Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
41
Харківський національний університет радіоелектроніки
УДК 621.372.011.7: 621.382.029.6.001.63
РОЗВИТОК ТЕОРІЇ І ПРАКТИКИ ПРОЕКТУВАННЯ ЕЛЕКТРОДИНАМІЧНИХ ПРИСТРОЇВ З РОЗПОДІЛЕНИМИ ТА КВАЗІРОЗПОДІЛЕНИМИ НЕЛІНІЙНИМИ ВЛАСТИВОСТЯМИ
05.12.13 –радіотехнічні пристрої та
засоби телекомунікацій
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Харків –
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України.
Науковий консультант –доктор фізико-математичних наук,
старший науковий співробітник
ЛУЧАНІНОВ Анатолій Іванович,
Харківський національний
університет радіоелектроніки,
професор кафедри основ радіотехніки.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
СУХАРЕВСЬКИЙ Олег Ілліч, провідний
науковий співробітник наукового центру ППО
Харківського військового університету
Міноборони України;
доктор технічних наук, професор
ПОПОВСЬКИЙ Володимир Володимирович,
Харківський національний університет
радіоелектроніки, завідувач кафедри
телекомунікаційних систем;
доктор фізико-математичних наук,
старший науковий співробітник
ПОПЕНКО Ніна Олексіївна, інститут
радіофізики і електроніки НАН України
ім. О.Я. Усікова (м. Харків), старший науковий
співробітник відділу радіоспектроскопії.
Провідна установа: Одеська національна академія зв’язку ім. О.С. Попова, кафедри волоконно-оптичних ліній зв’язку і технічної електродинаміки та систем радіозв’язку, Державний комітет зв’язку та інформації України.
Захист відбудеться 29 жовтня 2003 р. о 15-ій годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.03 в Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.
З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.
Автореферат розісланий 24 вересня 2003 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Г.І. Чурюмов
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Сьогодні людство будує глобальне інформаційне суспільство (ГІС). Матеріальним носієм ГІС є інформаційні та інформаційно-вимірювальні радіоелектронні системи (РЕС) і мережі. Вимоги до них щодо швидкості, якості та об’єму передаваної інформації стають дедалі жорсткішими та задовольняються за рахунок підвищення робочих частот РЕС.
При освоєнні нових, більш високочастотних діапазонів хвиль перед розробниками завжди виникали задачі зниження втрат, поліпшення ЕМС і мініатюризації радіотехнічних пристроїв (РТП), що входять до складу РЕС. Останні чотири десятиріччя ці задачі вирішувались за рахунок органічного злиття (тобто інтеграції) РТП з простими функціями у багатофункційні інтегровані пристрої. В результаті виникли нові науково-технічні напрямки, серед яких важливе місце займає функційна електроніка і, як частина її, напрямок, зв’язаний з розвитком теорії та техніки антен з нелінійними елементами (АНЕ).
У зв’язку з великою потребою практики в різноманітних АНЕ, дослідження в цій області інтенсивно нарощуються. Помітний внесок у розвиток теорії АНЕ внесли американські дослідники (наприклад, Nahas J.J., Gutman R.Y), в Росії –таганрозька школа під керівництвом проф. Петрова Б.М., в Україні ці дослідження провадяться на кафедрі ОРТ ХНУРЕ під керівництвом проф. Шифріна Я.С.
Судячи з публікацій, найбільш повно розвинув теорію АНЕ колектив кафедри ОРТ ХНУРЕ. Ця теорія вже широко використана для розроблення та дослідження ряду конкретних типів антен із зосередженими нелінійними елементами (НЕ) (багатоелементних АФАР, антен-помножувачів, ректен та ін.), які знайшли застосування в системах радіобачення, радіолокації, інфокомунікаційних системах з радіодоступом і в системах безпроводової передачі енергії за допомогою мікрохвильового променя.
Типовою ознакою сучасного етапу розвитку цих систем є виникнення інтегрованих антен, в яких або геометричні розміри НЕ порівнювані з довжиною хвилі. Такі пристрої прийнято називати антенами з розподіленими нелінійними елементами. Одночасно з’явились і почали застосовуватися пристрої тракту з розподіленою нелінійністю (лінії передачі, керовані резонатори, фільтри). Таким чином, виникла необхідність у розвитку більш загальної теорії (ніж існуюча теорія АНЕ), яку можна позначити як теорію електродинамічних структур з розподіленими нелінійними елементами (ЕСРН).
