Введение к работе
Актуальность темы. Изучение СВЧ электродинамики волноведущих структур и излучателей с целью создания трактов радиосигналов и антенн для вооружений, военной и специальной техники, систем двойного назначения и гражданских применений является одним из важнейших приоритетов в современной радиофизике. Актуальность таких исследований во многом обусловлена тем, что тактико-технические характеристики создаваемых систем диктуют жесточайшие, зачастую трудно совместимые требования к СВЧ устройствам и антеннам.
Требуется стабильность амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик в существенно расширенных полосах рабочих частот компактных устройств и антенн. Осваиваются новые частотные диапазоны, причем не только в сторону увеличения частот до КВЧ диапазона миллиметровых длин волн, но и в низкочастотной области спектра СВЧ, в части применения объемных высокодобротных волноводных устройств -вплоть до L-диапазона в условиях необходимости обеспечения их малых габаритов и веса для построения систем мобильной связи следующего поколения. Развивающиеся технологии пассивных систем радиочастотной идентификации RFID и сенсорных сетей обуславливают целый ряд конструктивных и схемотехнических ограничений для создаваемых транспондеров, которые также требуют новых технических решений. Особую весомость в последние годы приобретают стоимостные требования, причем эта проблема принимает критический характер не только в области гражданских применений, но и при создании военной и специальной техники, где прежде технические характеристики превалировали.
Традиционные технические решения часто не обеспечивают удовлетворения отмеченных выше возрастающих требований. Поэтому большое внимание стало уделяться поиску эффективных подходов к созданию новых типов устройств и антенн. Данная работа и посвящена реализации единого феноменологического подхода к созданию целого ряда новых компактных антенн и устройств СВЧ. Феноменология подхода здесь понимается как своеобразный «посредник» между строгой теорией и экспериментом (в том числе численным, по адекватной модели). При этом создание новаторских СВЧ волноведущих устройств и антенн обусловлено пониманием и точным расчетом требуемой структурной функциональности распределения электромагнитного поля для обеспечения заданных характеристик.
Исходя из этого, исследование в рамках единого феноменологического подхода волновых явлений для обеспечения структурной функциональности распределения поля в широком классе создаваемых волноведущих и излучающих структур является актуальным. Соответственно, актуальным представляется также построение моделей электродинамического уровня строгости, как инструмента для точного расчета распределения поля в исследуемых волноведущих структурах.
Цель и задачи диссертационной работы. Главной целью диссертации является развитие целостного феноменологического подхода к созданию компактных СВЧ устройств и антенн на основе анализа структурной функциональности распределения поля, включающее исследование особенностей электродинамики в новых волноведущих и излучающих структурах.
Для достижения поставленной цели потребовалось выработать модельный инструментарий исследования и собственно создать целый ряд СВЧ устройств и антенн, удовлетворяющих актуальным жестким требованиям, что мотивировало постановку и решение следующих задач:
построение универсальных электродинамических моделей, позволяющих исследовать и разрабатывать широкий круг разнообразных пассивных СВЧ устройств, представимых в виде рекомпозиции волноводных неоднородностей типа сдвигов, стыков и разветвления прямоугольных волноводов заполненных диэлектриком, стыков волноводов со слоистым диэлектрическим заполнением, продольных ленточных металлических диафрагм;
- создание и исследование таких волноводных устройств, как
трансформаторов и переходов между различными типами линий передачи, а
также волноводных гермовводов и фазовращателей, в т.ч. принципиально
новых;
создание и исследование различных волноводных полосно-пропу екающих фильтров и диплексеров: на сдвигах волноводов, на трехмодовых волноводных резонаторах, выполненных по INWATE технологии, а также квазипланарных, в т.ч. на запредельных волноводных резонаторах;
- предложение новой концепции и реализация компактных планарных
антенн с оригинальной конфигурацией концевой реактивности и с
распределенной реактивной нагрузкой;
реализация компактных интегральных транспондеров с полупроводниковым электронным чипом, непосредственно включенным в предложенные излучатели антенн;
- исследование таких эмерджентных аспектов создания транспондеров,
как непосредственное комплексно сопряженное согласование излучателя с
существенно комплексным импедансом электронного чипа и адекватная
характеризация чипа и антенны, анализируемых нераздельно от
транспондера, с учетом электромагнитного влияния особенностей монтажа
ректенн методом flip-chip (перевернутый кристалл).
