Диссертация (Многомодовые прямоугольные диэлектрические волноводы и резонаторы КВЧ диапазона), страница 4

Почти одновременно исследовалисьи диэлектрические резонаторы (ДР) [6, 19, 20, 45, 46-49, 52, 110, 132]. В 19701980-е годы, на волне глобальной «интеграции» электроники, эта область породила и, так называемые, диэлектрические интегральные схемы [7, 11, 47,64, 121-122].С 2011 года, по инициативе Лаборатории диэлектрических структур(ЛДС) НИУ МЭИ, совокупность КВЧ волновых устройств, выполненных издиэлектрических материалов, стала именоваться обобщенным термином«Диэлектрические структуры» (ДС).А в 2013 году для совокупности ДС, на основе которых могут строиться разнообразные КВЧ волновые системы, было принято предложение ЛДСНИУ МЭИ и ИРЭ РАН ввести новое понятие – «Диэлектрическая элементнаябаза» (ДЭБ). Таким образом, диэлектрические волноводы из экзотическогообъекта физических исследований преобразовались в базу новых технологийволновой КВЧ радиоэлектроники.Общее число отечественных и зарубежных публикаций, касающихсяобъектов, входящих в обобщающие понятия «Диэлектрические структуры»(ДС) и «Диэлектрическая элементная база» (ДЭБ), сейчас существенно превышает тысячу, т.е.

измеряется уже четырехзначным числом. Ясно, что внастоящей работе мы можем упомянуть только очень малую их часть. Ниже23приводятся краткие ссылки на начальные работы предшественников в области ДС и ДЭБ, наиболее близкие к тематике работы.1.1. Возникновение интереса к распространению радиоволн в диэлектрических структурахВпервые анализ несимметричных волн, подобных волнам в современном круглом ДВ, но применительно к металлическому цилиндру, выполнилиХондрос и Дебай [115, 116] еще в 1910г. Они теоретически показали, что такие волны в металлическом цилиндре затухают много сильнее, чем симметричная волна Е01 в проводе с конечной проводимостью.

Обнаружив, что затухание резко падает с уменьшением проводимости, они сделали парадоксальный для того времени вывод: волны вдоль диэлектрического цилиндра такжемогут распространяться, как и вдоль металлических проводов. В то время ихтеория не имела экспериментального подтверждения, а без него распространение волн вдоль диэлектрических цилиндров казалось невероятным.В 50-е – 60-е – 70-е – годы XX века основная работа велась в направлении: канализации волн [22-35]; разработка устройств ответвления [70, 71], деления мощности [59]; избирательные цепи – фильтры [1-3, 63, 74], резонаторы [67, 45-47]; все узлы, необходимые для сформирования тракта СВЧ в аппаратуресвязи и радиолокации.Появление материалов с новыми электротехническими свойствамипозволило открывать новые области применения СВЧ техники на диэлектрической базе.Однако, будем последовательными и проведем исторический анализ вобласти диэлектрических СВЧ структур.В 1899г.

Зоммерфельд опубликовал теоретические исследования волновода в виде провода с несовершенной проводимостью.Замедление фазовой скорости поверхностной волны Зоммерфельда исоответствующее экспоненциальное затухание поля по волновому фронтупри удалении от провода обусловлено именно конечной величиной поверх-24ностного сопротивления провода. Протяженность электромагнитного поля вокружающем пространстве и погонные потери мощности для данного материала зависят от диаметра провода: с уменьшением диаметра - увеличиваетсяконцентрация поля и, соответственно, возрастают потери.Практического применения волновод Зоммерфельда не получил и врядли получит.

Причина – в том, что эффективное поперечное сечение поля вволноводе Зоммерфельда слишком велико, и волна поэтому слабо связана снаправляющим проводом.Кроме того, и по той же причине, достаточно велики потери на возбуждение и прием с помощью рупорных переходов.

Как показали расчеты,проведенные по формулам [28] для линии Зоммерфельда, чтобы обеспечитьконцентрацию 99% мощности в пределах окрестности радиуса 0.5 , необходимо изготовить волновод из медного провода очень малого диаметра.В 1907г. Хармс, развивая идею Зоммерфельда, показал [32], что болееэффективного замедления фазовой скорости волны и, следовательно, лучшейконцентрации поля можно добиться в волноводе, выполненном из провода сдиэлектрической оболочкой.

