Электродинамический анализ СВЧ элементов и узлов, содержащих плоско-поперечные неоднородности в волноводах сложных сечений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Г1 п я} .л

На правах рукописи

ДОНЧЕНКО Виталий Анатольевич

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СВЧ ЭЛЕМЕНТОВ И УЗЛОВ, СОДЕРЖАЩИХ ПЛОСКО-ПОПЕРЕЧНЫЕ НЕОДНОРОДНОСТИ В ВОЛНОВОДАХ СЛОЖНЫХ СЕЧЕНИЙ.

01.04.03 - Радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ростов-на-Дону - 1996

Работа выполнена в Ростовском ордена Трудового Красног Знамени государственном университете.

Научные руководители:- доктор физико-математических наук,

профессор Синявский Г.П.,

- кандидат физико-математических наук, доцент Заргано Г.Ф.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук

старший научный сотрудник Jlepep А. М.,

1 - кандидат физико-математических наук, доцент Гальченко H.A.

Ведущая организация - Ростовский научно-исследовательский

институт радиосвязи

Защита состоится "/£*" c^cf^UX 19,/^г. в SS* . час о на заседании диссертационного совета Д 063.52.06 в Ростовско государственном университете по адресу: 344104, г. Ростов-на-До ну, ул.Зорге, 5, физфак, ауд.247.

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

Автореферат разослан 'У/У'" ^ggg г_

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук, доцент

Заргано Г.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕШ. Р качестве элементной бази радиотехнической аппаратуры при конструирован;:;: узлов и устройств СВЧ и КБЧ-диа-пазснов широко применяются волноводы сложных сечений: П-. К-, Г-, Т-, 0-, крестообразные, келобковые, имеющие несмотря на конструктивную сложность значительные преимущества. П- и Н-вол-новоды позволяют в несколько раз расширить рабочий диапазон частот и уменьшить дисперсию. При одинаковой критической длине волны поперечные размеры П-золнсвода меньше, чем прямоугольного. Н-волноеод способен перелазать гораздо большую мощность, чем П-волновод. Келсбковые волноводы щцроко применяются в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах волн, вносят малые потери, имеют широкую полосу рабочих частот, технологичны и удобны в эксплуатации.

На основе волноводов сложных сечений успешно реализуются различные элементы и узлы, такие как волноводные переходы, фильтры, фазовращатели, вентили и т. п. Однако, сложность теоретического расчета этих структур неизмеримо выше, чем расчет аналогичных структур, выполненных на базе прямоугольных волноводов. Отсюда закономерно встает вопрос о создании строгого электродинамического метода расчета параметров различных узлов волноводного тракта, выполненных на элементной базе из волноводов сложных сечений.

Среди базовых элементов упомянутых выше СВЧ-узлов широко используются плоско-поперечные неоднородности типа тонких диафрагм, плоско-поперечных стыков и сдвигов в волноводах сложных сечений. Строгий расчет перечисленных неоднородностей в волноводах сложной формы связан со значительными математическими трудностями и довольно слабо освещен в литературе. Практически нет электродинамического анализа плоско-поперечных неоднородностей в многомодовом режиме работы. Отсутствует анализ взаимовлияния нескольких плоско-поперечных неоднородностей в волноводах сложных сечений в рамках одной конструкции типа фильтра или волноводного перехода.

До настоящего времени только экспериментальный метод исследования позволяет создавать селективные устройства на основе волноводов сложных сечений, что приводит к значительным затратам времени и средств. Кроме того, в КВЧ-диапазоне малые габариты волноведущих структур затрудняют проведение экспериментов.

Поэтому создание эффективного метода расчета параметров селективных устройств СВЧ- и КВЧ-диапазоков является актуальной 1 экономически вьтгодной. задачей.

Для решения данной задачи уже имеется теоретическая бага: методы расчета критических волновых чисел и электромагнитны; полей в волноводах сложных сечений; и метод расчета изолированных плоско-поперечных неоднородностей в волноводах сложных сечений при падении на неоднородность основной распространяющего волны, требующий, правда, значительной доработки.

