Многоэлементные многомодовые функциональные СВЧ элементы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

ХАРЮВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УН1ВЕРСИТЕТ

г* f •« » • { Г

ПОГАРСЬКИЙ Серий Олександрович

УДК 517.392: 621.372. 85

БАГАТОЕЛЕМЕНТН1 БАГАТОМОДОВ! ФУНКЦЮНАЛЬН! НВЧ ЕЛЕМЕНТИ

01.04. 03 - Радюф1зика

Автореферат дисертаци на здобугтя наукового ступени доктора ф1зико-математичних наук

XapKÎB -1998

Дисертащею е рукопис.

Робота виконана в Харювському державному ушверситеп, MiHicrepcxBO освгги Украши

Науковий консультант - доктор ф1зико - математичних наук, професор, академж HAH Украши ЛИТВИНЕНКО Леонщ Миколайович Радцоастроном1чний шститут HAH Украши, директор

Офщшш опоненти:

- доктор ф1зико-математичних наук, старший науковий сшвробггник

ВЕРТ1Й Олексш Олексшович

ДНДЦ "Фонон", м. Кшв, заст. директора;

- доктор ф1зико-математичних наук, професор КАЗАНСЬКИЙ Вадим Борисович Хармвський держушверситет, професор;

- доктор ф1зико-математичних наук, професор MEPIAKPI В'ячеслав Вячеславович

IPE РАН, м. Москва, зав. вщцшом

Провщна установа: Хармвський державний техтчний ушверситет радюелектрошки, кафедра мшроелектронши, електронних приладав та присгро1в i кафедра основ радттехшки, Мшстерство освгги Украши.

Захист вщбудеться " (Р <£_1998 р. о /^^годиш на

засщанш спещатзовано! вчено! ради Д 64.051.02 в Харювському державному ушверситеп: 310077, м. Харшв, пл. Свобода, 4, ауд. lff .

3 дисертащею можна ознайомитися в Центральнш науковш 6i6nio-тещ ХДУ (310077, м.Харюв, пл.Свободи, 4).

Автореферат розюланий

« rf С

1998 р.

Вчений секретар спещагизовано! вчено! ради

В.Г.Чеботарьов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальтсть теми. Дослщники \ розробники сучасноТ радютех-шчно'1 апаратури стикаються як з1 швидким ускладненням самих припадав \ пристроУв НВЧ та КВЧ даапазошв, так 1 з ужорсточенням всього комплексу вимог, що пред'являються' до апаратури в цшому. Це, в свою чергу, викликае ¡нтснсивш пошуки принципово нових теоретичних щей 1 зв'язаних ¡з ними техшчних реатзацш, нових перспективних у прикладному плаш ефекпв та явищ; нових титв лiнiй передач!, що викорис-товуються як базовц розробку сучасних комп'ютерних технолопй ана-л1зу 1 оптим1зацп параметр1в як окремих НВЧ 1 КВЧ елеменпв, так 1 параметр1в прилад1в або систем.

Кр1м того, вирйпення уах цих проблем вимагае I використання комплексного пщходу, що повинен включати до себе: а) розробку строгих методав розв'язання крайових задач електродинамжи; б) розробку математичних моделей, як1 е адекватними ф1зичним системам, що до-слщжуються; в) комп'ютерний анатз характеристик; г) експерименталь-ш дослщження параметр1в 1 характеристик; д) розробку методов оптимь-заци електродинамЬших I техшчних характеристик.

Величезш потенщйш можливосп при розв'язанш р!зномаштних техшчних задач М1сгять в соб1 багатоелементш електродинам1чш струк-тури, як1 пщтримують багатомодовий режим робота. Там структури дозволяють виршувати бшьш широкий клас функщональних задач, до-статньо легко впроваджуються в кнуюч1 НВЧ прилади, вщрпняються технолопчшстю у виготовленнк До багатоелементних структур, в першу чергу, вщносяться складш електродинакпчш об'екти, так! як планарш 1 пбридш металодоелектричш структури, багатопрошдш лпш, резонатори з багатомодовим режимом роботи, а також хвилеводи I планарш лшн передач! (наприклад, мжросмужковЦ, яю стали вже традицшними, в рсжим1 передач! надширокополосних сигнал1в.

Цшком очевидно, що використання складних багатоелементних електродинам!чних структур як базових елеметгпв при створенш компонентно! бази НВЧ технжи. при дотриманш вимог мкромтатюризаци веде до гстотного пщвшцення ступеня штеграци мпсроелектронних прилад1в, що в свою чергу вимагае сгворення адекватних ф1зико-топо-лопчних моделей таких об'аспв. Вимога адекватности моделей компоненте с там бшьш важливою, що для мжроелектронних приладав радючасготного даапазону з високим ступенем штеграци виключаеться

етап макетування на дискретних елементах, а для елементтв НВЧ i КВЧ даапазошв, особливо для об'емних пбридних i натвпровщникових ште-гральних схем, значно обмежеш можливосп масштабного моделюван-ня. Анашз сучасних ф1зико-тополопчних моделей показуе, що при досш-дженнях регулярних niniñ передач! НВЧ коливань з багатозв'язною областю поперечного перетину, функщональних елеменпв НВЧ, яю ви-конаш на ochobí багатоелементних структур i яы шдтримуюгь багато-модовий режим робота (у тому чиоп i квази-Т хвиль), найбшып ефек-тивними виявляються модел1, що базуються на використанш вла-стивостей р1зноман1тних перюдичних структур. Врахування вла-стивостей таких структур дозволяе шляхом побудови моделей високого pÍBH3, що базуються на алгоршшзацп вщповщних крайових задач, розв'язувати достатньо склад!ii задач1 анал1зу хвильових процеав, моделювання i оптим1зацп широкого класу ж хвилеведучих структур, так i штегральних компонентов у багатомодовому режима

Природньо, що без належного розвитку теори такого класу елек-тродинам1чних структур, систематичного i детального анагпзу ф1зичних особливостей хвильових ефект!в з урахуванням р1зномаштних фактор1в, яю впливають на ефектившсть процесу збудження спектру власних коливань, неможливо намггити шляхи полшшення íx часготних i екс-плуатацшних характеристик, а також виявити hobí явища i законо-MipHocri збудження коливань, яет дозволять поширити íx практичне застосування. Тому побудова тако! Teopií, здатно! описати ф1зичш особливосп збудження, перетворення коливань, розробка на ochobí qiei Teopii засоб1в ашишу i оптим1защ1 по вибраному параметру (або критерто), а також виробка практичних рекомендащй щодо ¿статного полшшення íx характеристик станрвлять актуальну науково-техшчну проблему. Спшьшсть i достатня ушверсальшсгь тдходу, що розви-ваегься в дисертацп, дозволяе з единих позицш проводите комплексш дослщження процеав збудження i розповсюдження електромагштних коливань в структурах, яш здатш пщтримувати багатомодовий режим.

В математичному i ф1зичному вщношеннях Teopia електродина-м1чних структур, яш розглядаються, охоплюе коло питань i явищ, сто-совних до дослщження електродинам1чних характеристик на ochobí строгих математичних методов Teopií дифракцн. KpiM того, на íí ochobí вдаеться побудувати математичш модел1 адекватш ф1зичним системам, що дослщжуються, i здшснити комп'ютерний анал1з, синтез i оптим1за-цЬо електромагн1тних i експлуатацшних характеристик "елементарних"

НВЧ та КВЧ елемен-пв i функцюнальних прилад1в i3 застосуванням засоб1в теорй' багатокритер1ального моделювання.

Зв'язок роботи з науковимн програмами. планами, темами. Дисер-тащя виконана у рамках цшьовоГ програми дослщжень Секци при-кладних проблем HAH Украши (Постанова Кабшету MinicrpiB Укра'ши вщ 26.06.1995 № 452-007), м1жвуз1всько1 програми "Випромшювання" (проблема № 1.5.4.2); координацшних плашв АН УРСР "Фундамен-тальш i гтрикладш дослщження з радюф1зики; розповсюдження радю-хвиль; газов1 розряди; прилади НВЧ" (1984-1985 рр.), "Дослщження в обласп генерацй' i пщсилення коливань НВЧ" (1986-1990 рр.); координа-щйного плану М1н1стерства осв1ти Украши "Взаемод1я електромаппт-ного випромшювання i потоку заряджених частинок з речовиною" (1996-1997 рр.) i npiopHTeraoro наукового напрямку "Перспектив!» шформацшш технологй', прилади комплексно? автоматизаци, системи зв'язку", затвердженого Мпистерством ocniTn Украши. Результата роботи увшшли у зв1ти 3 держбюджетних НДР (номери держреестраци 0187.0004411; UA01008708Р; 0194U018560).

