Автореферат (Многомодовые прямоугольные диэлектрические волноводы и резонаторы КВЧ диапазона)

Ha rrpaBax pyKonHCHMHHKAPA MOXAMA,l( CAA,l(AJIJIAMHOrOMO,l(OBbiE TIP.HMOYrOJibHbiE,l(H3JIEKTPHqECKHEBOJIHOBO,l(hlII PE30HATOPbl KBq ,l(HATIA30HACrre:uiiaJibHOCTb05.12.04 -«Pa,LJ,IIOTexHIIKa,B TOM qifCJie CllCTeMbi II ycTpOHCTBa TeJieBII,LJ,eHIUI»ABTOPE<I>EPAT,LJ;nccepTauuu na couc«:anue yqenoil cTenenuKaH.LJ;H.LJ;aTa Texnuqec«:ux nay«:MocKBa -2015•Pa6oTa BhiiiOJIHeHa Ha Ka<):>e~pe «0cHOBhi pa~MoTeXHMKm> <De~epani>Hororocy~apCTBeHHOfO6IO~)J(eTHOf0o6pa30BaTeJihHOfO yl.fpe)J(~eHI151 BhiCilleroo6pa3oBaHM51 «Ha~MOHaJihHhiH Mccne~oBaTeJihCKMHyHMBepci-neT «M3l1»(<DrEOY BO «Hl1Y «M3l1»)HaylfHhiHpyKoso~MTeJih:KaH~M~aTTeXHIP-IecKMX HayK,~ou.eHTKpyTcKux BJiaJJ.HCJiaB BnKTopoBH'IO<):>M~MaJihHhie orrrroHeHThi:Helf>eJJ.OB Esreuuu Hsauosu-...,~OKTOp <):>M311KO-MaTeManrqecKMX HayK, npocpeccop,rnaBHhiH Hayl.fHhii1 coTpy~HMK <DrEYH «l1HcTMTYTpa~MoTeXHMKM 11 3JieKTpOHMKM MM.

B.A. KoTeJihHMKosaPAHPH6os Jiopuc AJieKceesu-...,TeXHMl.feCKMX HayK, ~O~eHT ,~o~eHT <DrEOY BO "MocKOBCKMi1 rocy~apcTBeH­HhiH ne~arorMqecKMH YHHBepcHTeT" (r. MocKsa)KaH~M~aTBe~yrn;a51 opraHM3a~M51:3aiJ.J,HT3 COCTOHTCSI<I>rEOY BO "lleuJencKuu rocyJJ.apcTseuubluyuusepcuTeT" (r. lleuJa)« 17 » J].eKa6pH 2015 rOJ].a B 15.00 Ha3aCe~aHHI1~HccepTa~HOHHorocoseTa ,I( 212.157.05 np11 <DrEOY BO «Hl1Y «M3l1»no a~pecy: 111250, MocKsa, KpacHOKa3apMeHHa51 yn., ~. 17, ay~MTOp1151 A-402.0T3hiBhi Ha asTopecpepaT B ~syx 3K3eMnJI51pax, 3asepeHHhie nei.JaThiOyl.fpe)J(~eHM51,rrpoCHMHarrpaBJI51Thnoa~pecy:111250,MocKBa,KpacuoKaJapMeuuaD yJI., JJ.. 14, Y-...enhiH coseT <I>rEOY BO «HHY «M3H».C ~MccepTa~He:H: MO)J(HO 03HaKOMHThC51«Hl1Y «M3I1» 11 Ha cai.fTe www.mpei.ruAsTope<):>epaT pa3ocnaH «Yl.feHhiH ceKpeTaph}J, 212.157.05s6M6JIHOTeKe<DrEOY BO» OKT516p51 2015 ro~a.~HccepTa~HOHHoro coseTa()a~K.T.H., )IOJ1eHTKyJIMKOB P.C.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ1.

Актуальность работыАктуальность работы - в том, что понимание явлений и знание характеристик и параметров спектра волн многомодовых диэлектрических волноводов (МДВ) необходимы для создания широкого класса диэлектрическихструктур (ДС) и элементов диэлектрической элементной базы (ДЭБ), а такжедля разработки рекомендаций для их проектирования и конструирования.Обсуждаемая диссертация – часть фронта работ, ведущихся в последние годы в Лаборатории диэлектрических структур (ЛДС) НИУ МЭИ для решенияактуальных прикладных задач на ДС и ДЭБ в содружестве с рядом промышленных организаций.Истоки работы можно проследить от задач канализации энергии с помощью диэлектрических волноводов (ДВ), которые активно изучались с 50-хгодов ХХ века в ходе освоения радиотехникой миллиметрового (КВЧ) диапазона волн.

Как показали результаты этих работ, применение ДВ позволяетуменьшить потери, упростить и удешевить производство и расширить функциональные возможности по сравнению с металлическими волноводами(МВ). Один из примеров – волноводы серии ПДВ (Взятышев В.Ф., РябовБ.И., Рожков Г.Д. и др.), запатентованные в 1960-х годах в США, Великобритании, Франции, Германии и Японии, а также функциональные узлы на ихбазе (более 50 изобретений и зарубежных патентов).Расширение областей применения радиосистем миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн (измерители скоростей и расстояний,системы связи и передачи информации, широкий комплекс физикотехнических и промышленных измерений) предъявляет все более широкие иразнообразные требования к функциональным устройствам для них.Мощный толчок к развитию физики и техники ДВ дали пионерские работы двух японских исследователей - Йонеяма Т.

