяния. Расчетные кривые и экспериментальные точки для скачка ширины показаны на рис. II.

Наконец перемычки в щелевых волноводах: индуктивные (к) й резонансные (л). Они проанализированы комбинированным методом, в рамках которого края щелевого волновода заменится металлическими стенками (волноводная модель), а для описания узких .полосок, образующих перемычки ш-прежнему использовались условия (25). Для обоих нерегулярг^отей получены выражения для матриц рассеяния и

параметров эквивалентных схем.

Б заключение отметки, что как показано в работе непосредственная запись интегральных уравнений для ряда исходных трахмерных структур с узкиш полосками при определенных вполне естественных ограничениях на их параметры привода? к тем «а уравнениям, что и в случае применения двумерных моделей. Тс есть в этих случаях двумерные модели даит тот же результат, что и стропи подхода.

5вдьмая_глава. В седьмой глаЕе рассматриваются элементы и устройства, способные выполнять ' Функцию пространственного преобразования колебаний. В КВЧ диапазоне находят применение как Еолноводти, так к квазиоптические методы пространств', иных преобразований. В работе отдано предпочтение последним, в силу относительной простоты vtx реализации.

Совмещение квазиог.тичоских элементов с щелевой КС достигается преобрчзованием направляемой волш щелевого волновода в пучок поверхностных волн , распространяющийся в подложке, общей для всей ИС. ■ Квазиоптическке элементы и. устройства затем придают пучку необходимые свйства, корректируя фазовый фронт, изменения направления распространения и т.д.

Первый из рассмотренных элементов планарная линза на основе частопериодхческих решеток {рис. 13). * В области пластаны, где размещены решетки, фазовая скорость поверхностных &>лн меняется и, следовательно, появляется возможность изменения фазоюго фронта волнового пучка, в частности, его фокусировка. -

Анализ планарной линзы требует решения двух задач: исследования поверхностных волн пластины с решетками на еэ поверхностях я их дифракции на границах линзы. Вторая задача , рассмотрена в работе. С этой цель» исследована полубесконечная структура в виде диэлектрической пластины,-на которую нанесены полубесконечнне решетки. Ориентация лент и угол падения волны относительно границы полубесконечной структуры считаются произвольными. Задача решена йетодом Винера-Хопфа.

Теоретическое решение ' сочеталось с экспериментальным . исследованием фокусирующих свойств линзы. На рис. 13 показано измеренное амплитудное распределение поля поверхностных волн в окрестности фокуса линза при возбуждении ее плоской волной.

■ Следуюцез - предложение в области квазиоптических- устройств касается - в двух- аспектах многолучевых антенн. Во-первых, . предложена модифицированная схема облучателя оптической системы ' (линзы, зеркала .и т.д.> антенны .и, во-вторых, рассмотрена ' ее' реализация в рамках технологии щелевых ИС. ' ■

На рис. 14-, изображена структурная схема антенны,' • исследованная в работе. Дополнительно к. традиционному варианту . ; . она содержит участок связи волновых каналов (УС) и блок фазосдвигателей ' - (ЕФ), • который ■ -представляет^ ' собой. последовательность включенных, через один, канал статических фазосдвигателей на к/2. УС - это просто решетка, распределенно связанных линий передачи. Целью введения упомянутых устройств ' является формирование .в апертуре решетки, облучающей оптическую ■ систему (ОС), амплитудно-фазового распределения, обеспечивающего

реаггсчаяю диагрз:,..а направленности облучателя -одиокоЗ к прямоугольно.! леи достаточно малом период-, ригетка. Кзиестко, что в' этом случае ам:литудно-£звозое распределение должно бить близко к вйх/х. Дестккеяне этого н-эвогакшо в облучателе с неезязаннлуи близко рзсяоло-йиьнимй х&юлшз.

На основе ¿сноменологичосной теории сгязакшх ьолн проведен анализ стенаа. Показано, что потери при ойлучеяаа ОС могут бить уменьшены до 0,5 дБ, при тарляе диаграмм; направленности облучателя по урэв::» -3 дЗ, ра*;нси углу, под которым ьпдна ОС из фЗс/.ъого центра облучат*л?. Для ре^етк; несвязанных кй"элоз эта циДра составляет 3

Далее в седьмой, главе рассмотрена реализация многолучевой антенны г интегральном исполнении. - ОС выполнена в ыде бифокальной линзы с грс;нудитетекым преломлением. В качестве волновых каналов, формдрунднх ор.-ду с принудите лъкнм преломлением, исполььоващ кеандровне линии на сен -ьв £3. УС выполнен в виде решетки связашах ЖВ.

