Функциональные узлы на полуэкранированных диэлектрических волноводах Крутских Владислав Викторович

Содержание к диссертации

Введение

Глава.1. Постановка задачи и обзор литературных сведений 22

1.1. Анализ состояния 22

1.1.1. Начала открытия диэлектрических волноводов 22

1.1.2. Начала технических приложений 23

1.1.3. Динамика числа публикаций в последние годы 24

1.1.4. Новое направление в технике диэлектрических волноводов (ДВ) 24

1.2. Объект исследования 25

1.2.1. Обликовые признаки объекта 26

1.2.2. Динамика развития представлений о ПЭДВ 27

1.2.3. Многолетнее затишье в исследовании ПЭДВ 29

1.2.4. Патентный «бум» в области ПЭДВ и устройств на них 30

1.2.5. Состояние базы знаний в области ПЭДВ и устройств на них 32

1.3. Объекты проектирования 34

1.3.1. Классы функциональных узлов 34

1.3.2. Описание функциональных узлов на ПЭДВ 35

1.4.Выводы и анализ состояния проблемиы 36

Глава.2. Анализ проблемной области и формулировка концепции и гипотез исследования 37

2.1. Явления взаимодействия ДВ с анизотропной многомодовой диспергирующей средой 38

2.1.1. Описание технологии решения 38

2.1.2. Явления в системе «ДВ и неоднородная среда» 39

2.1.3. Необходимые свойства модели неоднородной среды 42

2.1.4. Матрица взаимодействий (MB) и ее свойства 43

2.1.5. MB и явления взаимодействия 46

2.2. Явления в регулярных ПЭДВ 49

2.2.1. Собственные волны и критические частоты 49

2.2.2. Замедление собственных волн и явления поляризационного вырождения 50

2.2.3. Поляризация полей собственных волн 51

2.2.4. Потери (затухание) основных волн 52

2.2.5. Явления вытекания и преобразования размерности волн 53

2.3. Явления на нерегулярных участках 54

2.3.1. Устройства с плавными нерегулярностями 55

2.3.2. Устройства с резкими нерегулярностями 55

2.3.3. Дискретные включения 56

2.3.4. Протяженные металлические включения 58

2.3.5. Планарные элементы: преобразования волн на краях 59

2.4. Связь близко расположенных ДВ 60

2.4.1. Распределенная связь в технике открытых ДВ 61

2.4.2. Возможности улучшения показателей качества узлов на ПЭДВ и ограничивающие факторы 62

2.4.3. Некоторые возможности преодоления противоречий 63

2.5. Резонансные явления 64

2.5.1. Полуэкранированные диэлектрические резонаторы (ДР) 64

2.5.2 Традиционные облики диэлектрических резонаторов и колебания в них 65

2.5.3. Специфические облики полуэкранированных ДР (ПЭДР) 69

2.5.4. Необходимо ли условие «запрсдельности»? 70

2.5.5. Вырождение собственных колебаний в ПЭДР и меры борьбы с ним71

2.6. Соединения на диэлектрических волноводах (ДС) 73

2.6.1. Уникальность свойств соединений на ОДВ 73

2.6.2. Физические обоснования свойств согласованности и направленности ДС 74

2.6.3. Сохранятся ли уникальные свойства соединений при введении проводящих пластин? 75

2.6.4. Можно ли создать согласованные и развязанные соединения на ПЭДВ? 76

2.6.5. Облики ПЭДС с произвольной топологией 79

2.7. Краткие выводы по главе 2 80

Глава.3. Параметрическое моделирование явлений, волноводов и узлов 81

3.1. Описание принятого в работе подхода 81

3.2. Критические условия и спектр волн в регулярном ПЭДВ 85

3.2.1. Критические условия по волнам ПлДВ 85

3.2.2. Критические условия по переотражению между пластин 86

3.2.3. Критические условия по волнам излучения 87

3.2.4. Области существования волн ПлДВ 89

3.2.5. Диапазоны рабочих частот волн ПЭДВ 89

3.3. Дисперсионные характеристики и структуры полей волн в ПЭДВ 94

3.3.1. Коэффициенты замедления рабочей волны в ПЭДВ 94

3.3.2. Коэффициенты замедления высших LHm\ волн в ПЭДВ 97

3.3.3. Коэффициенты замедления высших LH}n волн в ПЭДВ 97

3.3.4. Дисперсионные характеристики рабочей волны ПЭДВ 100

3.3.5. Эффективное замедление волн в ПЭДВ 105

3.4. Энергетические характеристики и затухание 110

3.4.1. Распределение потока энергии в сечении ПЭДВ 111

3.4.2. Эффективное сечение волноводов 113

3.4.4. Максимальные передаваемые мощности по электрическому пробою 116

3.4.5. Максимальные передаваемые мощности по тепловому пробою... 118

3.4.6. Поляризационное затухание 122

3.4.7. Омическое затухание 127

3.5. Распределенная связь ПЭДВ 135

3.6. Комплекс программ для моделирования и анализа устройств на ПЭДВ138

3.6.1. Современное состояние программных комплексов 138

3.6.2. Особенности применение баз данных 140

3.6.3. Пример реализации субмодуля 143

Глава 4. Экспериментальные исследования 146

4.1. Цели экспериментального исследования 146

4.2. Выбор технологии работы и диапазона частот 147

4.2.1. Обоснование выбора технологии работы 147

4.2.2. Обоснование выбора диапазона частот 148

4.3. Описание экспериментальной установки 149

4.4. Описание экспериментальных макетов 151

4.4.1. Установка (макет №1) для исследования полуэкранированных диэлектрических резонаторов 151