и Нишида С. из универси3тета Тохоку. Они в 1981 году первыми обнаружили возможность реализациинеизвестного ранее явления неизлучения в Н-образном металлодиэлектрическом волноводе, хотя такой же по конструкции волновод изучался до них втечение 25 лет. Отличающийся от хорошо известного только режимом работы, волновод с явлением неизлучения был назван его «новооткрывателями»неизлучающим ДВ (НДВ – nonradiative dielectric guide – NRD-G).После 2000-го года начали активно развиваться многомодовые (способные направлять несколько типов волн) ДВ и многосвязные (содержащиенесколько диэлектрических стержней) ДВ. Появились также дуплексные системы передачи данных внутри ЭВМ на базе ДВ, работающие на двух ортогональных модах одновременно (Dolatsha N., Arbabian A.).Активно переносится в микроволновый диапазон опыт исследований,проведенных за последние несколько десятилетий в оптическом диапазоне.Создаются интегральные микросхемы КВЧ диапазона на одном кристаллевплоть до частоты в 90 ГГц (Dolatsha N., Hesselbrath J.).Ввиду удешевления элементной базы КВЧ диапазона и благодаря уникальным возможностям электромагнитных полей этого диапазона, создаютсяи применяются устройства для измерения геометрических размеров, скорости движения и состава материала объекта (например, бесконтактные сканеры для обуви и одежды в системах безопасности аэропортов или для измерения толщины сложных профилей различных изделий).Преимущество радиоволновых методов для такого класса устройствзаключается в том, что кроме точного размера, можно дополнительно определять толщину полимерного покрытия или делать радиофотографии человека в одежде, выявляющие не только металлические, но и диэлектрическиепредметы, не нарушая при этом этических норм.Современные разработки, использующие радиоволновый принцип действия сканеров, сталкиваются с задачей формирования зондирующего электромагнитного поля в ближней зоне облучателя.

При этом возникают, средипрочих, такие вопросы:4как сформировать поле с заданным распределением в пространстве?как создавать и на какие физические принципы опираться при проектировании широкоформатных облучателей?как взаимодействуют между собой элементы таких устройств?Примером такой конструкции может служить гипотетический облуча-тель, показанный на рисунке 1.

Здесь нижняя пластина является облучателем(формирующим заданное электромагнитное поле в пространстве), а верхняяпластина - приемной частью системы с решеткой дискретных детекторов, установленных в ее отверстиях.Для решения подобных задачможно использовать многомодовыеДС и многомодовую ДЭБ.Рис. 1. Облучатель на многомодовом прямоугольном диэлектрическом волноводеВот почему данная работанаправлена на исследование явлений в многомодовых ДС.

В первую очередь- модового спектра волн в многомодовых диэлектрических волноводах(МДВ) и колебаний в многомодовых диэлектрических резонаторах (МДР),взаимодействия волн в двух близко расположенных МДВ, а также на решение ряда сопутствующих вопросов.Из возможных форм сечения МДВ (круглая, эллиптическая, овальная идр.) с физической и технологической точек зрения в работе выбрана прямоугольная. Так что главный объект исследования в настоящей работе – прямоугольные ДВ и прямоугольные ДР. Далее в тексте автореферата речь будетидти только о такой форме сечения.2.

Цель и задачи диссертационной работыЦель работы - провести комплексное (теоретическое, экспериментальное и модельное) исследование спектра типов волн в многомодовыхпрямоугольных диэлектрических волноводах (МПДВ) и колебаний в многомодовых диэлектрических резонаторах КВЧ диапазона.5Для достижения названной комплексной цели в работе необходиморешить следующие задачи:1) Обосновать выбор объектов исследований: волновых явлений, модовых режимов, видов и конструкций изучаемых многомодовых ДС.2. Освоить и развить: методы исследования свойств высших типов волн(ВТВ) в волноводах и колебаний в резонаторах, методы приближенного анализа мод МПДВ, работу с экспериментальными КВЧ стендами, выбор параметров и способы построения моделей для проведения вычислительных экспериментов.3.

Изучить поведение ВТВ на плавно нерегулярных участках МПДВ иих систем, особенно в областях вблизи критических сечений ВТВ. Установить связь характера возникающих при этом явлений со свойствами волноводных соединений на ДВ с нечетным числом плеч.4. Исследовать возможность и построить методику определения параметров ВТВ в МПДВ через исследование измерительных диэлектрическихрезонаторов (ИДР), состоящих из двух плоских отражателей и отрезка исследуемого ДВ.5.

Изучить влияние на измеряемые параметры ИДР отклонений геометрии и параметров его базовых элементов: зазоров между отражателями иторцами стержня ДВ, наклона плоскостей отражателей относительно нормали к оси ДВ, разворота стержня ДВ вокруг оси ИДР и др.3. Методы исследованияТеоретическая часть работы основана на проверенных приближенныхметодах прикладной электродинамики. Физические обобщения опираются намировую базу знаний в теории электромагнитных полей и направляющихструктур, а также на многолетний опыт в изучении ДВ, ДС и ДЭБ, накопленный в научных школах НИУ МЭИ (кафедра ОРТ, кафедра КПР, ЛДС).Экспериментальные исследования проводились по двум сопоставимымтехнологиям: физического (ТФЭ) и вычислительного (ТВЭ) эксперимента.6Многие количественные результаты сопоставлены с полученными ранее частными решениями задач.