На следурцем этапа щдвляшея ключевые' структуры, знали? которых необходим для построения модели мю:олучдвой антенны. К • ним' с^ли отнесены: однородная решетка связанных ДПЗ, и аналогичная полубэскснечкая решетка. 'Исследование перьой структуры позволяет найти коэффициент связи между канала * решетки. Исследование второй структуры решает важна юпроо о согласовании гтиток ДЦ8 с' диэлектрической даастшюй, в катеру» излучаются поверхностные волны.'

Решение задачи о собственных волнах получено. 3 виде аналитической записи дисперсионного уравнения. Его' численное решение позволило .определить коэффициент связи • и условия • одноволноьогр режима в решетке. Дифракционная задача об излучении волн из рекетки ' ДЩВ решалась отдельно ' для двух случаев: 'тордастеЕньх и толстостенных волноводов. В, первом ' случае использовался метод Бинера-ХопФа, во втором - волноЕодная модель й метод конформного отображения.

Для проверки теоретической модели был изготовлен макет ■ многолучевой антенны на двух подложках из поликора С.&х48х60 мл (рис.. 15). Экспериментальное исследование преследовало две цели: проверку функционирования облучателя с УС и БФ, а также проверку

Ту:апиоииро.,,пкия устройства в цело:.'.. Измерения яодтвердиди сср'&гдздБготь принципов. положенных в оснсву функционирования '-•'••(ГВ, 3 •.oiTKjCfM, нашла подтверждении _ возмохность р'тг.'лров'лдя прямоугольной дшрама направленности облучателя : р.;ДЛОлОНН1.,.;Н средствами. В тоже время отмечается высокий уровень Л'.-лестное при возбуждении хоаАшх каналов. глр*а завершает исследование щелевых КС. В ней гасс\',атт;:в-'">тся примеры реализации интегральных КЗЧ устройств.

Ь первом разделе восьмой глйеы рассматриваются '"тног ;тел1,ко простые устройства, составляющие элементную сазу НрЧ ¿о. гглексов. Ниже приводятся их основные-характеристики:

Пер-ЗАОДУ ~ гал.'т.ч. волновод

Широкополосных

Узкололсор^й

г.о.ерп-к:з

полоса частот hi/î

<0-2 дБ <1.2 50% (4-5 Л

<0.4 дБ <1.4

юг

0.5?.

С.гезо1:а:-:о<шЯ ьентиль Монолитный ферршг Пленка

пр.-мне готерк 0.5 - 1.0 дБ *Т.5 дБ

с браг-'uo потери „о -40 дБ 20-25- дБ •

полоса частот AV-f ' 3í .3$

габариты . ' а2Яв ' _ • Разработка фзрритовых образцов и их нанесение на подложку

¡■ынолненк- в иОМ МЭИ. v ,.

П. Интерферометр ' '

потери в ?*8ксйм/ме коэффициента передачи 1.3 дБ

го1: ри в минимуме • СО дВ

частстьсй интервал мевду тх и trin ' 2.5 ГГц

диапазон частот 30-10 1Гц

4. Па:тр.1йлснный фильтр '„¿T'íjjV. б ащ'нрезононсе

0.7 дБ

истер,-; на регоазнсе

частотный интервал между резонанса®!

диапазон частот

■¿.5 дБ 3.0 ГГц 50-7П ГГц

5. Летекторния секция

вольт-ваттная чуветвительнос-ь 6х107з/?т

эквивалентная Мишность шума 2.5x10""

полоса рабочих частот АГЛ 2с; ги1г40 ГГц. Гог*60 ¡Тц

6. БалансннЛ смеситель на 3-х д.5 ответвителе

потер1» преобразования ' - ■ 6-7 дБ

эквивалентна',- мсщюсть шума ■ ■ Х0~'3 '¿г/>

полоса рабочих частот м'/г , 1" =60 ГГц 20%

уровень подавления АМ иумоз гетеродина 25 дБ

моцтюсть гетеродина 10 кЬт

Рис. 18

// ь

Л2 г*

Рис. 19

1аб. 3

ГОН< ИЗ 2? 5 Й 3! .') а

I:» М5 и: к. •:«

ил ш ¡¡а |*7

Рис. 2С

Во втором разделе излагаются результата исследования интегральных антенн. основным варианте;.! антенны является острон.звравлчнна? антенна на основе периодической резвтки лгштепшх излучателей (рис. 16). Ее возбуждение осуществляется рупордо-линзовым интегральным возбудителем с -линзой из частспорисдаческих ракеток. В работе проведено экспериментальное ' исследование (расчет 'решеток выполнен Калиничевым В.И.). Характеристики антенн:

Резетка одиночных Реаетка сдвоенных

ленточка излучателей -ленточных излучателей

плог*д1> апертуры (48x110 км) 52,8 см3 52,8 см2

эфектквная площадь . 20 саг 2? смГ

шгоанз главного луча 2,5x5.1° ' 4,0x3,1°

. п П

угол отклонения главного 30 14й -

луча от яормал: к апертуре

уровень боковых лепестков -15 дБ -18 дБ

центральная частота 6Г*,5 ГГц 35,6 ГГц

Е третьем разделе расскагриваэтея измерительные устройства: дьенадцат;-лолксный рефлектометр и ¿.<лагом»р.

Топология платы рефлектометра показана на рис. 17. Нижняя часть подлежи погружается в металлический волновод. За счет зтого реализуется связь интегральной схемы с'во.шсводным трактом.

В- работе предложен модифицированный метод калибровки и обработки результате? измерений, позволяющий учесть рассогласование' входов рефлектометра. Произведена проверка предлокэккой методики - с использованием калиброванной нагрузки (подвижного короткозашкатяя). Важнейшей характеристикой рефлектометра -является расположение- трех, так называемых его центров на комплексной плоскости. . . Считается, что оптимально угловое расстояние можду центрами в 120°. В" та>3л.' 3 приведены &ксаерга,евт&лыке результата измерений угловых расстояний ф^» Фз) на разных частотах. ..

Измеритель - влажности предназна ;ен для определения концентрации вода в широком классе вддких сред. Основной частью, влагомера является схема, реализовавшая на полирорсвой подложке 24x60x0,5 мм. ,01ха показана на рис. 18. Генератор СЗЧ, работающий на частоте 60,25 ГГц выполнен на металлическом волноводе и имеет

- г? -

модность около 100 кВт. Генератор на ЛТД модулируется по цепям питания меандром о частотой 2 нГц и поступает 4epj3 10 дЗ ответвитесь на детектор опорного канала. Оставшаяся могдост^ проходит через чувствительный элемент в гиде отрезка Д!3 л попадает на детектор измерительного канала.' Чувствительный элемент касте с час-тьж подлежи, на которой он вапскен погружается в псследуе:<;ув аадсость. •

Правильное функционирование прибора ■ подразумевает калибровку по хидкости с известим влагосодерЕениз-'. Испытания, прсведеш-че с этиловым опфтох (¡VrfgCH) дали следующие результаты. Прибор кхеет линейную агаву вплоть до гзгчвк&Л зланности W з 5-в. %. Относительная погрешность измерений ívs-Гй.

3 четвертом разделе восьмой главы предстазлены еде три разработки.. Первая из -кии - линия связи для локальной вичи^.тительной сети "Aran", ' которая включает интегральные приемных и порадаезй блоки. 3 передагд-м блоке использована интегральная ЗЕтенка, работающая на частоте 36.3 ГГц. Ее параметры были представлены визе. Идентичная приемная антенна нагружена на детекторную секцию (см. кь:и;е).

Более слокную СЬЧ часть имеет гомодикный приехо-пере датчик, предназначен!-::.;! для измерения скорости и перемещений различных объектов. Его структурная схема показана на рио. 19. В нее входят генератор СЗЧ, работающий на частоте бб.Лэ ГГЦ с' мощностью 100 мВт, вентиль, сх:ма распределения сигнала, выполненнаю на сдвоенном направленном отвзтвителе, смеситель из двух диодных сегдкД, антенна, -состоящая из . сдвоенного рупорно-лкнзового возбудителя и рееетка излучателей.

. Приемо-передатчик работает. двух режимах. - балансном и . квадратурном.". 3 первом диодные секции образу»? балансный смеситель. Во втором обеспечивается сдеиг фаз - напряжений на диодах ратный г/2. Первый ре мел применяется. для измерения скорости удаленных объектов в тех случаях, когда ее знак не иу.еет принципиального значения. ВтороЗ режим позволяет определить знак скорости и, следовательно, величину с;.:ецекия объекта.