До виконання дисертантом власних досліджень вже були відомі методи аналізу ЕСРН, які або дозволяють строго вирішити лише обмежене коло завдань через значну складність, або справедливі для випадку “слабкої” нелінійності. На наш погляд, найбільш прийнятним серед опублікованих є запропонований співробітниками ХНУРЕ метод аналізу ЕСРН, оснований на застосуванні нелінійних граничних умов (НГУ) з нелінійністю довільного вигляду. В цьому випадку для ЕСРН довільної форми одержані системи двовимірних нелінійних інтегральних рівнянь (НІУ). Використання цих НІУ збільшило кількість РТП, які можна розрахувати. Але вирішення двовимірних НІУ також вельми утруднене для цілого ряду конструкцій ЕСРН, що стримує їх практичне використання.
Таким чином, внаслідок існування стійкої тенденції підвищення робочих частот сучасних РЕС зросла потреба у використанні різноманітних ЕСРН як пристроїв функційної електроніки, які дозволяють поліпшити їх показники якості. Проте реалізація складних ЕСРН різного функційного призначення стримується недостатнім розвитком адекватних, придатних для практики методів їх моделювання та проектування. Вказане протиріччя є сутністю однієї з актуальних проблем сучасної радіотехніки, що полягає в необхідності удосконалення відомих та розроблення нових моделей і методів проектування перспективного класу класу функційних пристроїв –електродинамічних структур з розподіленою і квазірозподіленою нелінійністю в інтересах удосконалення сучасних РЕС мікрохвильового діапазону.
Викладу нового вирішення вказаної проблеми, одержаного на основі раніше створеної теорії АНЕ, і присвячена дисертація. В основу досліджень покладена відома ідея спрощення розв’язання нелінійних задач за рахунок зведення двовимірних НІУ до одновимірних для ряду конкретних типів ЕСРН: тонкопроводових ЕСРН довільної конфігурації з НГУ; мікрострічкових пристроїв, нелінійність яких обумовлена наявністю високотемпературної надпровідності (ВТНП); крупноапертурних електродинамічних структур відкритого типу ВВЧ діапазону з квазірозподіленими GaAs діодами Шотткі.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження за темою дисертації пов’язані з державним контрактом між НКАУ з Інститутом технічної механіки НАНУ (співвиконавець ХНУРЕ) № 6-128/98 від 30.03.98 р. “Дослідження фундаментальних проблем створення космічних геліоенергетичних систем”, а також виконувались за планом держбюджетних НДР: № 116-1 “Розвиток теорії електродинамічних структур з розподіленими нелінійними елементами та її використання для пошуку шляхів створення безпроводових систем передачі енергії міліметрового діапазону хвиль”
№ Державної реєстрації 0100U001345; № 154-1 “Фундаментальні дослідження мікрохвильових інтегрованих антен в інтересах створення ефективних інформаційних та енергетичних РЕС”.
Мета і задачі досліджень. Мета полягає в розвитку теорії, а також практики проектування відкритих і закритих електродинамічних структур з розподіленими і квазірозподіленими нелінійними елементами, які функціонують в усталеному періодичному або майже періодичному режимах.
Згідно з визначеною проблемою та поставленою метою в дисертації сформульовані та вирішені такі задачі досліджень.
1. Узагальнення теорії АНЕ на випадок відкритих і закритих електродинамічних структур з розподіленими і квазірозподіленими нелінійними елементами. Обгрунтування підходу до аналізу ЕСРН на основі методу інтегральних рівнянь з НГУ.
2. Виведення НІР для конкретних типів ЕСРН, виконаних на базі проводових і вузьких мікрострічкових електродинамічних структур.
3. Розроблення чисельних методів вирішення НІР для проводових і мікрострічкових електродинамічних структур з розподіленою і квазірозподіленою нелінійностями різної природи, обумовлених, зокрема, наявністю ВТНП або GaAs напівпровідникових структур.
4. Створення програмних засобів проектування ЕСРН, які забезпечують прийнятні для практики точність визначення параметрів і швидкодію.
. Використання розроблених методів, алгоритмів і програм для дослідження властивостей ЕСРН та удосконалення на цій основі схемотехнічних рішень РТП, що застосовуються у РЕС мікрохвильового діапазону.
. Розроблення лабораторних зразків ЕСРН. Проведення експериментів з метою вияснення вірогідності основних положень розробленої теорії.
Об’єкт досліджень –коливання, хвилі і нелінійні ефекти в електродинамічних структурах з розподіленою і квазірозподіленою нелінійністю.
Предмет дослідження –моделі, які забезпечують прийнятну для практики проектування точність аналізу показників якості проводових і мікрострічкових електродинамічних структур з розподіленою і квазірозподіленою нелінійністю.
Методи досліджень. При вирішенні поставлених задач використовувались: математичний апарат електродинаміки, загальної теорії антен та теорії антен із зосередженими і розподіленими НЕ, теорії НВЧ кіл, а також методи чисельного аналізу й експериментальної перевірки його результатів.
Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що на основі використання теорії антен із зосередженими і розподіленими НЕ обгрунтовано та розвинуто теорію перспективного класу радіотехнічних пристроїв –відкритих і закритих електродинамічних структур з розподіленою і квазірозподіленою нелінійністю. Вона являє собою сукупність розробленої системи підходів та наближень, що застосовуються при моделюванні ЕСРН, їх моделей, методів числового вирішення задач аналізу та даних про виявлені характерні властивості й особливості ЕСРН. А саме: запропонована класифікація ЕСРН, яка враховує всю різноманітність їх принципів роботи; вперше для задач аналізу ЕСРН обгрунтовано застосування принципу еквівалентності при заданих НГУ; вперше показано, що для ЕСРН одного й того самого функційного призначення при різних способах застосування принципу еквівалентності можна одержати кілька варіантів систем двовимірних НІР, раціональний вибір одного з яких зумовлює складність подальшого вирішення задачі аналізу; вперше сформульована і вирішена задача багатомодового збудження електродинамічних структур з розподіленими нелінійними елементами; науково обгрунтовано підхід до аналізу ЕСРН, що базується на ідеї переходу від вирішення двовимірних НІР до одновимірних; визначено клас ЕСРН, для яких такий перехід можливий за відповідних умов збудження; одержано системи одновимірних НІР для визначеного класу ЕСРН; вперше з використанням одновимірних НІР сформульовані і вирішені крайові задачі для тонкопроводових і вузьких мікрострічкових електродинамічних структур скінченних розмірів і складної конфігурації, на поверхні провідників яких виконуються НГУ; запропонована модель лінійного багатополюсника (ЛБ), що входить до складу пристроїв із квазірозподіленою нелінійністю, вона побудована на базі удосконаленого вирішення крайової задачі для нескінченних періодичних вузьких мікрострічкових структур складної конфігурації з багатошаровим діелектричним підкладнем, що враховує випадок перетину провідниками стінок каналу Флоке; на основі одержаних рішень крайових задач створено моделі відповідних ЕСРН та запропоновано алгоритми, які враховують специфіку їх аналізу (необхідність розрахунків не менше, ніж на п’яти вищих гармоніках); на відміну від раніше відомих, розроблені алгоритми мають суттєво більшу універсальність і майже вдвічі більшу швидкодію; для реалізації цих позитивних властивостей алгоритмів в роботі запропоновані: простий спосіб однозначного опису геометрії випромінювальної структури (ВС) будь-якої конфігурації; способи формування матриці узагальнених імпедансів (МУІ) в методі моментів у вигляді двох підпослідовностей базисних функцій (БФ), врахування всіх властивостей симетрії цієї матриці та вибору варіанта обчислень її елементів (числовими методами або за аналітичними виразами, які виведені в роботі); рекурентний алгоритм при обчисленні тензорної функції Гріна; створено більш досконалі моделі ряду мікрострічкових РТП, які дозволили виявити всі характерні нелінійні ефекти у випадку, якщо провідники РТП мають властивості ВТНП; достовірність моделей підтверджена порівнянням з відомими експериментальними даними; досліджено РТП з квазірозподіленою нелінійністю (випрямлячі на діодах Шотткі) енергетичних РЕС міліметрового діапазону хвиль (ММДХ); запропоновано наближену модель ректени, яка дозволяє на попередніх етапах проектування суттєво спростити настроювання електродинамічної структури в резонанс разом з паразитними елементами корпусу діоду Шотткі; проведено числові експерименти, в результаті яких виявлено ряд раніше не відомих властивостей ректен міліметрового діапазону хвиль (ММДХ), реалізованих на періодичних сіткових електродинамічних структурах; запропоновано новий підхід до побудови систем безпроводової передачі енергії (БПЕ), що базується на ідеї створення вздовж ректени амплітудного розподілу поля збудження, макси-мального близького до рівномірного.
Практичне значення результатів роботи. Розроблена сукупність методів, алгоритмів та програмних засобів аналізу являють собою науково обгрунтовану реалізаційну базу для проектування ЕСРН. Конкретно: створено оригінальний алгоритм і комплект прикладних програм (КПП) “WIRE-3” для розрахунку електродинамічних характеристик тонкопроводових ВС складної геометрії, на поверхні провідників яких виконуються НГУ; створено оригінальний алгоритм і КПП “INFARS-3” для розрахунку електродинамічних характеристик періодичних вузьких мікрострічкових ВС складної геометрії, адаптований до процесу схемотехнічного проектування ЕСРН. На відміну від відомих аналогічних КПП створені програмні засоби є універсальними, мають вдвічі більшу швидкодію і простоту опису геометрії досліджуваних ЕСРН, що забезпечує широку область їх застосування. Створені КПП занесені до реєстру науково-технічної продукції ХНУРЕ, а комплект “WIRE-3” сертифікований.