4.4.2. Комплект элементов (макет №2) для исследования полуэкранированных диэлектрических волноводов 152

4.4.3. Прецизионные элементы (макет №3) для исследовании ПЭД Ви ПЭДУ 153

4.5. Основные экспериментальные результаты 154

Глава 5. Выводы и рекомендации: новые возможности КВЧ функциональных узлов в технологии ПЭДВ 156

5.1. Проектная постановка задачи: от изменения облика к изменению области нехудших решений 156

5.2. Описание научной задачи на языке явлений и эффектов. 157

5.2.1. Возникновение токов проводимости и омические потери 158

5.2.2. Изменение распределений энергии и поляризационных потерь 158

5.2.3. Изменение замедлений волн и радиационных потерь 159

5.3. Параметрическая модель и ее возможности 159

5.4. Многокритериальный выбор типа волны 160

5.4.1 Выбор номера волны 160

5.4.2. Альтернативы выбора поляризации рабочей волны 161

5.4.3. Токи проводимости и омические потери 162

5.4.4. Токи поляризации и поляризационные потери 162

5.4.5. Модель внешней среды 164

5.4.6. Излучение в пространство между ПП 166

5.4.7. Обмен радиационного затухания на продольные габариты ФУ 168

5.5. Неизлучающие диэлектрические волноводы и резонаторы 169

5.5.1. Условия реализуемости явления «запирания излучения» 169

5.5.2. «Много вол новость» неизлучающих ПЭДУ 170

5.5.3. «Самофильтрация» нерабочей волы типа ЕН 171

5.6. Некоторые механизмы излучения из «неизлучающих узлов» 171

5.7. Краткие выводы по главе 5 172

Заключение 173

• Состояние базы знаний в области ПЭДВ и устройств на них
• Можно ли создать согласованные и развязанные соединения на ПЭДВ?
• Максимальные передаваемые мощности по электрическому пробою
• Условия реализуемости явления «запирания излучения»

Введение к работе

1 Актуальность работы

Актуальность представляемой диссертационной работы следует из истории развития физики и техники диэлектрических волноводов (ДВ) и определяется сочетанием факторов этого процесса именно в настоящее время.

1. Поиск, исследование и внедрение в практику проектирования радиосистем и устройств новых типов волноводов - и в качестве линий передачи (ЛП) сверхвысоких частот и как элементной базы функциональных узлов (ФУ) - постоянно стимулируется многолетней тенденцией развития радиотехники - повышением рабочих частот в ответ на возрастающие требования практики к быстродействию, информационной емкости и разрешающей способности систем и устройств.

2. Диэлектрические волноводы (ДВ) появились в этом ряду в ходе освоения радиотехникой миллиметрового диапазона волн (ММД) - процесса, в который кафедра Основ радиотехники МЭИ по инициативе акад. В.А. Котельникова активно включилась во второй половине 1950-х годов. ДВ позволяют уменьшить потери, упростить и удешевить производство и расширить функциональные возможности в сравнении с металлическими волноводами (MB). Один из примеров - волноводы серии ПДВ (Взятышев В.Ф., Рябов Б.И., Рожков Г.Д., Солодухов В.В. и др.) и ФУ на их базе (более 50 изобретений и зарубежных патентов).

3) Расширение областей применения радиосистем ММД (измерители
скоростей и расстояний, системы связи и передачи информации, широкий
комплекс физико-технических и промышленных измерений) предъявляет все
более широкие требования к ФУ для них. Новые возможности для удовле
творения новых потребностей открывают расширение пространства принци
пов действия, структур и конструкций ЛП, резонаторов и ФУ, а также инте
гральный подход к проектированию и производству ММД элементов, узлов и
целых интегральных схем (ИС). Вот ключевые шаги изобретений и разрабо
ток в этом движении:

Отражательные (зеркальные) ДВ (King D., Рябов Б.А.).

Н-образный волновод (Я-ДВ: Cohn S., Tisher F., Гутцайт Э.М.), состоящий из прямоугольного диэлектрического стержня между двумя параллельными проводящими плоскостями (ПП), облик которого имеет сходство с буквой «Н».

Полосковые ДВ на разных видах подложек (Knox R., Toulios P., Mar-catily E., Mittra R., Itoh Т., McLevige W., Мурмужев Б.А.) и ФУ с пла-нарными диэлектрическими элементами (Подковырин СИ.).

Диэлектрические резонаторы (ДР) на азимутальных колебаниях (Доб-ромыслов B.C., Раевский Г.П., Кушел|:вр&<ЗД_А|доі(яявді^]}. и др.).

о»

_232J

Диэлектрические ИС (ДИС) объемного формообразования (Орехов Ю.И., Колдаев А.В. и мн. др.).

ДИС на основе диэлектрического щелевого волновода - ДЩВ (Банков С.Е., Родионова Е.В., Дупленкова М.Д.).

