Введение к работе
Актуальность темы. Волноводные конструкции с круглыми и кольцевыми отверстиями связи составляют важный класс СВЧ-устройств. Благодаря технологической простоте изготовления отверстий такие конструкции широко распространены. Актуальность темы подтверждается значительным числом публикаций в отечественной и зарубежной литературе. Отдельные задачи были решены исследователями, использующими частные подходы. В диссертационной работе данный класс устройств рассмотрен с единых позиций, что позволяет говорить о методической и алгоритмической завершенности этого направления в технике СВЧ. Разработаны метода анализа ступенчатых торцовых соединений волноводов (круглого, коаксиального, прямоугольного, волновода Флоке) с круглыми или кольцевыми апертурами в плоскостях соединения волноводов. В результате применения универсального рассмотрения' получен "конструктор", деталями которого служат собственные и взаимные проводимости в элементарных задачах, из которых "собирается" матрица проводимостей всего исследуемого устройства.
Учет условия на ребре в задачах дифракции на апертурах позволяет существенно улучшить сходимость решения и получить высокоточный результат с небольшим количеством базисных функций. В диссертационной работе для круглой апертуры применен Оазис из взвешенных полиномов Якоби. Веса полиномов учитывают условие на ребре. Предложены методы аналитического вычисления возникающих интегралов, действенные для симметричного и несимметричного возбуждения круглой апертуры.
Актуальной для практики является задача определения электромагнитных параметров материалов. Электродинамическая модель ступенчатого соединения коаксиальных волноводов применена в системе определения є* и ц* материала, заполняющего коаксиальный резонатор.
В практической деятельности часто возникает задача достижения согласования коаксиального и круглого волноводов. В диссертационной работе построена адекватная математическая модель соединения коаксиального и круглого волноводов, для согласования которого выдвигается тонкий внутренний проводник коаксиального волновода в круглый волновод.
Применение фазированных антенных решеток (ФАР) из комбинированных элементов позволяет осуществлять управление взаимным влиянием с целью достижения широкоугольного согласования, что слабо изучено. В диссертационной работе исследуются ФАР, в элементарной ячейке которых находятся круглый волновод и короткозамкнутые волноводы.
Цель работы. Разработка математических моделей ступенчатых торцовых соединений волноводов со связями через круглые и кольцевые отверстия. Учет условия Мейкснера на ребре в задачах с круглыми апертурами связи. Разработка математического обеспечения для системы определения электромагнитных параметров материала в коаксиальном резонаторе по измеренным коэффициентам отражения и прохождения в питающих коаксиальных волноводах. Исследование соединения коаксиального и круглого волноводов с выдвинутым внутренним проводником коаксиального волновода. Разработка математических моделей ФАР комбинированных элементов, включающих круглый волновод и короткозамк-нутые прямоугольные волновода или короткозамкнутый коаксиальный волновод. Решение задачи излучения круглой (кольцевой) апертуры в полупространство над идеально проводящей плоскостью.
Методы исследования. Математические модели разработаны на электродинамическом уровне с учетом высших мод, возбуждаемых на нерегулярностях. На основании принципа эквивалентности в апертурах вводились поверхностные магнитные токи, эквивалентные тангенциальному электрическому полю. Из условия непрерывности тангенциального магнитного поля в апертурах записывались системы интегральных уравнений, решаемые методом Галеркина. В качестве базисных Функций использовались векторные собственные функции апертур. Для круглой апертуры рассмотрено также применение взвешенных полиномов Якоби, удовлетворяющих условию на ребре. На тонком внутреннем проводнике коаксиального волновода, выступающем в сопредельную область, вводился поверхностный электрический ток и записывалось интегральное уравнение электрического поля.
Обоснованность научных положений и достоверность результатов. Для разработки математических моделей использованы апробированные методы решения электродинамических задач. О правильности работы вычислительных программ свидетельствуют сравнения результатов расчетов различных устройств, полученных с помощью созданных программ, с результатами других исследователей и экспериментов.
Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Разработаны универсальные методы анализа ступенчатых торцовых соединений волноводов (круглого, коаксиального, прямоугольного, волновода Флоке) с круглыми или кольцевыми апертурами в плоскостях соединения волноводов, позволяющие с высокой точностью рассчитать характеристики сложных устройств.
-
Разработан метод учета условия Мейкснера на ребре в задачах с круглыми апертурами связи при произвольном возбуждении апертуры.
-
Разработано математическое обеспечение для системы определения комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей материала в коаксиальном резонаторе по измеренным коэффициентам отражения и прохождения в питающих коаксиальных волноводах.
-
Построена математическая модель аксиально-симметричного соединения коаксиального и круглого волноводов, в которой выступающий внутренний проводник коаксиального волновода учитывается путем введения на нем поверхностного электрического тока и записи интегрального уравнения з условия равенства нули тангенциального электрического поля.
-
Разработаны математические модели ФАР комбинированных элементов, включающих круглый волновод и короткозамкнутые прямоугольные волноводы (короткозамкнутый коаксиальный волновод).
-
Разработан эффективный метод расчета характеристик волновода, излучающего в полупространство над идеально проводящей плоскостью.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в созданных алгоритмах и программных комплексах, предназначенных для автоматизированного проектирования антенно-волноводных устройств с круглыми и кольцевыми апертурами.
Внедрение. Результаты диссертационной работы в виде прикладных программ внедрены в НЖ Авиационного оборудования (г.Жуковский) и на кафедре радиопередающих устройств Московского энергетического института, о чем имеются 2 акта о внедрении.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном научно-методическом семинаре Высшей школы по прикладной электродинамике, Москва, 1990; научно-технической конференции "Перспективы развития антенно-фидерной техники и ее элементной базы", Суздаль, 1992; Международном научном семинаре "Электродинамика периодических и нерегулярных структур" при секции НТО РЭС им. А.С.Попова (134-е засела--ние, 1993).
Публикации. По теме диссертации опубликовано б печатных работ, j^ статыг находятся в печати.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и четырех приложения. Работа содержит 193 страницы, из них 46 страниц рисунков и