Подробные аналитические и экспериментальные исследования провода, покрытого диэлектриком, были проведены Губауи др.В начале 20 годов прошлого века возможность распространения волн вдиэлектрическом стержне была экспериментально доказана работами Рутера,Шривера и Цана [29]. Но в тот период практическая потребность в использовании этого явления отсутствовала, и интерес к проблеме упал.В 30 годах ХХ века, в связи с освоением дециметрового, а позже и сантиметрового диапазонов длин волн (в основном, в интересах зарождающейсярадиолокации), начались прикладные экспериментальные математическиеработы в области диэлектрических волноводов [74]. Однако практическоеприменение нашли только полые металлические волноводы. Тому был рядпричин. Одна из них - только еще не существовало диэлектрических материалов, удовлетворяющего качество для СВЧ техники.

Другая: тогда осваива-25лись дециметровые и сантиметровые волны, а диэлектрические волноводыконкурентоспособны только на более коротких волнах, начиная с миллиметрового диапазона.Возможность применения диэлектрических волноводов как линий передачи и элементной базы узлов и устройств стала всесторонне обсуждатьсятолько с началом освоения сначала миллиметрового, а через 15-20 лет субмиллиметрового и оптического диапазонов.Наиболее ценными из ранних работ являются работы Эльзассера иЧандлера [29] по определению затухания в диэлектрическом волноводе(1949г.).Примерно к 50 годам стали появляться новые материалы (с углом диэлектрических потерь порядка 10-4). Одновременно с этим прошли десяткисообщений о работах по теории и применению диэлектрических волноводови диэлектрических резонаторов.В 60 годы были проведены теоретические исследования плоского ДВ[25, 29, 74, 85, 36], круглого и эллиптического ДВ [14, 49], экспериментальные работы с прямоугольным ДВ [4], исследованы направленные ответвители и многоплечие гибридные соединения [65, 66, 59].

В то же время проводились исследования металлодиэлектрических волноводов [9-12, 21, 31].Взрывоподобный интерес к линиям передачи различного вида наблюдался в поздние 1950-е и в 1960-е годы.В то время изобретались, анализировались и измерялись новые структуры, способные направлять поверхностные волны. Этот взрыв был вызванпредполагаемой в перспективе потребностью КВЧ радиотехнических системв волноводах с малыми потерями для миллиметрового диапазона волн. Вотдва типичных примера:«Диэлектрический отражательный волновод» Д.Д.

Кинга [133], состоящий из диэлектрического полуцилиндра малого радиуса, расположенного наметаллической опорной плоскости.26«Н-волновод» Ф. Тишера [144], состоящий из диэлектрической полоски между параллельными металлическими плоскостями, облик которогоимеет сходство с буквой «Н».С тех пор, с совершенствованием пассивной элементной базы радиотехнических систем, открытием новых видов СВЧ генераторов, получениемновых материалов, было проведено множество исследовательских работ поразвитию и внедрению элементов волноводного тракта на диэлектрическихструктурах.Однако, далеко не все интересные стороны данной тематики были затронуты. Так, например, уже достаточно давно известно, что во всех случаях,когда нарушается однородность направляющей структуры или прямолинейность ее оси, неизбежно возникают волны излучения.

Данное явление былотеоретически обосновано и экспериментально подтверждено (см. например[152-158]), более того, экспериментальные исследования позволили датьпрактические рекомендации по снижению величины вышеуказанных потерь.В 70е-80е годы проводились исследования щелевого диэлектрическоговолновода группой профессора Банкова С.Е. В этих работах были исследованы как линии передачи, так и устройства связи, делители мощности, резонаторы [7-11].Проводя расширенный библиографический поиск, мы столкнулись сновым неизвестным для нас и для многих исследователей ДВ явлением – явлением запирания излучения в диэлектрическом волноводе.

Оно было открыто в 1981 году двумя японскими исследователями - Т. Йонеяма иС. Нишида из Тохоку университета [152-159].В 90-х годах ХХ века и далее большой интерес был проявлен как раз кпоследнему виду волноведущих структур, которые получили название неизлучающих диэлектрических волноводов [132]. Например, с 2000 года по 2010было опубликовано более 150 патентов и порядка 50 работ.Начиная с 2005 года в научной группе Взятышева В.Ф. были проведены исследования различных волноведущих структур для нужд интерферо-27метрии.