4. Мощный толчок к развитию физики и техники ДВ дали пионерские работы двух японских исследователей - Йонеяма Т. и Нишида С. из университета Тохоку. Они в 1981 году первыми обнаружили возможность реализации Я-ДВ явления неизлучения (ЯН), хотя такой по конструкции волновод изучался до них в течение 25 лет. Отличающийся от известного только режимом работы, волновод с ЯН был назван его «новооткрывателями» неизлу-чаюшим ДВ (НДВ - nonradiative dielectric guide - NRD-G). Мы ставим задачу изучения этого ДВ в более широкой области режимов, типов волн и реализуемых в нем явлений - и будем называть его полуэкранированным ДВ (ПЭДВ).

5. История становления знаний и технологий Я-ДВ - НДВ - ПЭДВ полна, как это часто бывает, не только неожиданных открытий, но также и искренних заблуждений:

В конце 1950-х и в 1960-х годах исследователи стремились получить минимальное линейное затухание и максимальные передаваемые мощности. Для этого расстояние между ІШ g они стремились сделать побольше. При этом ЯН, возникающее при g, меньших, чем полволны, просто не заметили.

Удивительно, но за 19 лет после открытия НДВ появились единицы научных статей. Наиболее значительная из них - работа Олинера, показавшая, что зазор между ДВ и ПП может вызывать значительное вытекание. Основное развитие пошло в направлении изобретения и патентования новых обликов - появилось более сотни патентов на различные ФУ на НДВ.

Пионеры НДВ, обсуждая свои экспериментальные результаты, писали только о явлении отражения от нерегулярных участков. Они даже не упоминали о преобразовании волн. А ведь одновременно с рабочей волной ІЯц в НДВ всегда распространяются волны LE\\ и LE_w. Только в 21 веке Боон А, By К., Кассиви И. и Десланд Д. показали, что на ісюме (а значит, и на изгибах, и на участках распределенной связи!) возникает интенсивное (вплоть до почти полного) преобразование волны LH_n в волну LE_U

Создание информационного обеспечения НДВ-ПЭДВ находится в самом начале пути. Разные авторы анализируют разные параметры волноводов и устройств, используют разные методы, результаты приводят часто в графической форме и в разных диапазонах значений параметров.

У Мы почти не встретили также попыток обобщения множества разрозненных, порой даже противоречивых, фактов, данных и знаний. Это весьма затруднило наше первоначальное понимание проблемы. В области НДВ-ПЭДВ явно не хватает физических и концептуальных обобщений.

Из всего сказанного следует, что ФУ на ПЭДВ имеют значительные перспективы. По всей видимости, такие узлы в состоянии удовлетворить многие современные потребности техники. В то же время явления и процессы в них более сложны и многообразны, чем в известных и хорошо исследованных конструкциях MB и ДВ, особенно работающих в одноволновом режиме.

Для реализации прогнозируемых возможностей ПЭДВ актуально необходимы дополнительные исследования - как теоретические и экспериментальные, так и особенно на уровне физических обобщений. Одним из них и является представляемая работа.

2. Цели диссертационной работы

1. Исследовать электродинамические процессы и явления, происходящие в радиоэлектронных узлах и устройствах сверхвысоких и крайне высоких частот, которые можно выполнить на основе ПЭДВ.

2. Изучить физические закономерности этих явлений и свойства устройств, которые уже созданы и особенно которые могут быть созданы на основе ПЭДВ. Получить их параметрические модельные описания в широкой области конструкций, параметров и режимов работы.

3) Создать понятийное, программное и информационное обеспечение для
процесса проектирования функциональных узлов и элементов инте
гральных схем на базе ПЭДВ и для оптимизации их конструкций и ре
жимов по совокупности показателей качества

3 Методы исследования

Теоретическая часть работы основана на строгих методах прикладной электродинамики. Физические обобщения опираются на мировую базу знаний в теории СВЧ полей и направляемых волн, а также на многолетний опыт в изучении ДВ, накопленный в научных школах кафедр ОРТ и КПР МЭИ.

Многие количественные результаты сопоставлены с известными до нас частными решениями задач. Ключевые рекомендации, полученные в результате работы, по возможности, либо проверены экспериментально, либо основаны на достоверных результатах опубликованных работ.

4. Научная новизна

1) Сформулирована концепция, объясняющая комплекс свойств и явлений в ПЭДВ через представление пространства между ПП как анизотропной многомодовой дисперсионной среды и через матричный характер взаимодействия волн ПЭДВ и мод среды. Она не противоречит всем известным знаниям о процессах и явлениях в ПЭДВ, но является их обобщением. Разработанная концепция дала возможность прогнозировать свойства широкого класса ПЭДУ.

2. Обнаружены новые режимы неизлучения. Это позволяет значительно уменьшить потери в волноводах, увеличить добротности резонаторов и расширить функциональные возможности ФУ на ПЭДВ (ПЭДУ).

3. Обоснована и экспериментально подтверждена возможность резкого уменьшения потерь на излучение с нерегулярных участков ПЭДВ (изгибов и пр.) за пределами известного «режима неизлучения». Это позволяет расширить рабочий диапазон многих узлов на ПЭДВ.

4. Создана информационная база моделей, пригодных для многокритериальной оптимизации узлов на ПЭДВ: по критерию ширины рабочего диапазона и по критерию суммарных потерь, включая поляризационные, омические и радиационные составляющие потерь и затухания.

