Электродинамический анализ и синтез направленных ответвителей на гребневых волноводах с системой малых отверстий связи

Пелецкий, Роман Владимирович

Электродинамический анализ и синтез направленных ответвителей на гребневых волноводах с системой малых отверстий связи тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Пелецкий, Роман Владимирович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Ростов-на-Дону МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Электродинамический анализ и синтез направленных ответвителей на гребневых волноводах с системой малых отверстий связи»

Автореферат диссертации на тему "Электродинамический анализ и синтез направленных ответвителей на гребневых волноводах с системой малых отверстий связи"

На правах рукописи

005042733

ПЕЛЕЦКИЙ РОМАН ВЛАДИМИРОВИЧ

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И СИНТЕЗ НАПРАВЛЕННЫХ ОТВЕТВИТЕЛЕЙ НА ГРЕБНЕВЫХ ВОЛНОВОДАХ С СИСТЕМОЙ МАЛЫХ ОТВЕРСТИЙ СВЯЗИ

01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 (1 м ' г- ^п^т

Ростов-на-Дону 2012

005042733

Работа выполнена на кафедре прикладной электродинамики и компьютерного моделирования Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» (ЮФУ).

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Заргано Геннадий Филиппович Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Тихов Юрий Игоревич, доктор физико-математических наук, профессор Таран Владимир Николаевич, Ведущая организация: ОАО «КБ «Связь», г. Ростов-на-Дону.

Защита состоится 25 мая 2012 г. в 1400 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.208.10 в Южном федеральном университете по адресу: 344090, г. Ростов-на-Дону, ул. Зорге, 5, Южный федеральный университет, физический факультет, ауд. 318.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке Южного федерального университета по адресу: г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.

Автореферат разослан « 2.3 » апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.208.10 доктор физико-математических наук, С"/'

профессор Г.Ф.Заргано

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие современных телекоммуникационных систем требует постоянного совершенствования СВЧ-элементов и устройств, входящих в приемо-передающие тракты и узлы обработки сигналов. Несмотря на достаточную громоздкость и конструктивные трудности, вол-новодные элементы широко применяются в областях, требующих передачу больших мощностей с малыми потерями.

Одними из наиболее широко используемых волноводных СВЧ-устройств являются направленные ответвители. Они применяются как в задачах ответвления части мощности из основного высокочастотного тракта, так и для определения величины проходящей мощности и коэффициента стоячей волны для переменной связи с основной линией передачи.

Среди различных конструктивных подходов к созданию волноводных направленных ответвителей используются ответвители с системой малых отверстий связи. Основными преимуществами этих направленных ответвителей являются достаточно равномерное переходное ослабление в широком частотном диапазоне и слабая связь между основным и вторичным волноводами.

Развитие современной волноводной приемо-передающей и измерительной техники СВЧ-диапазона, в первую очередь, предполагает увеличение динамического диапазона, расширение рабочего диапазона частот и уменьшение массогабаритных показателей устройств. Этим требованиям в большей степени, чем волноводы простых сечений (прямоугольные и круглые волноводы), отвечают волноводы сложного сечения, в частности, гребневые (П- и Н-) волноводы, приобретающие все большую популярность, как в отечественной, так и в зарубежной СВЧ-технике (Philips, Litton, Waveline и др.).

Реализация СВЧ-устройств на базе волноводов сложного сечения, в том числе и направленных ответвителей, связана с рядом значительных сложностей, как методологического и алгоритмического, так и вычислительного характера. Во-первых, необходима методика, позволяющая с высокой точностью и за кратчайшее время осуществлять расчет электродинамических

характеристик (критических волновых чисел, компонент электромагнитных полей, волновых сопротивлений) волноводов сложного сечения. Во-вторых, требуется обобщение, адаптация и развитие существующих алгоритмов анализа СВЧ-устройств на базе волноводов простого сечения на волноводы сложного сечения. В-третьих, необходимо совершенствование методик и алгоритмов многопараметрического синтеза устройств с заданными характеристиками.

Существующие на сегодняшний момент литературные данные позволяют сделать вывод об отсутствии эффективной методики проектирования широкополосных направленных ответвителей на волноводах сложного сечения, а представленные результаты не отвечают современным требованиям. Так, недостаточная точность расчета характеристик одиночных отверстий связи в волноводах сложного сечения, приводит к погрешности характеристик многоэлементных направленных ответвителей более чем на 20%.

Современная вычислительная техника позволяет на сегодняшний день решение электродинамических задач с помощью прямых численных методов (метод конечных элементов, метод конечных разностей и т.д.). Однако, их реализация связана с высокими аппаратными требованиями к вычислительным комплексам, длительным временем счета и существенной сложностью применения алгоритмов синтеза.

Для эффективной реализации процедур анализа и синтеза СВЧ-устройств на базе волноводов сложного сечения рекомендуется применение численно-аналитических методов, позволяющих существенно уменьшить расчетное время, сохранив при этом высокую точность результатов.