Одержані нові знання про властивості ЕСРН. Вперше одержані порівняльні кількісні дані про вплив слабкої та сильної нелінійності на параметри РТП і характеристики ЕМС РЕС. Доведена можливість створення: нового класу РТП з керованими параметрами (на основі виявлених ефектів залежності форми розподілу струму та ДС на вищих гармоніках від величини нелінійності); антен-випрямлячів ММДХ з високої питомою потужністю і гарними параметрами ЕМС.
Проведені експериментальні дослідження ректени, яка увійшла до складу демонстраційної установки по БПЕ, що планується для подальшого використання в умовах космосу. За участю автора виконана госпдоговірна НДР в рамках Національної космічної програми та її результати запроваджені в Інституті технічної механіки НКАУ і НАНУ й частково увійшли в “Пропозиції по виконанню науково-дослідних робіт з розвитку космічної геліоенергетики в Україні”, які подані в НКАУ. Результати дисертаційної роботи запроваджені також у НДПІ “Союз”, центрі “Укрчастотнагляд”, ВАТ ЦНПО “Каскад” при проектуванні телекомунікаційних систем із радіодоступом та використовуються в навчальному процесі ХНУРЕ при підготовці радіоінженерів (дисципліна “Системи автоматизованого проектування РЕЗ”). Практичне застосування результатів дисертації підтверджене актами про запровадження.
Особистий внесок автора у праці, виконані у співавторстві, полягає у запропонуванні класифікації ЕСРН та узагальненні досвіду їх досліджень [3-5,13,30]; виборі та постановці задач теоретичних і експериментальних досліджень [1,7,19,22], провідній участі в розробленні фізичних і математичних моделей ЕСРН та обчислювальних алгоритмів на їх основі [8-11,16,17,20,26,28]; участі у створенні КПП розрахунку ЕСРН [11,23]; виконанні експериментальних досліджень [2,15,29,34]; науковій оцінці отриманих результатів та у формулюванні рекомендацій щодо їх практичного застосування [25].
Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи були оприлюднені та обговорені на наступних конференціях: Modern problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science (Lviv, 2002); III rd, IY rd International Conference “Antenna theory and techniques” (Sevastopil, 1999, 2003); 5-й міжнародній НТК “Достижения в телекоммуникациях за 10 лет независимости Украины” –ТЕЛЕКОМ-2001 (Одесса); 6-й, 7-й міжнародних конференціях “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”(Харків, 2000, 2001); першій Українській конференції щодо перспективних космічних досліджень (Київ, 2001); 3-й, 4-й міжнародній науково-практичній конференції “Современные информационные и электронные технологии”(Одеса, 2001, 2003); 1-му міжнародному радіоелектронному форумі “Прикладная радиоэлектроника: состояние и перспективы развития”МРФ-2002 (Харків); НТК “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини” (Харків, 1999), міжнародному семінарі по теорії і додаткам надпровідності (Харків, 2003).
Публікації. Основні результати досліджень опубліковані в монографії, 25 статтях (24 –у фахових журналах і збірках статей), виданих в Україні, Росії, США, депонованому рукописі, в 11 доповідях, що увійшли в Праці конференцій.
Структура та об’єм дисертації. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, списку використаних джерел з 329 найменувань (30 с.). Загальний обсяг роботи складає сторінок, у тому числі 265 сторінок основного тексту, ілюстрованих 105 рисунками ( 3 с. без тексту) та 8 таблицями.
ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтовується актуальність теми дослідження, вказується на зв’язок роботи з науковими програмами і темами, формулюється мета та задачі дослідження, вказується об’єкт, предмет та методи досліджень, відзначається наукова новизна та практичне значення отриманих результатів, особистий внесок автора в роботах, виконаних у співавторстві, апробація результатів дисертації та відомості про публікації за темою дисертації.
У першому розділі дисертації запропоновано класифікацію ЕСРН та узагальнено вітчизняний і зарубіжний досвід їх дослідження. Показано, що зараз існує багато різноманітних ЕСРН, які відрізняються принципами роботи, типами використовуваних НЕ та технологіями виготовлення. Вони утворюють перспективний клас РТП, що застосовуються в сучасних РЕС ВВЧ і ГВЧ діапазонів хвиль. Розглядаються приклади пристроїв з розподіленою і квазірозподіленою нелінійністю (лінії передачі, керованого резонатора, антен-генераторів, антен-помножувачів, антен-випрямлячів). Ці пристрої виконуються на основі суміщення ідей інтегральної технології та функційної електроніки і по своїй суті є неоднорідними матеріальними середовищами з керованими параметрами. Відповідно теорія таких РТП суттєво відрізняється від класичної, в рамках якої аналіз кожного різновиду пристроїв (антен, передавачів, приймачів і т. ін.) провадився окремо.