5. Практическая полезность

1. Разработан программный комплекс для исследования и проектирования ПЭДВ и ПЭДУ. Комплекс позволяет как рассчитывать основные параметры различных типов волн ПЭДВ, так и проводить оптимизацию по совокупности показателей качества в широком диапазоне рабочих частот, параметров материалов и других проектных требований.

2. С помощью разработанного комплекса обнаружены и исследованы оптимальные режимы и области работы ПЭДВ. В частности:

Оптимальные значения формата Ф диэлектрического элемента (ДЭ) волновода (отношения его ширины d к высоте g), обеспечивающие максимальную ширину рабочего диапазона по различным критериям и оптимальные сочетания показателей качества ПЭДВ.

Оптимальные значения ширины ДЭ d, обеспечивающие минимум суммарного (поляризационного, омического и радиационного) затухания различных типов волн в ПЭДВ.

Оптимальные значения радиуса изгиба, обеспечивающие минимум суммарных (поляризационных, омических и радиационных) потерь, в том числе и за пределами режима неизлучения.

3. Разработана технология экспериментального исследования параметров и характеристик элементов и узлов на ПЭДВ с использованием измерительных устройств на прямоугольном ДВ. С ее помощью проверены основные предположения и гипотезы исследования.

4. Предложен и оформлен авторскими заявками на изобретения ряд новых технических решений для узлов на ПЭДВ. В частности:

У Устройство поворота, основанное на явлении уменьшения излучения с изгибов ДВ при ускорении волн окружающей среды за

счет введения в их поле металлических пластин, ориентированных параллельно электрическому полю волн излучения.

Аттенюатор, основанный на изученном в работе явлении неустойчивости волн ПЭДВ, инициируемом введением локального элемента, нарушающего симметрию системы.

Линейный излучатель, работа которого основана на регулируемом по амплитуде и фазе вытекании энергии рабочей волны ПЭДВ за счет перемещения элемента, нарушающего симметрию системы, и изгиба оси ДЭ, направляющего рабочую волну.

6. Реализация результатов работы

Разработанный в диссертационной работе программный комплекс передан в научно-исследовательский институт измерительных систем (город Нижний Новгород).

На основании материалов работы составлены три лекции, включенные в учебный курс кафедры ОРТ МЭИ, и проектное предложение по постановке цикла лабораторных работ по спецкурсу на той же кафедре.

По обоим указанным направлениям внедрения результатов работы имеются соответствующие акты, находящиеся в деле аспиранта.

7. Апробация работы

Отдельные результаты диссертационной работы обсуждались в семи докладах на разных секциях следующих конференций: Международная конференция «Крымико-2003», восьмая (2002), девятая (2003) и одиннадцатая (2005) Международные научно-технические конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», а также на двух секциях Конференции МИФИ - 2005.

Обобщенные результаты работы в целом обсуждены также в двух докладах: на заседаниях объединенного семинара МГИЭМ и МЭИ "Проблемы электроники СВЧ" и "Электродинамика периодических и нерегулярных структур", а также Московского электромагнитного семинара ИРЭ АН РАН (имеются положительные заключения этих семинаров по материалам диссертационной работы).

8. Публикации по теме диссертационной работы

По теме диссертационной работы в общей сложности сделано 8 публикаций. В публикациях основные результаты работы отражены в достаточно полной мере.

9. Основные положения, представляемые к защите

1. Физическая концепция, объясняющая комплекс свойств и явлений в ПЭДВ и ПЭДУ через представление пространства между проводящими пластинами ПЭДВ как анизотропной многомодовой дисперсионной (АМД) среды и через учет матричного характера взаимодействия направляемых (и вытекающих) волн ПЭДВ и спектра мод этой АМД среды.

2. Система моделей, полученных на основе принципа переотражения волн планарного ДВ между ПП и описывающих: распределения полей и дисперсионные характеристики; максимальные мощности по электрическому и тепловому пробою; потери в диэлектрике, в металле и на излучение; рабочие диапазоны по различным наборам критериев; параметры распределенной связи и другие свойства и характеристика ПЭДВ - для нескольких типов волн, а также результаты, полученные с помощью этих моделей.

3. Разработанный на основе этих моделей программный комплекс, позволяющий как исследовать параметры ПЭДВ и функциональных узлов на различных типах волн, гак и проводить их оптимизацию по совокупности показателей качества в широком диапазоне проектных требований.

4. Новые режимы неизлучения из ПЭДВ, позволяющие значительно уменьшить потери в волноводах и узлах, а также повысить добротности резонансных элементов и устройств.

5. Обоснование и экспериментальное подтверждение возможности резкого уменьшения потерь на излучение с нерегулярных участков ПЭДВ за пределами известного «режима неизлучения».

6. Технология, измерительные установки и результаты экспериментального подтверждения прогнозов и исследования параметров и характеристик элементов и узлов на ПЭДВ.

7. Три новых технических решения узлов на ПЭДВ, на которые оформлены заявки на изобретения и получение российских патентов.

