Методичка к курсовой (998230)
Текст из файла
УДК 621.372.8,029.7(075.3) Гривйв А.Ю., Темчвнко В.С. Поверхностные электромагнитные волны в планарных диэлектрических волноводах: Учебное пособие, — М.: Изд-во МАИ, 2006. — 63 с,: ил. Рассмотрены вопросы численного математического моделирования и расчета планарных диэлектрических волноводов (ДВ) с поверхностными электромагнитными волнами, Приведены упражнения и задачи для закрепления теоретического материала. Пособие предназначено для студенов, изучающих дисциплину «Электродинамика и распространение радиоволне и выполняющих курсовую работу.
Р е ц е н з е н т ы: кафедра «Техническая электролинамика и антенныэ МТУСИ (проф., д-р техн. наук В.В. Чебышев)„ проф., д-р техн. наук Г.Л. Петрухин 1$ВХ 5- 7035-! 641-2 © Московский авиационный институт (государственный технический университег), 2006 ПРКДИСЛОВИЕ В пособии рассматриваются вопросы ~а~е~~~~~~ско~о моделирования и расчета диэлектрических волноводов (ДВ) с поверхностными электромагнитными волнами. Диэлектрические волноводы предсгавляют собой одну из о~~~~~~~ ~иний п~р~да~и в миллимстровом и оптическом диапазоне волн, а также элементную базу для устройств этих диапазонов. Последовательно рассмотрены особенности линии передачи на основе диэлектрических волноводов и их применение в волоконно-опгических линиях связи и в устройствах интегральной оптики.
В качестве базовой модели ДВ выбран гиавзриьш диэлектрический ааюовод, Во-первых, он представляет самостоятельный практический интерес. Во-вторых„при переходе от планарного к более сложным ДВ качественная картина волновых процессов сохраняется, изменяются лишь определенные (часто незначительные) количественные характеристики. В-третьих, планарный ДВ относительно просто анализируется как методом лучевой оптики, так и с помошью строгого решения уравнений Максвелла. При выполнении курсового проекта для определения структуры поверхностных электромагнитных волн, постоянной распространения, фазовой скорости и длины волны в ДВ студент осваивает на конкретном примере базовые понятия электродинамики: уравнения Максвелла, граничные условия, волновые уравнения и их рещение, Е-и Н-волны, характеристические уравнения, переносимую по ДВ среднюю мошность отдельной волной и т.п, Планарный диэлектрический волновод на металлической подложке и Н-образнная металлодиэлектрическая линия передачи рассматриваются как разновидность планарного диэлектрического во ч 1 ~ овода Основная цель пособия — стимулировать самостоятельную рабогу студентов.
Для этого наряду с теорией приводятся задания, позволяющие закрепить пройденный материал. В конце пособия лаются задачи и упражнения„для выполнения которых требуются теоретические знания, умение составлять простейшие программы и анализировать полученный результат. 1. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВОЛНОВОД вЂ” БАЗОВАЯ ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ МИЛ.ДИМЕТРОВО™ И ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНОВ ВОЛН 1.1. ОСОБЕННОСТИ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ НА ОСНОВЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДОВ Устойчивой тенденцией развития современной радиоэлектроники является освоение все более коротких диапазонов длин волн (Х): миллиметровых ).=10...1мм Ч= 30...300 Пц) и оптических Х =1ООО„,О 001 мкм Ц'= 3 1О'1.„3-10! 6 Гц).
Линии передачи (ЛП) предназначены для канализации электромагнитной энергии на расстояния. На их основе создаются различные устройства (Фильтры, направленные ответвители, делители, фазовращатели, вентили и т.п.). Перед разработчиками линий передачи ставятся довольно противорсчивыс задачи: ЛП должны обеспечивать малые потери энергии, большую передаваемую мощность; они должны иметь малые габариты и массу, обладать высо- кОЙ.технологичностью и устойчивостью к внешним вОздействиям.
К этим требованиям добавляются широкополосность, легкость изгиба линии передачи при минимальных потерях, удобство подключения активных элементов, отсутствие излучения, невосприимчивость к внешним помехам, удобство управления электромагнитным полем в линии и стыковки с другими ЛП, стоимость, Важным является также наличие надежной и подтвсрждаемой экспериментом теории, алгоритмов и программного обеспечения.
На более длинных диапазонах (чем миллиметровые и оптические) волн с успехом используется ЛП в виде металлических волноводов различных сечений, полосковые и микрополосковые линии и т,п, Все эти ЛП содержат металлические проводники с конечной проводимостью а„. Поперечные размеры 1П пропорциональны длине волны, что обусловливает (в миллиметровом и осо- бенно в оптическом диапазонах волн) технологические и функциональные ограничения по изготовлению таких ЛП. С уменьшением толщины скин-слоя увеличивается затухание энергии в металлических проводниках. Этот процесс усугубляется такими технологическими дефектами проводников, как неровность краев и шероховатость поверхностей.
Частично устранить отмеченные недостатки можно, используя диэлектрические волноводные линии передачи. Некоторые из ДВ показаны на рис. 1,1 11, 2]. Большая часть энергии, передаваемой по диэлектрическому волноводу, сосредоточена в подпространстве, ограниченном ДВ с поперечными размерами, сравнимыми с длиной волны, Потери энергии, связанные с наличием неидеального диэлектрика в области концентрации пОля, Оказываются меньше, чем В металлических Волноводах, уже. на частотах1"= е/'2д = 30 ..40 Ггц при значении тангснса угла диэлектрических потерь 1а6 = а/ож,, =-10 4 ( г, — абсолютная диэлектрическая проницаемость материала).