Мета i задач! дослГдження полягають у

- розробщ електродинам1чно1 теорй' регулярних лппй передач! НВЧ коливань з багатозв'язною обласпо поперечного перетину, що шдтримують багатомодовий режим роботи, а також функцюнальних НВЧ елемен-пв на ochobI багатоелементних структур, яка адекватно вщбивае ф1зику процеав при розповсюдженш у них електромагштних хвиль, i придатно! для систематичних дослщжень амшптудно-частотних i фазових характеристик коливань у таких структурах;

- виявленш характерних особливостей хвильово! взаемодИ i вщ-шуканш оптимальних набор1в параме-rpiB по вибраних критериях для використання i'x у задачах синтезу нових функцюнальних елемен-пв з заданими характеристиками i виробленню практичних рекомендащй для модершзаци ¡снуючих;

- дослщженш електродинам1чних характеристик об'екпв з ураху-ванням специф1чносп вигляду структури при взаемоди з електромагшт-ними коливаннями з дискретним i неперервним просторовим спектрами для визначення i вдосконалення ишшв ефективного управлшня спект-ральним складом i штенсившстю коливань;

- розробщ чисельних i аналкичних алгоритм1в для знаходження i оптим1зацн вихцщих характеристик функцюнальних прилад1в з метою

використання цих алгоритм1в у системах автоматизованого проекту-вання приладав 1 систем НВЧ 1 КВЧ даапазошв;

- створенш 1 оптикшаци параметр1в конкретних функщональних елеменпв з полшшеними електродинам!чними 1 експлуатацшними характеристиками.

Наукова новизна одержаних результат. Наукова новизна робота полягае у розробщ нового математично обгрунтованого чисельно-анаштичного методу, що дозволяе на електродинам!чному р1вн1 строго-сп проводити теоретичш доопджування функщональних елеменпв, що викорисговуються у приладах 1 системах НВЧ \ КВЧ даапазошв. На цШ основ! створен! високоефективш по точност! ! швидкосп розрахунк!в алгоритми, що дозволять здшснювати чисельне моделювання ! опти-м!зацш> електродинам!чних характеристик об'екпв у широкому щапа-зош змши параметр!в.

До нових вщносяться також результата електродинам!чного до-слщження дифракци хвилеводних хвиль на натвнесюнченних перт-дичних системах даафрагм в прямокутному хвилеводд ! розрахунок елеменпв матричного оператора розсповання, дослщження залежностей вщ широко! сукупносп параметр!в задач!.

Розвинутий п!дх!д дозволив сформулювати ! розв'язати нов! задач! про дифракщю хвильових пучк!в з р!зноман!тними характеристиками на системах плоских перюдичних екрашв з! щшиною.

Новим е пцрод, розроблений для опису хвильових процейв в перюдичних структурах, моделюючих реальн! регулярш багатопровщш лшн передач!! функцюнальш елементи на !х основ!.

Вперше розв'язана задача про дифракщю власно! хвил! ¡зольо-ваного дзеркального даелектричного хвилеводу на поодинокому мшро-смужковому резонатор! \ на нашвнескшченнш перюдичнш систем! мисросмужкових резонатор!в у наближенш заданого струму.

Виявлен! нов! ф!зичш ефекти у пер!одичних ! нашвнескшченних пер!одичних структурах (ефект "в1ртуально!" меж! розсиовання у задачах про взаемодно електромагштних похав з натвнесюнченними системами даафрагм! плоских екрашв, областей елштично! поляризацп у д!е-лектричних шдкладках та шш.).

Сформульоваш умови синхрошзму власних хвиль у багатомо-дових мйросмужкових структурах ! принципи використання явища багатомодовосп спектру власних хвиль як основи для конструювання функщональних елеменпв НВЧ ! КВЧ даапазошв з пол!пшеними харак-

теристиками.

Ociiobhí положения i результати. як! виносяться на захист:

1. Теория нового класу регулярних лннй передач! НВЧ коливань з багатозв'язною областю поперечного перетину i функцюналышх НВЧ елемент!в на ochobí багатоелементних багатомодових структур. В рамках uieí теорп:

1.1. Вперше виршений цикл задач про дифракцт електромагнгтних хвиль з дискретным i неперервним просторовым спектрами па деяких класах натвнесктченных перюдичних об'ектгв з визначенням оператора

розсЬованпя eciei електродынам1чно1 структуры R, необхгдного для постановки задач синтезу i оптшйзацй функцюналышх елемештв.

1.2. Виявлеш характер i ocoCmieocmi хвыльовоИ взасмоди натвнесктченних структур з падаючим електромагштним полем.

1.3. Детально проаналгзоват спектри власних хвиль, що збуд-жуються в перюдычнш частит структур. Вызначет сукупноспи exidnux napaMempie задач i частотш области hkí вызначають режимы ефективног роботы по заданому крытерт.

1.4. Встановленый ктотний характер залежноат (пдбиваючих властивостей eiÓKpumux натвнесктченных перюдичних структур при взасмоди ix з хвыльовими пучками eid сукупноспй napaMempie самого пучка, nepioduHHocmi розташування перешкод i матеркыышх констант die-лектрика. Дана фЬичпа штерпретацЫ цих явыщ.

2. Принцип синхрошзму спектра власних хвиль в багатоелементних багатомодових структурах - як основа проектування функщональ-них НВЧ елементш. В обгрунтування цього принципу:

2.1. Вперше на основ! розв'язання циклу задач зростаючого ступеня auiaónocmi побудоваш фгзико-топологичт модели eidpÍ3KÍe регулярних лЫй nepeda4i сантиметрового i довгохвильовоХ частини мтшетрового diana-зошв хвиль, що адекватно (йдбиваютъ (¡тику процеав, адаптоваш для здшснення спектрального аналЬу власних хвиль i Ытегральних характеристик i що спираються на аналогт просторового розподту полт в лйиях, що дошджуються, i багатошарових багатоелементних гратах.

2.2. Проашшюваний спектральный склад власних хвыль, визначепг умови збудження цього спектру i гранищ фиичног pecmi3ycMocmi рЬноматтных частотных режилпв роботы. Вызначет режимы, в якых можливо ефективне керування умовами збудження складових спектру.

2.3. Детально досл1джет npocmopoei розподшення nonie i струмы на мшросмужковых npoeidnuKax. Встаповлеш характерах особливист1 цих

розподшень. Виявлеш умови кнування специфичных випадтв при збуджеши в структурах особливых munie коливань. Визпачеш функщоналыа зале-жнос/ni штегральних характеристик eid ecicï cyKynuocmi параметры задачи

2.4. Експериментально верифжоеаш дат про спектральний склад i функцюнальш залежност[ основних штегральних параметры eid гео-метричних po3Mipie i матер'юльних констант. Показана ефективнкть засобк синхропгзацп власних хвиль в реальных об'ектах. Виявлене явище cmiûKocmi або necmimocmi збудження власних munie коливань в залежиосгт eid симетрП розподиення nonie eid поено координатных пло-щин.

3. Методи побудови процедур анал'ву, синтезу i опттшацп пара-мегрш функцюнальних елеметтв НВЧ, яю мають у своему склада перюдичш структури як складов! частики. В реал1защю процедур, що пропонуються:

3.1. Здшснет розробка високоефективних чисельпих алгорштав, що спираються на empozi розв'язки крайових задач, i визначення потенцшних можливостей цих алгоритмы при врахувант ecieï cyKynuocmi фактор'ы, як1 впливають на хвильовий процес.

3.2. Шляхом широкомасштабных чисельних експерименппв niàmeepà-жет як стшккть алгоритмы i надшнктъ одержувапих чисельних зна-чень, так i Ххня ефективнкть, компактнкть i тому - перспективнкть для еикористання як базових блотв в системах автоматизованого проектування.

3.3. Проведене узагальнення одного з eidoMux методы багато-критеркшьного синтезу елеметтв НВЧ тракту при синтез! багатомо-дових багатоелементних структур L використатп як одного з елемештв, що складають процедуры синтезу, кащевомгрних матриць, апроксиму-ючих по певних принципах операторы розствання.

3.4. Здшснет експерименталъна верифтацЫ i оптымйацш парамет-pie ряду функцюнальних елементгв i вузл1в. Показана можлывкть досяг-нення рекордных pienie електричных i експлуатацшних характеристик пасивних i частотно-селективних npumdie, що керуютъея, спрямованих в1дгалужувач1в i об'емних резонаторгв спещалъного призначення, конст-рукцияких захищет авторськими стдоцтвами i патентами.

Обгрунтовашсть i в'юопдшеть результата, положень, висновшв i рекомендащй шдгверджуеться адекватшетю математичного опису, що використовуеться, ф1зичним процесам, яга вщбуваються в регулярних

лниях передач! ! функщональних елементах, що базуються на багато-елементних перюдичних структурах \ використовують багатомодовий режим, добрим сшввщношенням розрахункових залежностей штеграль-них параметр1в, спектрального складу власних тишв коливань експери-ментальним даним. Ряд теоретичних результалв (спектральний склад коливань, значения деяких штегральних параметр1в) погоджуеться з результатами, отриманими шппши авторами, що свщчить про Ухню в1ропдшстъ. I, нареш-п, обгрунтовашсть 1 в^ропдшсть тверджень 1 результата визначена як засобами само! теорп - виконанням закону збереження енергн в самш електродинам1чшй структур!, встановленими 1раницями погр!шностей одержуваних аналггичних вираз!в, контролем точноси чисельних результатов в процес! комп'ютерного анал!зу, так ! результатами експериментальио! верифшаци ряду розрахункових характеристик ! параметр!в.

