Распространение электромагнитных волн в цилиндрической и зеркальной щелевых линиях передачи

2
ОГ ДАВЛЕНИЕ
стр.
ВВЕДЕНИЕ.................................................... 4
ГЛАВА I. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЩЕЛЕВОЙ ВОЛНЫ
ПРОДОЛЬНОЩЕЛЕВОГО ЦИЛИНДРА ...................... 17
1.1. Волноведущие свойства бесконечногонкого продольнощелевого цилиндра (по результатам строгой теории) ........................................ 17
1.2. Модификация метода поперечного резонанса
в теории щелевых линий передачи ............ . . 20
1.3. Волноведущие свойства зеркальной
щелевой линии ................................... 31
1.4. Важнейшие типы щелевых линий передачи.
Пределы применимости метода поперечного
резонанса......................................... 36
1.5. Модификации ЗПШ.................................... 42
ГЛАВА П. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЩЕЛЕВОЙ
ВОЛНЫ ПРОДОЛЬНОЩЕЛЕВЫХ ЦИЛИНДРОВ ................ 50
2.1. Метод экспериментального исследования.
Измерительная линия............................. 50
2.2. Дисперсионные характеристики ЦЩЛ и ЗЩЛ..............61
2.3. Экспериментальное исследование затухания в щелевых линиях ......................................... 66
2.4. Амплитудное распределение поля в поперечном сечении щелевых линий передачи ......................... 71
ГЛАВА Ш. ВЫТЕКАЮЩИЕ ВОЛНЫ ПРОДОЛЬНОЩЕЛЕВОГО ЦИЛИНДРА . . 88
3.1. Основные характеристики щелевой вытекающей
волны ±........................................... 89
3.2. Свойства поля ВВ в ближней зоне источника (Процесс вытекания.).................................... 93
3
3.3. Поле ВВ в дальней зоне........................... 100
3.4. К вопросу о фазовом центре диаграммы направленности поля излучения ........................ 107
ГЛАВА I/. ФИЗИЧЕСКИЕ 1РИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ
ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ НА ОСНОВЕ ЗИЛ...................112
4.1. Возбуждение щелевых линий ....................... 112
4.2. Излучатели на основе щелевой ВВ...................119
4.3. Направленные ответвители на основе
связанных щелевых линий .......... . 132
4.4. Отражатели и резонансные системы на
отрезках щелевой линии .......................... 142
4.5. Детекторные секции .............................. 147
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................154
Приложение I. Линии передачи миллиметровых и
сантиметровых волн (Краткий обзорЗ .... 159
Приложение П. Волномер миллиметрового диапазона
на основе щелевой ВВ........................182
Приложение Ш. устройство для параллельного обзора
пространства в реальном масштабе времени. . 196
Приложение 17. Новый метод измерения силы Абрагама . . . 209
ЛИТЕРАТУРА................................................220
ч
ВВЕДЕНИЕ
Интенсивное развитие микроэлектроники стимулировало возникновение физики и техники интегральных [1] , а в последнее время и функциональных [2] микросхем, что позволило решить проблемы миниатюризации, уменьшения веса и стоимости, повышения надежности сложных радиофизических систем. Основой интегральных схем (ИС) сантиметрового Сем) диапазона служит полосковая линия (пл) передачи [3,4] . ИЛ имеют малую толщину и легко изготавливаются методами гонко- и голегопленочных технологий [5] . Применение ШГ не только значительно упрощает конструирование и изготовление СВЧ-усгройсгв, но и позволяет создавать узлы, осуществление которых в волноводном варианте оказалось бы слишком грудной или вообще невыполнимой задачей. Вместе с тем решение ряда радиофизических задач с применением ПЛ не всегда оправдано, что привело к разработке и интенсивному исследованию других типов волноведущих трактов планарной конфигурации (например, щелевой линии (ВД) [б] , компланарной линии [1] и др.), а следовательно и к переходам от одного тракта к другому в пределах одной схемы [7,8] .
В планарных линиях (ПЛ, ВД)^хотя и мало, однако, они не в полной мере удовлетворяют требованию миниатюрности, т.к. имеют значительную ширину ’Ьп'^Я0/2 (где Я0 - рабочая длина волна)
[9. ю] . Поскольку ИС обладают двумерной конфигурацией, то в первую очередь ширина входящих в их состав элементов приобретает принципиальное значение.
Освоение миллиметрового (мм; и субмиллиметрового (субмн) диапазонов волн требует применения принципов микроэлектроники в этойобласги спектра. Масштабное моделирование планарных линий передачи см диапазона в мм диапазоне (как эго было в случае про-
5
движения стандартного прямоугольного волновода [п] вплоть до 2-х мм,) наталкивается на принципиальные затруднения, т.к. в мм диапазоне резко воз растают омические потери в ПЛ и ЩЛ и также становятся очень жесткими допуски на их изготовлении. Существенно также, что в мм диапазоне (когда сильно уменьшается Л0 и становится сравнимой с геометрическими размерами линий.) квазистаги-ческие методы расчета 1Ш [I?) дают большую погрешность, а строгие методы, учитывающие существенно волновой характер мм волн в ПЛ [гз] и ПЦГ [14,15,1б] только начали разрабатываться. Для ПЛ и ЩЛ характерно наличие паразитного излучения мощности. Тепловые потери в шг превышают затухание в стандартном волноводе в В раз [17] для величины диэлектрической проницаемости подложки б"2,25, и в 50 раз [18] для б " 9,6. Другими словами потери в ПЛ даже в коротковолновой части см диапазона оказываются не менее ЮдБ/м (даже при малом б ). Затухание в ЩЛ несколько меньше, чем в ПЛ, т.к. ток в них занимает большую площадь [х,19] . С целью уменьшения омических потерь предложены сверхразмерные ПЛ [Ъо] или ГО1 с малым б подложки [21] , которые, однако, не решают всей проблемы в целом, т.к. с уменьшением б тепловые потери уменьшаются, однако, растут дифракционные. То есть требование мало-габаригносги у ПЛ находится в противоречии с требованием малости потерь.
Предложены также экранированные линии передачи на подложке с малым б , в которых применение замкнутого проводящего экрана (охватывающего линию) позволяет исключить дифракционные потери. К таким линиям относится экранированная ЩЛ или„/ш ~б1п&" [22,23] , она же волноводно-щелевая линия (ВЩЛ) [24,25] . Однако внешний экран приводит к росту габаритов, веса, сужает полосу одновсдового режима целевой волны, усложняет технологию производства. Хотя в ВЩЛ и исключены дифракционные потери, общее
6
затухание ВЩЛ довольно значительно [2б] . Кроме того, ВЩЛ потеряла те преимущества открытых линий, которые связаны со свободным доступом к поли распространяющейся вдоль линии волны.
Хорошо известны в мм диапазоне диэлектрические волноводы (ДВ) [27] (в том числе сверхразмерные ДВ (СДВ) [20] ) и его модификации на проводящей [28,її] и диэлектрической [29,Зо] подложках, которые обеспечивают им необходимую жесткость и позволяют изготавливать по технологии прессования диэлектрика. Наименьшими эффективными габаритами обладает здесь ДВ на проводящей подложке -зеркальная диэлектрическая линия (ЗДЛ). Однако в минимуме тепло-вых потерь ЗДЛ, его эффективные габариты достигают 50, а в минимуме эффективных габаритов (^8./^) затухание превышает потери в стандартном волноводе [п] , площадь поперечного сечения которого обычно 0,28у?/[Іі] (т.е. 150 и 30 раз меньше). Принято считать, что ДВ на диэлектрической подложке, который является аналогом световода \29\ , должен иметь небольшие потери. Затухание в этом случае впрочем достигает до 9 дб/и в 2-х мм диапазоне [зо] . На основе ЗДЛ легко выполнять такие элементы как направленные ответвители, изгибы, разветвители и др. [п,Зо] вместе с тем "размазанность" поля ДВ по пространству, окружающему диэлектрический стержень, затрудняет разработку многих элементов. Например, оказывается проще включить детекторный диод в переход от ЗДЛ к стандартному волноводу [п] или от ЗДЛ к ЩЛ [31] , чем в сам ДВ.
Точно гак же любая линия передачи (в том чиоле ПЛ и ЩЛ) имеет удобные или неудобные (и иной раз и вовсе невыполнимые) по технологическим или иным причинам функциональные элементы. Так, например,, ПЛ имеет удобный диодный зазор для включения диодов любого функционального назначения [32] ; ЩЛ (а также компланарная лирия) имеет область круговой поляризации магнитного поля,
7
удобную для построения ферриговых вентилей и фазовращателей [19,33] .
Можно выделить три способа уменьшения поперечных габаритов линий передачи: а) непосредственное (геометрическое) уменьшение габаритов (это касается Ш1, ЩЛ, коаксиальной линии [з^) и др. двухпроводных трактов, а гак же отчасти стандартного волновода и линзовой линии [35] ; б) увеличение £ диэлектрического заполнения линии; в) поиск новых физических принципов построения линий передачи. Действительно, двухпроводную линию [34] всегда можно сде-дать сколь угодно малой, т.е. создать условия для передачи по ней электромагнитной волны сколь угодно большой Ло , т.к. двухпроводные линии имеют нулевую частоту отсечки. Однако, очевидно, что такой путь может привести к неограниченному росту погонного затухания. Наиболее распространенным на практике является создание линий передачи при увеличении £ [зб] , т.к. рост £ ведет к уменьшению продольных габаритов так же в £ раз с одновременным увеличением погонного затухания за счет уменьшения поперечных габаритов. Это позволяет добиться уменьшения схемных габаритов при сравнительно незначительном возрастании потерь. Заметим, что большинство трактов, применяющихся в мм диапазоне, являются простым масштабным моделированием уже хорошо освоенных линий передачи более длинных (ПЛ, ЩЛ, стандартный волновод и др.) или более коротких ( ДВ, линзовая линия и др.) волн. Перспективная линия передачи, в которой используются новые физические идеи, должна совмещать в себе положительные стороны уже существующих трактов и удовлетворять целому ряду объективных требований, подчас противоречивых: малогабаритносгь и широкополосносгь при заданной величине погонного затухания; технологичность и возможность создания достаточно полной элементной базы электрически
8
управляемых функциональных устройств.
В такой постановке проблемы поиска новых линий передачи для интегральных и функциональных микросхем мм диапазона продолжает оставаться актуальной проблемой радиофизики и высокочастотной электроники.
В 1979 г. была предложена [зт] и в рамках строгого решения краевой задачи электродинамики проанализирована [38,39,¥), 41] новая линия передачи - цилиндрическая щелевая линия (ЦЩЛ) - круговой диэлектрический стержень малого диаметра 2 а , частично экранированный экспоненциально - тонким металлическим слоем с узкой продольной щелью. Основной модой ЦЩЛ является щелевая волна квази - Н00 типа, цщл отличается малыми габаритами {2ал/0,1Йо) и широкой полосой пропускания (~ 2-х окгавЗ.
В 1983 г. предложена модификация цщл [42] . В ней часть экрана выполнена в ввде проводящей подложки, а щель образована оставшимся краем экрана и подложкой, причем диэлектрический стержень при этом оказалось удобнее выполнить прямоугольной (квадратной) формы поперечного сечения. Такая линия передачи была названа зеркальной щелевой линией (ЗЩЛ). В настоящее время ЗЩЛ является, пожалуй, самой миниатюрной линией передачи. Ее площадь поперечного оечения в 2 раза меньше, чем у ЦЩЛ и в 4 раза меньше, чем у ВПШ (при одинаковом б ). Полоса пропускания ЗЩЛ более,
что при помощи одной ЗЩЛ можно перекрыть весь мм диапазон длин волн. ЗЩЛ (как и ЦЩЛ) многофункциональная линия, в частности она имеет помимо режима распространения медленной поверхностной вол-
на ее основе возможно конструирование соответствующих антенных систем. Щель ЗЩЛ удобна для включения диодов любого функцнональ-
раз шире полосы ВЩЛ и может достигать 2+3 октав, гак
ны режим излучения быстрой вытекающей волны (вв) [43] . Поэтому
9
ного назначения Скак у ГО1), возле щели имеется область круговой поляризации магнитного поля для построения ферриговых элементов (как у ПЩ) и др. Затухание в ЗНШ £м] (£ = 2,25) оказалось того же порядка, что и в соответствующих стандартных волноводах (<5 =
= I) [п] , т.е. на порядок меньше, чем в соответствующей (£ =
= 2,25) ПЛ. ЗЩЛ обладает, благодаря подложке, высокими эксплуатационными характеристиками и достаточной жесткостью. К ней применимы технологии, хорошо развитые для ГОГ и ДВ [5] . ЗЩЛ низкоомная линия. Ее волновое сопротивление в 2 раза меньше, чем у ЦЩЛ и ВЩЛ (см.также Приложение I). Все эго делает ЗЩЛ перспективной линией передачи мм диапазона для конструирования интегральных и функциональных ИС.
целью настоящей работы является исследование распространения электромагнитных волн в ЦЩЛ и ЗЩЛ и на основании полученных физических результатов уменьшение габаритов и веса ИС мм диапазона фидерной и антенной частей при улучшении общих характеристик ИС и расширении их функциональных возможностей.
Эта цель достигается путем разработки новых ввдов тракта на основе продольно-щелевого цилиндра различной формы поперечного сечения, изучения особенностей распространения в них щелевой электромагнитной волны; построения элементной базы на основе новых щелевых линий.
Впервые о щелевой волне продольно-щелевого цилиндра упоминается в теоретической работе [45] , а ее наолюдение проводилось при разработке щелевых секций волноводных измерительных линий [4б] . До сих пор создатели волноводных измерительных линий продолжают бороться со щелевой волной, увеличивающей погрешность измерений
ы •
В [48,49] проведен теоретический анализ антенн бегущей волны на основе продольно-щелевого кругового цилиндра, возбуждаемого
10
волноводными модами. Исследование практической конструкции типа описанной в [ад] выявили наличие в диаграмме направленности (дн) излучения дополнительного максимума, названного "аномальным” [5(] . Подавить этот максимум не удалось. В [51,52] "аномальный" лепесток связывается с полем излучения щелевой волны продольно-щелевого цилиндра. Удовлетворительных характеристик антенных систем, работающих на щелевой волне [53,54] , добиться не удалось, что связано с недостаточной теоретической обработкой этого вопроса [50-5з] и отсутствием адекватной физической модели.
в [55] построено строгое решение методом Римана-Гильберта [5б] задачи дифракции плоской электромагнитной волны на круговом цилиндре со щелью при произвольных параметрах поляризации и ориентации волнового вектора падающего поля к оси цилиндра, а в [57] проведено сопоставление теоретических [55] и экспериментальных исследований указанной структуры при резонансном возбуждении Н-поляризованной волной.
На защиту выносятся следующие положения и утверждения.
1. Новая миниатюрная, широкополосная и сравнительно с небольшими потерями линия передачи для ИС мм диапазона - ЗЩЛ.
2. Модифицированный метод поперечного резонанса для расчета основных характеристик (дисперсии, волнового сопротивления, диаграммы направлений)ЦЩЛ и ЗЩЛ с произвольной формой поперечного сечения и с учетом конечной толщины экрана .
3. Экспериментальный метод исследования характеристик ЦЩЛ и ЗЩЛ, основанный на применении двухкоординатной измерительной линии, зондовая головка которой выполнена на основе ЗЩЛ.
ц. результаты экспериментального исследования дисперсии и затухания в режимах медленной поверхностной и быстрой вытекающей волны.
5. результаты экспериментального исследования анплитудного рас-
II
пределения компонент поля щелевой волны в различных режимах работы щелевой линии.
6. Распределение поля ВВ в ближней и дальней зонах источника.
7. Результаты исследования связанных щелевых линий и направленных ответвителей на их основе.
8. Конструкция детекторной секции на основе ЗЩЛ; чувствительность детекторного диода, включенного в щелевую линию.
8. Физические принципы построения элементной базы на основе ЦЩЛ (излучателей, волноводно-щелевых переходов (ВЩП), корогко-замыкателей, согласованных нагрузок, резонаторов, фланцевых соединений) и на основе ЗЩЛ (излучателей, ВЩП, короткожамыкагелей, согласованных нагрузок, направленных ответвителей, резонаторов, детекторных секций, фланцевых соединений).
Краткое содержание диссертационной работы.
Глава I. Получены аналитические выражения для основных характеристик щелевой волны в ЦЩЛ, ЗЩЛ, ВППГ, ЩЛ при помощи модификации метода поперечного резонанса. Проведено сопоставление с результатами строгой теории.
п.1.1. Дан краткий обзор основных результатов, полученных на основе строгого решения задачи о распространении электромагнитных волн в экспоненциально-тонком круговом проводящем цилиндре с узкой продольной щелью, заполненном диэлектриком.
п.1.2. Описана модификация метода поперечного резонанса, учитывающего емкость краевого поля щели щелевой линии. Получены в квазистатическом приближении инженерные формулы для дисперсии, эффективной диэлектрической проницаемости £эср , характеристических частот и волнового сопротивления Ев ЦЩЛ произвольной формы поперечного сечения.
п.1.3. С единых позиций (методом поперечного резонанса) иссле-
12
дованы основные характеристики ВВЦ, ЩЛ и ЦЩЛ прямоугольной формы поперечного сечения. Проведено сопоставление этих линий между собой, а также с ЗЩГ. Выявлены основные достоинства ЗГОГ (мало-габаритносгь, широкополосноеть, технологичность). Проведено сопоставление полученных соотношений с результатами расчета этих линий другими (в том числе строгими) методами. Определены пределы применимости метода поперечного резонанса.
п.1.4. Предложена новая линия передачи для ИС мм диапазона -ЗЩЛ. В квазисгагическом приближении подучены инженерные формулы для дисперсии, Схарактеристических частот , затуха-
ния в диэлектрике. Оптимизированы геометрические параметры.
п.1.5. Описаны модификации ЗЩЛ, отличающиеся высокой технологичностью в рамках технологий, разработанных для ДВ и ПЛ; а также модификации, удобные для построения различных функциональных устройотв на их основе, в частности рассмотрены трапециидальная и многощелевая ЗЩЛ. Для ЗЩ7Г полукруглой формы поперечного сечения на основе результатов п.1.1 с учетом п.1.2 получено выражение: для омических потерь.
Глава П. Разработан метод экспериментального исследования и с его помощью изучены основные характеристики лабораторных макетов ЦЩЛ и ЗЩЛ.
п.2.1. Разработана двухкоординагная измерительная линия (ДЮГ) для комплексного исследования ИС на основе щелевых линий передачи. Зондовая головка измерительной линии построена из отрезков ЗЩЛ, что делает ДИЛ адекватным ЦЩЛ и ЗЩЛ измерительным инструментом (по полосе частот, точности определения положения зонда и др.). ДИЛ работает в диапазоне длин волн от 2,5 мм до 12 мм, обеспечивает собственный КСВ 1.15 при динамическом диапазоне в 50 дБ. Двухкоординатный манипулятор обеспечивает ход манипулятора в (25х х80)мм при точности 0,01 мм. Высокие электродинамические характе-
ІЗ
рлстики зондовой головки ДМ связаны с малыми габаритами зонда и высокой чувствительностью детектора на основе ЗЩЛ.‘
п.2.2. Исследованы дисперсионные характеристики ЦЩЛ и ЗЩЛ на основе измерений угла излучения мощности из линии в режиме ВВ и при помощи дИЛ в режимах ВВ и медленной поверхностной волны:. Получено хорошее согласование с результатами п.1.2 и п.1.3.
п.2.3. Проведено измерение величины погонного затухания при помощи ДШІ в различных режимах работы ЦЩЛ и ЗЩЛ. Получено затухание в режиме медленных поверхностных (2*3 ) дБ/м в длинноволновой части мм диапазона и ~ Ю дБ/м в коротковолновой (<5 = 2,25); (потери в ЦЩЛ, ЗЩЛ того же порядка, что и в стандартном прямоугольном волноводе (<£ = I) и на порядок меньше, чем в ПЛ). В режиме ВВ затухание достигает десятков и даже сотен дБ/м, которые определяются в основном потерями на излучение.
п.2.4. При помощи ДМ проведено исследование всех грех компонент поля щелевой волны в различных режимах работы щелевой линии. Показано, что поле щелевой волны имеет как квазистагическую, так и вихревую составляющие, причем первая из них преобладает. Получены империчеокие формулы для эффективных габаритов ЦЩЛ и ЗЩЛ.
Глава Ш. Исследованы характеристики поля щелевой волны в режиме ВВ. Проанализирован процесс излучения ВВ из открытой волноведущей структуры, с которой связано ее распространение на основе исследования поля ВВ в ближней зоне источника.
п.3.1. На основе результатов п.1.2 получены выражения для основных характеристик ЦЩЛ в режиме излучения быстрой вытекающей щелевой волны.
п.3.2. Получено (при помощи ДМ) распределение поля ВВ в ближней зоне источника, что позволило проследить процесс и проанализировать механизм излучения. Экспериментально показано, что от-
14
крыгая волноведущая структура в режиме ВВ способна поддерживать такой же колебательный процесс, как и в случае медленных поверхностных волн, т.е. функция амплитудного распределения ВВ в поперечном сечении открытого волновода спадает на бесконечности так же: быстро, как и в случае медленной волны, из данных результатов видно, что ВВ, являясь собственной волной структуры, вместе с тем составляет часть полного поля, которое существенно только в ограниченном объеме вблизи структуры (хотя существует оно, как и в случае поверхностной волны, во всем пространстве,). Под полным полем следует понимать поле ВВ плюс поле излучения, причем с ростом поперечной координаты именно последнее становится определяющим.
п.3.3. Исследовано распределение поля в переходной зоне и ДН излучения в дальних зонах. Поле излучения вытекает из структуры под черенковским углом к ее продольной оси и образует в дальней зоне практически правильный черенковский конус, что позволяет утверждать о черенковеком механизме образования ВВ из открытой волноведущей структуры.
п.3.4. Исследование формы ДН при различных расстояниях между излучателем и приемной антенной показало, что фазовый центр ДН не совпадает с точкой расположения источника, а размещен на некотором расстоянии от него.
Глава 17. Описаны физические принципы построения и конкретные конструкции различных функциональных элементов на основе ЦЩЛ и ЖИД.
п.4.1. При возбуждении ЦЩЛ и ЗЩЛ необходимо сконцентрировать электромагнитное поле в малом поперечном сечении. Характерное значение его радиуса определяется площадью поперечного сечения щели ~ 0,01/7^. Возбуждение ЦЩЛ и ЗЩЛ производится при помощи
15
направленных ответвителей или излучателей в режиме приема. Для высокоэффективного согласования ЦЩЛ и ЗЩЛ со стандартным прямоугольны!.! металлическим волноводом разработаны волноводно-щелевые переходы (ВШП). Переход осуществлялся через н- и П-образные волноводы. Лучшие образцы переходов имеют собственный КСВ 1,25 в полосе частот 30^. Потери на преобразование составляю т<1 дБ.
п.4.2. Рассмотрены конструкции малогабаритных и высокотехнологичных частотных сканеров мм диапазона, углочасготная чувствительность которых достигает значительных величин, в случае малой длины L < 5/f0щелевой излучатель становится слабонаправленным, а излучение его осевым. При £ ~ I такой излучатель способен перекрыть значительный диапазон в 2*3 октавы. Причем его эффективные габариты могут достигать величины"s?g/lO. Такие малогабаритные излучатели представляют большой интерес в технике фазированных антенных решеток (ФАР).
п.4.3. Теоретически (методом поперечного резонанса) и экспериментально (при помощи ДОТ) исследованы связанные щелевые волны в ЦЩЛ и ЗЩЛ. Построены лабораторные макеты направленных ответвителей поверхностных волн на основе ЗЩЛ.
п.4.4. Рассмотрены различные конструкции короткозамыкающих систем щелевых линий в том числе на основе реактивного закорачивания щели. Достигнуты коэффициенты отражения ~ 0,95. Исследованы характеристики резонаторов на основе ЗЩЛ и ЦЩЛ. Нагруженные добротности созданных лабораторных макетов достигали величины в несколько сотен в коротковолновой части см диапазона и в
длинноволновой части им диапазона.
п.4.5. Предложена конструкция детекторной секции на основе кристаллического детектора, включенного в щель ЗЩЛ. Созданы да-
16
бораторные макеты детекторных секций на основе ЗЩЛ. Чувствительность такой детекторной секции с точечным кристаллическим детектором выше, чем у ее волноводного аналога.
Материалы диссертации неоднократно докладывались на семинаре отдела № II и семинаре отделения № I ИРЭ АН УССР, на конференциях молодых ученых и специалистов ИРЭ АН УССР, на городских, всесоюзных и международных конференциях; трёх статьях ДАН УССР, статья в сборнике "Физика и техника миллиметровых и суб-миллиметровых волн", в двух препринтах.
17
ГЛАВА І. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЩЕЛЕВОЙ ВОЛНЫ ПРОДОЛЬНО-ЩЕЛЕВОГО ЦИЛИНДРА
В главе описывается модификация метода поперечного резонанса для расчета основных характеристик щелевых линий передачи. Получен ряд инженерных формул для дисперсии, волнового сопротивления и затухания в диэлектрике ЦЩІ, ЗЩЛ, ВЩЛ, ЩЛ. Проведено сопоставление с результатами расчета щелевых линий другими, в том числе строгими, методами. С единых позиций проанализированы указанные типы щелевых линий. Определены пределы применимости метода поперечного резонанса.
п.1.1. Волноведущие свойства бесконечно-гонкого
продольно-щелевого цилиндра, (по результатам строгой теории)
Характерной особенностью мм диапазона является тот факт, что Я0 становится сравнимой с геометрическими параметрами препятствий и поперечных сечений передающих трактов, т.е. электромагнитные колебания мм диапазона носят существенно волновой характер. Это требует разработки адекватных конструкций волноведущих структур и ставит проблему построения строгой математической теории для описания электродинамических свойств таких структур [58] .
Построение эффективных методов решения задач дифракции и распространения электромагнитных волн [56,58—бо] , позволило подробно исследовать в волновой (резонансной) области характеристики целого ряда существенно резонансных структур, в частности цилиндрически [55,61-бз] и сферически [б4~67] симметричных незамкнутых экранов.
Таким же образом решены задачи распространения электромагнитных волн в ЦПЩ [38,39] ; особое внимание при этом было уделено
18
щелевой волне, рассмотренная в [38,39] модель ЦЩЛ представляли собой круглый диэлектрический стержень диаметра 2 а с диэлектрической проницаемостью £ , на поверхность которого нанесен экспоненциально тонкий металлический слой, имеющий узкую продольную щель угловой ширины 2 9 . Щелевая волна ЦЩЛ оказывается волной квазимагнитного типа, классифицируется как волна квази- Н00 . Постоянная распространения ее ^Ь.г-х Иг' ) описывается соотношением [38]
Н'г = /2]/4^ + ^(иа) £п''б'1п£ • (1.1)
Соотношению (1.1) отвечают две характеристические длины волны критическая Лир и переходная Л пер , такие, что И'г(Лк.р) =0,
Кг (Л пер ) = /2 , ( /С = Л о ]
Лкр = гяа /(£+1) ЕпЫп11 ; ( 1.2 )
Лпер= 23а!(£-/) £пзЫч ^ * (1.3)
При Л0 <Лпер вдоль ЦЩЛ распространяется медленная поверхностная волна(/?^ >/2) , при Л пер <Ло КЛлер - распространяется быстрая вытекающая (./гг < ^ ).
Структура поля щелевой волны описывается следующими выражениями [41,44]
Ег = ь'г (£- /) 0(2пЛт 9/2);
Нг = ОЛ (^о +Уг0) Хо$(?}(г, ч>)+0(в); ( 1.4 )
~fґп =Jm (pZ)/y>Jm(pa) > Fm-H^lga) /н/} (да) Æo; Tma(-cosQ)[Pm.f (-соъв)-Pm (-0059)1 ,
где J/n, , Pm - функции Бесселя, Ханкеля и полиномы Лежандра, штрих обозначает дифференцирование по аргументу
л о = 9Q = Jb'z “ * *'а ’ У/; -- ра * а /Л'е£ - * 2.
Видно, что продольное магнитное поле квази- Мао-волны сосредоточено в объеме диэлектрического стержня и практически однородно,
а электрическое поле поперечно и сосредоточено на щели [41,44] .
. //
Потери /7 в ЦІЩ определяются тремя факторами: I) загухани-
L "
ем в экране Лs за счет конечной проводимости металла 6 ;
2) затухание в стержне ht за счет конечного значения тангенса угла потерь диэлектрика £gS ; 3) потери мощности на изучение hg„ В случае yiû <Л/7рр Лд - Û (квазистатическое приближение). При
ЭТОМ f*z 9 И /?J » /?/ [41]
Ois (»Б/M) (X.5)
a"- \2zA [г-(ика)г}+ «5)
^ L } J —37ісЩг-
- M)* ân*in і і2УІ+<лІ+УЇ)Єп sLn§1 +
T7e 4 g û Sin [9+ (22-S) ) /2] ] f лК/м
*■ 17 otg 2 ân $in [(j-g) (/■2аг)г/2] j
) ( 1.6 )
20
где Я (в) = т, т *[ Рт-1 (СО50) + Рт (СО$ &)]=~£п(31П £);
4 т~ { с
Ей -■ -425 [Сп (45$ ла) + 0,251: с[*(23)ЧЛоФ \ V-- Ь ,
= 1,7811, - скорость света в вакууме, с12- полутолщина
стенки проводящего экрана.
В случае Л пер <Ла <Л*р , когда Ьд » » /г£' , т.е.
потери в линии определяются излучением
Ьд =0,643 I7* ~к £п~'ЗШ )■ С 1.7 )
И’2 2
Теоретическое значение при у9а <у?лерйоставляет около (2*3) дБ/м ( <5 = 2,25) в длинноволновой части мм диапазона и около (4*-Ю) дБ/м (<5 = 10) [41] . В режиме вытекающей волны Ид может достигать десятков или даже сотен дБ/м.
П.1.2. Модификация метода поперечного резонаноа в теории щелевых линий передачи
Строгие методы решения электродинамических задач, как правило, наиболее точно (в рамках принятой модели) описывают процес-сыУланной электродинамической структуре, однако, они могут изучать только ограниченный класс объектов. Так решение (38,39] применимы для кругового цилиндра с бесконечно-гонкими стенками ( 2о1г — О ). в практических ситуациях не всегда удобна или даже желательна круговая форма диэлектрического стержня, что связано в первую очередь с технологическими особенностями его реализации. Кроме того на практике необходимо учитывать конечную толщину проводящего экрана, расположение диэлектрика, потери в металле и др. Как оказалось [43] , при узких щелях ( б < 10°) даже очень
гонкие экраны (^^^О.О!^) приводят к существенным расхожде-
21
ниям с результатами [З8,3э] .
Рассмотрим линию передачи, отрезок которой приведен на рис.1.1а. Как следует из (1.4) {зв] основной тип колебания (квази- Н0о ) в ЦЩЛ носит ярко выраженный квазистатический характер: а) электрическое поле поперечно и сосредоточено на щели экрана, образующую квазисосредоточенную емкость С0 ; б) продольная составляющая магнитного поля практически однородна в объеме экрана, который играет роль витка индуктивности L0 . Качественная картина поля квази- Н00 моды в ЦЩЛ приведена на рис.I.16 (она соответствует (I.4)). С0 и L0 образуют последовательный колебательный контур (см.рис.1.1вЗ. Поэтому для квази- Ноо волны удобно применить метод поперечного резонанса [24,бв] . С его помощью можно определить основные характеристики ЦЩГ практически произвольной формы поперечного сечения, а также, в отличие от Ьо) .учесть конечную толщину экрана [69] .
Исходя из самых общих представлений, выражение для продольного волнового числа hz можно записать в виде
h'z = j/ кг £эср- м'Лр - / <г £зср - (со2 La Со У\ С 1.8 )
гдесо=уе<г , Кк.р - 2d /J?x.p, £зер - эффективная диэлектрическая проницаемость, учитывающая неоднородность заполнения линии диэлектриком.
В качестве Со в методе поперечного резонанса чаще всего выбирают величину емкости плоского конденсатора Сл - d2 /d,
(где d, - Q-sin 3 ), а емкость краевого поля Ск не учиты-
вают (см.рис.ыв;, что приводит к качественному характеру получаемых в [68] результатов. В исследуемых структурах Ск можно учесть, если предположить, что емкость ЦЩЛ с бесконечно тонким экраном определяется только краевыми полями.