10. Объем и структура диссертации

Состояние базы знаний в области ПЭДВ и устройств на них

Группа корейских патентов 2002-2004 гг., зарегистрированных на территории Китая. Автор - Шин Чеон By (WOO SHIN CHEON), заявитель - корейская технологическая компания NRDTECH СО LTD (KR) (в буквальном переводе - НДВ технологии!). В нее входят, в частности: устройство связи для соединения НДВ [181], НДВ для волн круговой поляризации [151], частотный преобразователь на НДВ [148], ФМ передатчик с ФМ модулятором на диоде Ганна на НДВ [153], сверхскоростной модулятор на НДВ [155], ФМ модулятор для схем на НДВ [152], смеситель на НДВ [150], модулятор на НДВ [149], антенная система на НДВ [147], рупорная антенна на унифицированной НДВ схеме [146], генератор Ганна на НДВ и метод частотной стабилизации, использующий керамический резонатор [182], переход с волновода на НДВ [154]; широкополосный смеситель, использующий схему на НДВ [181]. 2) Группа японских патентов, там же и зарегистрированных в 2004-1988 гг. Автор - Цутому Йонеяма (YONEYAMA TSUTOMU) - «открыватель» НДВ, один или с одним из коллег. Заявитель: на патенты последних лет- Институт космических исследований INTELLIGENT COSMOS RES INST (Япония). Вот они: преобразователь на НДВ [183], широкополосный НДВ ответвитель [169], преобразователь на НДВ и металлодиэлектрическая структура [184], подавитель типа волны в НДВ [171], НДВ ответвитель и приемопередатчик, использующий его [168]. Заявитель на патенты 1988-89 гг. — фирма SEKI & СО LTD. Вот они: фильтр на НДВ [162], НДВ резонатор, НДВ волновод и метод температурной компенсации [158], подавитель типа волны на НДВ [177]. 3) Группа японских патентов, заявленных компанией MATSUSHITA ELECTRIC IND СО LTD, автор - Мицуясу Баба (ВАВА MITSUYASU) с коллегами: модулятор на НДВ [170], фазовращатель на НДВ [166], устройство на НДВ с регулируемой фазой коэффициента отражения [164]. 4) Группа опять же японских патентов, заявленных компанией YAGI ANTENNA, авторы - Акира Такахаши и Ацуши Миназе (TAKAHASH1 AKIRA, MI-NASE ATSUSHI): планарная антенна на основе НДВ с вытекающей волной [178], НДВ с вытекающей волной [156], НДВ отражательного типа с вытекающей волной [175], НДВ с вытекающей волной [176]. 5) Серия патентов, заявленных шестью различными японскими компаниями в 2000-1990 гг.: неизлучающий диэлектрический волновод [173], устройство для подстройки частоты генератора миллиметрового диапазона на НДВ [179], переход между НДВ и диэлектрическим волноводом [163], цир-кулятор для НДВ [161], возбуждающий излучатель для НДВ и радиооборудование с таким излучателем [159], направленный ответвитель на НДВ [160]; НДВ, НДР, НДВ фильтр и перестраиваемый напряжением генератор на основе НДР [157]; НДВ с вытекающей волной и плоская антенна [156], Ганнов-ский генератор на НДВ [179], неизлучающий ДВ [167], фильтр на НДВ для подавления высших типов волн в коаксиальных цепях [172]. Как видно из приведенного, далеко неполного списка, на НДВ уже предложено множество конструкций разнообразных устройств ММД. В то же время состояние базы знаний в этой необычной области на сегодня не вполне соответствует актуальности проблемы. В заключение обзора литературных и патентных сведений об объекте нашей работы сформулируем обобщенные признаки, описывающие основные этапы развития и современное состояние базы знаний в области ПЭДВ. 1) В конце 1950-х и в 1960-х годах исследователи стремились получить минимальное линейное затухание и максимальные передаваемые мощности. Классическая работа этого времени - диссертация Э.М. Гутцайта [40]. О функциональных узлах19 речи почти не шло, изучались только простейшие -уголковый поворот и переход со стандартного металлического волновода. 2) Работы Йонеяма с коллегами (1981 г.) [141-143] открыли эпоху в развитии физики и техники ПЭДВ. Но следующие двадцать лет развитие шло в направлении изобретения, экспериментального испытания и патентной защиты новых обликов узлов и устройств. Понимания физики явлений в публикациях этих лет мы не нашли. Вот только два наиболее разительных примера: Пионеры направления, обсуждая свои экспериментальные результаты, писали только о явлении отражения от нерегулярных участков. Они почти ничего не говорили о взаимном преобразовании типов волн в ПЭДВ. А ведь одновременно с волной LH\ \ , рекомендуемой в качестве рабочей, в нем всегда распространяются минимум два типа волн: LEU и LE[Q. И только более чем через 20 лет, в 2002 году [96], уже в 21 веке было экспери 33 ментально обнаружено21, что на резком уголковом повороте ДЭ (а значит, и на изгибах, и на участках распределенной связи) возможно весьма интенсивное преобразование22 волны LH\\ в волну LE\\. Почти все исследователи рекомендуют в качестве рабочего типа волны волну LH\\. По всей видимости, их загипнотизировали особые свойства И волн, токи проводимости в стенках у которых резко уменьшаются с ростом частоты. Но у ПЭДВ неизлучающий режим находится в непосредственной близости (10-20% от критической частоты), и эта закономерность, как показали наши расчеты, проявиться почти не успевает. 3) Все исследователи говорят только об одной области неизлучающего режима — когда расстояние между ПП меньше половины длины волны. Мы обнаружили еще несколько подобных областей. В этих областях потери в волноводах существенно меньше. 4) Создание информационного обеспечения ПЭДВ находится в самом начале пути. Разные авторы анализируют разные параметры волноводов и устройств, используют разные методы, результаты приводят часто в графической форме и в разных диапазонах значений параметров. 5) Мы почти не встретили попыток обобщения разрозненных данных и знаний. В интересующей нас области явно не хватает физических и концептуальных обобщений.