Таким образом, решение задачи электродинамического анализа и синтеза направленных ответвителей на базе волноводов сложного сечения и проектирование широкополосных направленных ответвителей с заданными характеристиками, отвечающих требованиям, предъявляемым к современной высокотехнологичной радиоаппаратуре, является актуальной задачей и может служить целью научного поиска.

Целью работы является разработка методики анализа и синтеза широ-

кополосных направленных ответвителеи на волноводах сложных сечений со связью через малые отверстия различной формы и проектирование многоэлементных направленных ответвителей с заданными характеристиками.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Разработать универсальную методику расчета характеристик связи волноводов сложного сечения через малые одиночные круглые, прямоугольные и крестообразные отверстия.

2. Рассчитать характеристики связи направленных ответвителей на П- и Н-волноводах со связью по широкой и узкой стенкам через малые одиночные отверстия различной формы.

3. Разработать методику учета взаимного влияния отверстий связи на основе применения теории многоволновой матрицы рассеяния каскадного соединения многополюсников.

4. Разработать методику многопараметрического синтеза направленных ответвителей с многоэлементной системой малых отверстий различной формы.

5. Спроектировать направленные ответвители на гребневых волноводах с многоэлементной системой малых отверстий различной формы с заданными характеристиками.

Научная новизна диссертационной работы определяется поставленными задачами, методами их решения и впервые полученными результатами:

1. Учет электродинамических характеристик отверстий связи и повышение точности расчета электромагнитных полей в волноводах сложных сечений позволили существенно повысить точность квазистатической теории Бете, применительно к анализу многоэлементных направленных ответвителей и расширить границы рабочего диапазона частот.

2. Повышение точности расчета характеристик многоэлементных направленных ответвителей на волноводах сложного сечения за счет учета взаимного влияния отверстий связи на основе применения теории многоволновой матрицы рассеяния каскадного соединения многополюсников.

3. Разработка методики и алгоритма многопараметрического синтеза направленных ответвителей на волноводах сложного сечения с системой малых отверстий различной формы.

4. Результаты исследования характеристик направленных ответвителей на П-и Н-волноводах со связью через малые отверстия круглой и крестообразной формы, а также прямоугольных отверстий с учетом поворота вокруг своей оси.

5. Повышение скорости и эффективности алгоритмов синтеза за счет учета характерных свойств отверстий связи различной формы при выборе исходных данных прототипа направленного ответвителя.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Учет электродинамических характеристик отверстий связи в волноводах сложного сечения в реализации квазистатической теории Бете, позволивший довести точность результатов анализа и синтеза в расширенном диапазоне частот до уровня строгих электродинамических методов, сохранив при этом высокую скорость реализации алгоритмов.

2. Впервые в рамках квазистатической теории Бете для учета взаимного влияния отверстий связи при проектировании многоэлементных направленных ответвителей использована теория многоволновой матрицы рассеяния каскадного соединения многополюсников, что повысило универсальность разработанной методики.

3. Результаты исследований характеристик одиночных отверстий связи различной формы в гребневых волноводах и новые радиофизические эффекты, связанные с возможностями реализации широкополосных устройств.

4. Конструкции широкополостных многоэлементных направленных ответвителей с отверстиями связи различной формы, спроектированных по разработанной методике с заданными характеристиками. Обоснованность и достоверность полученных в диссертации результатов определяется строгой постановкой решаемых задач, правильно отражающих реальные физические модели, использование эффективных

математических и вычислительных методов расчетов. Точность и достоверность получаемых результатов контролировалась сравнением с результатами расчетов других авторов и с результатами реализованного автором численного эксперимента.

Практическая значимость работы состоит в том, что, благодаря разработанной универсальной методике расчета характеристик связи волноводов сложного сечения (П- и Н-волноводов) через малые одиночные отверстия произвольной формы, а также разработанной методике синтеза направленных ответвителей на П- и Н-волноводах с системой малых отверстий, можно спроектировать направленные ответвители на волноводах сложного сечения с многоэлементной системой малых отверстий различной формы с заданными характеристиками. Полученные реальные устройства будут достаточно ши-рокополостностными и полностью отвечать требуемым параметрам.

Разработанный комплект программных средств может рассматриваться, как законченный самостоятельный модуль в составе системы автоматизированного проектирования пассивных устройств на волноводах сложного сечения. Все разработанные и апробированные в работе вычислительные алгоритмы и компьютерные программы могут применяться в различных НИИ и КБ для разработки СВЧ элементов и узлов на базе волноводов сложного сечения.

Некоторые результаты работы включены в рабочие программы лекционных курсов и специальных практикумов, входящих в учебный план физического факультета Южного федерального университета.