Научная новизна диссертационной работы. Новизна определяется тем, что главные результаты, положенные в основу диссертации получены нами впервые и состоит в следующем:
1. В отличие от доминирующего в настоящее время традиционного подхода к созданию СВЧ устройств и антенн, основанного на применении уже известного набора структурных фрагментов и их комбинаций (описываемых преимущественно эквивалентными схемами), главная идея
нашего феноменологического подхода заключается в том, что концепция волноведущих устройств и антенн должна быть непосредственно «подсказана» требуемым и точно рассчитанным электродинамическим распределением поля для выполнения тех или иных функций, что и приводит к формированию новой геометрии как структурных фрагментов, так и их конструктивных композиций - устройств и антенн.
2. Разработаны универсальные и в то же время эффективные
электродинамические модели широкого класса волноводных
неоднородностей типа сдвигов, стыков, разветвлений прямоугольных
волноводов, стыков волноводов со слоистым диэлектрическим заполнением,
продольных ленточных металлических диафрагм. Высокая эффективность и
точность предложенных моделей достигнуты, прежде всего, благодаря
применению метода Галеркина с базисными функциями, учитывающими
априорную информацию о характере поведения электромагнитного поля
вблизи металлических либо диэлектрических структурных ребер. Так, для
задач формулируемых в пространственной области, в качестве базисных
выбраны взвешенные полиномы Гегенбауэра, а для задач решаемых в
спектральной области - функции Бесселя. Кроме того, для задач в
спектральной области эффективность метода также повышена внедрением
оригинального численно-аналитического способа вычисления характерных
интегралов метода с использованием теории вычетов, что позволило
исключить необходимость прямого численного интегрирования.
3. На основе строгого электродинамического моделирования
исследованы такие направляющие волноводные устройства, как ступенчатые
трансформаторы на прямоугольных волноводах, в т.ч. немонотонные,
ступенчатый переход с одномодового на многомодовый прямоугольный
волновод, прямоугольные волноводные гермовводы, переход с
прямоугольного волновода на микрополосковую линию, волноводный
фазовращатель с диэлектрической вставкой, переход с гребневого волновода
на коаксиальную линию.
-
На основе строгого электродинамического моделирования проведено исследование и сравнительный анализ таких частотно-селективных устройств, как фильтров и диплексеров выполненных по INWATE технологии, в т.ч. на Е- и Н-плоскостных сдвигах волноводов и трехмодовых резонаторах, а также квазипланарных Е-плоскостных фильтров и диплексеров с цельнометаллическими и диэлектрическими вставками, в т.ч. на индуктивных полосках в волноводах с распространяющейся основной модой и на емкостных продольных диафрагмах в запредельных волноводах.
-
Предложены и реализованы два новых типа планарных излучателей: с оригинальной конфигурацией концевой реактивности и с распределенной реактивной нагрузкой. Принцип действия обоих типов излучателей позволяет строить их как в щелевом исполнении, так и в дуальном ему вибраторном (дипольном) виде комплиментарных полосковых излучающих конфигураций. Предложенная структура излучателей позволяет возбуждать их различными способами, например копланарным либо микрополосковым
фидером, а также путем непосредственного включения полупроводникового электронного чипа в излучатель.
6. Предложены и реализованы новые интегральные планарные
транспондеры для компактных меток систем пассивной радиочастотной
идентификации и сенсорных сетей. На основе анализа особенностей создания
и функционирования пассивных систем радиочастотной идентификации УВЧ
и СВЧ диапазонов выделена новая проблема обеспечения эмерджентных
свойств при интеграции полупроводникового чипа в антенну с
формированием ректенны (антенны-выпрямителя) для построения пассивных
транспондеров.
7. В конечном счете, новизна работы доказана созданием на основе
предложенного единого подхода обширного ряда запатентованных в России,
США, ЕС, Японии и Южной Корее новаторских компактных СВЧ устройств
и антенн с актуальными рекордными характеристиками.
Совокупность новых научных результатов, приведенных в диссертации, можно квалифицировать, как решение крупной научной проблемы радиофизики - развитие целостного феноменологического подхода к созданию компактных СВЧ устройств и антенн на основе анализа структурной функциональности распределения поля, включающее исследование особенностей электродинамики в новых волноведущих и излучающих структурах.
Научная и практическая значимость диссертационной работы.