Прибор был испытан в качестве доплеровского измерителя скорости автомобильного транспорта. Было установлено, что он обеспечивает устойчивое измерение скорости легкового автомобиля

— -

при расетс.дии до него не более'200 м и грузового автомобиля при расстоянии не более 350 м. .

Наконец, последней разработкой, о которой пойдет р^чь, будет двухксЕСДЬнай допяэрозскьй измеритель скорости (спидометр), предназначенный для установки на автомобиль. Структурная схема его 05" части показана на рис. 20. Сигнал от генератора делится пополам и через 3 дБ ответактели поступает на входы двухлучевой антенны. Оба луча ■ к-лравлош на' поверхность, по которой' едет авто-.'осиль. ' Отраженны*' от нее сигналы поступают через К01.2 на диодные секции, где происходит их смешение.с опорными сигналами. Ка детекторах выделяется колебания с доплеровскхки частотами.

С5Ч часть вклочгет КС на ДЩЗ, содержащую все элементы (рис. 20), крокэ генератора. КС выполнена на поликоровой подложке 12x60x0.5 км. Откзтим, что ка столь незначительной . площади• удалось разместить к двухлучевую антенну. Лучи ориентированы относительно апертуры антэнны под углгхи, близкими-к 45е. Ширина луча в плоскости. движения ¿5°. В ортогональной плоскости 15е. Прибор функционирует на частоте 61.25 ГГц. Точность измерения' слорости-составила Ь% при скорости порядка 5 •• 10 км/час. -'

подводятся итоги работы, анализируются ее слабые и сильные стороны, оценидается соответствие полученных результатов и целей, доставленных в начале работы.

Положекля^_ЕЫНОсжыэ_ка_за;!?лту^ Метод описания электромагнитных процессов ■ в интегральных структурах с "пс.лоцью двумерных уравнений и нелокальных граничных условий и его реализация для случая щелевых интегральных схем.

2. Результаты исследования комплекса электромагнитных 'явлений на гранкцз плоска. . волноводов, - формирующих целевую интегральную схему и связанная с этил, разработка методов, решения систем интегральных уравнений типа Винера-Хопфэ. •„••''

3. Результаты исследования ■ и разработка моделей, уединенных целевых волноводов и резонаторов.

4.' Результаты исследования и разработка моделей базовых нерегулярнсстей в ¡долевых трактах, квзиоптичэских и .излучающих элементов и устройств. '

5. Разработка и реализация интегральных' КВЧ модулей' для измерительных, связных и локационных устройств.

Основные результаты дассерткеи опубликован: в слэдукса работах: •X« Взятышев В.О., Каркткик Т.Н., Рябов Б.А., Ккелышаков S.K., Банков С.Е. Диэлектрические интегральные схе.-л: КЗЧ. 41. // обзоры по электронной технике,- Москва. SEM "Электроника".-1585-Вып.13.-62 с.

2. Банков C.Ei, Васюкоз З.Д. йзизвтесе проектирование элементов диэлектрических интегральных схем. // Сборник научных трудсз !,!0'î. -Москва. IS36 .-.¥68 -с. 15-21,.

3. Банков O.S., Вэстов В.Д., Назаров A.B. Прозкткрование широкополосных элементов н" диэлектрическом 'делезсм волноводе.// Сборшж научнь-х -трудов по Автоматизированному просктированиз устройств СЕЧ.-Москва.МйРЭА.-Ï583.-с.119-126.

4.Банкоз С.Е., Рябов Б.А. Принципы построения КВЧ. интегральных схем планарчого фсрмообзрзования. // Сборник научных трудов noi Автоматизированному проектировании устройств СЕЧ.-Москва. МИР&А. -I9SS. -С. I9I-2ÜO.

5. Банков C.S., Левченко И.В. Эквивалентные граничные условия для ленточной частопериодической решетки на границе раздела двух сред.// Радиотехника.и электроника. - I9S8 - SI0. -с.2045-2050.

6. Банков С.Е.,' Взятышев В.Ф., Родионова Е.Ч. 'Анализ ключевой структуры для щелевых ■ диэлектрических интегральных схем.// Радиотехника и электроника. - 1988. - 3 II. -с. 2373-2331.