Апробация диссертационной работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: 3-я Международная конференция «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации», г. Суздаль, 2009; Международная научная конференция «ИРЭМВ-2009», Таганрог-Дивноморское, 27 июня - 1 июля, 2009 г; 3-я международная конференция «Современные проблемы радиоэлектроники», г. Ростов-на-Дону, 2010 г.; 3-th International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory

(ММЕТ-13), Киев, Украина, 2010; Междунар. науч.-техн. конф. «Актуальные проблемы электронного приборостроения», г. Саратов, 2010; IX Междунар. научн.-техн. конф. «Физика и технические приложения волновых процессов», Челябинск, 2010; XXIII Всероссийская научная конференция «Распространение радиоволн», Йошкар-Ола, МарГТУ, 2011.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 6 статей в изданиях, входящих в перечень ВАК, и 7 - в сборниках трудов и текстов докладов на различных научных конференциях.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 160 наименований. Она содержит 196 страниц текста, включающие 114 рисунков, 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены ее цели и задачи, показана практическая значимость и научная новизна полученных результатов, сформулированы основные положения и результаты, выносимые на защиту, а также представлено краткое содержание работы.

В первой главе, состоящей из трех частей, проведен обзор и краткий анализ существующих методов исследования волноводных направленных ответвителей, методов расчета электродинамических параметров волноводов сложного сечения и современных прикладных программных пакетов электродинамического моделирования.

Первая часть посвящена методам анализа и синтеза направленных ответвителей на прямоугольных волноводах. Установлено, что наиболее эффективным методом расчета характеристик многоэлементных направленных ответвителей с малыми отверстиями связи, является квазистатическая теория Бете, которая позволяет провести расчет за минимальное время и практически не требует мощных вычислительных ресурсов. Однако, получаемые в этом случае результаты, как правило, носят приближенный характер и не позволяют добиться оптимальных характеристик при синтезе устройств. Показана необходимость развития теории Бете в области учета электроди-

намических характеристик отверстий связи и взаимного влияния отверстий при построении многоэлементных направленных ответвителей.

Отмечено, что результаты анализа и синтеза направленных ответвителей на волноводах сложного сечения в известной литературе практически отсутствуют, что во многом связано с необходимостью расчета электродинамических характеристик волноводов сложного сечения с высокой точностью. Анализ работ по методам расчета электромагнитных полей волноводов сложного сечения показал, что наиболее эффективным с точки зрения скорости счета и эффективности алгоритмов является метод частичных областей с учетом особенности на ребре.

Показано, что, несмотря на свою универсальность, прямые численные методы, реализованные в большинстве современных программных комплексов электродинамического моделирования, характеризуются высокими требованиями к вычислительным ресурсам и длительным временем счета, и могут применяться лишь на последнем этапе проектирования для проверки получаемых результатов. Подтверждена эффективность применения численно-аналитических методов в задачах анализа и синтеза многоэлементных направленных ответвителей на волноводах сложного сечения.

Во второй главе приведены понятия и определения для волноводных направленных ответвителей, а также параметры и величины, которыми они характеризуются. Представлены основные положения квазистатической теории Бете. В частности показано, что два волновода, связанные малым отверстием связи могут быть представлены в виде идеального восьмиполюсника с выражениями для элементов матрицы рассеяния заданными в виде:

= (Я/ ■д1)2 + М2(й;-д2)2] + ■ п)2;

2 2 г,

2 2г. (1)

=1-У^[М,(Я; -йхя;-д,) + М2(н; .д2ХЙ;-д2)] + ;^-Р(Ё!-Я)2;

1 1у1

541 = -У^-[М,(Я;-д^Н- .дМ +М2(я;-д2)(Н- .(]г)Рк]-]^Р(Ёгп)(Ёп -й)^;

^ ¿7и

Здесь М], М2, Р - соответственно коэффициенты магнитной и электрической поляризуемости отверстия связи; ¿/,,<72 - единичные векторы направления

осей отверстия; п - внешняя нормаль к отверстию первого волновода; Щ,Еи -собственные векторные функции, описывающие распределение соответствующих напряженностей поля прямых и обратных волн единичной амплитуды. Индексами и = I и II отмечаются собственные величины соответственно возбуждающего (первого) и возбуждаемого (второго) волноводов. -

коэффициенты, учитывающие влияние толщины общей стенки волноводов.

В работе исследуются различные модификации направленных ответви-телей на П- и Н-волноводах:

• Со связью через малое отверстие по широкой стенке П-волноводов (1 -гребни находятся на внешних стенках (рис 1(а)), 2 - гребни находятся на внутренних стенках (рис 1(6)) и 3 - гребень одного волновода - на внешней стенке, другого — на внутренней (рис 1(в)), со связью через малое отверстие по широкой стенке Н-волноводов (рис 1(г))).

• Со связью по узкой стенке П-волноводов (1 - гребни расположены на одинаковых стенках волноводов (рис. 2(а)), 2 - гребни находятся на противоположных стенках (рис. 2(6))).

• Со связью двух Н-волноводов по узкой стенке (рис. 3).

• Со связью широкой стенки одного П-волновода с узкой стенкой другого - Т-образное сочленение (рис. 4).

Критические волновые числа и компоненты электромагнитных полей Пи Н-волноводов были рассчитаны методом частичных областей с учетом особенности электромагнитного поля на ребре. Разбиение поперечного сечения П-волновода на прямоугольные частичные области приведено на рис. 5.

На основе квазистатической теории Бете рассчитана связь двух П- и Н-волноводов через малое отверстие; получены выражения для определения элементов матрицы рассеяния каждого из рассмотренных видов сочленения волноводов. При этом были приняты во внимание случаи сочленений, когда оси волноводов скрещены под произвольным углом.