Научная значимость заключается в концептуальном развитии и реализации феноменологического подхода к созданию компактных СВЧ устройств и антенн на основе анализа структурной функциональности распределения поля. Большую теоретическую и практическую ценность представляет также создание моделей электродинамического уровня строгости и соответствующих программных комплексов, как инструмента для точного расчета распределения поля в исследуемых волноведущих структурах.
Несомненную практическую ценность представляет внедрение созданных на основе предложенного подхода новаторских устройств и антенн с актуальными рекордными характеристиками в реальные системы различного назначения. Важно отметить не только применения в военной и специальной технике, разрабатываемой и производимой в Федеральном научно-производственном центре ФГУП «РНИИРС» (Ростов-на-Дону) и компании LG Innotek Co., Ltd. (Южная Корея), но и успешное массовое производство в составе продукции гражданского назначения компанией Samsung Electronics Co., Ltd. (Южная Корея). Внедрение результатов подтверждено соответствующими документами.
Достоверность результатов диссертации.
Достоверность теоретических результатов обеспечена: строгостью электродинамических моделей, корректностью упрощающих допущений, внутренней сходимостью решений, соответствием результатов расчета эксперименту.
Достоверность экспериментальных результатов обеспечена: применением прецизионного технологического оборудования для изготовления, использованием новейших высококлассных измерительных приборов, обоснованными методиками измерения, воспроизводимостью полученных результатов.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Электродинамические методы решения двумерных и трехмерных векторных дифракционных задач для получения отличающихся универсальностью и эффективностью дескрипторов волноводных неоднородностей типа сдвигов, стыков и разветвления прямоугольных волноводов заполненных диэлектриком, стыков волноводов со слоистым диэлектрическим заполнением, продольных ленточных металлических диафрагм. Дескрипторы неоднородностей рассматриваются принципиально многомодовыми, поскольку находятся с целью дальнейшей рекомпозиции в модели для широкого круга разнообразных пассивных СВЧ устройств. Каждый дескриптор позволяют находить исчерпывающий «отклик» на падение любой из собственных мод регулярных участков волноводов.
-
Совокупность новых физических результатов, полученных при электродинамическом исследовании ступенчатых немонотонных трансформаторов на прямоугольных волноводах, в т.ч. перехода с одномодового на многомодовый прямоугольный волновод; прямоугольных волноводных гермовводов; переходов с прямоугольного волновода на микрополосковую линию; волноводных фазовращателей с диэлектрической вставкой; перехода с гребневого волновода на коаксиальную линию.
-
Совокупность новых физических результатов, полученных при электродинамическом исследовании и сравнении фильтров и диплексеров выполненных по INWATE технологии, заполненных новыми типами керамических материалов с высокими значениями диэлектрической проницаемости (є ~ 82) и малыми потерями (tan~ 0,0007), в т.ч. на Е- и Н-плоскостных сдвигах волноводов и трехмодовых резонаторах; а также квазипланарных Е-плоскостных фильтров и диплексеров с цельнометаллическими и диэлектрическими вставками, в т.ч. на индуктивных полосках в волноводах с распространяющейся основной модой и на емкостных продольных диафрагмах в запредельных волноводах.
4. Принцип действия новых типов планарных излучателей: с
оригинальной конфигурацией концевой реактивности и с распределенной
реактивной нагрузкой, позволяющий строить их как в щелевом исполнении,
так и в дуальном ему вибраторном (дипольном) виде комплиментарных
полосковых излучающих конфигураций. Новый способ построения
компактных и малых планарных излучателей отличается конфигурированием
концевой реактивности или распределенной реактивной нагрузки таким
образом, что изменение структуры поля в ближней зоне поддерживает
резонансные свойства излучателя, а уникальное распределение токов по всей
структуре излучателя формируется так, что эффективная площадь
увеличивается. При этом оригинальное распределение токов по излучателю
осуществляется таким путем, что нежелательный вклад в излученное поле дальней зоны автоматически погашается, а вклад сонаправленных токов успешно утилизируется.
-
Совокупность новых физических результатов, полученных при исследовании интегральных планарных транспондеров для компактных меток систем пассивной радиочастотной идентификации - устройств с полупроводниковым электронным чипом, непосредственно включенным в излучатель антенны. На основе анализа особенностей создания и функционирования пассивных систем радиочастотной идентификации УВЧ и СВЧ диапазонов выделена новая проблема обеспечения эмерджентных свойств при интеграции полупроводникового чипа в антенну с формированием ректенны (антенны-выпрямителя) для реализации пассивных транспондеров.