Можно ли создать согласованные и развязанные соединения на ПЭДВ?

В этом разделе мы рассмотрим организацию программного обеспечения для решения задач проектирования и анализа ДВ, НДВ, их систем и функциональных узлов. Обоснуем также необходимость применение баз данных для хранения результатов численных экспериментов.

Мы использовали следующую технологию разработки программ. Изучение программных пакетов34 для персональных ЭВМ (комплексов), широко используемых сегодня, показало, что существует несколько широких классов программного обеспечения. Вот три из них35: программные комплексы широкого применения, предназначенные для обеспечения автоматизации в сфере ведения бизнеса и учета; программные комплексы, предназначенные для компьютерной поддержки исследовательской и проектной деятельности; программные комплексы для систем автоматизированного управления, как в автономных, так и в человеко-машинных системах (АСУ). Каждый из классов обладает характерными признаками, которые мы рассмотрим чуть более подробно ниже. Сегодня большинство программных комплексов первого класса и частично второго предназначено для корпоративных пользователей, такие комплексы используют архитектуру «клиент-сервер» для повышения надежности и упрощения обслуживания системы. Рассмотрим более подробно первый класс программ. Это программные комплексы для ведения бизнеса и учета, основной компонент которых - системы баз данных (БД). Кроме БД в них заметную роль играют и программы совмещения с аппаратными средствами. Примерами таких комплексов могут служить отечественные программы: программы фирмы 1С, Парус, Домино, а также зарубежные аналоги (системы Lotus-1, 2, 3, MS Access, Paradox, Oracle). Последняя система - это система документооборота, и она также основана на БД, но является на порядок более сложной, чем обыкновенная БД. Надо также отметить, что эти комплексы обладают большим набором статистических и аналитических функций, применяемых в области экономики, бизнеса и учета. Проектно-исследовательские комплексы (ПИК) можно подразделить на два подкласса: » ПИК широкого применения; ПИК специального назначения. К ПИК широкого применения относятся такие комплексы как AutoCAD, MathCAD, которые обладают широким набором методов и разветвленным математическим аппаратом, нацеленным на решение широкого круга задач в разнообразных направлениях36. ПИК специального назначения обычно обладают достаточно узким набором функций, которые позволяют решать ряд задач определенного направления. К ним относятся P-Cad (проектирование печатных плат), HFSS (проектирование и исследование СВЧ устройств), Archi-Cad (архитектура и дизайн). В программных комплексах АСУ основными компонентами являются узкоспециализированные программы, настроенные под определенные аппаратные устройства. Примерами таких комплексов являются системы управления (СУ) станками с ЧПУ, различные климатоконтролирующие и военные системы. В нашей работе производится разработка узкоспециализированного программного комплекса для исследования и проектирования ДВ и их систем. На начальном этапе разработка комплекса проводится только для однопользовательского режима работы. Причиной такого шага является высокая трудоемкость разработки приложений под архитектуру «клиент - сервер». В случае же необходимости в дальнейшем можно будет разработать поддержку этой архитектуры через написание дополнительных программных модулей. Обоснование применения. Вернемся к ПИК. Как уже говорилось, существенный недостаток многих из существующих комплексов — беспорядочное хранение уже накопившихся знаний и данных, вызывающее необходимость но-вого пересчета при каждом открытии файла . Порой бывает очень трудно найти уже созданный некоторое время назад проект или модель ввиду узости средств операционных систем. Даже используя функцию длинных имен , исследователь не всегда может сразу найти нужную информацию. Иногда эту проблему пытаются решить при помощи каталогизации, но тогда при использовании стандартного поиска часто возникает проблема: «А кто помнит точное название файла, который был создан два месяца назад?!»

Конечно же, существуют системы, решающие подобные проблемы. В частности, выше упомянутая система Lotus позволяет корпоративным клиентам создавать подробное описание каждого рабочего файла. Но недостатком этих систем является сложность настройки, необходимость в дополнительных вычислительных мощностях, а также заоблачные цены продукта.

Существуют сейчас и так называемые «Файловые менеджеры» позволяющие проводить работу по авторизации и созданию примечаний для хранимых файлов на персональных ЭВМ. В этом случае неудобство заключается в том, что требуется держать дополнительную открытую программу и вручную вводить примечания, а при использовании ряда пакетов могут возникнуть также дополнительные проблемы.

Как ни парадоксально, но решить выше изложенные проблемы можно с помощью технологий, достаточно хорошо разработанных в комплексах для ведения коммерческой деятельности. Ни для кого не секрет, что, например, в таблицу названий счетов можно заносить названия экспериментов, а в таблицу проводок по счету - результаты эксперимента.

Следовательно, напрашивается вывод: что в разрабатываемых системах ПИК может существовать база данных, содержащая в себе информацию об экспериментах и результатах эксперимента. Это значительно повысит производительность систем за счет сокращения времени на повторный пересчет экспериментов. А использование технологии «клиент - сервер» позволит проводить эксперименты и одновременно с этим анализировать уже известные результаты группе исследователей, причем не обязательно локальных39.