1СС

Описана методика расчета многоэлементных направленных ответвите-лей на волноводах сложного сечения. Известно, что участок двух волноводов, соединенных общей стенкой, может быть описан многоволновой матрицей рассеяния восьмиполюсника, тогда для расчета характеристик связи двух волноводов, соединенных парой малых отверстий можно использовать теорию каскадного соединения многополюсников (рис. 6).

Матрица рассеяния восьмиполюсника, описывающего одно отверстие связи, записывается в следующем виде с учетом симметрии устройства:

81 811

Рис. 6

Б'

А 4*^41

к 1*2,

(2)

а регулярный участок волноводов длиной I между двумя соседними отверстиями связи, описывается следующей матрицей рассеяния:

5Л =

'О О4

О о

ге-Ш

у О

-¡Гц!

о-М

'О О4 ч0 0у

(3)

Матрица рассеяния объединенного многополюсника вычисляется по известным матрицам рассеяния его составных частей: 5> и . Если цепочка содержит большее число элементов, то эти соотношения необходимо применить последовательно несколько раз. Представим матрицы 5> и в блочном виде:

5' =

«г7 <?'

°аа ар г./

пЯ о//

Ьрг

о// о11

(4)

Блоки в выражениях, описывают взаимодействие волн по всем входам в

сечениях а, Д у. Соединение многополюсников происходит в сечении /?. При этом результирующая матрица рассеяния также имеет блочную структуру:

5х

аа ау

Га ГУ,

(5)

Для блоков матрицы рассеяния 5 справедливы следующие выражения:

-1 (6) 'уа (Е - ) Яра' ^ = ^ + (е - Б^Б'рр) ,

где Е - единичная матрица.

При этом если несколько отверстий связи находятся в одном поперечном сечении волноводов, то их результирующая матрица рассеяния получается только непосредственным каскадным соединением восьмиполюсников, описывающих данные отверстия.

В третьей главе проведен анализ характеристик направленного ответ-вителя при связи двух П-волноводов с помощью одиночного малого круглого отверстия, расположенного по общей широкой стенке (в двух различных вариантах расположения гребней), по узкой стенке и при Т-образном сочленении (широкая стенка одного П-волновода с узкой стенкой другого). Изложена методика учета толщины общей стенки между П-волноводами, при этом приняты во внимание поправочные коэффициенты, полученные эмпирическим путем, позволившие повысить точность численных расчетов. Приведены графики зависимостей элементов матрицы рассеяния от нормированного волнового числа при различных размерах круглого отверстия связи и его размещении на общей стенке П-волноводов, проведено сравнение характеристик связи через круглое отверстие для двух П-волноводов и двух прямоугольных волноводов (рис. 7(а) - зависимость 15411 от нормированного волнового числа к • I при радиусе круглого отверстия г/1 = 0.2, расположенного в точке хд11 = 0.4, рис. 7(6) - зависимость |5411 от к-1 при радиусе круглого отверстия г/1 = 0.2, расположенного в точке х0 II = 0.8 ).

Из графиков на рис. 7(а) и 7(6) следует, что при расположении отвер-

стия связи х0 // вблизи боковой стенки переходное ослабление (IS41I) для прямоугольного волновода выше, чем у П-волновода на (4-ьб) дБ (рис. 7(а)), а при смещении отверстия к центру волноводов переходное ослабление П-волновода, наоборот, превышает соответствующие значения для прямоугольного волновода на (8-И 0) дБ (рис. 7(6)). Этот факт можно объяснить особенностями распределения электромагнитного поля в поперечном сечении волноводов.

Изложена методика синтеза и представлены результаты проектирования двух широкополосных направленных ответвителей на П-волноводах связанных системой круглых отверстий с переходным ослаблением 20 дБ (рис. 8(а)) и 10 дБ (рис. 8(6)).

-38-40-42-44-46-43-50-52-54 +

Рис. 8(а)

Рис. 8(6)

Рис. 9(а) Рис. 9(6)

Многопараметрический синтез был проведен путем минимизации среднеквадратичного отклонения переходного ослабления от заданных значений. Приведены характеристики разработанных устройств — переходного ослабления С и направленности N (рис. 9(а) и рис. 9(6) соответсвенно), маркерами отмечены результаты численного эксперимента.

Проведенный анализ показал, что применение физически обоснованных уточнений в теории Бете, позволил существенно повысить точность расчетов. Отмечается следующее - не удается построить широкополостный НО на Н-волноводах с круглыми отверстиями связи - рекомендовано проектировать такие НО на других отверстиях связи.

В четвертой главе изложен анализ характеристик направленных от-ветвителей со связью через одиночные прямоугольные и крестообразные отверстия двух П-волноводов по широкой стенке (в двух различных вариантах расположения гребней), по узкой стенке и при Т-образном сочленении. Описана методика расчета моментов электрической и магнитной поляризуемости для прямоугольного отверстия связи с учетом эмпирических коэффициентов и математических приближений, позволяющих повысить точность расчетов. Приведены графики зависимостей элементов матрицы рассеяния от нормированного волнового числа для различных типов отверстий, их размеров, размещения и поворота вокруг своей оси на общей стенке волноводов. Показано сравнение полученных данных с результатами численного эксперимента и изложена методика, позволяющая улучшить широкополосные

свойства прямоугольных отверстии связи.