У другій частині розділу розглянуті теоретичні методи дослідження ЕСРН. Показано, що строгий підхід, оснований на вирішенні рівнянь Максвелла, спільно з відповідними граничними умовами як для області займаної нелінійністю, так і поза нею, може бути застосований лише до обмеженого кола задач. Детально розглядається розумне спрощення вихідної задачі за допомогою методу еквівалентних граничних умов (ЕГУ), який дозволяє виключити з розгляду деяку область простору і поля в ній, задаючи певний зв’язок між векторами поля на межі цієї області. Відомі з літератури ЕГУ –це, наприклад, імпедансні умови Леонтовича або усереднені умови Астрахана-Конторовича. ЕГУ були застосовані до вирішення ряду нелінійних крайових задач. Проте одержані рішення справедливі лише для випадків “слабкої” нелінійності. Для розв’язання задач аналізу ЕСРН з нелінійністю довільного вигляду проф. Шифрін Я.С. і співробітники одержали систему НІР, використання яких істотно спрощує аналіз ЕСРН. Виведені НІР за своїм змістом є рівняннями стану ЕСРН. У випадку довільної форми ЕСРН вони являють собою системи двовимірних НІР, рішення яких навіть у лінійному випадку виходить вельми складним. З цієї причини для реалізації прийнятних з обчислювальної точки зору алгоритмів і програм аналізу ЕСРН доцільно розглянути можливість спрощення загального вигляду НІР для ЕСРН конкретних типів, для яких можливий перехід від двовимірних НІР до одновимірних. Вирішення вказаних задач і являє собою суть подальшого розвитку теорії і практики проектування ЕСРН, що складає мету досліджень по даній дисертації, яка сформульована вище.
Розділ другий у дисертації є центральним. Тут розроблена математична модель ЕСРН для усталеного періодичного і майже-періодичного режиму їх роботи. Дана модель являє собою систему НІР стосовно до комплексних амплітуд розподілу густини струму на поверхні провідників РТП, що розглядається. При виведенні НІР використано НГУ та принцип еквівалентності.
Основна ідея розроблення загальної моделі полягає ось у чому. Відомий із праць співробітників ХНУРЕ підхід грунтується на тому, що спочатку НІР формулюються у просторово-часовій області, а потім (для майже-періодичного та періодичного режимів збудження) перетворюються у системи НІР у просторово-часовій області. Такий підхід передбачає знання функції Гріна у часовій області для крайової задачі. В ряді практично важливих випадків (наприклад, при аналізі мікрострічкових ЕСРН) відсутні співвідношення для визначення функції Гріна у часовій області, що суттєво обмежує його застосування. Було запропоновано, що це обмеження можна зняти, якщо при аналізі виключити етап одержання НІР у часовій області. Справедливість цієї пропозиції і доведена у розділі 2 для майже-періодичного (і, як окремий випадок, періодичного) режиму роботи, при якому ЕСРН збуджується сторонніми джерелами (або з різними (у загальному випадку некратними) частотами загальне число різних частот зовнішніх сигналів). При цьому також вважається, що на поверхні ЕСРН виконуються локальні НГУ.
Розглядається лише усталений режим роботи, для якого напруженості полів у (1) можна подати у вигляді узагальнених рядів Фур’є:
.(2)
Ці співвідношення є НГУ у частотній області. Вони являють собою систему нелінійних рівностей, що зв’язують на поверхні Σ комплексні амплітуди всіх частотних складових напруженості магнітного поля, з амплітудою однієї частотної складової електричного поля. Кожну умову системи визначено на частоті , а розмірність даної системи дорівнює кількості частот N , що враховуються при розрахунку нелінійного режиму пристрою. Аналогічні НГУ отримано для поверхневих густин магнітного й електричного струмів.
Проаналізовано властивості НГУ. Показано, що якщо оператор подамо у вигляді суми лінійної та нелінійної частин, тобто, то НГУ можна записати так:
(3)
Видно, що нелінійні характеристики оператора призвели до появи у НГУ доданка 0, який можна інтерпретувати як деякі додаткові сторонні джерела, що збуджують ЕСРН на частоті . Таким чином, НГУ описують такий сугубо нелінійний ефект, як виникнення полів на частотах, що не збігаються з частотами зовнішнього збудження. Для частот i=k вектор, як додаткове джерело, змінює напруженість стороннього поля і за рахунок цього змінюється напруженість магнітного поля, що, природно, призводить до зміни густини поверхневого струму на цих частотах.