С ростом частоты колебаний при одинаковом значении ф о соотношение потерь в диэлектрике и металле пропорционально ~-О . Д~электр~ч~~кие волноводы, показаннь1е на рис. 1,1,о — з, применяются в диапазоне миллиметровых волн, при этом использует- Рис.
1.1. Диэлектрические волноводы: а — прямоугольный; 6 — круглый; в — двухслойный; г — прямоугольный зеркальпыи; д — изолированный прямоугольный зеркальный: е — Н-образный; ж — плапарный; з — лиэлектричсский шелевой; и — планарный на подложке; к — утопленный полосковый; д — гребенчатый полосковый: м — составной полосковый ся достаточно ц[ирокая номенклатура материалов: полиэтилен (е = 2)„кремний (г.
= 2,5), поликор (е = 9,6; [уб = 10 4), арсении галлия и кремний ( е == 12-.14, [яб = 5 10 ~). Достигнутая величина потерь составляет 0,1 — 0,15 ДБ/см при»"= 100 ГГи (Х = 3 мм). Круглый дяухслой[и[,[й Волиовод (рис. 1.1,е). называемый Волоконным свстоводом, представляет наибольший интерес для создания юопокОНПО-опп[ических и!КУКУЙ СВЯзе4 (ВОЛС).
Структур[! О[1 тического волокна показана иа рис. 1.2. Оно состоит из световода, показатель преломления п, = ~~~ которого больше показателя пре- Защитная Оболочка Рис. 1.2, Структура оптического волокна ломлениЯ и! =,~~6~ Отражающей ОбОЛО'1ки. Световодь[ изго['Ов;!'.!ю[' из плавленного кварца п, =1,45, кварцевого стекла, легированного германием, фосфором или бором. Характерн! !с параметры сястовода: В~ = 100 мкм, 01=10=;70 мкм„п, — и, = 10 -", потери О,.
— 5 д Б/кч. Отметим некоторые преимушества ВОЛС по сравнению с об[.[ 1- 11ыми кабельными линийми связи: — высокая помсхоустойчивосзь, нечувствительиость к внешним электромаг1[итным полям и практически отсутствие перс. крестных помех между отдельными волокнами, уложенными вместе в кабель; — значительно большая широкополосное п (20 — 200 М Гц) ири использОВании светодиодоВ (и вплоть до 1 — 3 1 Г[1 при испо:!ьзоВании полупроВодниковых лазеров); — малые габариты и масса (при дальнейшем совершенствомнии техноло!'ии ожидается уменьшение массы и габ[тритов примерно в 10 раз и более ио сравнению с существующими кабельными линиями сВЯзи.
Эти качества ОсобеннО важны ДЛЯ бОртОВой радиоэлектроники); — полная электрическая изоляция между входом и выходом системы связи: отсутствие коротких замыканий, вследствие чего волоконные световоды могут быть использованы в пожароопасных зО![ах; — потенциально низкая стоимость, обусловленная заменой дефицитных дорогостояших цветных металлов кабельных линий (медь, свинец) магериалами (сгекло, кварц, полимеры), сырьевые ресурсы которых не ограничены (например, для изготовления 1 км световода Е~~ = 100 мкм требуется 1 г стекла), а также простотой изготовления, прокладки и эксплуатации ВОЛС. Диэлектрические волноводы, показанные на рис.
1.1,и — м, наиболее широко используются в устройствах интегральной оптики. !Ъ![[нарный диэлектрический волновод (см. рис, 1.1,и) представляет собой нанесенную на подложку полоску тонкой пленки, показатель преломления пз которой больше показа'гелей преломления и, подложки и покрытия п[ (если покрытие отсутствует, то п[ = п[1). Если и! = пз, то Волновод н~з~~аетсЯ спммеп[[[[[ппым, В пРотиВном случае ( п[ ~ пз ) — асимметричиым. Поскольку планарный волнояод «удерживаетэ поле тОлько и ОднОм измерении, для сОздания ряда устройств используют полосковые (двумерные) структуры (см.
рис. 1,1,к — м). Для изготовления диэлектрических оптических волноводов и устройств интегральной оптики применяют подложки из стекла, арсенида галлия (ОаАк), ниобата лития (1 [ХЬОз) и др. Лиаиазон измерения значений основных параметров диэлектрических оптических волноводов (см. рис. 1.1) составляет. толшина пленки 0,3 — 10 мкм, ширина полосковых волноводов 3 — 10мкм; Ж пзМ =10 '-'- 10 ', затухание 0,2 — 10 ДБ~см, Диэлектрические волноводы, представленные на рис, 1.1,и — м, широко используются в интегральной оптике для построения делителей, фильтров, направленных ответвителей, модуляторов„переключателей, дефлекторов, тонкопленочных лазеров и др., а также в ВОЛС, в функциональных узлах оптоэлектронных устройств, осушествляюших обрабо.гку информации, в голографических системах и т.п. Для примера на рис.
Характеристики
Тип файла DJVU
Этот формат был создан для хранения отсканированных страниц книг в большом количестве. DJVU отлично справился с поставленной задачей, но увеличение места на всех устройствах позволили использовать вместо этого формата всё тот же PDF, хоть PDF занимает заметно больше места.
Даже здесь на студизбе мы конвертируем все файлы DJVU в PDF, чтобы Вам не пришлось думать о том, какой программой открыть ту или иную книгу.