Значительные трудности в построении достаточно точного ме-расчета селективных устройств ка базе волноводов сложны; сечений связаны с проведением большого объема вычислений. Появление быстродействующих и использующих большие объемы памят! персональных ЭВМ сделало возможным широко внедрить и использовать такой высокоточный метод на практике.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является разработка методики электродинамического расчета параметров изолированных и последовательно расположенных плоско-поперечных неоднородностей в волноводах сложных сечений в многомодовом режиме, исследование физически: свойств тонких диафрагм, плоско-поперечных стыков и сдеигое волноводов в одномодовом и многомодовом режимах работы, анали; селективных свойств структур, построенных на таких неоднород-ностях.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ РАБОТЫ.

1. Разработка методики расчета и создание на ее основе эффективного алгоритма и комплекса программ расчета параметров плоско-поперечных неоднородностей типа тонких диафрагм, плоско-поперечных стыков и сдвигов в волноводах со сложной формоР поперечного сечения - П-, Н-, Г-. Т-. 0-, желобковых и крестообразных волноводах при работе в одномодовом и многомодовом режимах.

2. разработка методики расчета и создание на ее основе алгоритма и программного комплекса для расчета параметров СВЧ-уз-.пов. состоящих из нескольких плоско-поперечных неоднородностей е волноводном тракте на базе волноводов сложных сечений, т.е. фильтров, болнободных переходов и т.д.

3. Проведение исследования физических свойств плоско-поперечных неоднородностей типа тонких диафрагм, плоско-поперечны> стыков и сдвигов в волноводах со сложной формой поперечного сечения при работе в одномодовом и многомодовом режимах.

4. Исследование возможностей создания СВЧ-узлов, состоящих из нескольких плоско-поперечных неоднородностей в волноводном тракте на базе волноводов сложных сечений.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА диссертационной работы определяется поставленными задачами, методами их решения и впервые полученными результатами:

1. Развит вариационный метод решения задачи о падении основной волны на плоско-поперечные неоднородности в волноводах сложных сечений.

2. Проведено исследование сходимости вариационного метода, позволившее обосновать его эффективность и высокую степень точности. Осуществлена возможность рассчитывать параметры неоднородности с заданной степенью точности. Определено достаточное число учитываемых приближений для быстрых инженерных расчетов и для научно-исследовательских расчетов параметров неоднородностей.

3. Впервые произведен расчет параметров плоско-поперечных неоднородностей в вЪлноводах сложных сечений при работе в мно-гомодовом режиме.

4. Разработан вариационный метод расчета элементов многоволновой матрицы рассеяния плоско-поперечной неоднородности в волноводе сложной формы. Получены выражения для элементов в вариационной форме, что позволяет вычислять их с заданной степенью точности.

5. Впервые произведено теоретическое исследование селективных свойств узлов, исполненных на базе волноводов сложных сечений из ряда плоско-поперечных неоднородностей в волноведущем тракте. Выявлены закономерности зависимости селективных свойств от линейных размеров неоднородностей и отрезков волноводов, составляющих узел. Разработаны предложения по методике решения задачи синтеза фильтров на плоско-поперечных неоднородностях в волноводах сложных сечений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1. Методика решения векторной задачи анализа параметров плоско-поперечных неоднородностей типа тонких диафрагм, стыков и сдвигов в волноводах сложных сечений в одномодовом режиме работы с использованием любого приближения вариационного метода и электромагнитных полей и критических частот, определенных МЧО с учетом особенности поля на ребре.

2. Методика расчета многоволновых матриц рассеяния плос-

ко-поперечных неоднородностей типа тонких диафрагм, стыю сдвигов в волноводах сложных сечений, позволившая повысить Т1 ность расчетов.

3. Алгоритмы, пакеты прикладных программ и результ; электродинамического исследования параметров плоско-попереч] неоднородностей в волноводах сложных сечений в одномодовом многомодовом режимах работы. Наличие резонанса для тонкой ди< рагмы сложной формы для двух волн одного типа в области их р; 'пространения.

4. Алгоритмы, программный комплекс и результаты электро; намического исследования параметров селективных устройств плоско-поперечных неоднородностях в волноводах со сложной фс мой поперечного сечения. Рекомендации по созданию фильтров, I пользующих данные типы неоднородностей.

5. Установленные в результате электродинамического анал* элементов и узлов, использующих плоско-поперечные неоднороднс ти в волноводах сложных сечений, физические закономерной связанные с явлениями дифракции, резонанса, широкополое^ фильтрацией и частотной избирательностью.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ.