Наступною задачею на шляху формування НІР, яка раніше не розглядалася іншими авторами, було вивчення особливостей застосування принципу еквівалентності на прикладі задачі про два відкритих (або закритих) електродинамічних об’єми і , обмежених відповідно поверхнями і та зв’язаних через апертуру . При цьому припускається, що джерела збудження розміщуються в об’ємі, а на поверхні , яка обмежує один з об’ємів, виконуються НГУ вигляду (1). Показано, що як і в лінійному випадку, розв’язання вихідної задачі можна подати у вигляді розв’язання двох однотипних, свого роду “ключових”, задач, для кожного з об’ємів окремо. При цьому вважається, що апертура “затягується” плівкою, по обидва боки якої існують деякі еквівалентні джерела. Врахування зв’язку між цими джерелами веде до НІР відносно розподілу густини магнітного та електричного струмів по апертурі. З розв’язання даного рівняння, яке, по суті, є розв’язанням загальної задачі, і визначається решта характеристик досліджуваного пристрою.
Далі у розділі 2 розглянуто розв’язання “ключових” задач збудження ЕСРН. У своїй постановці така задача являє собою задачу збудження об’єму (або ) як сторонніми джерелами, так і еквівалентними струмами на апертурі (“еквівалентні джерела”), розподіл поля яких суттєво залежить від частоти, електричних розмірів апертури, нелінійних властивостей поверхні ЕСРН, а також, через нелінійність пристрою, від амплітуди сторонніх джерел. Таким чином, “ключова” задача повинна формулюватися як задача збудження деякого об’єму , обмеженого поверхнею SR U SA джерелами, довільно розподіленими на . Такою задачею було вибрано задачу збудження ЕСРН багатомодовою регулярною лінією передачі, поперечний переріз якої збігається з .
Задача вирішувалась у такій постановці. Нехай, як і при розгляді принципу еквівалентності, це довільний об’єм, обмежений поверхнею SR U SA . Поле у збуджується на кожній з частот регулярною лінією передачі з поперечним перерізом . Багатомодове збудження на кожній з частот здійснюється своєю кількістю хвиль, яка дорівнює . Задача полягає у знаходженні густини струму на як функції координат, частот та властивостей поверхні антени.
Для визначення функції одержано таку систему НІР:
(4)
При наявності в області сторонніх джерел і система НІР має такий вигляд:
(7)
Далі, стосовно до конкретних структур, розглянуто можливість спрощення НІР загального вигляду (7) переходом до системи одновимірних рівнянь. Вказані умови, при яких такий перехід можливий, а для ЕСРН, поверхня яких представляє тіло обертання з довільною твірною, нескінченний циліндр довільного поперечного перерізу, отримані конкретні системи одновимірних НІР. Під кінець розділу 2 показано, що розроблена модель ЕСРН дозволяє, як окремий випадок, аналізувати структури з квазірозподіленою нелінійністю.
У третьому та четвертому розділах досліджені електродинамічні структури з розподіленою нелінійністю. Третій розділ присвячений розробленню моделі, алгоритму і КПП для розрахунку тонкопроводових ЕСРН складної конфігурації, на поверхні провідників яких виконуються НГУ, та вивченню основних властивостей цих структур. Доцільність таких досліджень обумовлена широким використанням в реальних РТУ тонкопроводових структур з розподіленою нелінійністю. Розглядається електродинамічна структура довільної конфігурації у вигляді сукупності N прямолінійних відрізків циліндричних провідників завдовжки , розміщених або у вільному просторі, або над нескінченним ідеально провідним пласким екраном. Провідники з’єднані між собою певним чином і мають ряд клем для підключення джерела збудження та елементів зосередженого навантаження. Вважається, що: радіус провідників , які входять у структуру, набагато менший довжини хвилі і довжини найменшого прямолінійного відрізка провідника структури (тобто має місце тонкопроводове наближення); на поверхні провідників виконується НГУ вигляду:
Маючи достатню степінь адекватності реальним об’єктам, така модель дозволяє порівняно легко описати геометрію ЕСРН складної конфігурації як із розподіленим поверхневим імпедансом, так і враховувати включення в структуру лінійних і нелінійних елементів із зосередженими параметрами. При цьому зміниться лише вигляд оператора в місцях їх включення. Далі, для опису геометрії ЕСРН, запропоновано ефективний формальний спосіб, суть якого зводиться ось до чого. Вводиться поняття гілок (прямолінійних однорідних відрізків провідників) та вузлів (точки з’єднання двох і більше гілок). Розрізняють: вільні гілки, в яких обидва кінці не з’єднані з жодним із вузлів; гілки з вільним кінцем, у яких один з кінців не з’єднаний з жодним із вузлів ЕСРН; зовнішні вузли –клеми для під’єднання джерел збудження або навантаження. Всі останні вузли називаються внутрішніми. Запропонована процедура, яка дозволяє однозначно описати геометрію випромінювача довільної конфігурації, за рахунок чого досягається універсальність обчислювального алгоритму (тіло програми не змінюється при варіюванні конфігурацією ЕСРН).