7. Еанкоз С.Е. Взаимодействие электромагнитных голн в интегральной металло-диэлектрической структуре.// Труды «¿-ой Всес. школы-семинара "Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками и полупроЕодштово-диэлектрическпми структурами, 4.1. 1988. - Саратов. IS88 -с. 150-157.

8. Банков С.Е., Взяткшер В.Ф., Соловьев A.A. Наклонное падение поверхностной волны на торец пленарного диэлектрического волновода. // Изв. -Вузов СССР. Радиоэлектроника.-lôaS-.'él-c.SV-SO. •9. -Банков С.Е., Добромыслов B.C., Калзшичев В.й. и др. Физико-технические основы построения л проектирования устройств КВЧ на основе диэлектрических волноводов и резонаторов.// Сборник научных трудов МЭИ. -1988 - Яо2 - с. 20-30.

10. Банков С.Е., Левченко И.В., Родионова Е.В. Дифракция поверхностных волн диэлектрической пластины на полуоесконечных мэталло-диэлектрических структурах // Proc. on tii; Ш9 'JBSI Int.

•"Л " ,

— 'iv' —

Нуга, er. íleoíroB'i¿,;e:ic TÄeory. The Poyal I nsi._ oí Tecízolosf. 1939,- Stosfcola, Sedea. 1989. - p.p. 9749. (на англ. языке).

11. Банков C.B. лсшжяютоское реггнла задачи о .собствеЕРчх колёСРЖЖ круглого лелзгого резонатора// Радиотехника и электроника. - IS90 - Л1. - с. 45-53.

12. Банков С.Е., Дупленкова М.Д., Калжгичев В.К. и др. Датчики . диапазона ЬО ГГц ка основе диэлектрпчэсксго целевого Еслковода И 22-г.З йд-срьап Шсг^сте СопГ. • Pro;. Шягайюр: Cocaerclal ■ ¿Vilcsticss of ïicro .• and Xülincter Staves. 1992- Hslsinlcy. ' i'^laá. Í992 - p.p. 41-46.' (на англ. язже).

1С. Банков С.Е., Вас-сков В.Д., 1 Дупленкова М. Д. и др. Интегральные cxoîffi - ¡ииллглетрового диапазона на основе диэлектрического целевого волновода // й-оо. on 2-aä Int. Cení, on ¡illllr-eter «ave ar.d ?ar-iEírared lecteology. 1992. ' -Narlto, CMra. 1T-?. - p.p. 300-311. (на англ. язике). ' -

14. 'Бачков O.K., . Бугоова Т.И. Анализ интегральной диагр&ммообразующей схемы - \идлк,\ктт:озого диапазона ' для ююголучеЕых антенн квазкопткческого -типа// Sícrwave and Optical ífobolcíy, letters.-1&93.-K'ü. - p.a. 84-51.- (на англ. язнке).

15. Банков O.E., Бугрова Т.К. Собственные волки лланарной металло-диэлектрической релетки.// Радиотехника к электроника. -is°<3. - si. - с.73-80..

15. А.с-,. I4I254I СССР МКЙ H0IP3/I3 Долевой волновод / Банков

с.Е., Раоюков В.Д., Ьзятышев В.Ф., (СССР). - 5с.: ил

т7. A.C. 118604-3 СССР. ffiüí K0IP3/I8. Диэлектрически« целевой вол- ■

повод /Банков С.Е., Езяткцев В.Ф., РяОов H.A. и др.(СССР).-4 е..-ил,

18. A.c. II¿o977 СССР. ЬШ K0IP7/06. Резонатор / Банков O.E.,

Ьзяткшев B.Í.,. Рябов Б.A. (CGv-?). - 5 с.:ил.

IV. A.c. I3I6063.CCCP. !Ш H0IP7/06 Пленарный резонатор / Банков

•С.Е., взяяазев B.Ö., Широкова O.A. (СССР). - 4 с.птл.

20. A.C. 1354289.СССР.K0IP7/06 Резонансный элемент / Банков . C.B., Ьзятитшв В.О.Родионова Е.В. (СССР). - 4 с.:ил.

21. A.c. 1467627 СССР 5Ш HOIF^/Об Резонатор / Бажов G.E., Ззятышев В.Ф., Калиничев В.И. (СССР). - 4 с.:ил.

22. А.о. ■ 1374307 СССР МКИ H0IPI/I8 Фазовращатель / Бажов C.B., Взятылев В.Ф., Соловьев A.A. (СССР). - 4 с.:ил.

¡ Man. КрмшниII,.,я, là