Електродинамічний аналіз узагальненої щілинної лінії передачі

ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

 

Спеціальність 01. 04. 03 – радіофізика

 

КРАПИВНИЙ ОЛЕКСАНДР ВІКТОРОВИЧ

УДК 621. 372. 821

 

Дніпропетровськ – 1999

 

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Запорізькому державному технічному університеті на кафедрі вищої математики.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Чумаченко Віталій Павлович, Запорізький державний технічний університет, завідувач кафедри вищої математики.

Офіційні опоненти: Доктор фізико-математичних наук, с. н. с. Носич Олександр Вікторович, Інститут радіофізики і електроніки НАН України, відділ обчислювальної електродинаміки Кандидат фізико-математичних наук, доцент Овсяников Віктор Володимирович, Дніпропетровський державний університет, кафедра автоматизованого проектування.

Провідна установа - Харківський державний університет, кафедра теоретичної радіофізики.

Захист відбудеться « 19 « березня 1999 року о «13» годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08. 051. 02. при Дніпропетровському державному університеті (320625, м. Дніпропетровськ, пров. Науковий, 13, кор. N 11, ауд. 300).

 

 

Актуальність теми. За останні роки в радіофізиці і радіотехніці йде інтенсивне опанування діапазону міліметрових хвиль. Значні зусилля направлені на пошук хвилеводних структур, які мають необхідні в цьому діапазоні характеристики та визначають, у значній мірі, властивості створюваних пристроїв та систем різного призначення. У нинішній час все більшу популярність набувають відкриті структури, такі як смужкові, мікросмужкові, щілинні та хвилеводно-щілинні лінії передачі.

Щілинні лінії передачі є одними з найбільш перспективних пристроїв міліметрового діапазону. У порівнянні із звичайними симетричними та несиметричними смужковими лініями, щілинні лінії передачі мають ряд конструктивних переваг при застосуванні їх в деяких пристроях НВЧ. Проведені дослідження розподілу поля в таких структурах показують, що вони додають нові цікаві можливості для реалізації невзаємних феритових пристроїв, фільтрів, напрямлених відгалуджувачів і т. п.

Дослідження також показали, що щілинні лінії передачі мають помітну (в порівнянні із смужковими лініями) частотну дисперсію хвильового опору та фазової швидкості. Суттєвою особливісттю щілинних ліній є відсутність нижньої частоти відтину. Таким чином, щілинні лінії виявились одночасно осереддям властивостей довгих ліній (відсутність частоти відтину) та хвилеводів (наявність дисперсії та великих поздовжніх компонент електричного і магнітного полів). Наявність поздовжньої компоненти магнітного поля дозволяє створювати невзаємні пристрої при нанесенні феритового матеріалу на поверхню діелектричної підкладинки. Особливу увагу привертають властивості щілинних ліній передачі на багатошарових діелектриках і феритових плівкових підкладинках. Вихідна конструкція щілинних ліній виявилась досить зручною для створення на її основі цілого ряду ліній та елементів. Прикладами є конструкції двощілинних хвилеводів, зв’язаних ліній, комбінованих пристроїв із щілинами у заземленому провіднику і т. п.

Експериментальні дослідження параметрів пристроїв міліметрового діапазону, в тому числі і на основі щілинних ліній, пов’язані з великою трудомісткістю та високою вартістю робіт, а також потребують значного часу для їх виконання. Усунути більшість з відмічених вад дозволяє застосування строгих електродинамічних моделей пристроїв, що досліджуються, та ефективних методів обчислювальної математики, інакше кажучи заміна натурного експерименту математичним моделюванням на ЕОМ. Адекватність математичної моделі до реального пристрою дає можливість проводити строгі досліждення на якісно вищому рівні, глибше розуміти природу фізичних явищ та відкривати нові ефекти, які дозволяє враховувати вибрана математична модель.

Лінії передачі, що використовуються частіше всього, мають кусково-лінійний контур поперечного перерізу, що зв’язано як з технологічністю їх виготовлення, так і з можливістю у відносно простих окремих випадках виконати досить глибоке та ефективне їх математичне моделювання. Дослідження характеристик ліній з найбільш загальним многокутним контуром стикається із суттєвими труднощами, зв’язаними з некоординатністю контуру поперечного перерізу хвилеводної структури, що розглядається. Єдиними можливими інструментами аналізу тут, як правило, є прямі чисельні методи, ефективність яких може помітно знижуватись при наявності ребер, необмежених частин області визначення поля та інших причин. Внаслідок цього в літературі зустрічається мало даних про дослідження щілинних ліній з довільним многокутним контуром. Опубліковані результати теоретичних та експериментальних досліджень не носять систематичного характеру, дані, як правило, приводяться тільки для основної хвилі і отримані для щілинних ліній з координатними граничними поверхнями. Водночас клас структур з многокутними поперечними перерізами охоплює як значну кількість існуючих, так і потенційно можливих ліній передачі. Зрозуміло, що розробка ефективної та адекватної математичної моделі щілинної структури, не обмеженої вимогою координатності кусково-лінійних границь, реалізація моделі у вигляді алгоритмів та програм, а також дослідження на цій основі процесів розповсюдження хвиль в лініях такого типу є актуальними завданнями радіофізики.

В останні роки, для розв язування задач дифракції електромагнітних хвиль на циліндричних граничних поверхнях з поперечним перерізом у вигляді довільного многокутника, В. П. Чумаченком і його співробітниками був розвинутий метод добутку областей (ДО). Метод відноситься до строгих, враховує специфіку многогранних границь (зокрема, наявність ребер), і є універсальним та ефективним для цьго класу задач в резонансному діапазоні частот. Оскільки лінії передачі, що розглядаються, мають споріднену геометрію, можна також сподіватися на успішне вивчення їх характеристик, грунтуючись на методі ДО.

Виходячи із сказаного, за мету роботи взято

розвиток методу добутку областей на задачі про власні хвилі узагальненої щілинної лінії передачі з контуром поперечного перерізу у вигляді довільного многокутника;

реалізація методу у вигляді обчислювального