Модель ЕСРН будувалась шляхом застосування методу інтегральних рівнянь (ІР) з НГУ. При виведенні ІР розглядався усталений періодичний режим розміщеної у вільному просторі ЕСРН, на поверхні якої виконується задане НГУ у тонкопроводовому наближенні. При цьому, на відміну від ІР, для тонкопроводових ЕСРН, одержаних у 2-му розділі, припускалось, що розриви провідників, в які включаються джерела живлення, або зосереджені елементи, згідно з принципом еквівалентності (розділ 2) “затягуються” ідеальним провідником. Це в результаті привело до спрощення ІР. Припускалось, що джерело збудження ЕСРН має частоту , а відгук - розподіл струму на частотах, де кількість вищих гармонік, які враховуються. В результаті одержана система ІР, кожне рівняння якої складається з двох доданків –лінійного і нелінійного.
(8)
В результаті одержані співвідношення, які являють собою систему нелінійних алгебричних рівнянь відносно невідомих амплітуд гармонік розподілу струму. Дана система за змістом є системою рівнянь гармонічного балансу (системою рівнянь стану ЕСРН) для нелінійного кола, яке являє собою з’єднання нелінійного (описаного в часовій області) та лінійного (описаного в частотній області) багатополюсників. Трудомісткість вирішення цієї системи велика і практично визначає витрати на вирішення задачі в цілому.
Особливість ЕСРН з нелінійним поверхневим імпедансом полягає в тому, що при їх аналізі необхідне багаторазове обчислення лінійного інтегрального оператора на частотах вищих гармонік, тобто, у порівнянні з випадком лінійного поверхневого імпедансу, час аналізу значно збільшується. У зв’язку з цим подальші дослідження були спрямовані на розроблення ряду пропозицій, які б привели до суттєвого скорочення обчислювальних витрат. У першу чергу, ці витрати залежать від вибору систем базисних і вагових функцій. Показано, що при апроксимації струму у нелінійному операторі можна допустити грубу апроксимацію кусково-сталими функціями. У цьому випадку вже при кількості розбиттів 15 відносна помилка становить усього 10-4, а нелінійний оператор суттєво спрощується та описує нелінійний багатополюсник, який складається з окремих, не зв’язаних між собою нелінійних двополюсників. За рахунок цього рівняння енергетичного балансу різко спрощується і часові витрати на їх розв’язання істотно зменшуються. У розділі 3 обгрунтований вибір системи БФ, що апроксимують розподіл струму у лінійній частині інтегрального оператора. Показано, що найбільш раціонально вибрати як базисні кусково-синусоїдні функції, використання яких дозволяє: ефективно обчислювати елементи МУІ, тому що в даному випадку для багатьох інтегралів можуть бути одержані замкнені вирази; забезпечити більш швидку збіжність розв’язання ІР відносно випадків кусково-сталого і кусково-трикутного базису (від 3 до 8 разів).
Для подальшого збільшення швидкодії запропоновано декілька способів. Перший з них –це подання послідовності БФ у вигляді двох підпослідовностей: перша з них об’єднує БФ, що апроксимують розподіл струму вздовж вільних гілок ЕСРН, а друга –БФ, що апроксимують розподіл струму в місцях з’єднання гілок. Запропонований метод забезпечує виконання закону Кірхгофа у внутрішніх вузлах та перетворення на нуль струмів на вільних кінцях гілок ще на етапі утворення системи БФ, що дає змогу зробити алгоритм обчислення універсальним для будь-якої геометрії випромінювача. Крім того, вибір системи БФ у вигляді двох підпослідовностей призводить до зниження часових витрат за рахунок інакшого формування МУІ, де діагональна клітина є теплицевою. Другий спосіб –це врахування симетрії МУІ, а третій полягає в тому, що для ряду окремих випадків у роботі одержані аналітичні вирази для розрахунку взаємного опору. Далі у розділі 3 одержано всі необхідні співвідношення для розрахунку зовнішніх характеристик ЕСРН.
На основі розробленої моделі був створений алгоритм та КПП “WIRE-3” для розрахунку електродинамічних характеристик ЕСРН, поверхневий імпеданс яких має нелінійні властивості. Пакет реалізований на мові Фортран-90, працює в середовищі Windows 9X і сертифікований. Вірогідність розробленої моделі та КПП була встановлена розв’язанням тестових задач і порівнянням їх результатів з відомими теоретичними й експериментальними характеристиками для Г-подібних, Т-подібних і -подібних антен. Одержано дані, які свідчать про прийнятний для практики збіг результатів розрахунку та експерименту.