Итак, мы принимаем решение использовать в разрабатываемом комплексе технологию с базами данных.

Типы баз данных, На сегодняшний день существует два основных типа баз данных: объектные и реляционные, У каждого типа есть свои достоинства и недостатки. Одним из достоинств объектных БД является то, что они допускают работу с большими объемами абстрактной информации, например, с графикой. Создание такой БД имеет очень высокую трудоемкость, и поэтому они применяется крайне редко и только в дорогостоящих системах.

Максимальные передаваемые мощности по электрическому пробою

Еще одна соблазнительная возможность - существенное уменьшение продольных габаритов ФУ - связана с особенностью оптимизационных задач для нерегулярных ДВ. Покажем, как этот выигрыш можно получить и как оценить его величину. Начнем с того, что в большинстве ФУ основным ПК является не линейное затухание (за счет всех механизмов потерь) а суммарные потери a l на нерегулярном участке ФУ с линейной длиной /. Величина / является здесь, по сути дела, габаритным ПК. Так что, если нам удалось уменьшить затухание, мы можем, сохранив неизменными суммарные потери, уменьшить габариты ФУ. Здесь уместно, однако, отметить следующие обстоятельства. Как известно [27], минимальные суммарные потери a l на нерегулярном9 участке ДВ, работающем на волне с заданным замедлением, достигаются при некоторой оптимальной длине этого участка lmim являющейся быстро изменяющейся функцией замедления. При увеличении длины сверх оптимума полные потери «j/ растут весьма медленно, но при уменьшении длины - очень быстро. Из сказанного следует, что с увеличением замедления - с заменой С, на С# С, - оптимальная длина нерегулярности (для наиболее типичной нерегулярности - радиус изгиба) может быть существенно уменьшена. Подчеркнем, однако, что здесь имеет место не совсем обычный обмен ПК. Уменьшение продольных габаритов будет сопровождаться и уменьшением полных потерь на нерегулярном участке. И заметим при этом, что ФУ часто называют совокупностью нерегулярных участков. Описанным обстоятельством специфика рассматриваемого обликового решения не ограничивается. Совсем уж необычное начинается тогда, когда высота ПЭДВ т.е. когда пространство между металлическими пластинами ПЭДВ (ПП) становится «запредельным» для волны Н\ ПлМВ. Если все предыдущие допущения и условия, включая (5.7), выполнены, нерегулярности в ДВ и ДР должны перестать излучать, а «открытые» ДВ и ДР должны стать «неизлучающими». Зафиксируем, при каких условиях это непривычное явление должно иметь место, и прокомментируем их, О них мы не раз говорили в предыдущих главах. Но повторим - вот они: У1. Вся конструкция ПЭДУ, все элементы ДВ и ДР, а также устройства ввода и вывода выполнены геометрически симметричными относительно плоскости симметрии системы ПП. У2. Все материалы, из которых выполнены элементы ПЭДУ, являются изотропными. А если они анизотропные, то их оси анизотропии ориентированы так, чтобы обеспечивалось отсутствие кроссполяризационных эффектов, способных вызвать связь между волнами ПЭДВ с различными направленииями преимущественной поляризации поля. Из условий У1 и У2 должно следовать, что внутри ПЭДУ не будут происходить взаимные преобразования между LH и LH волнами с различными направлениями преимущественной поляризации. УЗ. Все элементы ПЭДУ работают на основном типе волны LH, электрическое поле которого ориентировано параллельно плоскости ПП. Выполнение этого условия определяется конструкцией устройств ввода в и вывода из ПЭДУ, а также конструкциями генераторов и детекторов, если они включены в состав ПЭДУ. У4. Расстояние между ПП удовлетворяет условию (5.7). Это запрещает распространение между ними волны Hj - единственной волны, посредством которой, исходя из условий У1, от элементов ПЭДУ через открытое пространство между ПП может уноситься энергия волн излучения, вызванного влиянием нерегулярностями. При выполнении перечисленных четырех условий ПЭДУ не будут иметь потерь па излучение. Совокупность этих условий можно назвать условиями запирании излучения. Описанным свойством в ситуации выполнения названных условий ПЭДВ будут кардинально отличаться от привычных открытых ФУ на ДВ и ДР. Но не следует забывать, что при этом они сохранят другие свойства открытых ФУ. В частности, свойство «много вол новости». Вспомним теперь, что в ДВ и ДР всегда может распространяться и волна с ортогональной поляризацией - LE в наших обозначениях), электрическое поле которого ориентировано перпендикулярно плоскости ПП. Эта волна: Имеет большее омическое и поляризационное затухание, чем волна LH; Имеет большее замедление, чем волна LH\ Несмотря на это, она излучает на нерегулярных участках, если нерегулярности не слишком плавные. Если в силу тех или иных причин, волны LH возбуждаются, они могут нарушить работу ПЭДУ на волнах LE. Наиболее радикальным средством борьбы с этим является реализация явления самофильтрации. Самым простым средством самофильтрации является включение в структуру ПЭДУ нескольких нерегулярностей настолько резких, чтобы потери нерабочей волны были достаточно велики для ослабления нежелательных эффектов многоволновости. Разумеется, при этом нужно обеспечить условия, чтобы волны излучения, уходящие от элементов ПЭДУ к краям ПП, поглощались там без заметных отражений. Что же может помешать реализации достоинств ПЭДУ на «неизлучаю-щих» ДВ и ДР? Рассмотрим этот вопрос несколько подробнее. Все эти механизмы связаны с нарушением условий «неизлучения», описанные в п. 5.5.1. Наиболее вероятно нарушение условия У1 — требования симметрии всех элементов конструкции ФУ относительно плоскости симметрии системы ПП. Вот некоторые из них (необходимые, но недостаточные): О сдвиг ДВ или ДР относительно плоскости симметрии системы ПП, О разворот их осей симметрии относительно перпендикуляра к плоскостям ПП, О нарушении симметрии сечения ДВ и/или формы ДР, О непараллельность пластин, ограничивающих поле ПЭДУ.