На графике на рис. 10 изображена зависимость 15411 от к * / при различном угле поворота щели а относительно волноводов. Видно, что увеличение широкополосности прямоугольного отверстия связи может быть достигнуто за счет его поворота вокруг своей оси на некоторый угол. Причем при угле в 45° (рис. 10) при учете изменения размеров прямоугольного отверстия достигается полное совпадение характеристики переходного ослабления с соответствующей характеристикой крестообразного отверстия.

Рис. 11 (а)

Рис.11(б)

С. N. дБ,

# г,

1] '« •!;

>4у

Г ' • • * ' Ч у

с. N. дБ,

и 1.6 1.7 1.В ,'э ¿0 г\ 22. ¿3 ¿4 к-1 I-7 18 I.9 21 7:1 23 ^ 2'* 26

Рис. Ща) Рис. 12(6)

Представлены результаты синтеза широкополосных направленных от-ветвителей на П- и Н-волноводах с системой повернутых прямоугольных

отверстий (рис. 11 (а, б) рис. 12 (а, б)) и с системой крестообразных отверстий (рис. 13 (а, б) рис. 14 (а, б)) с переходным ослаблением 20 дБ. Проведено сравнение характеристик синтезированных направленных ответвителей, отмечены преимущества и недостатки каждого типа отверстий связи. Точность полученных результатов подтверждена сравнением с численным экспериментом, осуществленного в работе с помощью компьютерного моделирования сеточными численными методами. Показано, что эффективность применения сеточных численных методов оправдана только на последнем этапе синтеза для проверки полученных результатов в виду существенных временных затрат при расчетах

гйг"

Рис. 13(а)

Рис.13(6)

1.5 1.6 1.7 1.8 1.0 2,0 2.1 2,2 23 2.4 А/

Рис. 14(а)

2,0 2.2 2,4 2.6 2.8 3,0 к!

Рис. 14(6)

Отмечены положительные и отрицательные свойства каждого из типов направленных ответвителей относительно вида отверстий связи, так: - направленные ответвители с круглыми отверстиями являются наиболее

простыми, как с точки зрения расчета, так и с точки зрения изготовления;

- устройства с повернутыми щелями являются более компактными, но имеют слабую направленность;

- направленные ответвители с крестообразными отверстиями являются более громоздкими, но имеют преимущество в 10 дБ по направленности, являются более широкополосными и имеют выше потенциал для улучшения характеристик.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты, полученные в настоящей работе, намечены пути и перспективы дальнейших научно-технических исследований в области разработки многоэлементных направленных ответвителей на волноводах сложного сечения.

Основные результаты и выводы диссертационной работы:

1. На основе квазистатической теории Бете реализована универсальная методика расчета характеристик связи гребневых волноводов через малые одиночные круглые, прямоугольные и крестообразные отверстия.

2. Проведен учет электродинамических характеристик отверстий связи в гребневых волноводах, позволивший довести точность результатов расчетов до уровня строгих электродинамических методов, сохранив при этом высокую скорость реализации вычислительных алгоритмов.

3. Впервые учтено взаимное влияние отверстий связи при проектировании многоэлементных направленных ответвителей на основе теории каскадного соединения многоволновых матриц рассеяния, что существенно повысило универсальность разработанных алгоритмов.

4. Рассчитаны характеристики различных видов направленных ответвителей на П- и Н-волноводах со связью по широкой стенке через малые одиночные круглые, прямоугольные и крестообразные отверстия.

5. Рассчитаны характеристики различных видов направленных ответвителей на П- и Н-волноводах со связью по узкой стенке через малые одиночные круглые, прямоугольные и крестообразные отверстия.

6. Рассчитаны характеристики направленных ответвителей на П-

волноводах со связью через малые одиночные круглые, прямоугольные и крестообразные отверстия при Т-образном сочленении (широкая стенка одного П-волновода с узкой стенкой другого).

7. Разработана эффективная методика и алгоритм многопараметрического синтеза многоэлементных направленных ответвителей на гребневых волноводах.

8. Проведен учет характерных свойств отверстий связи различной формы при выборе исходных данных прототипа направленного ответвителя, что позволили повысить скорость и эффективность алгоритма синтеза.

9. На основании разработанной методики создан программный комплекс проектирования направленных ответвителей на гребневых волноводах, включающий в себя программные модули расчета электромагнитных полей гребневых волноводов, электродинамического анализа и многопараметрического синтеза направленных ответвителей с отверстиями связи круглой, прямоугольной и крестообразной формы.

Ю.Выполнено проектирование направленных ответвителей на П- и Н-волноводах с многоэлементной системой малых отверстий связи с заданными характеристиками.

11.Исследованы характеристики П- и Н-волноводов со связью через малые прямоугольные отверстия с учетом поворота вокруг своей оси.

