Дифракційні та спектральні характеристики багатощілинних резонансних діафрагм у прямокутному хвилеводі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я.Усикова

МОСЬПАН Людмила Павлівна

УДК 537.86+621.372.8

ДИФРАКЦІЙНІ ТА СПЕКТРАЛЬНІ ВЛАСТИВОСТІ БАГАТОЩІЛИННИХ РЕЗОНАНСНИХ ДІАФРАГМ У ПРЯМОКУТНОМУ ХВИЛЕВОДІ

Спеціальність 01.04.03 - радіофізика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Харків - 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті радіофізики та електроніки ім. О.Я.Усикова НАН України

Науковий керівник:

доктор фізико-математичних наук, професор

Кириленко Анатолій Опанасович,

Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я.Усикова НАН України, завідувач відділу обчислювальної електродинаміки, м.Харків

Офіційні опоненти

доктор фізико-математичних наук, професор

Просвірнін Сергій Леонідович,

Радіоастрономічний інститут Національної академії наук України, завідувач відділу обчислювальної математики, м.Харків

доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник

Фісун Анатолій Іванович,

Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я.Усикова НАН України, провідний науковий співробітник відділу твердотільної електроніки, м.Харків

Провідна установа

Харківський національний університет ім. В.Н.Каразіна Міністерства освіти і науки України, кафедра прикладної електродинаміки

Захист відбудеться 27.06.2001 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.157.01 ІРЕ ім. О.Я.Усикова НАН України

З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці ІРЕ ім. О.Я.Усикова НАН України за адресою: м.Харків, вул. ак. Проскури, 12

Автореферат розісланий 24.05.2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Кириченко О.Я.

Загальна характеристика роботи

Дисертаційна робота присвячена аналізу фізичних явищ у тонких резонансних діафрагмах - функціональних елементах хвилеводних частотно-селективних пристроїв з малими подовжніми розмірами та істотно тривимірним характером електромагнітних полів.

Найпростіші з них - класичні однощілинні діафрагми - довгий час використовуються у хвилеводній техніці як резонансні секції або вузли, що регулюють зв'язок з хвилеводним трактом. Останнім часом намітилася тенденція до використання діафрагм із більш складним профілем поперечного перерізу: з декількома, а не однією, щілинами, або з щілинами складного профілю. Це дозволяє створювати пристрої як зі значно поліпшеними характеристиками, так і з якісно новими фізичними властивостями. При цьому істотно розширюється частотний діапазон, у якому такі вузли можуть використовуватися. Так, на прикладі П-подібної діафрагми експериментально показано можливість реалізації смуго-пропускаючого вузла з на порядок і більш добротними (у порівнянні з класичною діафрагмою) резонансними характеристиками. Іншим класом складних діафрагм є багатощілинні діафрагми. Умовно їх можна розділити на дві групи в залежності від характеру резонансних характеристик, які вони формують. До першої групи належать діафрагми з декількома еквівалентними щілинами, які формують смуго-запираючу частотну характеристику. До другої - діафрагми з щілинами, геометрія яких відрізняється. У фізичному плані останні - більш цікаві, тому що вони породжують якісно нові - смуго-запираючі властивості. Таку властивість повного відбиття падаючої хвилі було вперше описано більш двадцяти років тому для досить складної п'ятищілинної діафрагми з двома парами симетричних щілин і ще однією щілиною інших розмірів, що була розташована між ними.

В наш час інтерес до таких об'єктів, що мають багаті електродинамічні властивості, знову зріс. З одного боку, вони досить технологічні і мають велику кількість параметрів для керування, а з іншого боку - можуть бути досить точно промодельовані і не потребують надалі ніяких настроювань. При цьому важливо, що вони формують як смуго-пропускаючі, так і смуго-запираючі характеристики, що особливо актуально з точки зору сучасної тенденції до ускладнення об'єктів хвилеводної техніки за рахунок більш “тонкого” використання властивостей окремих елементів.

Разом з тим глибокий аналіз резонансних явищ у широкому діапазоні зміни геометричних параметрів проведений лише для класичних діафрагм. Для діафрагм із складним профілем перерізу такий аналіз носить фрагментарний, найчастіше експериментальний характер, особливості синтезу вузлів із заданими характеристиками, отже, також детально не відпрацьовані. Очевидно також, що механізм формування резонансних явищ такими діафрагмами залишається не цілком ясним. Не є до кінця ясною фізична інтерпретація резонансних явищ навіть для найпростіших класичних діафрагм.

Актуальність теми. Наукова проблема, що вирішується у дисертаційній роботі, пов'язана з тією роллю, яку грають частотно-селективні пристрої, у телекомунікаційних системах. З одного боку, такі системи суттєво базуються на мікрохвилевих наземних і супутникових засобах передачі сигналів, вимоги до фізичних і технічних характеристик яких безупинно зростають із упровадженням нових видів інформаційних технологій. З іншого боку, розробка методів аналізу і синтезу нових радіотехнічних систем і, зокрема, створення нових функціональних елементів мікрохвильової техніки є самостійною проблемою, що лежить у руслі розвитку цих технологій.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планам, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до планів держбюджетної НДР "Математичні моделі, алгоритми й обчислювальний експеримент у задачах аналізу і синтезу складних електродинамічних систем" (№ Держреєстрації 01.98U001470) і держбюджетної НДР "Математичні моделі, бази даних і інтегруючі середовища в електродинаміці міліметрового діапазону" (№ Держреєстрації 01.94U031134).

Мета і задачі дослідження. На основі вищеозначеного, насамперед, доцільно розвинути математичні моделі для всебічного аналізу як самих діафрагм складної форми, так і можливостей керування зв'язком між діафрагмою-резонатором і трактом шляхом зміни профілю її поперечного переріза або зміщення щілин діафрагм у площині поперечного перерізу хвилеводу. Вирішення цієї задачі дозволить з'ясувати основні особливості резонансних явищ, властиві для діафрагм, що досліджуються, визначити набір критичних для них геометричних параметрів, підвищити ефективність алгоритмів їхнього розрахунку та оптимізації, а також запропонувати нові конструкції зі значно поліпшеними або якісно новими характеристиками.

З точки зору наповнення результатів аналізу дифракційних характеристик діафрагм фізичним змістом, тобто фізичної інтерпретації резонансних явищ, перспективним представляється застосування підходу, що використовує теорію квазістаціонарних власних коливань електромагнітного поля у хвилеводних трактах з неоднорідностями (так звану спектральну теорію). Успішне застосування спектральної теорії відкритих хвилеводних резонаторів до аналізу та інтерпретації резонансних явищ у протяжних структурах хвилеводного типу, дозволяє сподіватися на задовільний результат і для структур з малими подовжніми розмірами.

Таким чином, об'єктом дослідження є фізичні явища, притамані хвилеводним неоднорідностям з малими подовжніми розмірами та істотно векторним (тривимірним) характером електромагнітних хвиль, які збуджуються у них. Предметом даної роботи є виявлення та аналіз фізичних механізмів формування резонансних явищ, характерних для резонансних діафрагм складного профілю, а саме, багатощілинних діафрагм із прямокутними щілинами і резонансної діафрагми з П-подібною щілиною у прямокутному хвилеводі.

Відповідно до вищевикладеного виявилося необхідним:

- побудувати повнохвилеві чисельні моделі задач дифракції хвиль на багатощілинній резонансній діафрагмі з прямокутними щілинами і П-подібній діафрагмі в прямокутному хвилеводі; дати аналіз дифракційних характеристик таких діафрагм у широкому діапазоні зміни геометричних параметрів;

- побудувати чисельні моделі задач про власні коливання багатощілинних резонансних діафрагм у прямокутному хвилеводі і потім провести детальний аналіз спектральних характеристик таких діафрагм;

- дослідити шляхи можливого застосування отриманих фізичних результатів у практичних цілях через синтез, оптимізацію і наступне дослідження нових частотно-селективних пристроїв.

Вирішення поставлених задач здійснюється добре відомими методами математичного моделювання фізичних процесів, а саме чисельними методами вирішення крайових задач хвилеводної електродинаміки.

Наукова новизна одержаних результатів визначається наступними результатами, отриманими здобувачем особисто:

1. На відміну від відомих робіт, де виявлений лише сам факт існування резонансів повного відбиття, у дисертації дано повний систематизований аналіз частотних характеристик багатощілинних резонансних діафрагм.

Вперше установлено загальні закономірності формування резонансних явищ:

- кількість резонансів повного відбиття на частотній характеристиці багатощілинної резонансної діафрагми на одиницю менше кількості щілин, що мають різну електродинамічну взаємодію між собою і з трактом, у якому вона розташована;

- резонанс повного відбиття може бути сформований за допомогою навіть найпростішої резонансної діафрагми з двома щілинами, геометрія яких відрізняється;

- кількісні показники резонансу повного відбиття обумовлені взаємним розташуванням щілин у площині поперечного переріза та співвідношенням геометричних розмірів щілин резонансної діафрагми. Кількісні показники резонансу повного проходження обумовлені головним чином профілем щілини резонансної діафрагми.

2. Спектральна теорія відкритих хвилеводних резонансних структур вперше застосована до дослідження резонансних діафрагм - неоднорідностей з малими подовжніми розмірами і тривимірним характером електромагнітних полів, які збуджуються у них. Проведено детальний аналіз спектральних характеристик багатощілинних діафрагм, вивчено динаміку поведінки спектра їх власних частот у комплексній площині при зміні геометричних параметрів. Шляхом аналізу спектрів власних коливань діафрагм як відкритих хвилеводних резонаторів вперше дано фізичну інтерпретацію явищ повного відбиття і проходження:

- резонансні явища, які притамані багатощілинним резонансним діафрагмам, є відгуком системи на збудження набору з декількох власних коливань;

- для однощілинних резонансних діафрагм резонанс повного проходження принципово є відгуком структури на збудження власного коливання комплексної частоти;

- резонанс повного відбиття на частотній характеристиці двощілинної резонансної діафрагми з щілинами, геометрія яких відрізняється, принципово є відгуком структури на збудження в системі пари власних коливань комплексної частоти з різними типами симетрії.

3. Вперше доведено фізичну можливість реалізації багатосекційних смуго-запираючих пристроїв на принципово нових резонансних секціях з гранично малими повздовжніми розмірами.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що виявлення фізичного механізму, що лежить в основі формування частотних характеристик багатощілинних резонансних діафрагм, і встановлення способу керування їхніми якісними характеристиками дозволили створити ряд частотно-селективних пристроїв на основі фізично нових функціональних елементів - багатощілинних резонансних діафрагм. До них належать смуго-запираючі фільтри з елементами різної топології, смуго-пропускаючий фільтр із двома смугами пропускання і двосмугова режекторна секція. Крім того, досліджено можливості поліпшення частотних характеристик смуго-пропускаючих фільтрів за допомогою використання додаткових елементів, виконаних на основі багатощілинних діафрагм. Багатощілинні діафрагми в складі таких фільтрів вносять додаткові полюси загасання в їх характеристику, що дозволяє підвищити селективність фільтрів і поліпшити запираючі характеристики в одній або одночасно обох смугах запирання.

Простота і низька вартість виготовлення запропонованих конструкцій у сполученні з високими електричними характеристиками дозволяють успішно застосовувати їх у прийомних трактах систем бездротового зв'язку наземного і супутникового базування.

Особистий внесок здобувача полягає в реалізації математичних моделей задач, які представлено у роботі, проведенні обчислювальних експериментів, аналізі та узагальненні отриманих результатів. Співавтори по опублікованих роботах брали участь у вирішенні ряду конкретних проблем, що виникали при алгоритмізації задач, а також в обговоренні результатів і узагальнюючих висновків. Крім того, науковий керівник визначав основні напрямки дослідження, ставив чергові задачі, обговорював зі здобувачем можливі методи і результати їх вирішення.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи оприлюднено на науковому семінарі "Радіофізика та електроніка міліметрових і субміліметрових хвиль" ІРЕ НАН України, а також на наступних міжнародних конференціях і симпозіумах: the 2-nd International Conference on Antenna Theory and Techniques (Київ, Україна, 1997), XXYIII Moscow International Conference on Antenna Theory and Technology (Москва, Росія, 1998), International Conference on Mathematical Methods in EM Theory (Харків, Україна, 1998), the IIIrd International Conference on Antenna Theory and Techniques (Севастополь, Україна, 1999), XXVIth General Assembly URSI-99 (Canada, Toronto, 1999), the 29th European Microwave Conference (Мюнхен, Німеччина, 1999), International. Crimean Conference “Microwave and Telecommunications Technology” (Севастополь, Україна, 2000).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано в семи статтях у вітчизняних і зарубіжних наукових журналах та додатково висвітлено у семи тезах доповідей на міжнародних конференціях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів і висновків. Загальний обсяг дисертації складає 1 аркушів. Робота містить 37 ілюстрацій (32 окремі сторінки), 13 таблиць (6 окремих сторінок); список літератури з 126 найменувань (12 стор).

Зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, наведено огляд літератури за темою дисертації - коротко викладено етапи розвитку теоретичного дослідження характеристик резонансних діафрагм, викладено сучасний стан їх теоретичного та експериментального дослідження, проведено аналіз результатів робіт, що лягли в основу дисертаційної роботи. Сформульовано предмет і задачі дисертаційної роботи.

У розділі 1 сформульовано строгу постановку крайової задачі для резонансної діафрагми з довільною кількістю прямокутних щілин у прямокутному хвилеводі. Методичним забезпеченням вирішення цієї задачі є метод декомпозиції, метод часткових областей і метод узагальнених матриць розсіювання. При вирішенні задачі на першому етапі здійснюється декомпозиція хвилеводної неоднорідності, що досліджується, на елементарні неоднорідності і отримується матриця розсіювання ключової елементарної неоднорідності. На другому етапі здійснюється рекомпозиція та відновлення матриці розсіювання складної неоднорідності по відомих матрицях розсіювання ключових неоднорідностей. У розглянутому випадку такою ключовою неоднорідністю є розгалуження хвилеводу більшого перерізу на довільну кількість хвилеводів меншого перерізу. Її матриця розсіювання отримується методом часткових областей. При вирішенні задачі дифракції хвиль на елементарній неоднорідності поля у відрізках регулярних хвилеводів, що з'єднуються, представляються через ряди по їх власних хвилях. Задовольняючи умові безперервності полів на спільній границі хвилеводів, що з'єднуються, одержуємо систему функціональних рівнянь відносно невідомих амплітуд дифрагованих хвиль. Проектуючи потім функціональні рівняння, що описують “зшивку” тангенціальних компонентів електричного поля, на системи власних функцій, повних на поперечному перерізі хвилеводу більшого розміру, а функціональні рівняння для компонентів магнітного поля - на системи власних функцій, повних на поперечних перерізах хвилеводів меншого розміру, задача зводиться до нескінченної системи лінійних алгебраїчних рівнянь другого роду. При чисельній реалізації алгоритму, зрозуміло, здійснюється перехід до кінцевих сум. При цьому, щоб забезпечити найбільш точний результат, відношення кількості хвиль, що враховуються в базисах хвилеводних відрізків, обирається рівним відношенню площ поперечних перерізів хвилеводів, що з'єднуються. На прикладах розгалуження хвилеводу на два еквівалентних канали меншого поперечного перерізу, на два нееквівалентних канали і на три нееквівалентних канали досліджено швидкість збіжності одержуваних рішень. У кожному розглянутому випадку встановлено порядок системи, що обертається, необхідний для розрахунку елементів матриці розсіювання з точністю не гірше 1%.

У розділі 2 наведено результати аналізу дифракційних характеристик багатощілинних діафрагм (див. рис. 1) у прямокутному хвилеводі зі щілинами однакової геометрії та щілинами, геометрія яких розрізняється, для різних співвідношень висот та ширин щілин або способу розташування цих щілин у площині поперечного переріза прямокутного хвилеводу. Головну увагу приділено аналізу особливості формування частотної характеристики з резонансом повного відбиття, способу керування кількісними показниками (добротністю і частотою) цього резонансу.

Виявлено ефект трансформації характеру частотних характеристик багатощілинних резонансних діафрагм від смуго-пропускаючого до смуго-запираючого типу. Встановлено, що наявність резонансів повного відбиття є характерною властивістю багатощілинних діафрагм із нееквівалентними щілинами (у розглянутому випадку - з геометріями, що відрізняються). Багатощілинна діафрагма з еквівалентними щілинами формує смуго-пропускаючу характеристику, динаміка зміни якої при зміні характерних геометричних параметрів якісно та ж, що і для класичної діафрагми: при одночасному збільшенні ширин щілин резонанс зсувається в низькочастотну область, при збільшенні висот щілин його добротність падає.

Резонанс повного відбиття високої добротності з'являється на характеристиці діафрагми відразу, як тільки різниця ширин щілин стає відмінною від нуля. При подальшому збільшенні цієї різниці добротність резонансу повного відбиття падає. При цьому резонанс повного відбиття розташовується між двома резонансами повного проходження. Типові розрахункова та експериментальна характеристики двощілинної діафрагми наведені на рис. 2. Таку ж - режекторну - характеристику формує і, наприклад, трищілинна діафрагма з двома еквівалентними щілинами і ще однією щілиною інших розмірів. Типові залежності ліній еквівалентного рівня модуля коефіцієнта відбиття |R| основної хвилі хвилеводу для трищілинної діафрагми наведені на рис. 3 у координатах «частота - ширина однієї з щілин». На рисунку яскраво виражена точка згущення ліній еквівалентного рівня, що відповідає резонансу повного відбиття, добротність якого наближається до нескінченності. Встановлено, що трищілинна діафрагма, всі щілини якої мають різні розміри, формує характеристику з двома резонансами повного відбиття. На рис. 4 у координатах “частота - ширина однієї з щілин” наведено лінії еквівалентного рівня |R| для такої двосмугової діафрагми. Її розрахункова та експериментальна частотні характеристики представлені на рис. 5.

Проаналізовано структуру полів, що формуються у щілинах діафрагм у характерних резонансних точках. Установлено, наприклад, що розподіл полів у щілинах діафрагми може мати типову антисиметричну або симетричну структуру в резонансних точках, що дозволяє припустити збудження в діафрагмі власних коливань відповідного типу.

У зв'язку з цим у розділі 3 сформульовано спектральну задачу на власні коливання однощілинної та двощілинної резонансних діафрагм. Проаналізовано спектральні характеристики однощілинної резонансної діафрагми, що формує класичну частотну характеристику з одним резонансом повного проходження, і спектральні характеристики двощілинної резонансної діафрагми, що формує частотну характеристику з резонансом повного відбиття. Проаналізовано динаміку поведінки комплексних частот власних коливань однощілинних та двощілинних резонансних діафрагм при зміні характерних геометричних параметрів. Показано, що в одномодовому діапазоні однощілинна діафрагма має низькодобротне власне коливання. При збільшенні ширини щілини діафрагми реальна частина комплексної частоти власного коливання зменшується при незначній зміні її уявної частини (і відповідно власній добротності коливання). При збільшенні висоти щілини добротність власного коливання зменшується, а реальна частина його комплексної частоти збільшується.

Рішення спектральної задачі для двощілинної діафрагми з нееквівалентними щілинами (у розглянутому випадку - щілинами різної ширини) показує наявність пари власних коливань комплексної частоти. Одне з них є антисиметричним і має високу добротність, а інше - симетричним з низькою добротністю. При зменшенні різниці ширин щілин комплексні частоти антисиметричного коливання прямують до реальної вісі, тоді як вітка комплексних частот симетричного коливання іде від неї (див. рис. 6). Коли різниця в ширинах щілин дорівнює нулю, спектральна множина діафрагми містить одне низькодобротне власне коливання комплексної частоти та одне антисиметричне власне коливання, частота якого лежить на реальній вісі.

У загальному випадку при одночасному змінюванні характерних геометричних параметрів (див. рис. 7) динаміка поведінки вітки низькодобротного коливання в принципі та ж, що і для однощілинної діафрагми. Динаміка поведінки вітки коливання з високою добротністю інша. При одночасному збільшенні ширин щілин вітка коливання з високою добротністю також зміщюється в область низьких частот, однак при одночасному збільшенні висоти щілин, його власна добротність збільшується. Таким чином, чим вище щілини діафрагми, тим більша різниця добротностей комплексних власних коливань.

Проведено відновлення резонансних характеристик однощілинної і двощілинної діафрагми за набором їхніх власних частот. Виявилося, що для класичної діафрагми з “реальними” щілинами відновлена характеристика і характеристика, отримана через строге вирішення крайової задачі, збігаються тільки якісно. Порівняння таких характеристик для двощілинної діафрагми з нееквівалентними щілинами показує високий ступінь якісного збігу. У більшості випадків резонанси повного відбиття досить точно описуються і кількісно. Це є чітким доказом того, що за резонанси повного відбиття відповідальні саме пакети власних коливань, що збуджуються падаючим полем.

У розділі 4 розглянуто питання практичного застосування отриманих фізичних результатів. Тому що синтез будь-яких пристроїв, що використовують режекторні властивості діафрагм, базується на синтезі секцій із заданою частотою і добротністю, було досліджено різні способи, враховуючи і ітераційні, відновлення геометрії режекторної секції за заданою специфікацією. На цій основі розроблено низку конкретних частотно-селективних пристроїв, як конструктивні елементи яких використано багатощілинні резонансні діафрагми. До цих пристроїв належать смуго-запираючий фільтр та смуго-пропускаючий фільтр з двома смугами пропускання. Розглянуто питання вибору оптимальної топології смуго-запираючих фільтрів, наведено результати їхньої чисельної оптимізації.

Результати вимірювання одного з експериментальних макетів таких фільтрів наведені на рис. 8. Рисунок одночасно демонструє і можливість вільного маніпулювання виглядом частотної характеристики фільтра - фільтр був оптимізований відповідно до завдання на синтез пристрою з максимально крутим лівим фронтом. Порівняння чисельних та експериментальних результатів показує високий ступінь їхнього збігу.

Іншим напрямком застосування результатів, які представлено у розділах 2 і 3, є поліпшення електричних характеристик відомих конструкцій смуго-пропускаючих фільтрів. Використання в таких фільтрах додаткових секцій, виконаних на основі багатощілинних діафрагм, дозволяє підвищити їх частотну селективність і / або збільшити рівень загасання в одній або одночасно обох смугах запирання. Багатощілинні діафрагми, яки використовуються як секції смуго-пропускаючих фільтрів, вносять у характеристику останніх додаткові полюси запирання. На рис. 9 наведено приклад чисельного моделювання таких фільтрів. Порівняння частотних характеристик класичного фільтра (пунктирна крива) і фільтра з додатковим режекторним вузлом (суцільна крива) демонструє істотне поліпшення вихідних електричних характеристик.

Розділ 5 присвячено аналізу способів керування властивостями окремої щілини діафрагми за допомогою ускладнення її профілю чи зміни її положення. Аналіз проведено на прикладі П-подібної резонансної діафрагми. У строгій постановці вирішено крайову задачу розсіювання хвилеводних хвиль на діафрагмі з П-подібної щілиною в прямокутному хвилеводі. Шляхом чисельного аналізу досліджено залежності добротності і частоти резонансу повного проходження в широкому діапазоні зміни основних геометричних параметрів щілини. Показано, що найбільш ефективним способом зміни резонансного зв'язку щілини з трактом є трансформація профілю щілини. Таким шляхом можна одержати збільшення добротності резонансу на один-два порядки. Зміна положення щілини в тракті менш ефективно змінює ступінь електричного зв'язку окремої щілини з трактом, причому ця зміна тим менша, чим менше трансформовано профіль щілини.

Висновки

У дисертаційній роботі об'єднано результати теоретичного та експериментального дослідження фізичних процесів у багатощілинних резонансних діафрагмах у прямокутному хвилеводі. Отримані результати, демонструють, що комплексний підхід, який розвинуто у дисертаційній роботі, і який полягає в комбінації прямих методів вирішення внутрішніх крайових задач електродинаміки і теорії квазістаціонарних власних коливань електромагнітного поля у відкритих хвилеводних резонаторах, дозволяє не тільки проаналізувати резонансні явища в складних резонансних діафрагмах, але і виявити фізичний механізм формування цих явищ. На цій основі удалося встановити низку нових закономірностей, які мають не тільки фізичний характер, але і таких, що знайшли пряме практичне застосування.

Зокрема, у рамках математичної моделі, що розглядає резонансні діафрагми з однаковими щілинами як граничний випадок багатощілинних діафрагм, геометрія щілин яких відрізняється, було виявлене явище трансформації характеру їх властивостей, на підставі чого було запропоновано нове пояснення механізму формування резонансів повного відбиття. Було показано, що багатощілинна резонансна діафрагма формує смуго-запираючу (режекторну) частотну характеристику, якщо її поперечний переріз містить принаймні дві симетричні щілини, геометрії яких відрізняються. При цьому резонанс повного відбиття розташований на частотній характеристиці між двома резонансами повного проходження.

Отримані результати свідчать про те, що резонанс повного відбиття заданої добротності може бути сформований багатощілинною резонансною діафрагмою в будь-якій частині частотного діапазону.

У загальному випадку багатощілинна резонансна діафрагма, поперечний переріз якої містить кілька щілин, геометрії яких відрізняються, формує багатосмугову амплітудно-частотну характеристику. Кількість резонансів повного проходження на цій характеристиці дорівнює кількості цих щілин, тоді як число резонансів повного відбиття на одиницю менше. Якщо щілини резонансної діафрагми еквівалентні, вона формує смуго-пропускаючу частотну характеристику.

Було досліджено можливість керування ступенем електродинамічного зв'язку окремої щілини резонансної діафрагми з хвилеводним трактом за допомогою зміни її положення в площині поперечного перерізу або зміни її форми. Показано, що найбільш ефективним способом керування ступенем зв'язку є зміна профілю щілини. Такий спосіб керування кількісними показниками резонансу повного проходження (його добротністю і резонансною частотою) розглянуто у роботі на прикладі резонансної діафрагми з П-подібною щілиною. Виявилося, що в цьому випадку ступінь електродинамічного зв'язку вдається змінювати в широкому діапазоні значень (на один-два порядки) при збереженні тих же обмежень на ширини щілин. Ясно, що це значно розширює діапазон можливого застосування діафрагм аж до міліметрового діапазону.

Теорія квазістаціонарних власних коливань уперше була застосована до аналізу фізичних явищ у хвилеводних неоднорідностях з 1) малими, але кінцевими подовжніми розмірами і 2) векторним (тривимірним) характером електромагнітних полів, які збуджуються у них. Розглядаючи резонансні діафрагми як хвилеводний резонатор відкритого типу, було виявлено фізичний механізм формування їхніх частотних характеристик - резонансні явища, властиві для багатощілинних резонансних діафрагм, є відгуком системи на її збудження на частотах, близьких до власних. Так, резонанс повного проходження на частотній характеристиці однощілинної резонансної діафрагми однозначно пов'язаний зі збудженням у такій діафрагмі низькодобротного симетричного коливання комплексної частоти, близького до власного. Резонанс повного відбиття на частотній характеристиці двощілинної діафрагми з нееквівалентними щілинами, принципово є відгуком на збудження в системі набору власних коливань, уявні частини комплексних частот (отже і власні добротності) яких істотно відрізняються. Спектр двощілинної резонансної діафрагми з еквівалентними щілинами містить у собі власні коливання комплексної частоти і коливання з реальною частотою, що і пояснює відсутність резонансу повного відбиття на її характеристиці.

Всебічний аналіз частотних характеристик багатощілинних резонансних діафрагм у широкому діапазоні зміни їхніх геометричних параметрів і виявлення фізичного механізму їхнього формування дозволив розробити ряд фізично нових частотно-селективних пристроїв, конструктивними елементами яких є досліджені діафрагми.

Створені експериментальні макети смугасто-замикаючих фільтрів мають високі електричні характеристики, а порівняння розрахункових та експериментальних даних показує високий ступінь їхнього збігу. Пропоновані фільтри дуже прості у виготовленні і відрізняються компактними габаритами. Смуго-запираючі фільтри такого типу можуть бути як широкосмуговими, так і вузькосмуговими. Вони можуть бути синтезовані для будь-якої області частотного діапазону.

Не менш важливими є результати вирішення задач, спрямованих на поліпшення частотних характеристик відомих конструкцій смуго-пропускаючих фільтрів. Використання додаткових елементів на основі багатощілинних резонансних діафрагм, що вносять додаткові полюси запирання в частотні характеристики відомих смуго-пропускаючих фільтрів, дозволяє істотно підвищити частотну вибірковість останніх і поліпшити їхні запираючі властивості. Важливо відзначити при цьому, що, на відміну від робіт інших авторів, вирішення поставлених задач досягнуто при збереженні в цілому поперечних розмірів пристрою та істотно меншому збільшенні його подовжніх розмірів.

Запропоновані частотно-селективні пристрої і вузли можуть знайти широке застосування в антенно-фідерних трактах систем бездротового зв'язку наземного і космічного базування.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Мосьпан Л.П. П-образная диафрагма в прямоугольном волноводе // Радиофизика и электроника: Сб.науч. тр. - Харьков: ИРЭ НАН Украины, 1996. -Т.1 . - С.34-40.

2. Kirilenko A.A., Mospan L.P. Senkevich S.L. Spectral properties of resonance irises with rectangular apertures in a rectangular waveguide // Telecommunications & Radio Engineering. - 1997. - V.51, №8. - Р.50-56.

3. Кириленко А.А., Мосьпан Л.П. Двухщелевые резонансные диафрагмы в прямоугольном волноводе // Радиофизика и электроника: Сб. науч. тр. - Харьков: ИРЭ НАН Украины, 1997.- Т.2, № 2. - С.26-31.

4. Кириленко А.А., Мосьпан Л.П., Ткаченко В.И. Режекторные свойства многощелевых резонансных диафрагм // Радиофизика и электроника: Сб.науч. тр. - Харьков: ИРЭ НАН Украины, 1998. - Т.3, №3. - C.46-52.

5. Мосьпан Л.П. Численно-аналитический алгоритм синтеза режекторных фильтров на многощелевых резонансных диафрагмах // Вісник дніпропетровського університету. Фізика, радіоелектроніка. - 1998. - Вип. 4.- С. 133-139.

6. Kirilenko A.A., Mospan L.P. Reflection resonances and natural frequencies of two-aperture iris in rectangular waveguide // IEEE Trans. on MTT. - 2000. - V.48, №8. - P.1419-1421.

7. Kirilenko A.A., Mospan L.P. Two- and three- slot irises as the bandstop filter sections // Microwave and Opt. Tech. Letters. - 2001. - V.28, №.4. - Р.282-284.

8. Kirilenko A.A., Mospan L.P., Rud' L.A. Complicating the shape of a resonant diaphragms as a way of its quality-factor increasing // Proc. of the 2-nd Int. Conf. on Antenna Theory and Techniques. - Kiev (Ukraine). - 1997.- P.301-302.

9. Kirilenko A.A., Mos'pan L.P., Tkachenko V.I. Numerical investigation of multiple rectangular aperture irises in a rectangular waveguide // Proc. of Int. Conf. Mathem. Methods in EM Theory. - Kharkov (Ukraine). -1998. - P. 390-392.

10. Kirilenko A.A., Mospan L.P., Rud' L.A., Tkachenko V.I. Electromagnetic features of multiple rectangular and complicated iriseі in a rectangular waveguide // Proc. of XXYIII Moscow Int. Conf. on Antenna Theory and Technology. - Moscow (Russia). -1998.-P 528-530.

11. Kirilenko A.A., Mospan L.P. One- and two stopband rejection sections on multiple rectangular aperture irises // Proc. of IIIrd Int. Conf. on Antenna Theory and Techniques. - Sevastopol (Ukraine). - 1999. - P. 505-507.

12. Mospan L.P. Eigen modes of multiple rectangular aperture irises and a possibility of forming a rejection frequency responce // Proc. of XXVIth General Assembly URSI-99. - Canada (Toronto). - 1999. - P.96.

13. Kirilenko A.A., Mospan L.P. Reflection resonances of two-aperture irises in rectangular waveguide // Proc. of 29th Eur. Microwave Conf. - V.1. - Munich (Germany). -1999.- P.28-31.

14. Мосьпан Л.П. Экспериментальное исследование трехзвенного ПЗФ на режекторных резонансных диафрагмах // Int. Crimean Conf. “Microwave and Telecommunications Technology”. - Sevastopol (Ukraine). - 2000. - P.378-379.

Анотації

резонансний діафрагма резонанс коливання

Мосьпан Л.П. Дифракційні та спектральні характеристики багатощілинних резонансних діафрагм у прямокутному хвилеводі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.03 - радіофізика.

Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я.Усикова НАН України, Харків, 2001.

Дисертацію присвячено вивченню дифракційних та спектральних характеристик багатощілинних діафрагм у прямокутному хвилеводі. Особливу увагу приділено умовам формування такими діафрагмами резонансу повного відбиття. Чисельна модель, що було використано, базується на методі часткових областей та методі узагальнених матриць розсіювання. Реалізовано комплексний підхід до аналізу резонансних явищ. З одного боку, через чисельне вирішення внутрішньої крайової задачі виявлено ефект трансформації частотних характеристик у залежності від співвідношення геометричних параметрів щілин діафрагм. З іншого боку, вирішено задачу про спектри власних коливань багатощілинних діафрагм. Досліджено їх поведінку в комплексній площі. Виявлено фізичний механізм формування резонансних характеристик. Цей механізм полягає у одночасному збуджені власних коливань, уявні частини комплексних частот яких (отже, і добротності) суттєво відрізняються. Запропоновано ряд частотно-селективних пристроїв, елементами яких є багатощілинні діафрагми - смуго-пропускаючий фільтр з двома смугами пропускання, смуго-запираючий фільтр та смуго-пропускаючий фільтр з додатковими смуго-запираючими секціями.

Ключові слова: багатощілинна діафрагма, дифракційна характеристика, резонанси повного відбиття та проходження, спектр власних коливань, комплексна частота, смуго-запираючи фільтри.

Мосьпан Л.П. Дифракционные и спектральные характеристики многощелевых резонансных диафрагм в прямоугольном волноводе. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.03 - радиофизика.- Институт радиофизики и электроники им. А.Я.Усикова НАН Украины, Харьков, 2001.

Диссертационная работа посвящена численному исследованию дифракционных и спектральных характеристик многощелевых резонансных диафрагм в прямоугольном волноводе, выявлению и физической интерпретации механизмов формирования резонансных явлений, присущих таким диафрагмам. По основным позициям приведены экспериментальные данные.

На основе решения краевой задачи проведен глубокий систематизированный анализ дифракционных характеристик многощелевых диафрагм в широком диапазоне измерения ее геометрических параметров. Выявлен эффект трансформации частотной характеристики многощелевой диафрагмы при изменении ее геометрических параметров. Показано, что многощелевая диафрагма формирует полосно-запирающую (режекторную) частотную характеристику, если ее поперечное сечение содержит по крайней мере две неэквивалентные щели. Полученные результаты свидетельствуют о том, что резонанс полного отражения заданной добротности может быть сформирован многощелевой резонансной диафрагмой в любой части частотного диапазона. Предложена конструкция двухполосной полосно-запирающей секции. Установлено, что в общем случае многощелевая резонансная диафрагма, поперечное сечение которой содержит несколько неэквивалентных щелей, формирует многополосную амплитудно-частотную характеристику. Число резонансов полного прохождения на этой характеристике равно количеству этих щелей, тогда как число резонансов полного отражения на единицу меньше.

На примере П-образной диафрагмы проанализированы способы управления резонансной связи отдельной щели диафрагмы с трактом посредством усложнения ее профиля. Исследована динамика изменения количественных показателей резонансных характеристик диафрагмы с профилированной щелью при изменении геометрии ее поперечного сечения. Показано, что наиболее эффективным способом изменения степенью резонансной связи щели с волноводным трактом является трансформация профиля щели.

Решены задачи о спектрах собственных колебаний однощелевой и двухщелевой диафрагм. Проведен анализ динамики поведения комплексных частот собственных колебаний однощелевых и двухщелевых резонансных диафрагм при изменении характерных геометрических параметров. Рассматривая резонансные диафрагмы как волноводный резонатор открытого типа, удалось выявить физический механизм формирования их частотных характеристик, заключающийся в том, что резонансные явления, присущие диафрагмам, являются откликом системы на ее возбуждение на частотах, близких к собственным. Вид частотной характеристики определяется качественным составом спектра собственных частот. Показано, что вид резонансной характеристики классической диафрагмы однозначно связан с возбуждением низкодобротного симметричного колебания комплексной частоты. Резонанс полного отражения на частотной характеристике двухщелевой диафрагмы с неэквивалентными щелями принципиально является откликом на возбуждение в системе собственных колебаний комплексной частоты со значительно отличающимися мнимыми частями (и соответственно, собственными добротностями).

На основе полученных физических результатов предложены частотно-селективные устройства, в качестве резонансных секций которых используются многощелевые резонансные диафрагмы. К ним относятся двухполосный полосно-пропускающий фильтр и полосно-запирающий фильтр. Изучены вопросы выбора их оптимальной топологии и численной оптимизации. Показано, что созданные экспериментальные макеты полосно-запирающих фильтров обладают высокими электрическими характеристиками, а сравнение расчетных и измеренных данных показывает высокую степень их совпадения. Предлагаемые фильтры очень просты в изготовлении и отличаются компактными габаритами. Представлены результаты решения задач, направленных на улучшение частотных характеристик известных конструкций полосно-пропускающих фильтров. Показано, что использование дополнительных элементов на основе многощелевых резонансных диафрагм вносит полюса запирания в частотные характеристики этих фильтров, в результате чего существенно повышается их частотная избирательность и/или запирающие свойства. Предложенные частотно-селективные устройства и узлы могут найти широкое применение в антенно-фидерных устройствах беспроводных систем связи наземного и космического базирования.

Ключевые слова: многощелевая диафрагма, дифракционная характеристика, резонансы полного отражения и полного прохождения, спектр собственных частот, комплексная частота, полосно-запирающие фильтры.

Mospan L.P. Diffraction and spectral characteristics of multiaperture irises in a rectangular waveguide. - Manuscript.

Thesis for a candidate degree in physics and mathematics by speciality 01.04.03 - radiophysics.

Usikov Institute for radiophysics and electronics of National Academy of Science of Ukraine, Kharkov, 2001.

The dissertation is devoted to investigation of diffraction and spectral properties of multiaperture irises in a rectangular waveguide. Special attention is focused on the conditions of total reflection resonance forming by means of such irises. A numerical mathematical model being used is based on the mode-matching technique and generalized matrix technique. A comprehensive approach to the analysis of resonant phenomena has been realized. On the one hand, boundary-value problem solution revealed a frequency response transformation phenomenon depending on a ratio of geometrical parameters of the iris slots. On the other hand, the problem for a spectrum of multiaperture iris natural oscillations has been solved. The spectrum behavior in a complex plane has been studied. A physical mechanism for forming the iris resonant characteristics has been revealed. It might be interpreted as a response to simultaneous excitation of natural oscillations with very different imaginary parts of their complex frequencies (hence, with very different quality factors). A number of frequency-selective devices, based on multiaperture irises, namely, a bandpass filter with two passbands, a bandstop filter and a bandpass filter with additional rejection sections have been proposed.

Key words: multiaperture iris, diffraction characteristics, resonances of total reflection and total transmission, spectrum of eigen oscillations, complex frequency, bandstop filters.

Наукове видання

Мосьпан Людмила Павлівна

Дифракційні та спектральні властивості багато щілинних резонансних діафрагм у прямокутному хвилеводі

Відповідальний за випуск Кириленко А.О.

Підписано до друку 03.05.2001 р. Формат паперу 6084 .

Папір офс. Oфс. друк. Об'єм 1 ум. друк. арк.

Зам. № 23 Тираж 100 прим. Безкоштовно

Ротапринт ІРЕ ім. О.Я.Усикова НАН України

м.Харків-85, вул. Акад. Проскури, 12

Размещено на Allbest.ru