Условия реализуемости явления «запирания излучения»

Сначала рассмотрим ключевые варианты пространства обликов, описывающие геометрию проводящих пластин (J.11I): 1. ПП плоские и параллельные; расстояние между ними докритическое. 2. ПП плоские и параллельные; расстояние между ними закритическое19. 3. ПП не параллельные (расположены клином); их линия пересечения (грань клина) параллельна оси ДВ. 4. ПП расположены клином; грань клина перпендикулярна оси ДВ. 5. ПП не плоские; например, имеют ребра, гофрированы, и или изогнуты. Явления в 1 и 2 вариантах имеют глубокие различия. Основное из них — невозможность при выполнении определенных условий ухода энергии из ДВ и ДР в виде волн излучения (явление запирания излучения — ЯЗИ). По всей видимости, в 3 и 4 варианте могут обнаружиться и иные явления, их интересно было бы исследовать - ведь реальные устройства неизбежно будут иметь элементы непараллельности. Пятый вариант, и особенно в сочетаниях с признаками 1—4, представляет трудно обозримое поле для исследования и от него на настоящем этапе работы разумно отказаться. П4.2. Свойства (признаки) диэлектрических элементов Теперь рассмотрим ключевые признаки пространства обликов, описывающие свойства диэлектрических элементов (ДЭ). Поскольку взаимодействия электромагнитных полей, волн и колебаний в таких элементах носят объемный характер (характеризуются объемным распределением21 токов поляризации), обликовые признаки ДЭ также должны иметь объемно-распределенный характер. Начнем с более общих признаков (сложных обликов) и будем двигаться к частым признакам (простым обликам): 1) Вообще говоря, можно реализовать и исследовать: a. ДЭ произвольной формы (например, в форме некой скульптуры); b. вытянутые ДЭ (они могут выполнять, наряду с другими, и функции волноводов и/или функциональных узлов22 (ФУ)). 2) В ДЭ вытянутой формы можно ввести ось. Это дает следующие ключевые варианты признаков: a. Ось изогнута в двух измерениях. b. Ось изогнута в плоскости. c. Ось прямолинейна. 3) Прямолинейный ДЭ (цилиндр) может иметь: a. разные свойства в сечениях (неоднородный вдоль оси цилиндр); b. одинаковые свойства в сечениях (однородный вдоль оси цилиндр). 4) Однородный вдоль оси прямолинейный ДЭ в сечении может иметь: a. переменные значения є и \і (неоднородный по сечению ДЭ);. b, постоянные значения с и \і (однородный по сечению ДЭ). 5) Полностью однородный (вдоль оси и по сечению ДЭ) может иметь самые разнообразные формы поперечного сечения. Например: a. Круглое сечение; b. Эллиптическое сечение; c. Прямоугольное сечение. 6) Важным признаком последнего варианта являются также свойства симметрии. Этот признак может оказаться даже ключевым в соответствии со следующей гипотезой, состоящей из двух частей: во всех ПЭДУ при не очень малых расстояниях между ПП могут, вообще говоря, существовать поля, волны и колебания минимум двух типов, различающиеся поляризацией поля в поперечном сечении; возможности взаимного преобразования этих типов полей, волн и колебаний и/или их связи определяются законами симметрии обликов волноводов, узлов и элементов ПЭДУ. a. Признаки, характеризующие положение оси ДЭ между ПП (вблизи одной или другой из них, посередине и др.). Если ПП расположены клином, луч ше определять положение ДЭ относительно плоскости симметрии клина. b. Если ДЭ не осесимметричньш, то важен разворот его относительно плоскости симметрии ПП. c. Если ДЭ имеет плоскости симметрии, то может оказаться важным сдвиг или разворот плоскостей симметрии ДЭ и ПП. В зависимости от числа проводящих пластин (ПП) этот принцип, названный нами принципом зеркального отражения (ПЗО), формулируется различным образом. В случае одной проводящей поверхности (ПЗО-1) он хорошо известен [19]. Применительно к отражательным ДВ23 (см. рис. П5.1) он сводится к эквивалентной замене ДВ на (а) или около ПП (б) на симметричную систему двух ДВ, плоскость симметрии которой совпадает с плоскостью поверхности ПП. Электрические поля в отражательном ДВ с поляризацией, перпендикулярной пластине, отражаются без изменения направления. А поля24 с ортогональной поляризацией - отражаются с изменением направления на противоположное . Поскольку эквивалентная система ДВ является по определению симметричной, ее собственные волны могут быть разделены на два вида: четные и нечетные. В частности, собственной волне W± будет соответствовать четная волна эквивалентной системы, а волне W\ - нечетная.