12.Исследованы характеристики многоэлементных направленных ответвителей на П- и Н-волноводах со связью через малые отверстия круглой, прямоугольной и крестообразной формы.

13.Для проверки достоверности всех полученных в работе результатов было проведено сравнение с результатами численного эксперимента, реализованного на основе сеточного метода конечного интегрирования.

14.В результате проведенного исследования, установлено, что учет электродинамических характеристик отверстий связи, высокая точность расчета электромагнитных полей гребневых волноводов, учет взаимного влияния отверстий связи позволили существенно повысить точность

квазистатической теории Бете, скорость и эффективность алгоритмов анализа и синтеза направленных ответвителей, а также существенно расширить рабочий диапазон частот.

Личный вклад соискателя. Автор принимал непосредственное участие в разработке методики анализа и синтеза направленных ответвителей с многоэлементной системой малых отверстий различной формы, а также в проектировании направленных ответвителей на волноводах сложного сечения с многоэлементной системой малых отверстий различной формы с заданными характеристиками. Им разработаны представленные в работе алгоритмы и программные средства. Автором проведены все представленные в работе расчеты и исследования.

Диссертационная работа является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение важной научной задачи, имеющей существенное значение для радиофизики СВЧ диапазона - проектирование многоэлементных широкополосных направленных ответвителей на волноводах сложного сечения с заданными характеристиками для нового поколения СВ Ч-устройств.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Заргано Г.Ф., Земляков В.В., Пелецкий Р.В. Синтез направленных ответвителей на П-волноводах, связанных системой круглых отверстий. //Радиотехника и электроника, 2011, № 7, С. 789-795.

2. Заргано Г.Ф., Земляков В.В., Пелецкий Р.В. Компьютерное моделирование и синтез направленных ответвителей на гребневых волноводах с крестообразными отверстиями связи. //Электромагнитные волны и электронные системы, 2011, № 5, С. 64-67.

3. Заргано Г.Ф., Земляков В.В., Пелецкий Р.В. Анализ и синтез направленных ответвителей на гребневых волноводах с прямоугольными отверстиями связи. //Физика волновых процессов и радиотехнические системы, г. Самара, т.13, № 4,2010, С. 19-24.

4. Заргано Г.Ф., Земляков В.В., Пелецкий Р.В. Исследование параметров направленных ответвителей на П-волноводах, связанных системой круглых отверстий. //Электромагнитные волны и электронные системы, 2010, № 5, С. 48-57.

5. Заргано Г.Ф., Земляков В.В., Пелецкий Р.В. Электродинамический анализ направленных ответвителей на волноводах сложного сечения, связанных системой малых отверстий. //Электромагнитные волны и электронные системы, 2010, № 2, С. 48-57.

6. Заргано Г.Ф., Земляков В.В., Пелецкий Р.В., Синявский Г.П. Исследование параметров связи П-волноводов через малые отверстия различной формы. //Электромагнитные волны и электронные системы, 2009, № 5, С. 29-37.

7. Заргано Г.Ф., Земляков В.В., Пелецкий Р.В. Синтез направленных ответвителей на гребневых волноводах с прямоугольными отверстиями связи. // XXIII Всероссийская научная конференция «Распространение радиоволн», Йошкар-Ола, МарГТУ, 2011, т.З. - С. 327 - 331.

8. Заргано Г.Ф., Земляков В.В., Пелецкий Р.В. Направленные ответвители на П-волноводах с круглыми отверстиями связи. // IX Междунар. на-учн.-техн. конф. «Физика и технические приложения волновых процессов», Изд-во Челяб. гос. ун-та, Челябинск, 2010. С. 99-100.

9. Заргано Г.Ф., Земляков В.В., Пелецкий Р.В. Электродинамический анализ и синтез направленных ответвителей на П-волноводах с круглыми отверстиями связи. //Междунар. науч.-техн. конф. «Актуальные проблемы электронного приборостроения», г. Саратов, 2010, С. 218-221.

10. Заргано Г.Ф., Земляков В.В., Пелецкий Р.В. Directional couplers on ridge waveguides with circular coupling apertures. //Тезисы докладов: 3-th International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory (MMET-13), WGC-4, Киев, Украина, 2010.

11. Заргано Г.Ф., Земляков В.В., Пелецкий Р.В. Направленные ответвители на П-волноводах, связанные системой малых отверстий. //3-я междуна-

родная конференция «Современные проблемы радиоэлектроники», г. Ростов-на-Дону, 2010, С. 266-270.

12. Заргано Г.Ф., Земляков В.В., Пелецкий Р.В., Синявский Г.П. Влияние формы малых отверстий связи волноводов сложного сечения на характеристики матрицы рассеяния. //Международнаянаучная конференция «ИРЭМВ-2009», Таганрог-Дивноморское, 27 июня - 1 июля, 2009 г., С. 218-222.

13. Заргано Г.Ф., Земляков В.В., Пелецкий Р.В., Синявский Г.П. Прохождение сигнала через малые отверстия связи волноводов сложного сечения. //3-я Международная конференция «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации», г. Суздаль, 2009, С. 159-163.