-
Ряд новых запатентованных и реализованных компактных СВЧ устройств и антенн, созданных по предложенному в диссертации единому подходу.
Личный вклад автора. Результаты, составляющие основу диссертации, получены автором лично. В опубликованных работах по теме диссертации с отечественными соавторами автору диссертации принадлежат постановка задач, разработка электродинамических моделей и соответствующих компьютерных программ, проведение численных исследований, анализ и интерпретация полученных теоретических и экспериментальных результатов. Роль зарубежных соавторов заключается в технологическом обеспечении реализации предложенных автором устройств и антенн, а также в технической помощи при организации экспериментов.
Апробация результатов работы. Основные результаты исследований, приведенных в диссертации, представлены и обсуждались на ведущих международных отечественных и зарубежных конференциях и симпозиумах:
- IEEE International Symposium on Antennas and Propagation, AP-S2008,
San Diego, California, USA, July 5-11, 2008 (приглашенный доклад)
- 37 European Microwave Conference 2007, EuMW2007, Munich,
Germany, October 8-12, 2007
-101 European Conference on Wireless Technology 2007, ECWT2007, Munich, Germany, October 8-12, 2007
36 European Microwave Conference 2006, EuMW2006, Manchester, UK, September 10-15,2006
IEEE International Symposium on Antennas and Propagation, AP-S2006, Albuquerque, New Mexico, USA, July 9-14, 2006 (приглашенный доклад)
35th European Microwave Conference 2005, EuMW2005, Paris, France, October 3-7, 2005
International Symposium on Antennas and Propagation, ISAP2005, Seoul, Korea, August 3-5, 2005 (приглашенный доклад)
- IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and
USNC/URSI National Radio Science Meeting, AP-S2005, Washington DC, USA,
July 3-8, 2005
Millimeter-Wave International Symposium - Topical Symposium on Millimeter Waves, MINT-MIS2005 I TSMMW2005, Seoul, Korea, February 24-25,2005
Asia-Pacific Microwave Conference, APMC2004, New Delhi, India, December 15-18,2004
Asia-Pacific Microwave Conference, APMC2003, Seoul, Korea, November 4-7, 2003 (приглашенный доклад)
33 European Microwave Conference 2003, EuMW2003, Munich, Germany, October 7-9, 2003
- 32th European Microwave Conference 2002, EuMW2002, Milan, Italy,
September 23-27, 2002
91 International Symposium on Antenna Technology and Applied Electromagnetics, ANTEM2002, Montreal, Canada, July 30 - August 2, 2002
IEEE Radio and Wireless Conference, RAWCON2001, Boston, USA, August 19-22, 2001
Asia - Pacific Radio Science Conference, AP-RASC'Ol, Tokyo, Japan, August 1-4, 2001
Asia-Pacific Microwave Conference, APMC2000, Sydney, Australia, December 3-6, 2000
- International Symposium on Antennas and Propagation, ISAP2000,
Fukuoka, Japan, August 21-25, 2000 (приглашенный доклад)
XXVIII Moscow International Conference on Antenna Theory and Technology, September 22-24, 1998, Moscow, Russia
URSI International Symposium on EM Theory, Thessaloniki, Greece, May 25-28, 1998
- KEES, Korea Electromagnetic Engineering Society Conference,
Chanweon, Korea, June, 1997
Conference on Microwave Technology and Wave Propagation, Seoul, Korea, May, 1997
TBSR Symposium on Applied Electromagnetism, Metsovo, Greece, April 17-20, 1996
URSI International Symposium on EM Theory, St.Petersburg, Russia, May 23-26, 1995
Всесоюзный научный семинар "Математическое моделирование и применение явлений дифракции", МГУ, Москва, 1990
10-й Всесоюзный семинар по методам решения внутренних краевых задач электродинамики, Вильнюс, Литва, 1988
Основные публикации. Содержание диссертации опубликовано в 81 печатной работе, включая 30 работ в изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования научных результатов диссертаций. По теме диссертации опубликовано 30 патентов в России, США, ЕС, Японии и Южной Корее.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения и списка литературы. Работа содержит 262 страницы, включая 136 иллюстрации, 13 таблиц и 200 наименований списка литературы.
