Автоматизированные исследования открытых электродинамических систем миллиметрового диапазона

На правах рукописиМАЛЫШКИН Александр КонстантиновичАВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОТКРЫТЫХЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕММИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНАСпециальности: 01.04.01 – приборы и методы экспериментальной физики01.04.03 – радиофизикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2009Работа выполнена на физическом факультете и в учебно-научном центремагнитной томографии и спектроскопии МГУ имени М.В. Ломоносова.Научные руководители:доктор физико-математических наук,доцентАфонин Дмитрий Гавриловичдоктор физико-математических наук,профессорПирогов Юрий АндреевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессорКалошин Вадим Анатольевичкандидат физико-математических наукИгнатьев Александр НиколаевичВедущая организация:ЦНИИ Химии и Механики (г.

Москва)Защита состоится “___ ”___________2009 г. вчасов на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.66 в Московском государственномуниверситете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1,Ленинские Горы, МГУ, Физический факультет, аудитория _____.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ имени М.В.ЛомоносоваАвтореферат разослан “___ ”___________2009 г.Ученый секретарь Диссертационного совета Д 501.001.66Доктор физико-математических наукЕршов А.П.1ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность проблемыРазвитие радиофизики и электроники характеризуется как широкимраспространением полупроводниковых и гибридных интегральных схем,так и улучшением энергетических характеристик мощных электронныхприборов.

В значительной степени эти достижения обусловлены разработкой и применением новых, более совершенных компонентов устройств вшироком диапазоне длин волн [1]. Совершенствование экспериментальныхметодик и повсеместное внедрение компьютерных методов получения данных и обработки результатов измерений позволяют адекватно представлятьфизические процессы, являющиеся основой функционирования современной аппаратуры.Передающие линии и колебательные системы играют существеннуюроль во всех отраслях радиофизики и техники [2]. При переходе к сверхвысоким частотам существенным обстоятельством, влияющим на свойствапередающих линий СВЧ, является соизмеримость этих устройств с длинойволны [3]. В этом случае основными характерными способами передачиСВЧ-энергии становятся волноводы.Размеры колебательных цепей при сверхвысоких частотах также оказываются сравнимы с длиной волны. Это приводит к использованию в качестве колебательных систем СВЧ таких устройств как полые резонаторы.В результате с помощью волноводов и резонаторов создаются аналоги всехэлементов цепей, характерных для более низких частот, - индуктивностей,емкостей, активных сопротивлений.

При этом используются системы какзакрытого, так и открытого типа – открытые резонаторы (ОР).Модификации резонансных систем, сочетающие в себе элементыволноведущих структур и ОР, разнообразные связанные диэлектрическиеи металлодиэлектрические системы, а также ОР с различными включениями остаются недостаточно исследованными до настоящего времени.Исследование спектра и других характеристик ОР с диэлектрическимителами представляет интерес при решении ряда практических вопросов современной радиофизики [4]. Так, например, диэлектрики вводятся в ОР для2исследования свойств и измерения параметров самих диэлектриков. При этомОР используется в качестве высокоточного инструмента для изучениясвойств материалов. Диэлектрические линзы и стержни находят свое применение в лазерных системах в качестве активных сред, фокусирующих иуправляющих устройств.Важными элементами электродинамических систем являются фильтры[5], создаваемые на базе металлодиэлектрических структур и резонаторовразличной формы, основные свойства которых определяются зависимостьюдобротности и коэффициента передачи сигнала от частоты.Несмотря на большое число публикаций по результатам исследований электродинамических систем и их использования в миллиметровомдиапазоне, остается нерешенным целый круг задач, связанных с выявлением их характерных особенностей, необходимых при создании конкретных устройств.