Подписано в печать 20.04.2012 г. Формат 60*84 Vj6 . Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. леч. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 2276.

Отпечатано в типографии ЮФУ. 344090, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки, 200/1 .Тел. (863) 247-80-51

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Пелецкий, Роман Владимирович, Ростов-на-Дону

61 12-1/915

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Южный федеральный университет»

На правах рукописи

Пелецкий Роман Владимирович

Специальность 01.04.03 - радиофизика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: д.ф.-м. н., профессор Заргано Г.Ф.

Ростов-на-Дону - 2012

Содержание

Введение..............................................................................................................6

Глава 1. Обзор литературных данных, методов исследования и

прикладных программных пакетов.................................................16

1.1 Обзор работ по расчету волноводных направленных ответвителей . со связью через малые отверстия.....................................................16

1.2 Обзор работ по электродинамическому расчету электромагнитных полей гребневых волноводов.....................36

1.3. Анализ современных программных пакетов компьютерного

моделирования параметров СВЧ-элементов и устройств............47

Выводы....................................................................................................62

Глава 2. Методика расчета параметров связи гребневых волноводов через малые отверстия различной формы.......................................64

2.1. Основные характеристики направленного ответвителя...............64

2.2. Расчет характеристик связи двух волноводов через малые отверстия различной формы...........................................................68

2.3. Применение квазистатической теории Бете для расчета характеристик связи двух П- и Н-волноводов через малое одиночное отверстие.........................................................72

2.3.1. Связь по широкой стенке..............................................78

2.3.2. Связь по узкой стенке...................................................85

2.3.3. Связь широкой стенки одного П-волновода с узкой стенкой другого (Т-образное сочленение)....................................88

2.4. Связь двух П-волноводов в случае отсутствия поворота волноводов..................................................................90

Выводы....................................................................................................93

Глава 3. Анализ и синтез направленных ответвителей на гребневых волноводах со связью через малые круглые отверстия..............95

3.1. Постановка задачи...........................................................95

3.2. Учет толщины общей стенки П-и Н-волноводов в коэффициентах поляризуемости малых круглых отверстий связи.....................96

3.3. Анализ характеристик направленных ответвителей при связи двух П- и Н-волноводов по широкой стенке через одиночное круглое отверстие.....................................................................101

3.4. Анализ характеристик направленного ответвителя при связи двух П- и Н-волноводов по узкой стенке через одиночное круглое отверстие......................................................................112

3.5. Анализ характеристик направленного ответвителя при Т-образной связи П-волноводов через одиночное круглое отверстие..........115

3.6. Синтез направленных ответвителей на П- и Н-волноводах, связанных системой малых круглых отверстий.....................118

Выводы....................................................................................................123

Глава 4. Анализ и синтез направленных ответвителей на гребневых волноводах со связью через прямоугольные и крестообразные отверстия.....................................................................125

4.1. Постановка задачи......................................................................125

4.2. Учет толщины общей стенки П- и Н-волноводов в коэффициентах поляризуемости малых прямоугольных отверстий связи............126

4.3. Анализ характеристик направленных ответвителей при связи двух П- и Н-волноводов по широкой стенке через малое одиночное прямоугольное или одиночное крестообразное отверстие.........127

4.3.1. Связь через продольное прямоугольное отверстие..................128

4.3.2. Связь через поперечное прямоугольное отверстие...............133

4.3.3. Связь через крестообразное отверстие..............................139

4.3.4. Связь через продольное прямоугольное отверстие, когда гребни П-волноводов расположены на общей стенке.....................142

4.3.5. Связь через поперечное прямоугольное отверстие, когда гребни П-волноводов расположены на общей стенке.....................144

4.3.6. Связь через крестообразное отверстие, когда гребни П-волноводов расположены на общей стенке.....................147

4.4. Анализ характеристик направленного ответвителя при связи двух П-волноводов через одиночное прямоугольное и крестообразное отверстие по узкой стенке..............................................149

4.4.1. Анализ характеристик направленного ответвителя при связи двух П-волноводов через продольное отверстие

по узкой стенке...........................................................150

4.4.2. Анализ характеристик направленного ответвителя при связи двух П-волноводов через поперечное отверстие

по узкой стенке...........................................................153

4.4.3. Анализ характеристик направленного ответвителя при связи двух П-волноводов через крестообразное отверстие

по узкой стенке...........................................................155

4.5. Анализ характеристик направленного ответвителя при Т-образной

связи двух П-волноводов через одиночное прямоугольное и крестообразное отверстие..............................................158

4.5.1. Анализ характеристик направленного ответвителя при Т-образной связи двух П-волноводов через одиночное продольное отверстие...................................................................159

4.5.2. Анализ характеристик направленного ответвителя при Т-образной связи двух П-волноводов через одиночное поперечное отверстие...................................................................161

4.5.3. Анализ характеристик направленного ответвителя при Т-образной связи двух П-волноводов через одиночное крестообразное

отверстие..................................................................................................164

4.6. Синтез направленных ответвителей на П- и Н-волноводах, связанных системой прямоугольных отверстий..........................167

4.7. Синтез направленных ответвителей на П- и Н-волноводах с крестообразными отверстиями связи......................................171

Выводы.....................................................................................................174

Заключение......................................................................................................178

Литература......................................................................................................181

Введение

Актуальность работы. Развитие современных телекоммуникационных систем требует постоянного совершенствования СВЧ-элементов и устройств, входящих в приемо-передающие тракты и узлы обработки сигналов. Несмотря на достаточную громоздкость и конструктивные трудности, волноводные элементы широко применяются в областях, требующих передачу больших мощностей с малыми потерями [1-6].