ГГрактнчне значения одержаних результатов робота полягае у роз-робщ теорц ! метод!в математичного моделювання регулярних л!н!й передач! НВЧ коливань ! функщональних НВЧ 1 КВЧ елемен-пв, що базуються на пер!одичних ! нап!внеск!нченних пер!одичних багатомо-дових структурах, стосовно до розв'язання важливо! задач! НВЧ техш-ки - конструювання нового покол!ння НВЧ ! КВЧ прилад!в з полш-шеними характеристиками, - яка дозволила:

- встановити потенц!йн! можливосп електродинам!чних структур, моделюючих реальш об'екти, в наявносп ряду факторов, яю впливають на процес розповсюдження електромагн!тних хвиль у структурах ! процес хвильово'1 взаемоди;

- визначити сукупносп вхщних параметр!в ! частота! облает!, як! визначають режими ефективно! робота;

- отримати ряд анал!тичних вираз!в, ям придатш для процедур синтезу деяких функщональних елемен-пв, що мають у своему склад! перюдичш структури, зокрема, для синтезу частотних дискримшатор!в, спрямованих вщгалужувач!в, резонатор!в з! специф!чною структурою поля та шш.;

- показати ефектившеть засобу синхрошзацн власних хвиль у багатопровщних л!н!ях передач! ! виявити сукупшсть параметр!в, що дозволять синтезувати функц!ональн! прилади з пол!пшеними ! спещ-алышми штегралышми характеристиками;

- запропонувати конструкци ряду функщональних вузл!в ! елемен-пв, таких як пасивш ! кероваш частотш дискримшатори, багато-

канальш частотш розподдльники, вщгалужувач!, багатомодов1 резона-торш камери, ям захищеш авторськими свщоцтвами 1 патентами.

Основш результата 1 висновки дисертаци можуть бути рекомендован! для використання в 1РЕ НАНУ, Р1 НАНУ, ХДУ ! ¡п., а також на ряд1 пщприемств радютехшчного профипо.

Особистий внесок автора дисертаци при проведенш спшьних робгг, що опублжуваш в сшвавторствк В роботах [7-10] участь дисертанта виявилася в розробц1 чисельних методов розв'язання вщповщних крайових задач, розробщ алгоритм1в обчислень 1 програмного забез-печення, а також в здшсненш чисельних досшджень 1 штерпретаци результате. В роботах [12-14, 17, 20, 21] дисертанту належать постановка задач, виб!р методу ¡хнього розв'язання, отримання в загальному ви-гляд1 ряду розв'язив, розробка обчисхповальних алгоритме ! зд!йснення чисельних експериматв, участь в ф!зичному анашз1 \ виробленню практичних рекомендацш. В статгях [11, 22, 23] дисертанту належить адея використання под^бносп струкгури пол!в в суворо перюдичних об'ектах 1 в ¡зольованих мжросмужкових лнпях для моделювання пол1в 1 розрахунку величин основних штегральних параметр1в таких лшш, отримання математичних пираз1в 1 розрахункових формул, проведения чисельних розрахушав ! моделювання. В роботах [15, 18, 19, 24], в яких наведен! результата експериментальних дослщжень, дисертанту належить виб!р методу здшснення в!дповщних експерименлв, участь в ф1зич-ному анал!з! результата експеримештв, кр!м того, в робот! [19] дисертанту належить щея використання принципа синхрон!зму власних хвиль багатопровщно! мтросмужково! лшп ! знаходження засобу його фь зично! реал!зуемост! шляхом керування крайовими умовами. В вина-ходах ! патентах [25-34], згщно описам винаход!в ! патента, дисертанту належать основш розрахунков! формули, створення програмного забез-печення для математичного моделювання ! оптам!зац!! параметр!в приладав, здшснення чисельних дослщжень, участь у ф!зичному анал1з1 ! виробленню практичних рекомендацш.

Аиробашя результат!в дисертаци. Матер^али, основш результати, висновки ! рекомендацй дисертащйно! робота доповщалися ! обгово-рювалися на V сем!нар! хвилеводно! секцп'НТТ РЕС ¡м. О. С. Попова "Елементи ! прилади НВЧ хвилеводних тракпв" (м. Кшв, 1982 р.); семшар! "Функцюнальна НВЧ електрошка" (м. Ки!в, 1983 р.); Всесоюзному семшар! "Проблеми пщвищення ефективносп ! якосп елек-тронних приладав (Вакуумш! твердотшьш прилади НВЧ)" (м. Кшв, 1983

р.); Всесоюзнш конференци "Перспективи розвитку об'емних штег-ральних схем НВЧ" (м. Севастополь, 1985 р.); Всесоюзнш конференци "Проблеми розробки i впровадження PEA НВЧ на ochobí об'емних штегральних схем" (м. Севастополь, 1986 р.); IX Всесоюзному ceMinapi "Р1шення внутрппшх крайових задач електродинамки" (м. Ростов-на-Дону, 1986 р.); на ХШ Всесоюзнш конференци "Методи i засоби моде-лювання в системах обробки сигнатв" (м. Кт'в, 1987 р.); Всесоюзнш конференци "Проблеми математичного моделювання i реал1зацп радюелектронних систем НВЧ на об'емних штегральних схемах (01С)" (м. Москва, 1987 р.); Всесоюзнш конференци "Методи i засоби моделювання в системах обробки сигпал1в" (м. Дтпропетровськ, 1987 р.); Всесоюзнш конференци "Автоматизоване проектування i технолопя PEA НВЧ на ochobí об'емних штегральних схем (OIC)" (м. Севастополь, 1987 р.); XIII Всесоюзнш конференци, присвяченш Дню радю (м. Москва, 1987 р.); Всесоюзнш конференци "Об'емш штегральш схеми в науковому приладобудуванш НВЧ-д(апазоиу" (м. Севастополь, 1988 р.); IV М1жна-родному cHMno3ÍyMÍ "Метод дискретних особливостей в задачах матема-тично! ф1зики" (м. Харюв, 1993 р.); 18 i 20 М1жнародних конференщях' по шфрачервоних i мииметрових хвилях (Колчестер, Велика Бриташя, 1993 р.; Флорида, США, 1995 р.); М1жнароднш конференци по мш-мегрових i субмшметрових хвилях i 1хньому застосуванню (Сан-Д1его, США, 1994 р.); Республшанськш конференци, присвяченш 50-р1чнищ звшьнення Украши (м. Житомир, 1994 р.); 4 i 5 Кримських конференщях "НВЧ-техн1ка i супутников1 телекомушкацшш технологи" (м. Севастополь, 1994, 1995 рр.); 6 i 7 М1жнародних Кримських мгкрохвильових конференцях "KpuMiKo" "М1крохвильов1 штегроваш телерадюшфор-мацшш системи" (м. Севастополь, 1996, 1997 рр.). Отримаш в дисертацп результата доповщалися i обговорювалися на наукових семшарах Радю-астроном1чного шституту HAH Украши, наукових конференщях i семшарах кафедри ф1зики надвисоких частот ХДУ (1985-1997 рр.).

Публ'нсацП. Ochobhí результата, рекомендаци i висновки дисертаци вщображеш в 34 роботах, перелж яких наведений в юнщ автореферату. Ряд матер1атв включений до монографи: Литвиненко JI. М., Сальнико-Boi Л. П. Чисельне дослщження електростатичних пол1в в перюдичних структурах. - Кшв: Наукова думка, 1986; в навчально-методичшй nociö-ник: Погарського С. О., Звягшцева А. О. Обчислювальш методи в елек-тродинамщь - Харюв: Вид-во Харювського держун-ту, 1988; в звгги по НДР. KpiM того, вони опублшоваш в зб1рках допов1дей зазначених вище

ceMiHapie i конференцш.

Структура i обсяг дисертаци. Дисертащя складаеться з вступу, шести роздшв, висновку, списку штератури з 235 найменувань. Обсяг робота - 332 crop., з них 242 сгоршки основного тексту, 68 сгоршок граф^чних шюстрацш i таблиць (64 crop, малюнюв, 1 стор. дааграм, 3 стор. таблиць), 22 сторшки лгтератури, що цитуеться.

3MICT РОБОТИ

У Вступ! обгрунтована актуальшсть проблеми, що вирануеться, сформульована мета робота, п наукова новизна, практична значшсть, стисло викладений и зм1ст, наведай ocHoeni положения i результата, mi виносяться на захист i вщомосп про апробацйо дисертаци.

Перший роздьл "Проблема досшдження багатоелемснтних багато-модових структур" носить концептуальний характер. У ньому висвгглеш область застосування багатоелементних багатомодових вузл1в НВЧ i актуальшсть задач1 ¡¡хнього математичного опису. Проведения такого роду дослщжень випливае з необхщносп рнлення ряду практичних задач: в ряда випадюв просто немае шшого техшчного ршення, oKpiM використання багатоелементних багатомодових структур. Властивосп такого роду функщональних елеменпв НВЧ можуть бути описаш за допомогою моделей нескшченних перюдичних i нашвнескшченних перюдичних структур. Вказаш ochobhI труднопц, що виникають при анал'т багатоелементних структур i синтез! функщональних елеменпв на 1хнш основ1. Стисло схарактеризоваш методи, що використовуються при анашз1 таких структур. Сформульована концепщя теоретичного досшдження перюдичних i обмежених перюдичних електродинам1чних структур, що базуегься на процедур! нашвобернення оператора крайо-Bo'i задач^ яка реал1зуеться шляхом операторного методу або методом задач! Р1мана-Гщьберта.

Використання ще'1 спектральних onepaTopiB розсиовання дозволяе розглядати процес розсиовання хвильових пучшв на обмежених перюдичних структурах в термшах чинносп на задану спектральну функщю, вщповщну полю, що падае, деякого лшшного оператора (проходження або вщбивання), що в вщповщносп 3i спецификою об'екту, який дослщжуеться, може бути матричним або иггегралышм, а вторинне (розаяне) поле буде характеризуватися нескшченним набором коефщь

ента ряду Фур'е - у випадку дискретного просторового спектру, або деякою функщею (спектрального щшьшстю) - для континуального спектру. Цшком природньо, що розв'язання граничних задач для сличенного (великого) числа розстовач1в може бути знайдене безпосередньо: шляхом "зшивання" пол1в на межах часткових областей. Однак, складшсть електродинам1чного анал1зу власгивостей структур з натвнескшченни-ми перюдичними наборами розсшвач1в класичними методами зв'язана з т1сто обставиною, що такого роду структури не е в точному зм1сп перюдичними I характер ¡¡хньоГ симетрн не визначаеться щвар1антшспо вщ-носно просторового зсува вздовж ос! симетрп на вщсташ, кратш перю-ду, як це спостер1гаеться в нескшченних перюдичних структурах. Разом з там, наявшстъ cпeцифiчнoгo вигляду симетрн, що виявляеться в можливосп трансформацп структури само? в себе при змщенш вздовж оа симетрн на вщстань кратшй перюду и перюдично1 частини 1 вщ-киданш одного крайнього елемента, дозволяе ефективно використати тдхщ, в основ! якого лежить метод часткового обернення оператора, що реал1зуеться за допомогою операторного методу. Такий пщхщ дозволяе знаходити оператор розсговання нaпiвнecкiнчeннoi перюдичног

структури Я з операторного р1вняння другого порядку

& = г+?[Г-фЙфг]~1фЙф(, (1)

де г I ? е оператори розсновання \ проходження "юпочового" елементу, вщповщно, а оператор ф, що мае д1агональний вигляд, визначае змши поля, що вщбуваються в процеа розповсюдження в простор! м1ж двома умовними межами вщбивання, I е одиничним оператором.

Розв'язання задач! про розсшвання елекхромагштних хвиль на структур! з кшцевим числом елемен-пв може бути знайдене за допомогою стандартного пщходу. Однак, для знаходження того ж ршення може бути використаним знайдений оператор розсшвання вщповщно'1 нашвнескшченно! структури к \ оператор проходження Г, знаходження якого можливо за допомогою оператора Я. При цьому вимагаеться вивчення питань про мехашзм трансформацп хвил1, яка падае на структуру, у власну хвшпо "перюдичноГ частини структури, про характер взаемодп збуджено! власно1 хвшп з межою структура-вщьний проспр, вивчення питань про власний режим "перюдичноГ частини структури. Поле власноГ хвшп мае достатньо складну форму 1 може бути описане за допомогою пол1в, збуджених в областях, яю е прилепи до

меж структури. Записавши р1вняння зв'язку м1ж амплпудами поля, що падае, вщбитого поля 1 поля, яке втшло з юнцево! структури, а також ампттуд пол!в в руб1жних областях, 1 викорисгавши оператор вщби-вання вщповщно! нашвнескшченно! структури, можливо визначення оператора проходження структури в зм1сп проходження першо! меж!, який дозволить визначити амшитуду власти хеши

Т = (1-гешке'ккуЧ, (2)

де А = Ь-И - ввдсгань м!ж умовними межами сусщшх розсшвач1в, Ь- характерний параметр "перюдично!" частини структури. Важливим моментом е можлив1сгь визначення оператору вщбивання власно! хеши

*■ (с Ё\(т А -/¿Л - ¡кА\-1 -ИсА в1д меж1 структура-в1льнии проспр р — \г - К\\1 - Ке г е ) е

1 оператору перетворення в хвилю вшьного простору на меж1 сгруктура-

вшьний просгпр т = + & е'кА р^ е'кА ?. Р1вняння (1) являе собою опера-

торне р1вняння 1 для його розв'язання з усшхом може бути викори-станий метод Ньютона. Метрика в простор! матричних опсратор1в припускасться введешй з використанням спектрально! норми матриц!. Природньо, що розв'язок р1вняння (1) буде кнувати 1 буде единим в тому випадку, коли буде !снувати вщповщний обернений оператор. Оператори Т, т, р можуть бути знайдеш шсля знаходження оператора

Ё по формул! (2).

Другий роздш "Дифракщя хвилеродних хвиль на стику регулярного ! доафрагмованого хвилеводу" присвячений вивченню дифракцш-них явищ, що виникають на стику регулярного 1 д!афрагмованого хвиле-водав. Вперше вирнпеш задач! про дифракцпо хвиль Н0п - типу на нашв-нескшченних системах емн!сних 1 шдуктивних тонких доафрагм, розми щених в дделектричному середовицц в хвилевода.

Розв'язок крайово! задач1 для "ключово!" структури - поодиноко! даафрагми - отримане методом задач! Р1мана-Пльберта у вигляда систе-ми лшшних алгебра!чних р1внянь (СЛАР) II роду, а оператор розсоо-вання ваа нашвнескшченно! структури отриманий за допомогою операторного р1вняння (1). Електродинам!чн! властивосп таких структур в повнш м!р1 описуються оператором розсшвання Я, який в данш задач! мае матричний вигляд. I, хоча точний розв'язок крайово! задач! знаходиться за допомогою узагальнено! матрищ розсшвання |/?|, в реальних розрахунках можливо використання редуцировано! матрищ

розсповання ||/?||. До того ж порядок редуцировано!' матриц! розспован-

ня може бути невеликим: необх!дно лише врахувати вс! типи хвиль, що розповсюджуються. Вплив просторових гармон!к, як! не розповсюджу-ються, може бути послаблений шляхом збшыиення вадстаней м!ж даафрагмами або шляхом використання даелектричних середовищ з вщповщними електроф!зичними константами.

Дифракцшш властивосп нашвнескшченно! перюдично! системи даафрагм ¡стотним образом залежать вщ пер!одичност! розташування даафрагм. В частотних характеристиках структур спостер!гаються дискретн! частота! смуги вщносноГ "прозорост!" ! "непрозоросп". Сму-ги "непрозоросп" зв'язан! з зонами "завмирання" в!дпов!дних нескш-ченних пер!одичних структур. В зош запирання вщбивання в!д нашвнескшченно! дискретно? структури вщбуваеться з такою фазою, що вщповщае деяюй в!ртуальн!й даафрагм!, положения яко! не сп!впадае з ф!зичною межою структури. Знайдена сукупшсть параметр!в задач!, яка визначас режими повного запирання ! положень в!ртуальноГ д!афрагми. Природа цього ефекту полягае у формуванш складного локального поля, поблизу ф!зично! меж! нашвнескшченно! структури. Визначена сукуп-н!сть п$раметр1в задачу яка регламентуе ¡снувания власних режим!в даафрагмовано! частини хвилеводу. Функцп, що описують залежносп аргументу елемен-пв узагальнено! матриц! розс!юваиня (або так зваш фазов1 поверхш), е так!, що ¡снують зони з! слабкою л!н!йною залеж-шстю фази вщ частота, вщповвдн перехщним областям частотних характеристик, 1 зони р!зкоУ змши фаз в областях, вщпов!дних частотам запирання. Наявн!сть такого роду фазо-частотних залежностей зумов-люе прояв поляризащйних ефекпв в пол!, вщбитому вщ нашвнескшченно! системи даафрагм. Дегальний анал1з фазових поверхнь показуе можлив!сть збудження нормальних хвиль, вщповщних неун!тарн!й частиш спектру власних значень оператора, ! яю класифшуються як "комплексн!".

Розташування нашвнескшченно! системи диафрагм в даелектрику з дисипативними втратами дозволяе, з одного боку, виюцочити вплив загасаючих просторових гармоник як в гладкш частиш хвилеводу, так ! в простор! м!ж даафрагмами, що дозволяе зменшувати параметр ЫX, а, з шшого боку, введения даелектрика дозволяе поширювати функ-щональш можливосп приладав на таких електродииам!чних структурах (наприклад, використовуючи ашзотропний даелектрик).

Особливосп резонансного розйювання хвилеводних хвиль на обмежених системах доафрагм, зумовлеш перюдичшстю розташування металевих елемештв, дозволили створити на основ! тако! електроди-наммно! сгруктури частотний дискримшатор з високим р1внем експлуа-гацшних характеристик. Завдяки тому, що розв'язок дифракцшно! задач! здшснюеться операторним методом, процедура багатокритер1ального синтезу елемент^в дискримшатора дозволяе здшснювати синтез елемен-■пв дискримшатора в багатохвилевому режима Ця процедура може бути достатньо легко вбудована у вже ¡снуюч1 системи автоматизованного проектування (САПР) функцюнальних елемен-пв цього класу.

В третьому роздш "Дослщження хвильових ефект1в в нашвнескш-ченшй иерюдичнш систем! екрашв з1 щшинами" здшснений анал1з хвильових ефекта в нашвнескшченнш перюдичнш систем! плоских екрашв з1 щшиною, розташовано! в д1електрику. Вперше знайдене ефективний в довгохвильовш 1 резонанснш часготгай областях розв'язок задач! диф-ракцп двум!рного хвильового пучка на такш структур!.

Процес взаемодо хвильового пучка ! нашвнескшченно! перюдич-но! системи екрашв 31 щшиною розглянутий в терм!нах функцн спектральних густин Е- або Н- компонент електромагштного поля пучка вщповщно для випадк!в Е — або Н — поляризацш. Крайова задача для "ключового" елементу - екрану з! щшиною сформульована у ви-глядг системи парних ¡нтегральних р1внянь. 1стотним моментом розв'я-зання е виб1р базиса для зображення поля на щшиш. Виб!р в якосп системи базисних функцш пол!ном!в Чебишева, яш мають необхщну повед!нку на неск!нченност! та забезпечують полю необхщну особлив!сть на ребр!! що дадуть в результат! перетворення Фур'е повну

[1 Г •

систему функц!й ./„ | , дозволяе зображати у вигляд1 розкладу

в ряд Неймана будь-яку функцш з класу функцш, що описують поле на щшин!. Розв'язок для поодинокого екрану отримане в вигляда СЛАР II роду. Особлив!стю рнпення е той факт, що цей оператор розсшвання сгруктури е штегральним оператором, дючим на функцн з неперервним просторовим спектром. Чисельн! реагазацп при обчисленнях матричних елеменпв результуючих СЛАР II роду ' припускають використання методу замши натвнескшченного штервалу штегрування на скшченний, причому з можливим здшсненням 1нтегрування в р!вновщстоячих вуз-лових точках. Кшыасть вузлових точок природним образом зв'язана з

ВЩНОСНОЮ шириною ЩШИНИ (по ПОр1Ш!ЯШПО з Л), чим ширше щшина, тим бшьше вузлових точок необхщно для задовшьно! апроксимаци осцилюючих функцш, що входять в пщнтегральш вирази. Систематичш чисельш експерименти показали, що для досягнення 1% точносп роз-в'язку СЛАР достатньо здшснення ¡нтегрування на штерват (0; 15,0). Пошук оператора розсшвання вас! нашвнескшченно! системи екрашв здшснюеться шляхом розв'язання операторного р1вняння типу (1). Основан! на коректних нескшченних системах лшшних алгебра!чних р1внянь другого роду побудоваш алгоритми дозволяють в широкому д1апазош парамсцнв з високим ступенем точносп аналпувати хвильов! ефекти, що реал1зуються в цих структурах.

Реал1зований широкомасштабний чисельиий ексиеримент, який дозволив вивчити характер»! особливост! хвильових ефект!в в такого роду нашвнесшнченних структурах при 1хшй взаемод!!' з хвильовими пучками з р!зноман!тними спектральними розподшеннями. Встановлеш сукупност! параметр!в задач!, яи визначають можлив!сть !снування власних режим!в перюдично! частини нашвнескшченно! структур и. Детерм!нован! режими реактивних власних хвиль, що розповсюджу-' ються. Показано, що ¡стотна роль у визначенш характеру взаемод!!' такого роду структур ! хвильових пучюв належить ефекту збудження (або незбу^сдения) плоскопаралельних хвилевод1в ! параметрам матер!-ального середовища, що заповнюе ц! хвилеводи. Анал!з повед!нки функ-ци модуля ядра оператора розсшвання - дозволяе дослщжу-

вати процес дифракци хвильового пучка на структур!. Сильна пор1зан-н!сть поверхш функци свщчить про штерференщю крайових хвиль, що вщходять вщ ребер щшин екран!в, як! утворюють структуру, ! мають характерний вигляд при кратности ширини щшини цшому числу нашв-хвиль ! позаграничност! плоскопаралельних хвилевод!в. У цьому випад-ку частина внутр!шнього об'ему структури поблизу щшини може штер-претуватися як деякий вщкритий резонатор з екв!валентними боковими "ст!нками", розташованими одна вщ одно! на вщсташ дещо бшьше ширини щшини. При вщбиванш хвиль вщ тако! структури виявляеться ефект "виртуально!" меж!, яка не сшвпадае з ф!зичною межою структури. Виявлеш характерн! сукупносл параметр!в задач!, як! визначають прояв цього ефекту.

Обраний метод чисельного знаходження коефвденпв збудження плоскопаралельних хвилевод!в структури. Встановлена ефективн!сть збудження плоскопаралельних хвилеводав в залежносп в!д вигляду

функцш спектрального розподшу хвильового пучка, що падае, 1 його куту падшня. Виявлений ефект рпкоГ змши поляризацп вщбитого поля при дифракцп елштично поляризованого пучка в певшй сукупносп параметр1в задач!. Обговорена можливеть сгворення нового класу функщональних приладав при використанш в якосп даелектрика, що заповнюе структуру, речовин, яга мають характерш залежносп матер1-альних констант вщ величини зовшшшх пол1в (сегнетоелектрики, ферити, гексоферити 1 ш.).

Четвертий розшл "Власш хвшп в площинних електродинам1чних структурах" присвячений дослщженню регулярних лшш передач! сантиметрового 1 довгохвильовоГ частини мшметрового доапазошв хвиль. Математичш модел1 такого роду об'екпв спираються на аналопю просторового розподшу пол1в в електродинам1чних структурах, що дослщжуються, 1 багатошарових багатоелементних гратах. Володоочи багатозв'язною областю поперечного перетину i являючись багатоеле-ментними за своею тополопею, такого роду структури е принципово багатомодовими у всьому частотному д1апазош.

В роздан отримано розв'язок циклу задач для багатоелементних лшш р1зноман1тно1 топологи, на приклад1 яких показаш принципи використання засобу нагпвобернення оператор1в крайових задач з вико-ристанням регуляризуючо! процедури методу задач1 Ршана-Гшьберта.

1сготним елементом дослщження поодиноко! мпсросмужково! лшп (МСЛ) - базового елементу багатоелементних структур - виявляеться врахування поведшки компонент електромагштного поля поблизу ребер мисросмужкових провщншав, що е екв1валентним врахуванню особли-востей функщй розподшу густин струм] в на мшросмужкових проводниках. Використання для ще! мети системи полшокйв Чебишева дозволяе анагитичним образом врахувати такого роду особливость Результата чисельного анашзу дозволили вивчити спектри власних хвиль багатопровщних електродинам1чних структур, що е багатомодовими не тальки в зм1сп ¿снування вищих (квази-хвилеводних) тишв хвиль, але 1 в зм1сп хснування в таких структурах багатомодового режиму квази-Т хвиль, що не мають частот вщачки. Тх дисперсшш характеристики мають ряд характерних особливостей:

- в снектр1 власних хвиль можуть буГи присутш хвщп як квази-Т, так 1 квази-хвилеводш. Спектр алый зони випромшювання 4 невипро-мшювання (в випадку вщкритих хвилеведучих структур) подшяе область, яка вщповщае ЬМй- хвшп доелектричного шару. Пщ випро-

мшюванням розумшться трансформащя енергп хвшп даного типу в енерпю хвиль з неперервним спектром, коли значения коефщента спо-вшьненош хвиль даного типу лежать в штервал1 значень коефщента сповшьненосгп хвиль з неперервним спектром;

- в спектр 1 квази-Т хвиль можлива наявшсть виродження деяких тишв коливань з асиметричним вщносно координатних площин розпо-дигом густин струм1в. Можливо зняття виродження тишв коливань за рахунок вибору крайових умов \ шдпошдного пщбору стввщношення м!ж геометричними розм1рами структур;

- структура ПОЛ1В пбридних тишв хвиль ЕЩ, ЕН2 в екранованих (або частково екранованих) багатопровщних лш1ях мае характерш особ-ливосп у вигляд! петель магштного поля в напрям1 розповсюдження хвил1 I перпендикулярних пщкладщ (областей елттично! поляризацн поля на вищих типах хвиль).

Показана можлив1сть 1 коректшеть викорисгання одержуваних результат для опису властивостей обмежених площинних структур. Збшьшення перюду Ь грати, яка моделюе реальну структуру, не пору-шуе загально! стшкосп побудованого алгоритму \ може бути викорис-тане як!!математичний прийом для отримання ведомостей про диспер-сшш характеристики \ штегральш параметри ¡зольованих багатопро-вщних м!кросмужкових л1шй.

Дослщження структури пол1в \ розподшу струм1в на мжросмуж-кових провщниках дозволило виявити ряд характерних особливостей, притаманних власним типам коливань, \ пояснити ряд фпичних ефекттв, що спостер1галися в експеримент1, наприклад, вказати обласп елш-тично1 поляризацн поля усередиш даелектрично1 пщкладки, 1 так званих "областей зв'язку" - областей з мппмальною напружешетю пол1в 1 шляхом яких здiйcнюeтьcя обмш енерпею м1ж проводниками та ш. Проведе-га систематичш розрахунки залежностей ряду штегральних параметр1в вщ сукупносп геометричних розм1р1в 1 електроф1зичних констант дозволили встановити умови ф1зично1 реамзуемосп такого роду структур, 1х слабкодисперсшсть в границях одномодового режиму \ можливосп реа-л1зацп структур з широким д1апазоном значень хвильового опору (10... 400 Ом).

Здшснеш ф1зичш експерименти дозволили шдтвердити коректшеть побудованих моделей для ¡зольованих багатопровщних мжросмуж-кових лшш 1 виявити ряд нових ф1зичних ефек-пв. До них в першу чергу слщ вщнести: елштичшеть поляризацн поля в простор! м1ж провщ-

никами при дотриманш умови синхрошзму збудження, мояоцдасть переходу з обласп одномодового режиму в область багатомодового шляхом керування умовами частотного виродження власних хвиль, ефект нестшкосп структури коливань при порушенш симетри збудження, обласп так званого "слабкого зв'язку" I деяю шип.

Детальний ф1зичний анал13 сукупносп експериментальних даних 1 даних теоретичного дослщження дозволив здшснити синтез ряду функцюнальних елеменпв 1 вузл1в: керованих I некерованих дискри-мшатор!в, багатоканальних частотних розподшьниюв, спрямованих вщ-галужувач1в 31 слабким зв'язком, яю володноть експлуатацшними характеристиками, що по багатьох показниках перевищують ¡сную1и аналоги, 1 захищеш авторськими свщоцтвами. Базовим ф1зичним принципом робота цих прилад1в е принцип фазового синхрошзму власних хвиль багатоелементно! електродинам1чно1 структури. Подальше полшшення експлуатацшних характеристик може бути досягнуте шляхом вдоскона-лення засоб1в реалгзацп' принципу фазового синхрошзму власних хвиль в такого роду канал1зуючих структурах I використанням дгслектричних матер1ал1в, що володиоть широким спектром значень електроф1зичних констант.

Створеш алгоритми 1 програмне забезпечення для моделювання структур пол1в \ розподшень струмгв на мшросмужкових провщниках, процедур синтезу функцюнальних елемеипв, яш враховують багато-модовий спектральний склад власних тишв хвиль.

В п'ятому роздш "Резонансш явища в пбридних структурах" до-слщжеш властивосп пбридних електродинам1чних структур, яи явля-ють собою комбшащю р1зномаштних тишв лшш передач! в КВЧ дда-пазош: ¡зольованого дзеркального даелектричного хвилеводу (1ДДХ) \ вщр1зыв мшросмужкових лшш. Розв'язок модельно! задач1 для базово! структури - частково екранованого дзеркального даелектричного хвилеводу - отримане в рамках методу часткових областей \ записане у вигля-дд зв'язаних СЛАР першого роду. Схема побудови математично! модел1 мае певш особливосп, як1 полягають в засоб1 визначення гюл1в в часткових областях, що призводить до результуючо! СЛАР з матрицею розрщженого типу, що ¿стотно спрощуе обчислювальну процедуру. Встановлений вплив р1зномаштних иарамеггр1в структури на тривал1сть обчислювального алгоритму. Характерною умовою входження в область неспйкосп розв'язку е наближення будь-якого з хвильових чисел крайово! задач1 до нуля (що вцщовщае сукупностям параметр1в

задач!, як! визначають пошоси визначника СЛАР) при цьому кшыасним критер!ем неспйкосп с число зумовленосп. сИзична штерпретащя появи областей нестшкосп, очевидно, така. В областях структур и, регулярних вздовж ос! розповсюдження власно! хеши ! нфегулярних по ос!, перпендикулярно! до першо!, розповсюджуються незалежно одна вщ одно! власш хвшп (в загальному випадку - комплексш) плоского шарово заповненого даелектричного хвилеводу п!д р!зномаштними кутами до ос! розповсюдження власно! хвил!. Наявшсть р!зко! неоднорщносп на меж! д!електричного стрижня призводить до взаемозалежносп хвиль м!ж собою, ! в тих випадках, коли власш частота хвиль наближаються до частот вщачки одн!е! з них, вщбуваеться р!зке зростання коеф!ц!ент!в зв'язку хвиль. В результат! чисельних експерименпв встановлено, що облает! нест!йкост! розв'язку виявляються достатньо вузькими,! можли-во обчислення нормованих пост!йних розповсюдження з точшетю в границях 0,1... 0,5% для нижчих титв хвиль (з невеликою кшьюстю вар!-ащй поля вздовж граней д!електричного стрижня). Такого роду розра-хунки показують можлив!сть знаходження необхщних величин в достатньо широкш сукупносп геометричних параметр!в, що вщповщае вимогам практичних додапав. Ф!зична штерпретащя тако! можливост! зв'язана з тим, що в облает! поза д1електричним стрижнем поле поверх-ньо! хвуцп добре апроксимуеться рядами функцш, як1 експоненц!ально спадають при вилученш вщ поверхн!, ! тому для опису власних хвиль в 1ДДХ з невеликою кшьюстю вар!ашй поля не вимагаеться великого числа члешв рядав, як1 апроксимують поведшку функщй розподшу поля.

Дослщжений спектр власних хвиль 1ДДХ. Виявлен! особливосп розпод1лу електромагштних пол!в в шар!, що ¿золюе, як! виникають при переход! вщ експоненц!ального розподшу поля до косинусощального. Проанал!зова1и ф!зичн! ефекти, зв'язаш з залежн1стю коеф!щента спо-в!льненост! хвил! вщ товщини ! електроф!зичних констант шару, що ¡золюе,! сп1ввщношення геометричних розм!р!в д!електричного стрижня ! шару, що ¿золюе. Ф!зичний анал1з явища ¡стотного зменшення коеф1-щента сповшьненосп власно! хвил! при збшьшенш товщини шару, що !золюе, дозволяв прогнозувати перспективу використання в якосп роб!т-ничого типу хвиль - хвшпо, яка розповсюджуеться в сфедин! ¡золюю-чого шару. Такий пщхщ дозволить вир!шити ряд наявних в нинипнш момент труднопцв по ф!зичн!й реал!заци функцюнальних приладав при використанн! стрижн!в з матер!ашв з високим значениям вщносно! дае-

лектрично! проникливосп (е -38...500), а також скористатися перевагами засоб1в тонкошивочно! технологи.

Вперше сформульована 1 розв'язана задача про знаходження коефь щента вщбивання нагавнескшченно! перюдично! сисгеми мжросмуж-кових резонатор1в в наближенш заданого розподшу поверхнього струму на мшросмужкових провщниках. У вщповщносп з адеею побудови опе-ратор1в вщбивання 1 проходження на границ нашвнескшченно! перюдично! структури задача розв'язана в два етапи: спочатку розв'язана модельна задача про знаходження оператор1в (коефвденттв) вщбивання 1 проходження поодинокого мжросмужкового резонатора, розташова-ного на однш з граней 1ДДХ, при розповсюдженш в даелектричному стрижш одного з власних тишв хвиль, а теля цього за допомогою операторного р1вняння (1) - визначення вщповщних оператор1в вае! структури. Особлив1стю риыення модельно! задач! е форма завдання поверх-шх струм!в, що дозволяе аншйтичним образом врахувати особливосп поведшки розподшу струм]в поблизу ребер м1кросмужкового провщ-ника. Поблизу м1кросмужкових резонатор1в розс!яш поля мають непе-рервний просторовий спектр. Ршення модельно!' задач! побудоване у вигляд1 системи парних штегральних р1внянь, ям зводяться засобом Гальоркша до СЛАРI роду.

Здайснене з1ставлення значень коефиценпв вщбивання, отриманих теоретичним шляхом 1 шляхом експериментальних вим1рювань. Вщ-значена добра ввдювщшеть теоретичних I експериментальних даних. Невелик! розб1жносп в значениях коефйцента вщбивання 1 деяке розширення резонансних кривих пояснюеться деякою вщмшшетю теоретично! 1 експериментально! моделей, в останнШ з яких присутш фак-тори дисипативних втрат 1 просторово! атзотропи матер1ал1в, яш були використаш. На основ! результатов математичного моделювання [ експериментальних даних запропоноваш конструкщ! 1 оптим1зоваш параметри функщональних припадав КВЧ диапазону нового поколшня з пщвшценими функцюнальними можливостями (пасивних I керованих частотних дискримшатор1в), одне з яких захищене авторським евщоц-твом.

Шостий роздал "Збудження багатомодових резонатор1в правильно! геометрично! форми" присвячений анатзу пол!в 1 питаниям побудови обчислювальних процедур синтезу ! оптимизацп" параметр!в багатомодових резонатор!в правильно! геометрично! форми по заданому критерио просторового розподшу пол!в. Вивчений спектральний склад

власних тигпв коливань порожнього резонатора 1 фгзичш умови реаль зуемост1 спектру власних коливань (т.т. можлив1сть збудження цих титв коливань без виродження) при виконанш заданих критернв: максимально р1вном1рного ампл1тудного розподту пол ¡в в смуз1 частот в задан¡й площиш спостереження 1 оптимальности сшввщношення геомет-ричних розм1р1в. Побудоваш вщповщш продедури багатокрите-р1ального синтезу багатомодових надрозм1рних резонатор1в з ураху-ванням вибраних критерпв, що дозволили досягнути коефвдента нepiвнoмipнocтi по полю в границах 28-35%. Експериментально пщ-тверджена в1рогщшсть оптим!зацшних процедур.

Шляхом чисельного моделювання по засобах ¡золшш \ "аро! шкали" визначсш фазов1 центри збудження складових спектра коливань. Пщтверджений ефект кратносп виродження складових коливань спектра при певнш сукупносп геометричних параметр1в, що рашше спостер1гався в експериментй Сформульована 1 розв'язана задача про резонатор з ребристою поверхнею. Розв'язок отриманий у вигляда ко-ректно! СЛАР II роду вщносно коефнцглтв розкладень пол1в. Проана-л1зована взаемод1я власних тишв коливань порожнього резонатора Ь коливань, яи складають дифракцшний спектр ребристо! структури. Встановлеш функцюнальж залежноси вщносно! змши власних частот вщ характерного розм1ру ребристо! поверхш (И), яю носять екстре-мальний характер, досягагочи свого максимума при И/Як р= 0,25. Знай-

деш сукупносп параметр1в задач!, яю е оптимальними з точки зору критер!я р1вном1рнос[1 розподшу поля в заданш площиш спостереження в заданш смуз1 частот.

Сформульована I розв'язана задача про мкросмужковий випро-мшювач у вигляд! сегменту, розташованого над металевою поверхнею. Визначене мюцеположення фазових цящнв випромшювача { прив'язка до фазових центр!в резонансно! камери. На основ! розв'язку крайово! задач1 побудоваш продедури багатокритер1ального синтезу 1 оптим1зацн резонансного об'ему з мжросмужковим випром1нювачем у в игл яд! сегменту. Дан! експериментально! верифжаци подтвердили в!ропдн!сть побудовано! теор!'! випром!нювача в резонатор!. Отримаш в ход1 обчислювальних експеримент!в дан! дозволили сформулювати принцип побудови резонансних камер ! реал!зувати техшчш р!шення елемент!в збудження ! таким чином вир!шити ряд техшчно складних питань оптимального введения НВЧ енергн в резонансний об'ем ! погодження з

основним хвилеведучим трактом по величин! хвильового опору. Щ техшчш ршення захищеш авторськими свщоцтвами 1 патентами.

В Заключент сформульоваш основш результата дисертацшно! робота та вшткаюч! з них висновки, нам1чена програма подальшого розвитку цього наукового напрямку в радюф!зищ 1 вказаш перспективи практичного викорисгання отриманих результатов.

ОСНОВШ РЕЗУЛЬТАТЫ ТА ВИСНОВКИ РОБОТИ

1. Побудована теор1я нового класу регулярних лшш передач! НВЧ коливань з багатозв'язною областю поперечного перетину ! функ-щональних елсмсн-пв на основ! багатоелементних багатомодових структур.

1.1. Розв'язок задач отриманий у вигляд! СЛ АР, як! являють собою результат обернення (аналогичного або чисельного) частини оператора крайово! задач!, вщповщно! одному з елеметлв, що складають структуру в цшому.

1.2. Для розв'язання задач дифракцп певних тип!в хвиль ! хвильо-вих пучшв на натвнескшченних пер!одичних структурах 1 визначення основних дифракцшних характеристик розроблений шдхщ, що спи-раеться на викорисгання операторного методу.

2. Побудован! алгоритми дозволяють в широкому д!апазон! змши параметр!в з високим ступеней точносп отримувати характеристики розснованих пол!в. Алгоритми характеризуются високою ефектив-н!стю, компакта!! тому перспективн! для використання в якосп блок1в в системах автоматизованого проектування.

3. Сформульована ! шляхом всеб!чних чисельних та ф!зичних експеримент^в пщтверджена коректн!сть основно! ще! проектування функц!ональних елеменпв, яю мають у свойому склад! багатоелементщ багатомодов! структури, - ¡де!" синхрон!зму спектра власних хвиль.

4. Побудован! модел! застосован! для розв'язання актуальних задач прикладно! електродинам!ки. Бшышсть з них розглянуп вперше. Впер-ше виконаний детальний анальз характеристик пол!в в задачах дифракцп' на натвнескшченних перюдичних системах д1афрагм, екрашв з! щши-ною ! послщовносп м!кросмужкових резонатор1в. Всеб1чно проана-л1зоваш функцюнальш залежносл штегральних характеристик вщ сукупносп геомеггричних розм1р1в! матер!альних констант.

5. Отримаш результата чисельного розв'язку та 1х ф1зичний ашииз дозволили пояснити деям ефекти, що спостер1галися в експериментах, а в сукупносп з результатами проведених експериментальних дослщжень синтезувати \ оштпзувати параметри ряду функшональних елемештв \ дата ирактичш рекомендаци по вдосконаленню конструкцш вщомих прилад1в.

Розвинена теор1я хвильових процеав в клаа псрюдичних \ обмежених перюдичних структур, розглянута на П основ1 сукупшсть задач, розроблеш чисельш 1 аналпичш методи дослщження ефективних режим1в розповсюджеиня електромагштних коливань, отримаш при-кладш 1 загальнонауков1 результата визначають новин науковий напря-мок. що ор1ентуеться на ршення проблем створення 1 оптим1заци параметров нового поколшня функцюнальних прилад1в НВЧ I КВЧ д1апазошв.

Теор1я даного класу структур далека в1Д свого завершения. Необхщний пошук нових клaciв регуляризуючих оператор1в, зокрема, в задачах анал1зу пбридних структур, що дозволить ¡стотно поширити сферу додатку методу нашвобернення оператора крайово! задач1. Роз-робка принципов спшьного застосування р1зномаштних регуляризуючих операцш дозволить вщкрити шлях до моделювання прилад!в, що м1стять неоднорщносп змшаного або некоординатного тигав. Рнпення цих проблем дозволить створити розгалуджену систему автоматизо-ваного проектування НВЧ припадав.

OCHOBHI ПУБЛ1КЛ1Щ ПО ТЕШ ДИСЕРТАЦП

1. Погарський С.О. Дифракщя електромагштних хвиль на складних екранах в середовшщ з втратами II Доповда НАН Украши.- 1997.- № 8.-С. 104-107.

2. Погарский С.А. Возбуждение многомодовых резонаторов правильной геометрической формы II Радиофизика и радиоастрономия.- 1997.- 2.-№ 3,- С. 342-346.

3. Pogarsky S.A. Operator method in electromagnetic waves diffraction by semi-infinite diaphragm system in rectangular waveguide problem // Int. Journ. of Infrared and Millimeter Waves.- 1997.-Vol. 18.- No 4.- P. 901907.

4. Pogarsky S.A. Semi-infinite structures resonant phenomena in filters design problem // Int. Journ. of Infrared and Millimeter Waves.- 1997,- Yol. 18,-No 7.- P. 1445-1449.

5. Pogarsky S.A. Electrically tuned filter // Int. Journ. of Infrared and Millimeter Waves.- 1997. - Vol. 18,- No 10,- P. 1937-1941.

6. Погарский C.A. Дифракция собственной волны изолированного зеркального диэлектрического волновода на полубесконечной системе микрополосковых резонаторов // Радиофизика и радиоастрономия.-1997.-2.-№4.- С. 204-210.

7. Литвиненко Л.Н., Погарский С.А., Сапрыкин И.И., Седых В.М, Моделирование симметричных волн типа Т в многопроводных микрополосковых линиях // Радиотехника и электроника,- 1985.- 30,- № 1,-С. 167-169.

8. Погарский С.А., Сапрыкин И.И., Седых В.М, Исследование спектра собственных волн в симметрично-экранированной многопроводной микрополосковой линии // Изв. вузов СССР. Радиофизика,- 1985,- 28.-№ 1.- С.133-136.

9. Pogarsky S.A., Litvinenko L.N., Prosvirnin S.L. Microstrip natural wave spectrum mathematical model using partial inversion method И IntJourn. of Infrared and Millimeter Waves.- 1995. - Vol.16.- № 12,- P. 2257-2274.

10. Pogarsky S.A., Litvinenko L.N., Prosvirnin S.L. Wave diffraction by semi-infinite periodical structures // Int. Journal, of Infrared and Millimeter Waves- 1996,- Vol.17.- № 5,- P. 897-903,

11. Pogarsky S.A., Saprykin 1.1., Multiple microstrip spectrum // Int. Journ. of Infrared and Millimeter Waves.- 1995,- Vol.16.- № 1,- P.209-217.

12. Pogarsky S.A., Saprykin I.I., Trufanov B.D. Adjusted multichannel frequency diplexer // Int. Journ. of Infrared and Millimeter Waves.- 1996.-Vol. 17,-ЛЬ 4.- P.797-801.

13. Погарский С.А., Труфанов Б.Д. Управляемый СВЧ фильтр // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ.- 1993, -Вып.5-6,- С.24-26.

14. Погарский С.А., Сапрыкин И.И., Глаголев Б.С. Режекторный фильтр// Электронная техника. Сер. 1.Электроника СВЧ.- 1994.- Вып. 1. - С.34-35.

15.Pogarsky S.A., Saprykin I.I. Resonant phenomena in hybrid structures// IntJournal of Infrared and Millimeter Waves.- 1994.-Vol.15.-No 7.-P.1325-1333.

16. Pogarsky S.A., Saprykin I.I., Shauiov E.E. PIN Tuned Hybrid Device// Int. Journ. of Infrared and Millimeter Waves.- 1996.- Vol.17.- No 5.-

Р.857-862.

17. Погарский С.А., Сапрыкин И.И., Труфанов Б.Д. Метод синтеза селективных устройств на многопроводных микрополосковых линиях// Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ.- 1990,- Вып.9.- С.11-13.

18. Погарский С.А., Сапрыкин И.И., Труфанов Б.Д. Многоканальный частотный разделитель// Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ.- 1990,- Вып.1,- С.69-70.

19. Погарский С.А., Макарова Н.Я. Об одном методе управления спектром электромагнитных колебаний в многомодовых системах: Сб. Радиотехника.- Харьков: Вища школа, 1989,- Вып. 88,- С. 109-112.

20. Погарский С.А., Сапрыкин И.И., Петьков Г.М., Полуяненко А.П. Синтез направленного ответвителя со слабой связью на основе мно-гомодовой линии передачи: Сб. Радиотехника,- Харьков: Вища школа, 1987,- Вып.82.-С.116-120.

21. Погарский С.А. Резонансы полубесконечных периодических структур в задачах синтеза частотно-селективных устройств,- Материалы 7-ой межд. Крымской конф. "СВЧ-техника и телекоммуникационные' технологии",- Севастополь, 1997.- Т.1.- С.160-161.

22. Погарский С.А., Сапрыкин И.И., Петьков Г.М. и др. Синтез полос-но-пропускагощих фильтров с использованием кондуктивной связи// В сб.: Конструирование и исследование радиоэлементов и узлов на основе машинного проектирования,- М.: РТИ АН СССР,- 1987,- С.58-61.

: 23. Погарский С.А., Сапрыкин И.И., Звягинцев А.А., Шаулов Е.А. Управляемое устройство КВЧ диапазона.- Материалы 5-ой межд. Крымской конф. "СВЧ-техника и спутниковые телекоммуникационные технологии",-Севастополь, 1995,-Т. 1,-С.123-126.

24. Погарский С.А., Литвиненко Л.Н. Экспериментальное исследование свойств некоторых типов многопроводных многопроводных микрополосковых линий.- Харьков, 1985.- 14 с. (Препринт № 290 / ИРЭ АН УССР).

25. А.С. № 1569919 СССР, МКИ5 Н 01 Р 1/203. Полосно-пропускающий фильтр// Погарский С.А., Литвиненко Л.Н., Сапрыкин И.И. (СССР).-Заявка № 4371948; заявлено 14.12.1987; опубл. 07.06.1990, БИ № 21, 1990.

26.А.С. № 1679570 СССР, МКИ5 Н 01 Р 1/20. Управляемый СВЧ фильтр// Погарский С.А., Труфанов Б.Д., Глаголев Б.С., Щербаков

И.Ю. (СССР). - Заявка № 449884; заявлено 25.10.1988; опубл. 23.09.1991, БИ № 35, 1991.

27. А.С. № 1807535 СССР, МКИ5 Н 01 Р 1/203. Режекторный фильтр// Погарский С.А., Сапрыкин И.И., Глаголев Б.С. (СССР). - Заявка № 4836361; заявлено 20.04.1990; опубл. 07.04.1993, БИ № 13, 1993.

28. А.С. № 1483523 СССР, МКИ* Н 01 Р 1/213. Многоканальный частотный разделитель// Погарский СЛ., Сапрыкин И.И., Труфанов Б.Д. (СССР).- Заявка № 4294166; заявлено 4.08.1987; опубл. 30.05.1989, БИ № 20, 1989.

29. Патент; № 2039461 РФ, МКИ5 А23Ь 1/025, Н 05 В 6/64. СВЧ установка для разжижения вязких продуктов / Погарский С.А., Сапрыкин И.И. и др. (Украина).- Заявка № 5030138/13; заявлено 02.03.1992; опубл. 20.07.1995 , БИ № 20, 1995.

30.Патент № 2054829 РФ, МКИ5 Н 05 Б 6/76, 6/80. Установка для высокочастотного нагрева / Погарский С.А., Сапрыкин И.И. и др. (Украина).- Заявка № 5030263/09/010294; заявлено 02.03.92; опубл 20.02.96, БИ № 5 , 1996.

31. Патент № 2028688 РФ, МКИ5 Н01 3 23/36. Устройство связи для магнетрона / Погарский С.А., Сапрыкин И.И., Шаулов Е.А. и др. (Украина) .- Заявка № 5020659/21; заявлено 21.11.91; опубл. 09.02.1995; БИ№4, 1995.

32. Патент № 5438 Украины, МКИ5 НОИ 23/26, Н 01 Р 5/08. Устройство связи для магнетрона / Погарский С.А., Сапрыкин И.И., Шаулов Е.А. и др. (Украина).- Заявка № В3302178; заявлено 31.03.1993; опубл. 28.12.1994; Бюл. "Промислова власшсть Держпатенту Украши" № 7-1, 1994.

33. Патент № 2080746 РФ, МКИ6 Н 01 Д 23/26, Н 01 Р 5/08. Микроволновая печь-холодильник / Погарский С.А., Сапрыкин И.И., Шаулов Е.А. и др. (Украина).- Заявка № 90014748; заявлено 02.03.1992; опубл. 20.02.1996; БИ№5, 1996.

34. Патент № 2056020 РФ, МКИ5 А23Ь 3/01. СВЧ установка для сушки сыпучих продуктов/ Погарский С.А., Сапрыкин И.И., Шаулов Е.А. и др. (Украина).- Заявка № 5040155/13; заявлено 27.04.1994; опубл. 10.03. 1996; БИ№ 7, 1996.

Лнотацш

Погарськин С. О. Багатоелементш багатомодов1 функщональш НВЧ елементи - Рукопис.

Дисертащя на здобуття наукового ступеня доктора ф1зико-матема-тичних наук за спещальшспо: 01.04.03 - радюф1зика. - Харювський дер-жавний ушвсрситет, Харив, 1998.

Збудована електроданам1чна теорш регулярних липй передач! НВЧ коливань з багатоз'вязною областю поперечного перетину 1 функ-цюнальних НВЧ та КВЧ елеменпв на основ1 багатоелементних структур, ям щдтримують багатомодовий режим роботи. Основу розв'язюв складають математичш об'екти у вигляда СЛАР, одержаних внаслщок обернення (аналогичного чи чисельного) частини оператора крайовоТ задач^ вщповщно!' одному з елеменпв, що складають структуру в цшо-му. Сформульована 1 шляхом чиселышх та ф!зичних експерименпв пщ-тверджена коректшсть базовоТ ще! проектування функцюнальних елеменпв, що мають у своему склада багатоелементш багатомодов1 струк-. тури, - ¡деТ синхрошзму спектра власних хвиль. Теоретичш дооидження у сукупност! з результатами ф1зичних екперименпв, яю проведет, дозволили синтезувати та огптпзувати параметри ряду функцюнальних пристроТв з полшшеними характеристиками у НВЧ 1 КВЧ диапазонах.

Ключов1 слова : функцюнальний елемент, багатомодов1сть, бага-тоелементшсть, перюдичшсгь, надвисока частота.

Аннотация

Погарский С.А. Многоэлементиые многомодовые функциональные СВЧ элементы - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности: 01.04.03 - радиофизика.- Харьковский государственный университет, Харьков, 1998.

Разработана электродинамическая теория регулярных линий передачи СВЧ колебаний с многосвязной областью поперечного сечения и функциональных СВЧ и КВЧ элементов на основе многоэлементных структур, поддерживающих многомодовый режим работы. Основу решений составляют математические объекты в виде СЛАУ, полученных в

результате обращения (аналитического или численного) части оператора краевой задачи, соответствующей одному из элементов, составляющих структуру в целом. Сформулирована и путем численных и физических экспериментов подтверждена корректность базовой идеи проектирования функциональных элементов, имеющих в своем составе многоэлементные многомодовые структуры, - идеи синхронизма спектра собственных волн. Теоретические исследования в совокупности с результатами проведенных физических экспериментов позволили синтезировать и оптимизировать параметры ряда функциональных устройств с улучшенными характеристиками в СВЧ и КВЧ диапазонах.

Ключевые слова: функциональный элемент, многомодовость, мно-гоэлементность, периодичность, сверхвысокая частота.

Abstract

Pogarsky S.A. Multielement multimode ultra high frequency functional elements - Manuscript.

The thesis for the search of the scientific degree of a doctor of physical and mathematical sciences by speciality: 01.04.03 - radiophysics - Kharkov State University, Kharkov, 1998.

The electromagnetic theory of regular ultra high frequency transmitting lines and functional elements in ultra high frequency and super high frequency bands based on multielement multimode structures are built. These models base on mathematical objects such as systems of linear algebraic equations obtained by the semi-inversion procedure (analytical or numerical) of the part of boundary problem operator which corresponding to the single element of structure. The eigenmodes synchronization is the basic idea for functional elements with multimode multielement structure design. This idea was formulated and tested by numerical and physical experiments. The theoretical investigations with the results of physical experiments allowed to synthesize and to optimize the parameters of some functional elements in ultra high frequency and super high frequency bands.

Key words: functional element, multimodality, multiunity, periodicity, ultra high frequency.

Погарський Серпй Олександрович

БАГАТОЕЛЕМЕНТН1 БАГАТОМОДОВ1 ФУНКЦЮНАЛБН1 НВЧ ЕЛЕМЕНТИ

Вщповщалышй за випуск Звягшцев А. О.

Отпечатано на ризографе ООО «Либра» Формат 60 х 84 1/16. Объем 7,0 печ. л. Тираж 100 экз. 310002, г. Харьков, ул. Чернышевского 41, ком. 205