На основе разработанных высокоэффективных алгоритмов сс даны следующие пакеты прикладных программ:

- программный комплекс для расчета параметров плоско-поперечн неоднородностей типа тонких диафрагм, плоско-поперечных стык и сдвигов в П-. Н-, Г-, Т-, 0-, крестообразных и желобкоЕ волноводах в одномодовом и многомодовом режимах работы:

- программный комплекс для расчета параметров селективных ус ройств, фильтров, волноводных переходов и т.д. на плоско-поп речных неоднородностях в П-, Н-, Г-, Т-, 0-, крестообразных желобковых волноводах.

Определено достаточное число учитываемых приближений вар ационного метода для быстрых инженерных расчетов и для нау но-исследовательских расчетов параметров неоднородностей и с лективных устройств.

Разработанные программы были предназначены для использов ния в системе автоматизированного проектирования СВЧ-элемент и узлов совместно с ИРЭ АН Украины (г. Харьков) и Таганрогск НИИ Связи, что подтверждается соответствующими документами.

Данные программы могут применяться самостоятельно для ра работки СВЧ элементов и узлов на базе волноводов сложных сеч

ний и совершенствования этих разработок с целью их практического применения в радиотехнических, радиолокационных, радионавигационных системах и системах радиосвязи.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались:

1). на Всесоюзном научном семинаре "Математическое моделирование и применение явлений дифракции", МГУ, Москва, 1990 г.

2). на Всесоюзной научно-технической конференции "Автоматизация инженерного труда разработчиков СВЧ-аппаратуры", г.Таганрог, 1991 г.

3). на 1-ом Всеукраинском симпозиуме "Физика и техника мм и субмм радиоволн", г.Харьков, 1991 г.

4). на Международной научно-технической конференции "Современные проблемы применения СВЧ энергии", г. Саратов, 1993 г.

5). на Областной научно-технической конференции, посвященной Дню радио, г.Ростов-на-Дону, 1993 г.

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 7 работ.

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация содержит 103 страницы машинописного текста, кроме того 5 таблиц, 63 рисунка и список литературы из 95 наименований. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем работы - 170 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность' темы исследования, сформулированы цель и основные задачи работы, показана ее практическая значимость, изложено краткое содержание работы и основные положения, выносимые на защиту.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ проведен обзор и краткий анализ существующих теоретических методов исследования плоско-поперечных неоднородностей типа тонких диафрагм, плоско-поперечных стыков и сдвигов в различных волноводах. Сделан вывод об отсутствии универсальных методов расчета плоско-поперечных неоднородностей в волноводах сложных сечений, несмотря на большое количество исследований по прямоугольным волноводам. Поскольку теоретических исследований по принципам построения селективных СВЧ-устройств на базе волноводов сложных сечений практически не проводилось, осуществлен обзор литературы по общей теории создания селектив-

ных устройств и по исследованию фильтров на прямоугольных во. новодах. На основе анализа применявшихся методов исследован] был выбран вариационный метод для решения задачи о падении 1 плоско-поперечную неоднородность или ряд таких неоднородное^ в волноводном тракте электромагнитных волн. В конце главы щл водится обзор работ по методам расчета электромагнитных полей критических частот в волноводах сложных сечений, на основе кс торого производится выбор метода частичных' областей с учете особенности на ребре, используемого в диссертации.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ излагается электродинамический метод рас чета характеристик и проводится анализ плоско-поперечных нео; нородностей типа тонких диафрагм, плоско-поперечных стыков сдвигов в волноводах сложных сечений в одномодовом режиме рабе ты.

Сложность рассматриваемой задачи связана, главным образок с ее трехмерным представлением и невозможностью ее сведения скалярной задаче. Поэтому решение проводилось в векторной форм с учетом всех компонент полей и нераспространяющихся Н-Е-волн, возникающих вблизи неоднородности.

Исследовалась обобщенная плоско-поперечная неоднородное со сложной формой поперечного сечения, заключенная между двум полубесконечными отрезками регулярных волноводов с воздушны заполнением. Частными случаями такой неоднородности могу быт либо тонкая диафрагма в волноводе, либо плоско-поперечный сты или сдвиг двух волноводов .разных или одинаковых размеров попе речного сечения. Распространяющейся в волноводе волной являлас * основная волна Н^.

Из условия непрерывности касательных составляющих магнит ного поля на отверстии неоднородности было получено интеграль ное уравнение относительно неизвестного электрического поля н. апертуре неоднородности.