Решение таких задач осуществляется методами математического моделирования и физического эксперимента. Последнее (основной предмет настоящей диссертации) в силу сложности и трудоемкостиэксперимента в миллиметровом диапазоне требует автоматизации процесса измерений [6] и создания новых экспериментальных методик.Цель работыЦелью работы являлась разработка способов автоматизированных измерений параметров электродинамических устройств миллиметрового диапазона и изучение физических характеристик открытых симметричных систем.В качестве примера применения разработанных методик была поставлена задача изучить ряд диэлектрических резонансных систем с гладкой поверхностью, периодических структур с шагом порядка длины волны и цепочек дифракционно связанных открытых резонаторов, применяемых в измерительных и электронно-волновых устройствах.Следует заметить, что в отличие от предельных случаев, когда периодмного больше или много меньше длины волны, изучаемые в диссертациисистемы с периодом порядка длины волны являются наиболее сложными дляматематического описания, и их экспериментальное исследование дает болееточное представление об их электродинамических свойствах.3Практическая ценность работыСоздание автоматизированной экспериментальной установки и использование новых разработанных методик исследования позволяет не толькозначительно упростить и ускорить процесс исследования, но и выявлять новые физические особенности характеристик открытых систем.

Созданная дляисследования таких структур автоматизированная экспериментальная установка была с успехом применена в изучении ряда конкретных практическизначимых электродинамических систем, предназначенных для использованияв качестве фильтров и систем взаимодействия миллиметрового диапазона.Личный вклад диссертантаДиссертантом самостоятельно получены и обработаны все результаты,изложенные в оригинальных главах диссертации.

Постановка задачи и формулировка выводов осуществлены под руководством и при непосредственном участии научных руководителей - д.ф.-м.н. Афонина Д.Г. и д.ф.-м.н. Пирогова Ю.А.Научная новизнаСоздана новая автоматизированная установка для изучения различныхтипов электродинамических систем в миллиметровом диапазоне длин волн.Разработаны новые методики, позволяющие рассматривать одновременно рядхарактеристик системы, получая наглядное цветное трехмерное изображение.В работе впервые проведены измерения спектральных характеристикряда новых электродинамических систем.В аксиально-симметричных периодических структурах из диэлектрикасо ступенчатым радиальным профилем и периодом порядка длины волны обнаружен эффект резонансного дифракционного преобразования высших волн.На защиту выносятся следующие положения:1.

Созданная автоматизированная установка, благодаря компьютерномууправлению, набору созданных вычислительных программ и периферийных устройств, позволяет значительно упростить и, по крайней мере, напорядок ускорить процесс исследований электродинамических характеристик устройств миллиметрового диапазона.42. Созданные новые автоматизированные методики измерений дают возможность детально анализировать спектральные особенности различных типовэлектродинамических систем. Комбинированная методика измерений позволяет получить наглядные трехмерные изображения одновременно и коэффициента передачи, и расстояния между отражателями от частоты.3. Аксиально-симметричные периодические структуры из диэлектрика соступенчатым радиальным профилем и периодом порядка длины волны эффективно возбуждаются на резонансных частотах излучения на открытомконце диэлектрического волновода.

Благодаря резонансу высших запредельных на суженных участках структуры волн, запертых на участках сбольшим диаметром, эффект определяется резонансным дифракционнымпреобразованием волн на границе между секциями меньшего и большегодиаметров.4. Эффективное возбуждение цепочки параллельно расположенных открытыхметаллических резонаторов со сферическими зеркалами происходит за счетдифракционной передачи энергии на краях зеркал высшими типами колебаний.Апробация работы.Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались нанаучной конференции “Ломоносовские чтения” (Москва, 1989); 8-м Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике (Свердловск, 1990); Всесоюзном научном семинаре “Математическое моделирование и применение явлений дифракции” (Москва, 1990); Всесоюзной школе-семинаре “Физика иприменение микроволн” (Москва, 1991); Всесоюзной конференции "Физические проблемы оптической связи и обработки информации" (Севастополь,1991, 1992, 1993); AMSE Conference “Signals and systems” (Geneva, 1992); 5-йВсероссийской школе-семинаре “Физика и применение микроволн.