Одними из наиболее широко используемых волноводных СВЧ-устройств являются направленные ответвители [1-3, 6, 7]. Они применяются как в задачах ответвления части мощности из основного высокочастотного тракта, так и для определения величины проходящей мощности и коэффициента стоячей волны для переменной связи с основной линией передачи.

Развитие современной приемо-передающей и измерительной техники СВЧ-диапазона, в первую очередь, предполагает увеличение динамического диапазона, расширение рабочего диапазона частот и уменьшение массогабаритных показателей. Этим требованиям в большей степени, чем волноводы простых сечений (прямоугольные и круглые волноводы), отвечают волноводы сложного сечения, в частности, гребневые (П- и Н-) волноводы, приобретающие все большую популярность, как в отечественной, так и в зарубежной СВЧ-технике (Philips, Litton, Waveline и др.) [8-10].

вычислительного характера. Во-первых, необходима методика, позволяющая с высокой точностью и за кратчайшее время осуществлять расчет электродинамических характеристик (критических волновых чисел, компонент электромагнитных полей, волновых сопротивлений) волноводов сложного сечения. Во-вторых, требуется обобщение, адаптация и развитие существующих алгоритмов анализа СВЧ-устройств на базе волноводов простого сечения на волноводы сложного сечения. В-третьих, необходимо совершенствование методик и алгоритмов многопараметрического синтеза устройств с заданными характеристиками.

Существующие на сегодняшний момент литературные данные позволяют сделать вывод об отсутствии эффективной методики проектирования широкополосных направленных ответвителей на волноводах сложного сечения, а представленные результаты не отвечают современным требованиям. Так недостаточная точность расчета характеристик одиночных отверстий связи в волноводах сложного сечения, приводит к погрешности характеристик многоэлементных направленных ответвителей более чем на 20%.

Современная вычислительная техника позволяет на сегодняшний день решение электродинамических задачи с помощью прямых численных методов (метод конечных элементов, метод конечных разностей и т.д.). Однако, их реализация связана с высокими аппаратными требованиями к вычислительным комплексам, длительным временем счета и существенной сложностью применения алгоритмов синтеза [11-28].

характеристиками, отвечающих требованиям, предъявляемым к современной высокотехнологичной аппаратуре, является актуальной задачей и может служить целью научного поиска.

Целью работы является разработка методики анализа и синтеза широкополосных направленных ответвителей на волноводах сложных сечений со связью через малые отверстия различной формы и проектирование многоэлементных направленных ответвителей с заданными характеристиками.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Учет электродинамических характеристик отверстий связи и повышение точности расчета электромагнитных полей в волноводах сложных сечений позволили существенно повысить точность квазистатической теории Бете, применительно к анализу многоэлементных направленных ответвителей, и расширить границы рабочего диапазона частот.

4. Результаты исследования характеристик направленных ответвителей на П- и Н-волноводах со связью через малые отверстия круглой и крестообразной формы, а также прямоугольных отверстий с учетом поворота вокруг своей оси.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

Обоснованность и достоверность полученных в диссертации результатов определяется строгой постановкой решаемых задач, правильно отражающих реальные физические модели, использование строгих математических и вычислительных методов расчетов. Точность и достоверность получаемых результатов контролировалась сравнением с результатами расчетов других авторов и с результатами реализованного автором численного эксперимента.

Практическая значимость работы состоит в том, что, благодаря разработанной универсальной методике расчета характеристик связи волноводов сложного сечения (П- и Н-волноводов) через малые одиночные отверстия произвольной формы, а также разработанной методике синтеза направленных ответвителей на П- и Н-волноводах с системой малых отверстий, можно спроектировать направленные ответвители на волноводах сложного сечения с многоэлементной системой малых отверстий различной формы с заданными характеристиками. Полученные реальные устройства будут достаточно широкополосными и полностью отвечать требуемым параметрам.

Апробация диссертационной работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:

• 3-я Международная конференция «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации», г. Суздаль, 2009;

• Международная научная конференция «ИРЭМВ-2009», Таганрог-Дивноморское, 27 июня - 1 июля, 2009 г;

• 3-я международная конференция «Современные проблемы радиоэлектроники», г. Ростов-на-Дону, 2010 г.;

• 3-th International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory (MMET-13), г. Киев, Украина, 2010;

• Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения», г. Саратов, 2010;

• IX Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Челябинск, 2010;

• XXIII Всероссийская научная конференция «Распространение радиоволн». Сборник докладов, г. Йошкар-Ола, МарГТУ, 2011.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность т