Волны в многослойной невзаимной ферритодиэлектрической структуре

Гузенко, Константин Викторович

Волны в многослойной невзаимной ферритодиэлектрической структуре тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Гузенко, Константин Викторович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2003 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Волны в многослойной невзаимной ферритодиэлектрической структуре»

Автореферат диссертации на тему "Волны в многослойной невзаимной ферритодиэлектрической структуре"

На правах рукописи <^

ГУЗЕНКО Константин Викторович

ВОЛНЫ В МНОГОСЛОЙНОЙ НЕВЗАИМНОЙ ФЕРРИТОДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЕ

Специальность 01.04.03 — Радиофизика

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург — 2003

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Научный руководитель — кандидат технических наук, профессор

Зайцев Эрнст Фёдорович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Симовский Константин Руфович кандидат физико-математических наук Генералова Юлия Евгеньевна

Ведущая организация — НИИ «Домен»

Защита состоится « ноября 2003 года в /Г часов на заседании диссертационного совета Д212.229.01 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 29, корп. II, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ «СПб! НУ». Автореферат разослан « /3» октября 2003 года. Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.229.01

доктор физ.-мат. наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

' Актуальность темы

Многие радиотехнические системы используют в своей работе направленные антенны с электрически управляемым положением луча. Примером таких антенн являются фазированные антенные решетки (ФАР). Классические ФАР выполняются на основе дискретных элементов (излучателей, фазовращателей и т. д.). Такое их построение придаёт им ряд существенных недостатков: достаточно высокая стоимость (порядка 50-100 долларов на элемент при наличии сотен и тысяч элементов в решетке); сложная система управления (необходима мощная ЭВМ); размеры дискретных элементов ФАР должны быть достаточно малы по сравнению с длиной волны, что допускает использование обычных ФАР лишь до сантиметрового диапазона ввиду невозможности дальнейшей миниатюризации элементов. В связи с освоением миллиметрового диапазона волн (ММВ) задача создания антенных систем, обладающих простым электрическим управлением положением луча в этом диапазоне и низкой стоимостью, представляется очень актуальной.

Одним из вариантов реализации электрического сканирования в диапазоне ММВ является использование антенн бегущей волны (АБВ) с электрическим сканированием за счёт управления фазовой скоростью. Перспективным направлением в этой области является использование волноводов, содержащих намагниченные ферриты.

Ферритодиэлектрические структуры (ФДС), исследуемые в диссертационной работе, позволяют разрабатывать на их базе дешевые и простые в управлении сканирующие АБВ практически во всем миллиметровом диапазоне— интегральные фазированные антенные решетки (ИФАР), что и дает возможность сделать заключение об актуальности работы.

Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование многослойного ферритодиэлектрического волновода,

содержащего поперечно намагниченный феррит.

Задачей теоретического исследования является построение адекватной математической модели волновода, позволяющей исследовать все типы волн, существующих в нём, степень их управляемости при изменении намагниченности ферритовых слоёв, а также осуществлять оптимизацию характеристик структуры с точки зрения, например, максимизации управляемости и минимизации потерь путём подбора количества и параметров слоёв (толщин, ширин, проницаемостей). Наличие такой модели избавит от необходимости в экспериментальном подборе этих параметров, который требует реального изготовления многочисленных образцов. Моделирование волноводного перехода со стандартного питающего волновода на ферритодиэлектрический волновод также входит в цели теоретического исследования. Модель перехода, позволяющая рассчитывать распределение амплитуд возбуждения мод в ФДС, позволит оптимизировать его конструкцию для получения необходимого характера возбуждения.

Целью экспериментального исследования является разработка методики исследования различных свойств волновода, таких как модовый состав, параметры мод, существующих в ФДС (постоянные распространения, коэффициенты затухания), а также, в частности, однородности волновода по длине, что очень важно для технологического контроля в процессе сборки образцов ИФАР, и применение этой методики, в первую очередь, для проверки адекватности построенных теоретических моделей.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней:

1. Построена простая аналитическая модель ФДС, достаточная для качественного исследования явлений и эффектов в ИФАР и количественных расчетов параметров основной моды ФДС.

2. С применением метода Галеркина создана строгая численная модель исследуемой структуры, адекватная реальной физической системе.

к/»-

3. Разработаны новые модели, позволяющие исследовать целый класс ферри-тодиэлектрических структур.

4. Предложена оригинальная методика проведения измерений и обработки результатов для экспериментального исследования открытых волноводов.

Положения, выносимые на защиту

1. Представленная простейшая модель позволяет найти аналитическое решение для упрощённой ферритодиэлектрической структуры. Этой модели достаточно для качественного исследования явлений и эффектов в ИФАР, а также для проведения количественных расчётов параметров основной (рабочей) моды ФДС.

2. Численная модель, построенная с применением метода Галёркина, адекватна реальной физической системе и позволяет определять необходимые характеристики всех мод, существующих в ФДС.

3. Достаточная точность расчётов параметров мод открытой структуры достигается уже при удалении вспомогательных экранов модели на половину длины волны от структуры. При этом не возникает дополнительных мод оболочки с замедлениями больше единицы.

4. Все построенные модели пригодны для структур с произвольным числом слоев, произвольными комбинациями диэлектрических и ферритовых слоев, что позволяет моделировать и исследовать целый класс феррито-диэлектрических структур.

5. Разработанная оригинальная методика проведения измерений и обработки их результатов позволяет регистрировать моды, существующие в открытом волноводе, определять их постоянные распространения и оценивать их коэффициенты затухания.

Научная значимость диссертационной работы определяется тем, что в

ней построена теоретическая модель сложной ферритодиэлектрической

структуры, позволяющая проводить оптимизацию ее параметров.

Разработанная методика проведения экспериментального исследования открытых волноводов позволяет определять параметры мод, существующих в волноводе и производить контроль однородности волновода по длине.

Практическая ценность заключается в том, что построенные модели ФДС и волноводного перехода, а также предложенная методика измерений позволяют совершенствовать существующие и создавать новые модификации ФАР сантиметрового и миллиметрового диапазонов с электрическим управлением положением луча.

Достоверность результатов работы подтверждается строгостью использованных методов расчета, соответствием данных, полученных аналитическими и численными методами, а также соответствием между результатами расчетов и экспериментов.

Внедрение результатов работы

Диссертационная работа выполнялась в СПбГПУ в течение 1996-2003 гг. Результаты, изложенные в диссертации, использованы при выполнении НИР по договорам №№ 901301, 901306, по госбюджетным НИР, гранту РФФИ № 02-02-26663, а также в рамках работ по международным программам Американского Фонда Гражданских Исследований и Развития (US CRDF) RE1-185, RE1-510, RE1-2067 и TGP-740. В настоящее время результаты работы используются при выполнении НИР по договорам №№ 140901302, 140901303.

Апробадия работы

Положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 14 научно-технических конференциях, в том числе на — Всероссийских:

II Всероссийская научная конференция студентов-радиофизиков, 1-3 декабря 1998 года, Санкт-Петербург;

III Всероссийская научная конференция студентов-радиофизиков, 30 ноября-2 декабря 1999 года, Санкт-Петербург;

IV Всероссийская научная конференция студентов-радиофизиков, 5-7 декабря 2000 года, Санкт-Петербург;

«Микроэлектроника и информатика - 2001» Восьмая всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов, 18-19 апреля 2001 года, Москва;

«Фундаментальные исследования в технических университетах» V Всероссийская конференция по проблемам науки и высшей школы, 8-9 июня 2001 года, Санкт-Петербург; — Международных:

«СОМ1ТЕ2001» 11th International Conference on Microwave Technique, September 18-19,2001, Pardubice, Czech Republic;

«MIKON-2002» 14th International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications, May 20-22,2002, Gdansk, Poland;

2002 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, June 16-21,2002, San Antonio, Texas, USA;

«ICCSC 2002» 1st International Conference on Circuits and Systems for Communications, June 26-28, 2002, Saint-Petersburg, Russia.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 17 работ.

Объем работы

Диссертация изложена на 89 страницах машинописного текста, основной текст содержит 82 страницы, включая 26 рисунков. Список литературы на 7 страницах содержит 61 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели работы, показана ее научная значимость и практическая ценность,

изложено краткое содержание работы и положения, выносимые на защиту.

Введение содержит краткое описание ИФАР. Это разновидность антенн бегущей волны (рис. 1).

диполи

В простейшем варианте линейной ФАР, антенна представляет собой трёхслойный открытый волновод структуры феррит-диэлектрик-феррит, на которую с одной стороны нанесён металлический экран, а с другой — линейка излучателей, выполненных в виде металлических полосок (диполей) и возбуждаемых полем на внешней (открытой) поверхности структуры. Описанная структура с одного конца питается стандартным прямоугольным волноводом, а с другого— нагружена поглотителем. Фазировка решётки (разность фаз между соседними излучателями), определяющая положение луча, зависит от фазовой постоянной распространения волны в структуре, которая изменяется при изменении величины намагниченности феррита. Намагниченность же меняется под действием управляющего тока, провода с которым также входят в структуру. Для замыкания магнитного потока на краях структуры имеются специальные ферритовые замыкатели.

Имеются также варианты построения ИФАР с печатными (patch) излучателями, активных ИФАР, а также двумерных ИФАР, обеспечивающих

сканирование лучом как в одной, так и в двух плоскостях.

Также во введении кратко описывается общая теоретическая модель ИФАР, основанная на методе поэлементного анализа, составной частью которой является модель ФДС, разрабатываемая в данной работе.

Кроме того, введение содержит описание свойств ферритов на СВЧ и соответствующие формулы, которые используются в основной части работы.

В главе 1 на начальном этапе предлагается модель ФДС в виде планарной бесконечной трёхслойной структуры, экранированной с одной стороны. Изначально структура считается диэлектрической, что соответствует случаю размагниченных ферритовых слоёв. Для такого случая решение может быть найдено точно в аналитическом виде с применением метода эквивалентных длинных линий: каждому слою модели ставится в соответствие участок длинной линии с определёнными параметрами, полученная составная линия нагружается на концах на соответствующие граничным условиям структуры нагрузки. Постоянные- распространения мод, существующих в исходной структуре, находятся из условия баланса сопротивлений (равенства нулю сопротивления в произвольном сечении линии). Распределения электрического и магнитного полей в слоях структуры определяются по соответствующим им распределениям напряжения и тока в эквивалентной линии. На следующем шаге безграничная модель модифицируется ограничением структуры по ширине путём установки стенок. Решение для такой модифицированной модели конструируется в виде суперпозиции волн, полученных в неограниченной структуре, распространяющихся под углом к оси волновода. Такое решение заведомо удовлетворяет условиям на границах слоёв. Граничные условия на боковых стенках приводят к появлению зависимости полей от второй поперечной координаты (тригонометрического вида) и изменению значений постоянных распространения (каждая мода безграничной модели порождает семейство мод модели конечной ширины). Использование в дальнейшем метода возмущений позволило

учесть намагниченность феррита и определить поправку к постоянной распространения и соответствующее ей отклонение луча антенны.

Вторая глава посвящена построению более точной модели исследуемой структуры со слоями различной ширины (рис. 2). В виду своей сложности она не допускает аналитического решения, поэтому в качестве метода решения поставленной задачи был избран метод Галёркина. Универсальность этого метода

позволяет точно учесть не

диэлектрик ^^

I ^^ только сложную геометрию

....... 1" » поперечного сечения волново-

-ЯГлгЫщКчГшЛ.-^^^ да, но также и намагниченность ферритовых слоев. В ос-

\металл' N нове этого метода лежит пред-

намагниченность

ставление компонент электро-

Рис. 2 Модель ФДС со слоями магнитного поля искомого ре-различной ширины.

шения в виде разложений по

некоторым системам линейно независимых базисных функций:

* М ( \ , ^ Я М ! ч , ч

= <*,.>'), V = х,у,г. (1)

Л=1Я!=1 И=1»7=1

Базисные функции ф§т(х,у), Утп(х>У) должны точно удовлетворять соответствующим граничным условиям на внешней границе поперечного сечения волновода, и их системы должны обладать необходимой полнотой для представления искомого решения.

Поскольку реальная ФДС является открытой (рис. 2), граничными условиями на границе сё поперечного сечения являются условия на бесконечности. Системы базисных функций, удовлетворяющих таким граничным условиям, громоздки и неудобны в вычислениях. Поэтому, для упрощения, построение модели производится для полностью экранированной ФДС: открытая ФДС помещается в большой полый прямоугольный волновод (рис. 3). Вспомогатель-

ные стенки ставятся на таком расстоянии от волновода, на котором поле поверхностных волн структуры, сосредоточенное главным образом внутри и вблизи слоев и экспоненциально затухающее при удалении от них, можно считать близким к нулю. Далее избранный метод Галёркина применяется именно к полностью экранированной ФДС (рис. 3). Граничные условия на но-

£ У вой замкнутой границе очень 2

просты, и базисные функции

могут быть легко выбраны. В эт 1 пжх I 1 т%у

Рис. 3 Замыкание открытой ФДС

вспомогательными экранами

данной работе системы тригонометрических функций вида . . , , ,

[сое] а [сое] Ь

были взяты для разложений компонент искомого поля. Подходящая комбинация синуса и косинуса для каждой компоненты поля определяется из соответствующего граничного условия. Эти базисные функции обладают необходимой полнотой (как тригонометрические функции) и очень удобны в вычислениях. Уравнения Максвелла для решаемой задачи можно записать в общей

операторной форме ¿^(Е,Н) = 0, г = 1,2,...,6. (2)

В соответствии с процедурой метода Галёркина разложения (1) подставляются в левые части уравнений поля (2), полученные выражения домножаются на соответствующие базисные функции, интегрируются по поперечному сечению волновода и приравниваются нулю. В результате образуется однородная система линейных алгебраических уравнений вида

Д^0(Е, Н)ср$(х,у)Шу = 0, / = 1,2,...,6. (3)

для коэффициентов разложений, содержащая в качестве свободного параметра постоянную распространения. Условие нетривиальности решения этой системы уравнений даёт значения постоянных распространения мод, существующих

в ФДВ (собственные числа), для которых определяются соответствующие наборы коэффициентов разложений (собственные векторы). При известных коэффициентах разложений, используя (1), вычисляется поле в любой точке волновода и, соответственно, любая необходимая характеристика моды.

Глава 3 посвящена экспериментальному исследованию ферритодиэлек-трической структуры. Здесь приводится описание использованной измерительной установки, которая позволяет снимать амплитудно-фазовое распределение (АФР) на поверхности исследуемого объекта. Разработана оригинальная методика обработки результатов измерений, с помощью которой возможно экспериментальное определение постоянных распространения и коэффициентов затухания мод ФДС и проведение исследований различных её свойств. Суть разработанной методики заключается в следующем. Из измеренных отсчётов амплитуды и фазы формируются отсчёты полной комплексной амплитуды поля. Далее они подвергаются преобразованию Фурье (в пространственной области). Теория предсказывает, что моды, существующие в ФДВ, имеют дискретные постоянные распространения, и что любая волна в волноводе является суперпозицией этих мод. Таким образом, на Фурье-спектре появляются отдельные пики, соответствующие модам, существующим в данном случае.

Для каждой моды спектр преобразуется таким образом, что остаётся только соответствующий пик: в области этого пика спектр сохраняется, а вне её заменяется нулевыми значениями. То есть производится фильтрация моды в пространственном спектре идеальным полосовым фильтром. Далее новый ("отфильтрованный") спектр подвергается обратному преобразованию Фурье. То есть получается АФР выбранной моды. Оно разделяется на амплитудное и фазовое распределения по отдельности. По амплитудному распределению с помощью линейной (в логарифмическом масштабе) аппроксимации легко определить коэффициент затухания. А по фазовому— также с помощью линейной аппроксимации — постоянную распространения.

С помощью описанной методики также возможно исследование других важных свойств волновода. Распределение уровней пиков мод в спектре может быть использовано для оптимизации входного узла, согласующего ФДС с питающим волноводом. Имеются планы по развитию предложенной методики для измерения коэффициента связи мод ФДС с излучателями. Рассмотрение АФР в различных местах поверхности ФДС позволяет судить о степени её неоднородности по длине, вызванной технологическими ошибками при производстве, что очень важно для контроля в процессе изготовления.

В этой главе также приводятся результаты теоретических расчётов и проведённых измерений. В результате сопоставления выявлено хорошее соответствие между рассчитанными и экспериментальными данными.

В главе 4 проведено моделирование входного волноводного трансформатора ИФАР с применением метода согласования мод (mode matching method). Трансформатор представляется в виде последовательного (каскадного) соединения участков различных волноводов. Основным элементом расчёта в такой конструкции является стык двух волноводов различного поперечного сечения, к которому и применяется упомянутый численный метод. Его суть состоит в том, что поле внутри каждого участка представляется в виде суперпозиции мод этого участка, а соответствующие амплитудные коэффициенты определяются из условия минимума невязки граничного условия в плоскости стыка. Параметры рассеяния каскада в целом рассчитываются последовательным пересчётом матрицы рассеяния от начала к концу последовательности. Построенная модель позволит в дальнейшем искать оптимальную конструкцию волноводного перехода среди большого множества вариантов, варьируя достаточно большое число параметров.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ В представленной диссертационной работе проведён анализ много-

слойных волноведущих структур, содержащих намагниченные ферриты.

Предложенная простейшая модель ФДС в виде многослойной структуры, экранированной с одной стороны и ограниченной по ширине магнитными стенками, хоть и являясь весьма грубой, позволяет качественно исследовать целый ряд явлений и эффектов в ИФАР: управляемость луча антенны, частотное сканирование, влияние возбуждения высших мод на ДН. Также она позволяют проводить достаточно точные количественные расчёты параметров основной (рабочей) моды ФДС: постоянной распространения, коэффициента затухания и параметра связи с излучателями. Существенными достоинствами простейшей модели являются возможность построения аналитического решения для .неё (с помощью метода эквивалентных длинных линий), а также скорость расчётов и низкое потребление вычислительных ресурсов.

Для более детального и глубокого исследования свойств ФДС, в частности высших типов колебаний, существующих в ней, была построена более точная модель со слоями различной ширины. В виду своей сложности она не допускает аналитического решения, поэтому в качестве метода решения поставленной задачи был избран метод Галёркина. В результате вычислений с достаточно высокой точностью определяются необходимые характеристики мод, существующих в волноводе. Результаты вычислений устойчивы по отношению к изменению чисто модельных параметров (расстояния до вспомогательных экранов, количество функций разложения) и хорошо согласуются с результатами измерений, что свидетельствует об адекватности построенной модели реальной физической системе.

Расчёты по моделям реализованы в виде достаточно универсальных компьютерных программ, пригодных для моделирования структур с произвольным числом слоёв, произвольными комбинациями диэлектрических и ферритовых слоёв, что позволяет исследовать целый класс феррито-диэлектрических структур.

С применением амплифазометрического комплекса был поставлен эксперимент по исследованию ферритодиэлектрической волноведущей структуры. Разработана оригинальная методика обработки результатов измерений, с помощью которой возможно экспериментальное определение параметров каждой моды волновода. Проведено сравнение полученных результатов расчётов с данными эксперимента. Выявлено хорошее соответствие. С помощью описанной методики также возможно исследование других важных свойств волновода, в частности его однородности по длине, что очень важно для технологического контроля в процессе сборки образцов ФДС и ИФАР.

Представленная экспериментальная методика применима к достаточно широкому классу открытых волноводов. Она реализована в виде пакета программ для обработки результатов измерений и проведения исследований различных видов.

С применением метода согласования мод (mode matching method) проведено моделирование входного волноводного трансформатора ИФАР с целью получения возможности расчёта амплитуд возбуждения мод на входе ФДВ. Предложенная модель и соответствующая расчётная программа в силу своей достаточно широкой универсальности позволяет моделировать различные волноводные соединения и каскады и искать оптимальную конструкцию волноводного перехода среди большого множества вариантов, варьируя достаточно большое число параметров.

Разработанная экспериментальная методика позволяет проводить исследования целого ряда свойств волновода, а также осуществлять технологический контроль при его сборке. В дальнейшем предполагается использование этих инструментов для детального исследования свойств ФДФ-волновода и оптимизации его конструкции с точки зрения антенных характеристик ИФАР.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. ГузенкоК.В., Щербаков Я.Ю. Моделирование многослойного ферритодиэлектрического волновода с электрически управляемым замедлением // II Всероссийская научная конференция студентов-радиофизиков: Тезисы докладов. 1-3 декабря 1998 года, Санкт-Петербург. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1998. СС. 35-37.

2. Гузенко К.В., Зайцев Э.Ф. Многослойный ферритодиэлектрический волновод с электрически управляемым коэффициентом замедления // XXVII Неделя науки СПбГТУ, Ч. V: Материалы межвузовской научной конференции. 7-12 декабря 1998 года, Санкт-Петербург. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1999. СС. 6-7.

3. Гузенко К.В. Анализ невзаимной многомодовой волноведущей структуры с электрически управляемым замедлением методом Галёркина// III Всероссийская научная конференция студентов-радиофизиков: Тезисы докладов. 30 ноября-2 декабря 1999 года, Санкт-Петербург. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1999. СС. 36-38.

4. Гузенко К.В., Зайцев Э.Ф. Анализ волн, распространяющихся в трёхслойном ферритодиэлектрическом волноводе, методом Галёркина // XXVIII неделя науки СПбГТУ, Ч. V: Материалы межвузовской научной конференции. 6-11 декабря 1999 года, Санкт-Петербург. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2000. СС. 8-10.

5. ГузенкоК.В. Расчёт волн, распространяющихся в трёхслойной

невзаимной многомодовой волноведущей структуре, методом Галёркина // Итоговый семинар по физике и астрономии по результатам конкурса грантов 1999 года для молодых учёных Санкт-Петербурга: Тезисы докладов. 15 февраля 2000 года, Санкт-Петербург. СПб.: Изд-во ФТИ, 2000. СС. 39-40.

6. Гузенко К.В., Зайцев Э.Ф. Моделирование многослойного невзаимного волновода // На рубеже веков: итоги и перспективы: Материалы XXXIV научной студенческой конференции ЧувГУ. 16-24 марта 2000 года, Чебоксары. Чебоксары: Чуваш, ун-т, 2000. СС. 154-156.

7. Гузенко К.В. Методика экспериментального исследования открытых волноводов // IV Всероссийская научная конференция студентов-радиофизиков: Тезисы докладов. 5-7 декабря 2000 года, Санкт-Петербург. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2000. СС. 32-34.

8. Гузенко К.В. Сканирующая антенная решётка миллиметрового диапазона волн // Микроэлектроника и информатика - 2001. Восьмая всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. 18-19 апреля 2001 года, Москва. М.: МИЭТ, 2001. С. 54.

9. Гузенко К.В., Гуськов А.Б. Учёт дисперсии материалов при численном анализе ферритодиэлектрического волновода // Фундаментальные исследования в технических университетах: Материалы V Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы. 8-9 июня 2001 года, Санкт-Петербург. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2001. СС. 128-129.

10. GuzenkoK.V., ZaitsevE.F., GuskovA.B. Theoretical and Experimental Research of Layered Non-Reciprocal Ferrite-Dielectric Waveguide // Proc. COMITE 2001, Pardubice, Czech Republic, September 18-19, 2001, pp. 167-170.

11. Гузенко К.В. Анализ неточностей стыковки участков ферритодиэлектрического волновода в интегральной фазированной антенной решётке (ФАР) для систем ближней радиолокации и связи // Итоговый семинар по

физике и астрономии по результатам конкурса грантов 2001 года для молодых учёных Санкт-Петербурга: Тезисы докладов. 7 февраля 2002 года, Санкт-Петербург. СПб.: Изд-во ФТИ, 2002. СС. 37-38.

12. Гузенко К.В., Зайцев Э.Ф. Сканирующая интегральная фар миллиметрового диапазона волн // II Политехнический симпозиум "Молодые ученые — промышленности Северо-Западного региона", Конференция "Технические науки — промышленности региона". Тезисы докладов. 22 февраля 2002 года, Санкт-Петербург. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2002.

13. K.V. Guzenko, E.F. Zaitsev Numerical Model of Complex Waveguide Transducer // Proc. MIKON-2002, Gdansk, Poland, May 20-22, 2002, vol.2, pp. 488-491.

14. K.V. Guzenko, E.F. Zaitsev Modeling of a Complex Waveguide Transducer // 2002 IEEE AP-S International Symposium Digest, San Antonio, Texas, USA, June 16-21, 2002, vol. l,pp. 180-183.

15. E.F. Zaitsev, A.B. Guskov, A.S. Cherepanov, K.V. Guzenko Perspectives of Use of Three-Layer Ferrite-Dielectric Waveguides for Creation of Integrated Antennas with Narrow Beam // Proc. ICCSC 2002, Saint-Petersburg, Russia, June 26-28, 2002, pp. 354-357.

16. Гузенко K.B. Численная модель сложного волноводного перехода в интегральной фазированной антенной решётке для систем ближней радиолокации и связи // VII Санкт-Петербургская Ассамблея молодых учёных и специалистов. Аннотации работ по грантам Санкт-Петербургского конкурса 2002 г. для студентов, аспирантов и молодых специалистов. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2002. С. 84.

17. К.В. Гузенко, Э.Ф.Зайцев Волны в многослойном ферритодиэлек-трическом поперечно намагниченном волноводе с электрически управляемым коэффициентом замедления // Журнал Технической Физики, т. 73, №9, 2003. СС. 95-100.

Лицензия ЛР №020593 от 07.08.97.

Подписано в печать 09, oÜQOS, Объем в п.л. -/.

Тираж 700. Заказ JD/,

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства СП6ГГ1У 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29.

Отпечатано на ризографе RN-2000 ЕР Поставщик оборудования — фирма "Р-ПРИНТ" Телефон: (812) 110-65-09 Факс: (812) 325-23-04

âooM IÓOQX 60 2 4

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Гузенко, Константин Викторович

Введение.

В.1. Интегральная фазированная антенная решётка: устройство, свойства, достоинства.

В.2. Общая теоретическая модель ИФАР.

В.З. Свойства ферритов, используемых в ИФАР.

В.4. Цели и содержание работы.

Глава 1. Простейшие модели ФДС.

1.1. Планарная бесконечная многослойная структура.

1.2. ФДС конечной ширины.

Глава 2. Моделирование ФДС методом Галёркина.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Применение метода Галёркина к исследуемой структуре.

2.3. Описание программы расчёта.

2.4. Пути дальнейшего усовершенствования расчётов.

Глава 3. Экспериментальное исследование ФДС. Проверка моделей.

3.1. Описание экспериментальной установки.

3.2. Методика обработки результатов измерений.

3.3. Результаты расчётов и экспериментов.

3.3.1. Основные результаты теоретического анализа.

3.3.2. Сравнение с данными экспериментов.

Глава 4. Моделирование входного трансформатора ИФАР.

4.1. Структура волноводного трансформатора.

4.2. Общее описание метода решения.

4.3. Решение задачи о трансформаторе.

4.4. Описание расчётной программы.

Введение диссертация по физике, на тему "Волны в многослойной невзаимной ферритодиэлектрической структуре"

Диапазон миллиметровых волн (ММВ), или крайневысоких частот (КВЧ), вызывает сейчас повышенный интерес. Он имеет преимущества и диапазона сверхвысоких частот (СВЧ) и светового диапазона, между которыми находится. ММВ имеют окна прозрачности в атмосфере, почти не рассеиваются в тумане и пыльном воздухе (как и СВЧ), имеют большую информационную ёмкость и характеризуются малыми размерами излучающих структур (как и свет). Антенны ММВ являются достаточно компактными и при малых геометрических размерах имеют высокий коэффициент усиления и узкий луч.

Многие радиотехнические системы используют в своей работе направленные антенны с электрическим управлением положением луча. Примером таких антенн являются фазированные антенные решетки (ФАР) [1- 5]. Они уже давно хорошо разработаны и широко используются, например, в радиолокационных системах, системах связи. Классические ФАР выполняются на основе дискретных элементов (излучателей, фазовращателей и т. д.). Такое их построение придаёт им ряд существенных недостатков. Во-первых, достаточно высокая стоимость (так, стоимость ФАР [3,4] в мире составляет порядка 100-200 долларов на элемент при наличии сотен и тысяч элементов в решетке), что ограничивает применение ФАР в основном военными целями; во-вторых, для управления тысячами элементов современных ФАР необходима мощная ЭВМ; в-третьих, размеры дискретных элементов ФАР должны быть достаточно малы по сравнению с длиной волны, что допускает использование обычных ФАР лишь до сантиметрового диапазона ввиду миниатюризации элементов и невозможности их изготовления. ФАР в диапазоне ММВ делают в основном в виде разреженных решеток со сложной схемой управления фазовращателями.

Одним из вариантов реализации электрического сканирования в диапазоне ММВ является создание квазиоптических антенн. В основе такой антенны лежит линза из материала, параметрами которого можно управлять (например, феррита). Однако, размер линзы должен быть велик (10-50 длин волн), что создаёт проблемы с обеспечением необходимого закона изменения управляемого параметра в её объёме. Трудность в управлении большой линзой приводит к необходимости её секционирования, что ведёт к усложнению антенны и ухудшению её параметров. Для возбуждения линзовой антенны используется облучатель, расположенный в фокусе линзы. В результате создание плоской двумерной линзовой антенны довольно сложно.

Одной из разновидностей антенных решеток являются антенны бегущей волны (АБВ) [6]. В них излучатели возбуждаются через элементы связи последовательно электромагнитной волной, распространяющейся по некоторому волноводу. Если все элементы связи имеют одинаковый фазовый сдвиг, то положение луча такой антенны определяется выражением sin $ = q + nX/d , (B.l) где q = c/vф — коэффициент замедления волны, распространяющейся вдоль волновода, cl — расстояние между соседними излучателями, п — целое число. Такие антенны могут иметь плоскую конструкцию и способны сканировать лучом в одной плоскости при изменении частоты (частотное сканирование) [3,7-8]. Известны также попытки создать АБВ с электрическим сканированием за счёт управления фазовой скоростью [9-11].

Одним из направлений является использование ферритовых волноводов [12-16]. Как известно, самое эффективное управление фазовой скоростью волны достигается в волноводах, выполненных в виде продольно намагниченных ферритовых стержней при возбуждении их волной круговой поляризации. Существует довольно много конструкций антенн на основе таких волноводов. В некоторых используются открытые круглые фсрритовые стержни [15]. Излучателями является решетка диполей или щелей, расположенная вблизи поверхности стержня. Основными недостатками таких антенн являются сложность магнитной системы и существенное изменение связи излучателей с волноводом при сканировании. В других антеннах используется металлизированный ферритовый стержень с щелевыми излучателями [16]. Изменение связи при намагничивании в такой конструкции меньше, но уменьшается диапазон изменения фазовой скорости и растут потери. Кроме того, увеличивается энергия на перемагничивание феррита и, следовательно, снижается быстродействие антенны ввиду того, что металлизация на поверхности стержня образует замкнутый виток.

Таким образом, задача создания ФАР, обладающей простым электрическим управлением лучом и низкой стоимостью, представляется очень актуальной.

В. 1. Интегральная фазированная антенная решётка: устройство, свойства, достоинства.

С учётом указанных недостатков ФАР в миллиметровом диапазоне группой учёных СПбГПУ во главе с Э.Ф. Зайцевым была разработана принципиально новая конструкция ФАР миллиметрового диапазона длин волн в интегральном исполнении (интегральная ФАР— ИФАР) [17-32]. Антенны этого класса представляют собой АБВ на основе открытых многослойных ферритодиэлектрических волноводов. Перспективность этого направления связана с тем, что найдена структура волновода, у которого постоянная распространения основной моды при управлении изменяется в широких пределах, в то время как связь с излучателями меняется не очень сильно.

В простейшем варианте линейной ИФАР [17,19,20,23,29], антенна представляет собой (Рис. В.1) трёхслойный открытый волновод структуры феррит-диэлектрик-феррит (ФДФ), на которую с одной стороны нанесён металлический экран, а с другой — линейка излучателей, выполненных в виде металлических полосок (диполей) и возбуждаемых полем на внешней (открытой) поверхности структуры. Описанная структура с одного конца питается стандартным прямоугольным волноводом, а с другого — нагружена поглотителем. Фазировка решётки (разность фаз между соседними излучателями), определяющая положение луча, зависит от фазовой постоянной распространения волны в структуре (см. (В.1)), которая изменяется при изменении величины намагниченности феррита. Намагниченность же меняется под действием управляющего тока, провода с которым также входят в структуру. Для замыкания магнитного потока на краях структуры имеются специальные ферритовые замыкатели. диполи н ам агниченность диэлектрик провода с упр. током замыкатель ^^экран

I::: ферритоеые пластины

Рис. В.1 Линейная ИФАР.

Имеются также варианты построения ИФАР с печатными (patch) излучателями [26,29,31] и активных ИФАР [27,29].

Для обеспечения сканирования в двух плоскостях необходимо иметь, как известно, двумерную решётку излучателей, которая в данном случае строится как несколько параллельных волноводов описанной выше структуры, образующих в результате единую сложную периодическую ферритодиэлектрическую структуру с замыкателями на краях (Рис. В.2) [17,29]. При этом при сканировании в плоскости, параллельной осям волноводов, управление всеми волноводами осуществляется общим управляющим током (единая обмотка).

Существует три варианта питания такой структуры. Первый — параллельное питание через Е-секториальный рупор, не обеспечивающее возможности сканирования во второй плоскости, но позволяющее сузить луч в этой плоскости [17,29]. Второй— последовательное питание от стандартного пустого волновода через дискретные фазовращатели, выполненные также на основе отрезков ФДФ-волновода [17,22,28]. Каждый такой фазовращатель управляется своим собственным током. Третий вариант— последовательное питание от такого же управляемого ФДФ-волновода со своим управляющим током, который определяет положение луча в плоскости, перпендикулярной осям волноводов [23,28,29].

Таким образом, описанная структура является фазированной антенной решёткой с последовательным питанием излучателей. К её достоинствам можно отнести малые габариты и вес, простоту и технологичность изготовления (структура является слоистой), как следствие — низкую стоимость и возможность широкого применения помимо военных целей, простоту управления лучом (существует вариант, при котором требуется всего два управляющих тока — по одному для каждой плоскости сканирования), низкую мощность, расходуемую на управление и т. п. К

Рис. В.2 Двумерная ИФАР. недостаткам — сложность расчёта такой структуры ввиду ее многослойное™, наличия проводов, использования ферритовых материалов, относительно небольшой сектор сканирования, трудности в создании достаточно тонкого луча и др.

Основные технические характеристики имеющихся образцов линейных ИФАР таковы [17,29,32]: рабочий диапазон длин волн 8 мм; длина антенны 250 мм; ширина луча 2.5^-3°; сектор сканирования около 40° (существует вариант антенны с двусторонним питанием, при этом сектор сканирования удваивается); усиление 16-И9 дБ; уровень боковых лепестков -10-^-11 дБ; потери в антенне около 3 дБ; мощность, расходуемая на управление, порядка 1 Вт. Имеются также образцы, работающие в диапазоне 4 мм. Для них размеры антенны и сектор сканирования вдвое уменьшаются при сохранении остальных параметров на прежнем уровне.

Эти антенны могут найти свою область применения в недорогих локационных и связных системах, таких как малогабаритные радары различного назначения, системы мобильной связи, высотомеры и системы посадки малой авиации, системы управления движением транспорта, системы спутниковой связи.

Более полное описание различных вариантов конструкции антенн с приведением результатов экспериментальных исследований можно найти в [17,23-29,31,32].

На основе участка слоистого ФДФ-волновода также может быть создан компактный фазовращатель миллиметрового диапазона волн с простым электрическим управлением [17,22,28], обладающий меньшими потерями по сравнению с известными управляемыми полупроводниковыми фазовращателями.

В. 2. Общая теоретическая модель ИФАР.

Одной из главных задач при проектировании, исследовании и усовершенствовании ИФАР является построение её теоретической расчётной модели. В первую очередь это необходимо для оптимизации параметров антенны с точки зрения таких её характеристик, как коэффициент усиления, ширина луча, уровень бокового излучения, управляемость лучом и др. Это также необходимо для определения требуемых технологических допусков при изготовлении элементов ИФАР.

Построение общей модели антенны состоит из нескольких частных задач. Расчёт антенных характеристик (диаграммы направленности), построенный, в данном случае, на методе поэлементного анализа [18,30,32], требует решения двух задач: внутренней и внешней. Внутренняя задача представляет собой волноводную электродинамическую задачу нахождения параметров распространяющихся мод ФДФ-волновода: постоянных распространения, коэффициентов затухания, коэффициентов связи с излучателями на поверхности. Внешняя задача состоит в нахождении поля излучения одиночного излучателя в присутствии ФДФ-структуры, при известном (заданном) его возбуждении [33]. Решение этой задачи позволяет рассчитать парциальную диаграмму направленности одного излучателя, а также параметры связи между излучателями через внешнее пространство. Параметры связи излучателей через волновод можно определить, используя решение внутренней задачи — коэффициенты связи волноводных мод с излучателями.

Несколько особняком стоят ещё три частные задачи. Первая — расчёт магнитопровода (ферритовые пластины с замыкателями), обеспечивающего требуемое направление, величину и степень однородности намагниченности ферритовых слоёв антенны [32]. Вторая— построение системы управления лучом антенны (позиционирования). В настоящее время рассматриваются два варианта этой системы: статическое управление (постоянным током) и импульсное (импульсами тока) [32]. Третья — расчёт устройства возбуждения ферритодиэлектрического волновода с целью определения амплитуд распространяющихся в нём мод. При питании антенны стандартным прямоугольным волноводом расчёт возбуждающего устройства заключается в анализе входного волноводного трансформатора, сопрягающего питающий волновод с ФДФ-волноводом.

Данная работа посвящена, в частности, решению внутренней задачи ФДФ-волновода и других подобных ему ферритодиэлектрических структур (ФДС). Решение задачи о моделировании свойств ФДС чрезвычайно важно для понимания физических механизмов процессов, происходящих в ИФАР, а также в упомянутом выше управляемом фазовращателе.

Также в данной работе проводится моделирование входного волноводного перехода с целью последующей оптимизации его конструкции для получения требуемого распределения амплитуд мод в ФДС.

В.З. Свойства ферритов, используемых в ИФАР.

Ферриты [34] составляют группу ферромагнитных веществ, обладающих очень большим удельным сопротивлением, т. е. малой проводимостью. Свойства ферритов существенным образом зависят от их кристаллической структуры.

Общую формулу ферритов со структурой шпинели можно записать как Ме"0-Ре20з, где Me" — ион двухвалентного металла. В технике хорошо известны ферриты, в которых в качестве Me" служат ионы Ni, Со, Fe, Мп, Mg, Си. Иттриевые ферриты со структурой граната имеют формулу Y3Fe2(Fe04)3

Эти ферриты являются «чистыми» в отличие от «смешанных», которые представляют собой твёрдые растворы чистых ферритов. В последнее время получили распространение ферриты-алюминаты и ферриты-хромиты, формулы для которых имеют вид Ме"0(Ре20з)х(А120з)|х, Me"0(Fe203)x(Cr203)i-v

Применяются также и поликристаллические ферриты, состоящие из большого числа кристаллитов, ориентация которых, как правило, имеет случайный характер. При этом каждый кристаллит ведёт себя как монокристалл, изолированный от соседних кристаллитов небольшими воздушными порами. Поликристаллические ферриты изготавливаются по технологии, принятой при производстве керамических изделий, методом прессования порошка предварительно измельчённых окислов соответствующих металлов.

Исторически сложилось, что ферритовый материал, входящий в состав ИФАР, представляет собой шпинель никелевого состава. Причём используется поликристаллический феррит, полученный по описанной выше технологии. Основным ферритовым материалом, используемым в ИФАР является феррит марки 1СЧ4 производства НИИ «Домен».

При разработке ИФАР представляют интерес свойства ферритов как на низких (НЧ), так и на высоких (СВЧ) частотах. Свойства ферритов при постоянных и НЧ полях представляют интерес при проектировании системы управления намагниченностью, при расчёте магнитопроводов системы. Высокочастотные свойства ферритов имеют значение при рассмотрении распространения волн в структурах, содержащих ферриты, в том числе и в ФДФ-волноводе — основе ИФАР.

На низких частотах ферриты представляют собой магнитные диэлектрики, у которых зависимость магнитной индукции от напряжённости магнитного поля нелинейная и имеет гистерезис. Магнитная проницаемость при этом также зависит от величины поля и достигает нескольких тысяч. В ИФАР используются так называемые магнитомягкие ферритовые материалы, имеющие небольшую коэрцитивную, или задерживающую, силу — поле, при котором индукция равна нулю (узкая петля гистерезиса), достаточно высокую намагниченность насыщения, малые потери на перемагничивание.

При распространении электромагнитных волн в намагниченном феррите происходит ряд явлений, связанных с гироскопическими свойствами электронов. Для исследования этих явлений можно воспользоваться [34] простейшей моделью ферромагнетика, согласно которой атомы вещества представляются в виде магнитных волчков (магнитных спиновых моментов). В результате использования такого подхода нетрудно получить следующий вид для относительной магнитной проницаемости намагниченного феррита [34]:

М- - jVa 0 Д=УИа И 0 • (В.2)

О 0 \lz

Здесь принято, что феррит намагничен вдоль оси Oz. Для элементов тензора имеются такие выражения [34]: ЮпСОд,/ coco д/ тт /Г1

1-1 = 1" 2 2 , Иа= 2 2 ' Ю0=^0У//0 > % = (В-3)

СО — COQ ® — ®0 где со — круговая частота, у — гиромагнитное отношение для феррита, ц,0 — магнитная постоянная. Компонента тензора теоретически получается равной единице. Однако эта составляющая имеет вполне определённый физический смысл: она определяет магнитную проницаемость феррита при распространении в нём «обыкновенной» волны. Поэтому следует ожидать, что эта величина не будет зависеть от напряжённости внешнего поля, но будет различной для различных типов ферритов. Более правильно считать (i-величиной, определяемой экспериментальным путём. Для большинства ферритов цг несколько меньше единицы.

В ИФАР используются слабые подмагничивающие поля, поэтому феррит далёк от ферромагнитного резонанса (со0«со). В этом случае ц можно считать не зависящим от частоты, а — обратно пропорциональной частоте. Поскольку и ц, и — величины, несколько меньшие единицы, но близкие к ней, для упрощения можно считать их равными: ц-= ц. При этом действие тензора проницаемости на магнитное поле можно записать в следующем виде: flH = цН - х z0. (В.4)

Такое представление р удобно тем, что оно не зависит от конкретного выбора системы координат. Орт Zq в данном случае представляет орт направления намагниченности. Для большей универсальности, (В.4) можно записать так:

ДН = дН - у'ЦдН X т0, (В.5) где И1 q — единичный вектор в направлении намагничивающего поля.

Именно представление тензора магнитной проницаемости намагниченного феррита в виде (В.5) и будет использоваться при дальнейших расчётах.

В. 4. Цели и содержание работы.

Целью данной диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование многослойного ферритодиэлектрического волновода, содержащего поперечно намагниченный феррит.

Целью теоретического исследования является построение адекватной теоретической модели волновода, позволяющей исследовать все типы волн, существующих в нём, степень их управляемости при изменении намагниченности ферритовых слоёв, а также осуществлять оптимизацию характеристик структуры с точки зрения, например, максимизации управляемости и минимизации потерь путём подбора количества и параметров слоёв (толщин, ширин, проницаемостей). Наличие такой модели избавит от необходимости в экспериментальном подборе этих параметров, который требует реального изготовления многочисленных образцов. Моделирование волноводного перехода со стандартного питающего волновода на ферритодиэлектрический волновод также входит в цели теоретического исследования. Модель перехода, позволяющая рассчитывать распределение амплитуд возбуждения мод ФДФ-волновода, позволит оптимизировать его конструкцию для получения необходимого характера возбуждения.

Целью экспериментального исследования является разработка методики исследования различных свойств волновода, в частности его однородности по длине, что очень важно для технологического контроля в процессе сборки образцов ИФАР, и её применение, в первую очередь, для проверки адекватности построенных теоретических моделей.

В главе 1 предлагается простейшая модель ФДФ-волновода в виде планарной бесконечной трёхслойной структуры, экранированной с одной стороны. Изначально структура считается диэлектрической, что соответствует случаю размагниченных ферритовых слоёв. Это существенно её упрощает, и для такого случая решение может быть найдено точно в аналитическом виде с применением метода эквивалентных длинных линий. Использование в дальнейшем метода возмущений позволило учесть намагниченность феррита и определить поправку к постоянной распространения и соответствующее ей отклонение луча антенны. На следующем шаге простейшая модель модифицируется ограничением структуры по ширине путём установки стенок. Решение для такой модифицированной простейшей модели конструируется в виде суперпозиции волн, полученных в неограниченной структуре. Простейшие модели позволяют качественно исследовать целый ряд явлений и эффектов в ИФАР и позволяют проводить достаточно точные количественные расчёты по рабочей моде ферритодиэлектрического волновода. Существенными достоинствами простейших моделей являются возможность построения аналитического решения для них, а также низкое потребление вычислительных ресурсов.

Вторая глава посвящена построению более точной модели исследуемой структуры со слоями различной ширины. В виду своей сложности она не допускает аналитического решения, поэтому в качестве метода решения поставленной задачи был избран метод Галёркина. В этой модели строго учитывается намагниченность ферритовых слоёв. Она позволяет с достаточно высокой точностью определять необходимые характеристики всех мод, существующих в ФДФ-волноводе. Сопоставление расчётных результатов с данными измерений выявило хорошее соответствие, что свидетельствует об адекватности построенной модели реальной физической системе. Ввиду применения численного метода, для достижения необходимой точности вычислений требуется достаточно мощная ЭВМ и достаточно большое время расчётов, что можно рассматривать как недостаток построенной модели, однако в конце главы отмечаются пути усовершенствования расчётов по предложенной модели, которые могут привести к ослаблению указанных требований.

В главе 4 проведено моделирование входного волноводного трансформатора ИФАР с применением метода согласования мод (mode matching method). Трансформатор представляется в виде последовательного (каскадного) соединения участков различных волноводов. Основным элементом расчёта в такой конструкции является стык двух волноводов различного поперечного сечения, к которому и применяется упомянутый численный метод. Параметры рассеяния каскада в целом рассчитываются последовательным пересчётом матрицы рассеяния от начала к концу последовательности. Построенная модель позволит в дальнейшем искать оптимальную конструкцию волноводного перехода среди большого множества вариантов, варьируя достаточно большое число параметров.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней:

1 .Построена простая аналитическая модель ФДС, достаточная для качественного исследования явлений в ИФАР и расчетов параметров основной моды ФДС.

2.Создана строгая численная модель исследуемой структуры, адекватная реальной физической системе.

3.Разработаны новые модели, позволяющие исследовать целый класс ферритодиэлектрических структур.

4.Предложена оригинальная методика проведения измерений и обработки результатов для экспериментального исследования открытых волноводов.

Достоверность результатов работы подтверждается соответствием данных, полученных аналитическими и численными методами, а также соответствием между результатами расчетов и экспериментов.

Научная значимость диссертационной работы определяется тем, что в ней построена теоретическая модель сложной ферритодиэлектрической структуры, позволяющая проводить оптимизацию ее параметров. Разработанная методика проведения экспериментального исследования открытых волноводов позволяет определять параметры мод, существующих в волноводе и производить контроль однородности волновода по длине.

Материалы, изложенные в диссертации, опубликованы в [45-61]

Ниже приводятся положения диссертации, выносимые на защиту.

4. Все построенные модели пригодны для структур с произвольным числом слоев, произвольными комбинациями диэлектрических и ферритовых слоёв, что позволяет моделировать и исследовать целый класс ферритодиэлектрических структур.

Заключение диссертации по теме "Радиофизика"

Заключение.

В представленной диссертационной работе проведён анализ многослойных волноведущих структур, содержащих намагниченные ферриты. Эта задача имеет большое практическое значение для разработки и усовершенствования ИФАР — антенной системы качественно нового класса, основу которой составляет трёхслойный ферритодиэлектрический волновод.

Основной целью работы была разработка теоретических моделей ФДВ для расчётного определения ряда важных параметров мод, существующих в нём, позволяющих на основе метода поэлементного анализа определять характеристики всей ИФАР в целом. К таким параметрам относятся постоянные распространения, коэффициенты затухания и коэффициенты связи с излучателями. Кроме того в работе ставилась задача разработки методики экспериментального исследования ФДФ-волновода с целью определения необходимых параметров по результатам измерений. Задача расчёта входного волноводного трансформатора с питающего волновода на ФДВ — определения амплитуд возбуждения соответствующих мод — является завершением теоретического исследования ФДВ и также рассмотрена в данной работе.

В качестве простейшей модели ФДС была взята планарная бесконечная многослойная структура, экранированная с одной стороны. На следующем этапе исходная бесконечная структура ограничивалась по ширине электрическими или магнитными стенками — модифицированная простейшая модель. Простейшие модели, хоть и являясь весьма грубыми, позволяют качественно исследовать целый ряд явлений и эффектов в ИФАР: управляемость луча антенны, частотное сканирование, влияние возбуждения высших мод на ДН. Также они позволяют проводить достаточно точные количественные расчёты по основной (рабочей) моде ФДВ. Существенными достоинствами простейших моделей являются возможность построения аналитического решения для них (с помощью метода эквивалентных длинных линий), а также скорость расчётов и низкое потребление вычислительных ресурсов.

Для более детального и глубокого исследования свойств ФДВ, в частности высших типов колебаний, существующих в нём, была построена более точная модель со слоями различной ширины. В виду своей сложности она не допускает аналитического решения, поэтому в качестве метода решения поставленной задачи был избран метод Галёркина. В результате вычислений с достаточно высокой точностью определяются необходимые характеристики мод, существующих в ФДФ-волноводе. Результаты вычислений устойчивы по отношению к изменению чисто модельных параметров (расстояния до вспомогательных экранов, количество функций разложения) и хорошо согласуются с результатами измерений, что свидетельствует об адекватности построенной модели реальной физической системе.

Все построенные модели достаточно универсальны: принимают структуры с произвольным числом слоёв, произвольными комбинациями диэлектрических и ферритовых слоёв, что позволяет моделировать и исследовать целый класс ферритодиэлектрических структур. Расчёты по моделям реализованы в виде соответствующих компьютерных программ.

С применением амплифазометрического комплекса был поставлен эксперимент по исследованию ферритодиэлектрической волноведущей структуры. Разработана оригинальная методика обработки результатов измерений, с помощью которой возможно экспериментальное определение параметров мод ФДВ. Проведено сравнение полученных результатов расчётов с данными эксперимента. Выявлено хорошее соответствие. С помощью описанной методики также возможно исследование других важных свойств волновода, в частности его однородности по длине, что очень важно для технологического контроля в процессе сборки образцов ФДВ и ИФАР.

С применением метода согласования мод (mode matching method) проведено моделирование входного волноводного трансформатора ИФАР с целью получения возможности расчёта амплитуд возбуждения мод ФДВ. Для оптимизации характеристик ИФАР большое значение имеет оптимальная конструкция этого входного узла. В частности, возбуждение на входе ФДВ высших типов волн отрицательно сказывается на диаграмме направленности антенны. Подбор наилучшей с точки зрения антенных характеристик конструкции перехода возможен расчётным путём с помощью построенной модели, без необходимости в реальном изготовлении образцов. Предложенная модель и соответствующая расчётная программа в силу своей достаточно широкой универсальности позволяет моделировать различные волноводные соединения и каскады и искать оптимальную конструкцию волноводного перехода среди большого множества вариантов, варьируя достаточно большое число параметров.

Главными результатами работы являются расчётные программы моделирования ферритодиэлектрического волновода и входного трансформатора со стандартного волновода на него, а также методика проведения экспериментальных исследований и обработки результатов измерений. Модели позволяют рассчитывать важнейшие характеристики ФДВ: постоянные распространения, коэффициенты затухания, параметры связи с излучателями и амплитуды возбуждения мод, существующих в нём. Разработанная экспериментальная методика позволяет проводить исследования целого ряда свойств волновода, а также осуществлять технологический контроль при его сборке. В дальнейшем предполагается использование этих инструментов для детального исследования свойств ФДФ-волновода и оптимизации его конструкции с точки зрения антенных характеристик ИФАР.

Автор выражает огромную благодарность сотрудникам лаборатории профессора Э.Ф. Зайцева А. Б. Гуськову и А.С. Черепанову за оказанные консультации при построении моделей и написании текста диссертации,

М.Г. Попову и В.К. Нужину за помощь при проведении экспериментальных исследований.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Гузенко, Константин Викторович, Санкт-Петербург

1. Вендик О.Г. Антенны с немеханическим движением луча / М.: Сов. радио, 1965.

2. Амитей Н., ГалиндоВ., By Ч. Теория и анализ фазированных антенных решеток / М.: Мир, 1974.

3. Е. Brookner Practical Phased-Array Antenna Systems / Lex Book, Lexington, MA, USA, 1991.

4. E. Brookner Major Advances in Phased Arrays: Part I // Microwave Journal, no. 5, May, 1997, p. 288.

5. B. Tomasic, A. Hissel. Analysis of Finite Arrays — A New Approach // IEEE Trans, on AP, vol. 47, no. 3, March, 1999, p. 555.

6. Уолкер К. Антенны бегущей волны / М.: Энергия, 1970.

7. Oliner A.A. New leaky wave antennas for millimeter waves // Proc. 1985 Int. Symp. on Antennas and Propagation, Kyoto, Japan, August 20-22, 1985, vol. 1, pp. 89-92.

8. Li M., Chang K. Novel Beam-Control Technique Using Dielectric-Image-Line-Fed Microstrip Patch-Array for Millimeter-Wave Applications // IEEE Trans, on MTT, vol. 46, no. 11, November, 1998.

9. Iton Т., Herbert A.S. Simulation Study of Electronically Scannable Antennas and Tunable Filters Integrated in a Quasi-Planar Dielectric Waveguide // IEEE Trans, on MTT, vol. 26, no. 12, December, 1978, p. 987.

10. Satyendranath Das Ferroelectric Scanning // US Patent No. 5450092, September 12, 1996.

11. Li M., Chang K. Novel Low-Cost Beam Steering Techniques Using Microstrip Patch Antenna Arrays Fed by Dielectric Image Lines // IEEE Trans, on AP, vol. 47, no. 1, January, 1999, p. 9.

12. Wang J.H., Tripp V.K. Compact Microstrip Antenna With Magnetic Substrate //US Patent No. 5589842, December 31, 1996.

13. PozarD.M. Magnetic Tuning of Microstrip Antenna on a Ferrite Substrate // IEEE Electron Device Letters, vol. 22, no. 6, June, 1998, p. 729.

14. Holton How, Carmine Vittoria Ferrite Microstrip Antenna // US Patent No. 5327148, July 5, 1994

15. Зайцев Э.Ф., Федотов A.H. Сканирующая антенна с ферритовым управлением. // Радиотехника и электроника, т. 33, №3, 1988, с. 661.

16. Stern R.A., Babbit R.W., Mikuski G.F. Scanning Phased Array // US Patent No. 4785304, November 20, 1986.

17. Zaitsev E.F., Yavon Y.P., Komarov Y.A., Guskov A.B., Kanivets A.Y. MM-wave Integrated Phased Arrays with Ferrite Control // IEEE Trans, on AP, vol. 42, no. 3, March, 1994, pp. 304-310.

18. Зайцев Э.Ф., Федотов A.H., Явон Ю.П. Анализ антенн с последовательным возбуждением раскрыва и электрическим сканированием на основе управляемых магнитогиротропных структур // Деп. в ВИНИТИ №1120, 1988.

19. Зайцев Э.Ф., Комаров Ю.А., Федотов А.Н., Явон Ю.П. Антенна бегущей волны с электрическим сканированием // Авт. св-во СССР №1596416, H01Q 13/00, 13.10.1990, Бюл. №36.

20. Зайцев Э.Ф., Гуськов А.Б., Канивец А.Ю., Комаров Ю.А., Милевский Н.П., Пузаков А.Н., Черепанов А.С., Явон Ю.П., Интегральные управляемые ФАР миллиметрового диапазона — теоретические, экспериментальные и технологические проблемы // НТК

21. ФАР и их элементы. Автоматизация проектирования и измерений. ФАР-92", Казань, 1992.

22. Зайцев Э.Ф., Гуськов А.Б., Канивец А.Ю., Комаров Ю.А., Явон Ю.П. Антенна с электрическим сканированием // Патент России №2000633, 1993.

23. Zaitsev E.F., Yavon Yu.P., Komarov Yu.A., Guskov A.B., Kanivets A.Yu. Millimeter Wave Integrated Phased Arrays with One Current and Two Current Control // Proc. 1994 Microwaves Conference, October 25-27, 1994, London, United Kingdom.

24. Guskov А.В., Komarov Y.A., Yavon Y.P., Zaitsev E.F. Electronically canned FDF antennas for autonomous intelligent cruise control radar application // Proc. 26th European Microwave Conference, September 9-13,1996, Prague, Czech Republic.

25. Zaitsev E.F., Yavon Yu.P., Yufit G.A., Gouskov A.B. Patch-MMIC-Ferrite Integration in Novel Phased Array Technology // Proc. 1996 Weber Research Institute Int. Symp. on MMIC Devices and Systems, New York, USA, September 11-13, 1996.

26. Cherepanov A.S., Guskov А.В., Yavon Yu.P., Zaitsev E.F. Active Integrated FDF-Antennas for Mobile and Cellar Communication // Proc. 1996 Int. Symp. on Antennas and Propagation, Tokyo, Japan, vol. 4, pp. 1209-1212.

27. Zaitsev E.F., Yavon Yu.P., Yufit G.A, Beltran M., Khodorkovsky J.S. Low-Cost Microwave and MM-wave Integrated Phased Arrays with Ferrite Control // Proc. 1996 Antenna Application Symp., Monticello, IL, USA, September, 1996.

28. Zaitsev E.F., Guskov A.B., Cherepanov A.S., Yufit G.A, Beltran M., Khodorkovsky J.S. Development of microwave and MMW integrated phase arrays with simple control // 1997 Antenna Application Symp., Monticello, 1L, USA, September 17-18, 1997.

29. Зайцев Э.Ф., Черепанов A.C., Гуськов А.Б. Элементарная теория интегральных фазированных антенных решеток // Деп. в ВИНИТИ №3849-В99, 1999.

30. Zaitsev Е., Guskov A., Cherepanov A., Yufit G. First Design Of Novel MM-Wave Patch-Ferrite Phased Array //Proc. AP2000, Davos, Switzerland, April, 2000.

31. Черепанов A.C. Излучающие феррит-диэлектрические структуры: Дис. . д-ра физ.-мат. наук // СПб.: СПбГТУ, 2000.

32. Гуськов А.Б. Излучение диполей, расположенных на поверхности многослойной феррит-диэлектрической структуры: Дис. . канд. физ.-мат. наук // СПб.: СПбГТУ, 2000.

33. Микаэлян А.Л. Теория и применение ферритов на сверхвысоких частотах / М.: Госэнергоиздат, 1963.

34. Фальковский О.И. Техническая электродинамика / М.: Связь, 1978.

35. Гуревич А.Г. Ферриты на сверхвысоких частотах / М.: Физматгиз, 1960.

36. Никольский В.В. Вариационные методы для внутренних задач электродинамики / М.: Наука, 1967.

37. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики / М.: Наука, 1980.

38. Умецкий В.Н. и др. Автоматизированные СВЧ радиоэлектронные системы с применением микроЭВМ «Электроника-бОМ»: учебное пособие / Л.: Изд-во ЛПИ, 1987.

39. К.V. Guzenko, E.F. Zaitsev Numerical Model of Complex Waveguide Transducer / Proc. MIKON-2002, Gdansk, Poland, May 20-22, 2002, vol. 2, pp. 488-491.

40. K.V. Guzenko, E.F. Zaitsev Modeling of a Complex Waveguide Transducer / 2002 IEEE AP-S International Symposium Digest, San Antonio, Texas, USA,

41. June 16-21, 2002, vol. l,pp. 180-183. 42. Numerical Techniques For Microwave And Millimeter-Wave Passive Structures / Edited by Tatsuo Itoh // Wiley-Interscience Publication, N.Y., 1989.

42. P. Franza, W.C. Chew Recursive Mode Matching Method for Multiple Waveguide Junction Modeling // IEEE Trans, on MTT, vol. 44, no. 1, January, 1996, pp. 87-92.

43. Сазонов Д.М., Гриндин A.H., Мишустин Б.А. Устройства СВЧ / М.: Высшая школа, 1981.

44. Гузенко К.В., Щербаков Я.Ю. Моделирование многослойного ферритодиэлектрического волновода с электрически управляемым замедлением /

45. Всероссийская Научная Конференция Студентов-Радиофизиков: Тезисы докладов. 1-3 декабря 1998 года, Санкт-Петербург. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1998. СС. 35-37.

46. Гузенко К.В., Зайцев Э.Ф. Многослойный ферритодиэлектрический волновод с электрически управляемым коэффициентом замедления /

47. XXVII Неделя науки СПбГТУ, Ч. V: Материалы межвузовской научной конференции. 7-12 декабря 1998 года, Санкт-Петербург. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1999. СС. 6-7.

48. Гузенко К.В. Анализ невзаимной многомодовой волноведущей структуры с электрически управляемым замедлением методом Галёркина /

49. I Всероссийская научная конференция студентов-радиофизиков: Тезисы докладов. 30 ноября-2 декабря 1999 года, Санкт-Петербург. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1999. СС. 36-38.

50. Гузенко К.В., Зайцев Э.Ф. Анализ волн, распространяющихся в трёхслойном ферритодиэлектрическом волноводе, методом Галёркина /

51. XXVIII неделя науки СПбГТУ, Ч. V: Материалы межвузовской научной конференции. 6-11 декабря 1999 года, Санкт-Петербург. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2000. СС. 8-10.

52. Гузенко К.В., Зайцев Э.Ф. Моделирование многослойного невзаимного волновода / На рубеже веков: итоги и перспективы: Материалы XXXIV научной студенческой конференции ЧувГУ. 16-24 марта 2000 года, Чебоксары. Чебоксары: Чуваш, ун-т, 2000. СС. 154-156.

53. Гузенко К.В. Методика экспериментального исследования открытых волноводов / IV Всероссийская научная конференция студентов-радиофизиков: Тезисы докладов. 5-7 декабря 2000 года, Санкт-Петербург. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2000. СС. 32-34.

54. Guzenko K.V., Zaitsev E.F., Guskov А.В. Theoretical and Experimental Research of Layered Non-Reciprocal Ferrite-Dielectric Waveguide / Proc. COMITE 2001, Pardubice, Czech Republic, September 18-19, 2001, pp. 167-170.

55. Гузенко К.В. Анализ неточностей стыковки участков ферритодиэлектрического волновода в интегральной фазированной антенной решётке

56. K.V. Guzenko, E.F. Zaitsev Numerical Model of Complex Waveguide Transducer / Proc. MIKON-2002, Gdansk, Poland, May 20-22, 2002, vol. 2, pp. 488-491.

57. K.V. Guzenko, E.F. Zaitsev Modeling of a Complex Waveguide Transducer / 2002 IEEE AP-S International Symposium Digest, San Antonio, Texas, USA, June 16-21, 2002, vol. 1, pp. 180-183.

58. E.F. Zaitsev, A.B. Guskov, A.S. Cherepanov, K.V. Guzenko Perspectives of Use of Three-Layer Ferrite-Dielectric Waveguides for Creation of Integrated Antennas with Narrow Beam / Proc. ICCSC 2002, Saint-Petersburg, Russia, June 26-28, 2002, pp. 354-357.

59. К. В. Гузенко, Э.Ф.Зайцев Волны в многослойном ферритодиэлектри-ческом поперечно намагниченном волноводе с электрически управляемым коэффициентом замедления / Журнал Технической Физики, т. 73, №9, 2003. СС. 95-100.