Для- решения интегрального уравнения использовался приближенный метод Галеркина. Неизвестное электрическое поле в отверстии неоднородности представлялось в виде разложения по полно! системе собственных векторных ортонормированных функций, удовлетворяющих граничным условиям на контуре сочленения. В качестве аппроксимирующих функций выбирались собственные векторш функции волновода, совпадающего по размерам с отверстием неоднородности. Применение метода Галеркина позволило получить систему неоднородных линейных алгебраических уравнений относитель-

но неизвестных коэффициентов разложения поля на отверстии.

В качестве физической характеристики плоско-поперечной неоднородности было получено выражение для шунтирующей проводимости в месте неоднородности в виде функционала, стационарного относительно малых вариаций электрического поля на апертуре неоднородности. Таким образом, комплексная проводимость в месте неоднородности определялась в вариационной форме после нахождения электрического поля на апертуре неоднородности.

Вариационная форма физических характеристик неоднородности дает более точное их значение по сравнению с прямыми вычислениями характеристик неоднородности из интегрального уравнения в случае неточного решения уравнения.

Аналитические выражения для электромагнитных полей и критические волновые числа для волноводов сложных сечений были получены на основе высокоточного метода частичных областей (МЧО) с учетом особенности поведения поля вблизи ребра. МЧО с учетом особенности на ребре, позволяет рассчитызать электромагнитные поля в волноводах сложных сечений с наперед заданной точностью.

Расчет параметров плоско-поперечных неоднородностей проводился во втором и последующих приближениях вариационного метода, т.е. с использованием N членов разложения поля на апертуре неоднородности, отличным от единицы. В настоящей работе был впервые проведен анализ внутренней сходимости вариационного метода по высшим приближениям. Проведенный анализ позволил дать рекомендации по использованию различных приближений вариационного метода с целью достижения любой заданной точности.

Численный анализ приведенных результатов показал, что погрешность расчетов в первом приближении вариационного метода (N=1) была примерно равна 20%. При М=2.3 обеспечивалась точность расчетов с погрешностью 10-6%. При N=4.5 - точность расчетов с погрешностью менее 0.5%.

На основе анализа сходимости сделан вывод о целесообразности использования третьего приближения (N=3) вариационного метода и по 10-ти нераспространяющихся Н- и Е-волн (N¿+N¿=20) в обоих волноводах для инженерных расчетов, а для точных исследовательских расчетов рекомендуется использовать четвертое приближение (N=4) вариационного метода и по 15-ти нераспространяющихся Н- и Е-волн (N¿+N¿=30) в волноводах, что и было использовано в дальнейших расчетах.

Сравнение с результатами работ, использующих первое приб-

лижение вариационного метода в аналогичных задачах, но применя ющих поля, определенные методом Шварца в первом приближении показало расхождение около 10%. Проводилось также сравнение I результатами расчета точным методом параметров стыка прямоугольных волноводов с изменением размера в Е-плоскости и симметричного стыка прямоугольных волноводов. Расхождение результата составило 0.05%.

С помощью разработанного метода были проведены расчеты ш ЭВМ. которые позволили исследовать емкостные и индуктивные свойства тонких диафрагм, плоско-поперечных стыков и сдвигов е волноводах сложных сечений. Приведены результаты расчетов параметров тонких диафрагм, плоско-поперечных стыков и сдвигов е желобковых и П-волноводах. На основе проведенных исследование произведена классификация типов неоднородностей в волновода) сложных сечений по характеру их влияния на прохождение чере; неоднородность падающей волны - емкостной, индуктивный, резонансный характер. Даны рекомендации по целенаправленному подбору конфигураций тонких диафрагм и плоско-поперечных стыков ш получения резонанса на определенной частоте рабочего диапазона.

Что касается плоско-поперечных сдвигов, то для любой конфигурации волноводов со сложной формой поперечного сечения сдвиг между волноводами вызывает появление сильной неоднородности определенного типа и слабой неоднородности противоположного типа. Принципиально становится возможным получение резонанса при сдвиге в любом из направлений, хотя в большинстве случаев он будет находиться на краю полосы пропускания.

Предполагается, что резонансные свойства неоднородностей позволят их использовать в качестве элементной базы при конструировании селективных устройств на волноводах сложных сечений.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ проведен анализ параметров плоско-поперечных неоднородностей типа тонких диафрагм, плоско-поперечных стыков и сдвигов в волноводах сложных сечений в режиме падения на неоднородность произвольной волны.

Рассматривалась плоско-поперечная неоднородность со сложной формой поперечного сечения, заключенная между двумя полубесконечными отрезками регулярных волноводов сложных сечений с воздушным заполнением. Предполагалось, что на неоднородность падает произвольная волна, которая, в зависимости от рабочей частоты, может быть .как распространяющейся, так и нераспростра-

няющейся. Падающая на неоднородность волна вызывает вблизи не-

%

однородности появление высших типов волн.

Из условия непрерывности касательных составляющих магнитного поля на отверстии неоднородности была получена система неоднородных линейных алгебраических уравнений относительно неизвестных коэффициентов разложения поля на апертуре неоднородности, учитывающая все распространяющиеся и нераспространяющиеся волны. Переход от интегрального уравнения к системе аналогичен, производившемуся во второй главе.

В результате решения системы находилось электрическое поле на апертуре неоднородности, знание которого позволяло вычислить значение комплексной проводимости в месте плоско-поперечной неоднородности.

В виде стационарного функционала было получено выражение для комплексной проводимости в месте неоднородности, учитывающее появление распространяющихся при данном значении частоты в обе стороны от неоднородности волн и нераспространяющихся высших типов Н- и Е-волн. возбуждаемых вблизи неоднородности.

Комплексная проводимость, рассчитанная для каждой из волн, падающих на неоднородность, позволяет проанализировать влияние неоднородности на характер прохождения произвольной волны в волноводном тракте. В целом же плоско-поперечная неоднородность характеризуется многомодовой обобщенной матрицей рассеяния. Для отдельной падающей волны вариационным методом вычислялись соответствующие элементы матрицы рассеяния. Обобщенная матрица рассеяния состоит из коэффициентов отражения и прохождения для каждой отдельной из падающих на неоднородность волн. В работе были получены выражения для элементов матрицы рассеяния в вариационной форме. Выражения представляют собой функционалы, стационарные относительно поля на отверстии неоднородности и учитывающие взаимовлияние всех волн. Приведенные в работе результаты показали, что при отклонении значений коэффициентов разложения поля на апертуре неоднородности от полученных из решения системы на -10% практически не приводит к отклонению значений элементов матрицы рассеяния от точно вычисленного значения в случае вычисления их в вариационной форме. В случае их непосредственного вычисления из интегрального уравнения погрешность расчета при таком же отклонении поля от точно найденного значения составляет около 20%.

Полученные в вариационной форме элементы матрицы рассеяния являются совокупностью параметров полностью характеризующих

плоско-поперечную неоднородность, поскольку однозначно устанавливают связь между всеми интересующими нас волнами, падающими на неоднородность. Многоволновая матрица рассеяния является обобщенной матрицей, т.е. учитывает как распространяющиеся, так и нераспространяющиеся волны, падающие на неоднородность. . ( Следует заметить, что для анализа частотнозависимых параметров, таких как коэффициенты отражения и прохождения волн от . отдельной плоско-поперечной неоднородности при работе в много-модовом режиме удобнее исследовать зависимости комплексной проводимости С+ЗВ для каждой из волн. Поэтому в данной главе в дальнейшем проводится анализ зависимостей комплексной проводимости в месте неоднородности от нормированного волнового числа. Аппарат же матриц рассеяния предпочтителен при исследовании селективных СБЧ-устройств. состоящих из нескольких неоднороднос-тей.

В работе приведены результаты расчетов параметров тонких диафрагм в желобковых и П-волноводах, плоско-поперечных стыков ,в П-волноводах, плоско-поперечных сдвигов желобковых волноводов при падении на них нескольких волн. Расчеты производились для запредельного режима и режима распространения падающей волны.

Установлено, что в запредельном режиме любая плоско-поперечная неоднородность проявляет емкостные свойства для падающей на нее волны. В области распространения свойства неоднородности одинаковы для волн одного типа: если неоднородность проявляет резонансные свойства в области распространения первой волны, то' и в области распространения второй волны также существует резонанс; если же неоднородность проявляет только индуктивные, либо емкостные свойства, то в области распространения любой из волн эти свойства аналогичны.

Примененный метод исследования позволяет решать задачи о взаимовлиянии нескольких неоднородностей, рассматривая плоско-поперечную неоднородность как отдельный изолированный элемент волноводного тракта.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ проведены исследования селективных свойств волноведущих структур, состоящих из ряда последовательно расположенных плоско-поперечных неоднородностей:

- ряда тонких диафрагм в волноводе сложных сечений;

- плоско-поперечных стыков нескольких отрезков волноводов со сложной формой поперечного сечения;

- плоско-поперечных сдвигов нескольких отрезков волноводов со

сложной формой поперечного сечения.

Эквивалентная схема любой из этих структур представляет собой каскадное соединение многополюсников, каждый из которых описывается своей матрицей рассеяния. При этом в каскадном соединении различаются два типа многополюсников: один - плоско-поперечная неоднородность .в месте стыка; второй - регулярный отрезок волновода между неоднородностями.

Исследование каскадного соединения можно проводить как в одномодовом, так и в многомодовом режиме работы. В данной главе рассматривался случай, когда на сложное селективное устройство падала основная волна.

С целью определения достоверности вышеизложенного подхода к расчету селективных -устройств на последовательно расположенных в волноведущем тракте плоско-поперечных неоднородностях проводилось сопоставление расчетов модуля и фазы коэффициента отражения основной волны, падающей на толстую диафрагму в прямоугольном волноводе, выполненных по настоящей методике (в качестве прямоугольного волновода рассматривался П-волновод с высотой гребня, близкой к нулю, а толстая диафрагма рассматривалась как короткий отрезок волновода в волноводном тракте), с расчетами, выполненными МЧО с учетом особенности на ребре в других работах. Расхождение результатов для модуля менее 1%, а для фазы коэффициента отражения менее 0.1%. что объясняется тем, что формулы расчета полей в П-волноводах при устремлении гребня П-волновода к нулю не переходят в формулы расчета полей в прямоугольных волноводах. Проведенное сопоставление позволило сделать вывод о высокой точности предлагаемой методики расчета селективных устройств на плоско-поперечных неоднородностях и достоверности полученных в работе результатов.

Были проведены исследования селективных свойств простейшей конструкции, состоящей из двух тонких резонансных диафрагм в П-волноводе, отстоящих друг относительно друга на расстоянии й.

Для анализа такой селективной конструкции использовалась зависимость функции 'переходного ослабления Ь, падающей волны от нормированного волнового числа. Данная зависимость характеризуется высокой степенью пропускания волны в частотном диапазоне, включающем область резонанса отдельной диафрагмы, и заграждением вне этой области. Выявлены закономерности зависимости селективных свойств конструкции от изменения размеров диафрагм и расстояния между ними.

Исследование зависимости частотной функции ослабления ь количества одинаковых тонких диафрагм в П-волноводе показа что с увеличением числа диафрагм ослабление значительно уси. вается на краях рабочего частотного диапазона. При количес диафрагм равном пяти уровень ослабления превышает 30 дБ. Сле, вательно, уже данное количество диафрагм позволяет по уро; ослабления достичь характеристик хорошего широкополосного по. сового фильтра.

Волноводные узлы, обладающие селективными свойствами, ей логичными свойствам тонких диафрагм в волноводах сложных се< ний могут быть получены с использованием плоско-поперечных с: ков волноводов. Отличие данных узлов от узлов на тонких диг рагмах вызвано продольной неоднородностью волноводного трак: связанной со' скачкообразным изменением поперечного сече* тракта.до и после каждого стыка волноводов.

Простейшая селективная конструкция на плоско-попереч* стыках в волноводах сложных сечений представляет собой волно£ дущий тракт с регулярным поперечным сечением, в который встг лен короткий отрезок волновода с меньшим поперечным сечение Вставленный отрезок является внутренним отрезком волноводнс тракта, а присоединенные к нему с торцов волноводы являют внешними. Таким образом, в тракте образуется два одинакоЕ плоско-поперечных стыка, каждый из которых может быть предста лен эквивалентной шунтирующей проводимостью, включенной в лин передачи.

Исследования фильтрующих свойств стыков волноводов пров дились для П-образных волноводов. В качестве основной линии п редачи в расчетах использовался стандартный П-волновод с пол сой пропускания 2.4:1, в который вставлялись отрезки П-волнов да разной длины и поперечного сечения.

Для рассматриваемой конструкции (представляющей собой эл ментарный фильтр), существуют участки частотного диапазона, которых данный узел проявляет свойства полосового фильтра, также участки частотного диапазона, где узел обладает свойств ми заградительного фильтра. Выявлены закономерности зависимое селективных свойств конструкции от изменения размеров внутре него отрезка П-волновода.

Из полученных результатов исследования можно сделать в вод, что на селективные свойства узла в заданной полосе част влияют не только плоско-поперечные неоднородности в линии пер

дачи, как в случае с резонансными диафрагмами, но и продольный размер отрезка волновода, заключенного между неоднородностями. В отличие от случая с резонансными диафрагмами, в этом случае изменение любого из размеров, как продольного, так и поперечного. позволяет смещать диапазон частот полос пропускания и заграждения. Изменение продольного размера внутреннего отрезка П-волновода позволяет управлять шириной этих полос. Изменение поперечных размеров такого эффекта не вызывает. Рассмотренная конструкция селективного узла являлась только прообразом фильтра, анализ свойств которого должен помочь в решении задачи синтеза полосовых и заградительных фильтров на плоско-поперечных стыках в волноводах сложных сечений.

Анализ селективных свойств конструкции, выполненной на плоско-поперечных сдвигах волноводов сложных сечений, проводил-' ся для двух случаев сдвига по взаимно-перпендикулярным осям координат. Такой узел представляет собой волнов'едущий тракт, в котором внутренний отрезок волновода определенной длины смещен относительно продольной осевой линии тракта.

Результаты расчета на ЭВМ зависимости частотной функции ослабления Ь от нормированного волнового числа для сдвига П-волноводов по горизонтальной оси координат X показали, что данная конструкция обладает свойствами фильтра верхних частот.

Результаты исследования смещения П-волноводов по вертикальной оси координат У показали, что рассматриваемая конструкция узла проявляет свойства фильтра нижних частот. Однако, с ростом длины внутреннего отрезка волновода появляется дополнительная область пропускания на правом краю рабочего частотного диапазона и четко выраженная область заграждения в середине диапазона. Уровень затухания в области заграждения все же мал, и поэтому говорить о селективной конструкции на сдвиге волноводов вдоль оси У как о фильтре нельзя. Можно говорить только о разной степени ослабления рабочей волны волновода в полосе пропускания.

Полученные результаты свидетельствуют о принципиальной возможности построения фильтров на сдвигах волноводов сложных сечений. Очевидно, что двух сдвигов волноводов недостаточно для получения сильного затухания в области заграждения фильтра, увеличение количества сдвигов должно приводить к улучшению характеристики фильтра.

На основе вышеизложенного можно сделать вывод, что реализация фильтров верхних и нижних частот на плоско-поперечных

сдвигах П-волноводов проста, поскольку не требуется внесен! изменений в конфигурацию волноводов, а подстройку фильтра мои производить только увеличением или уменьшением величины сдвип даже без изменения длины промежуточного отрезка волновода, по; кольку и то, и другое приводит к одинаковым результатам.

В конце главы приводится описание возможностей, времер расчета и основных режимов работы программного комплекса расче та селективных устройств на плоско-поперечных- неоднородностях волноводах сложных сечений.

Сделан вывод о возможности проведения электродинамическог анализа таких конструкций, как фильтры, волноводные переходь фазовращатели, толстые диафрагмы и любых других, состоящих I: последовательности плоско-поперечных неоднородностей в волновс дах сложных сечений.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ сформулированы основные результаты и вывод диссертационной работы. Намечены перспективы дальнейших иссле дований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

1. Вариационным методом решена векторная задача о плос ко-поперечных неоднородностях типа тонких диафрагм, плоско-по перечных стыков и сдвигов в волноводах сложных сечений. Дл шунтирующей проводимости в месте неоднородности в одномодовом многомодовом режимах получен стационарный функционал, относи тельно малых вариаций векторного электрического поля на аперту ре неоднородности.

2. Впервые проведен анализ сходимости вариационного мето да, примененного к расчету шунтирующей проводимости в месте не однородности в зависимости от количества учитываемых функци: разложения электрического поля на апертуре неоднородности и ко личества учитываемых нераспространяющихся Н- и Е- волн, возни кающих при падении на неоднородность распространяющейся волны.

3. Разработана высокоэффективная и достаточно точная мето дика расчета характеристик плоско-поперечных неоднородностей ] волноводах со сложной формой поперечного сечения, которая може' применяться к тем волноводам, сечение которых разбивается н< Г-образные области: П-, Н-, Г-, Т-, 0-волноводам, крестообразным и желобковым волноводам. Конфигурация отверстия неоднородности также должна включать в себя разбиение на Г-образные области. Электрические поля в волноводах и собственные векторньк

функции разложения поля на отверстии неоднородности определялись с помощью метода частичных областей с учетом особенности поведения поля вблизи ребра.

4. Проведено исследование с использованием второго и последующих приближений вариационного метода следующих типов плоско-поперечных неоднородностей:

- тонкие диафрагмы в волноводах;

- плоско-поперечные стыки волноводов разных размеров;

- плоско-поперечные сдеиги волноводов одинаковых размеров.

5. Впервые теоретически исследованы емкостные, индуктивные

- в одномодовом режиме полосы пропускания основной еолкы;

- в многомодовом режиме как в области отсечки неосновных волн, так и в области их пропускания. Сделан вывод о том, что резонансные свойства неоднородностей позволяют их использовать в качестве элементной базы при конструировании различных селективных СВЧ-устройств, в частности, фильтров.

6. Разработан метод построения обобщенной матрицы рассеяния плоско-поперечной неоднородности, учитывающей распространяющиеся и нераспространяящиеся волны, падающие на неоднородность. Для элементов матрицы рассеяния вариационным методом получены стационарные функционалы, позволившие улучшить сходимость метода и повысить точность их расчетов.

7. Впервые методика расчета каскадного соединения многополюсников с помощью матриц рассеяния применена для анализа частотных характеристик последовательности плоско-поперечных неоднородностей в волноводах со сложной формой поперечного сечения.

8. Произведены исследования параметров следующих типов селективных устройств на волноводах сложных сечений с использованием плоско-поперечных неоднородностей: продольной последовательности тонких диафрагм, плоско-поперечных стыков и сдвигов волноводов.

9. Создан комплекс программ на языке С++ для персональных ЭВМ, совместимых с IBM PC XT/AT. Комплекс позволяет рассчитывать характеристики отдельных плоско-поперечных неоднородностей или их последовательности в волноводах сложных сечений в одномодовом и многомодовом режимах.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД СОИСКАТЕЛЯ

Основные результаты диссертационной работы получены автором самостоятельно. Им проведены все теоретические расчеты,

представленные в данной работе. Составлены два комплекса пр< рамм: для расчета параметров плоско-поперечных неоднородное е волноводах, сложных сечений и для расчета характеристик сел тинных устройств, использующих последовательности плоско-по: речных неоднородностей. Проведены исследования параметров ti ких диафрагм, плоско-поперечных стыков и сдвигов в волново, сложных сечений и селективных устройств на их основе.

Основные результаты диссертации опубликованы в следую! работах:

1. Донченко В. А., Заргано Г.Ф., Синявский Г. П. Дифрак: волны на плоско-поперечных стыках волноводов сложных сечен; // Всесоюзный научный семинар "Математическое моделирован«' применение явлений дифракции". Тезисы докладов., М., 1990, 141.

2. Дончейко В.А., Заргано Г.Ф., Синявский Г.П. Рас плоско-поперечных стыков П-волноводов с разными высотами вые пов. // Всесоюз. - науч.-техн. конф."Автоматизация инженерн труда разработчиков СВЧ-аппаратуры". Тезисы докладов., Таг, рог, 1991, с. 5.

3. Донченко В.А., Заргано Г.Ф., Синявский Г.П. Исследо: ние смещенных сочленений сложных волноводов. // 1 Всеукраинс: симпозиум "Физика и техника мм и субмм радиоволн". Тезисы д ладов., Харьков, 1991, ч. 1, с.294-295.

4. Донченко В.А., Заргано Г.Ф., Синявский Г.П. Расчет : раметров стыков П-волноводов с разными высотами выстулоЕ. "Автоматизированное проектирование устройств СВЧ" Межвуз. науч. тр., М., 1991, с. 83-90.

5. Донченко В. А.. Заргано Г. Ф., Синявский Г. П. Исследо ние резонансных плоско-поперечных неоднородностей в волново, сложных сечений. // Междунар. науч.-техн. конф. "Современ проблемы применения СВЧ энергии". Тезисы докладов., Сарат 1993, с. 52-54.

6. Донченко В.А., Заргано Г.Ф.. Синявский Г.П. Плоскоперечное сочленение экранированных желобковых волноводов. Науч.-техн. конф., посвященная Дню радио. Тезисы докладо Ростов-на-Дону, 1993, с.29-30.

7. Донченко В.А.. Заргано Г.Ф. Тонкие диафрагмы в П-вол воде. // "Волноводные линии, системы и элементы технологичес установок СВЧ" Межвуз. науч. сб. Саратовский государствен технический университет, Саратов, 1994. с. 11-16.