У розділі 3, для з’ясування особливостей проявів нелінійних ефектів у ЕСРН, проаналізовано найпростійшу структуру –несиметричний вібратор резонансної довжини, що живиться джерелом струму на частоті першої гармоніки. Індуктивний поверхневий імпеданс ЕСРН описується нелінійною залежністю вигляду (L і L- коефіцієнти, що характеризують лінійні та нелінійні властивості поверхневого імпедансу, відповідно). На першому етапі було розраховано розподіл струму вздовж вібратора на основній частоті і частотах вищих гармонік (включаючи п’яту) при різному ступені нелінійності поверхневого імпедансу (значення коефіцієнта ) та різних рівнях збудження. Показано, що на основній частоті при мкГн/мА розподіл струму при лінійному () і нелінійному характері імпедансу практично не відрізняється. Значна відмінність спостерігається лише у випадку сильної нелінійності (). Значно більші відмінності для слабкої нелінійності існують у розподілі струму на частотах вищих гармонік, наприклад, третьої.
Розрахунок розподілу струму залежно від ступеня нелінійності поверхневого імпедансу при різних струмах збудження показав, що збудження струмом більшої амплітуди при меншій нелінійності поверхневого імпедансу та збудження струмом меншої амплітуди при більшій нелінійності поверхневого імпедансу дають практично однаковий результат з точки зору прояву нелінійних ефектів як на основній частоті, так і на частотах вищих гармонік. Дослідження при великих значеннях поверхневого імпедансу показали різку відмінність у поведінці розподілу струму для вібраторів з лінійним і нелінійним поверхневим імпедансом. Так, на основній частоті у першому випадку при ≥1 мкГн спостерігається відсічення струму (його амплітуда при практично дорівнює нулю). Для вібратора з нелінійним імпедансом цього не буде, а спостерігається інтенсивне збудження струму третьої гармоніки, амплітуда якої в деяких перетинах може значно перевищити амплітуду струму основної частоти.
На другому етапі було розраховано діаграми спрямованості (ДС) вібратора на основній частоті і частотах гармонік. Результати показали, що на основній частоті для всіх розглянутих значень ДС відносно слабко залежить від ступеня нелінійності поверхневого імпедансу. Значно сильніша відмінність ДС на частотах вищих гармонік (наприклад, третій), особливо при сильній нелінійності (>1 мкГн/мА).
По результатах великої кількості числових експериментів зроблено такі висновки: вперше отримано кількісні результати для порівняння амплітудних і фазових розподілів струму, а також діаграм спрямованості ЕСРН при слабкій і сильній нелінійності; виявлено ефекти значної залежності форми розподілу та ДС на частотах гармонік від степеня нелінійності ЕСРН, що дозволяє створити в перспективі на основі відрізків ліній передачі з розподіленою нелінійністю РТП з електрично керованими зовнішніми і внутрішніми параметрами.
У четвертому розділі викладені розроблена модель та результати досліджень ЕСРН, виконаних на основі вузьких багатошарових мікрострічкових ліній з ВТНП. Для цього випадку конкретний вигляд НГУ, тобто і оператора, визначався з макромоделі у вигляді поліному, що описує нелінійні властивості провідників із ВТНП. З використанням результатів експерименту показано, що оператор в НГУ адекватно може бути представлений поліномом не вище четвертого степеня, коефіцієнти якого залежать від частоти і для кожного конкретного провідника визначаються з даних експерименту.
Далі одержано систему одновимірних НІР, яка істотно відрізняється від випадку тонкопроводових ЕСРН за рахунок іншого подання функції Гріна та нерівномірного розподілу густини струму в поперечному перерізі лінії завширшки W. Для періодичного і майже-періодичного режиму ЕСРН при збудженні її стороннім джерелом система НІР відносно розподілу комбінаційних складових струму вздовж провідників ЕСРН має вигляд:
Рівняння одержано в наближенні сталості розподілу густини струму у поперечному перерізі вздовж провідників на всіх N частотах відгуку. Його розв’язання виконувалось методом моментів з різними системами БФ для лінійної і нелінійної частин інтегрального оператора.
Одержана система –це рівняння гармонічного балансу для кола, яке складається з лінійного і нелінійного 2М-полюсників, до розв’язання якого застосовувались відомі з теорії АНЕ методи. В результаті створено КПП, за допомогою якого досліджувались нелінійні ефекти в пристроях із ВТНП.
При тестуванні КПП визначались умови збіжності розв’язання. На прикладі мікрострічкової лінії з резистивною нелінійністю з’ясовано, що в широкому діапазоні зміни параметрів нелінійності збіжність розв’язання спостерігається при десяти і більше БФ на відрізку лінії з електричною довжиною .
У зв’язку з реальною перспективою запровадження пристроїв із ВТНП у сучасні РЕС вивчався вплив степеня нелінійності не лише на функційні параметри ЕСРН, але й на параметри ЕМС РЕС. Були кількісно оцінені такі шкідливі нелінійні ефекти, як спотворення спектра сигналу за рахунок виникнення в тракті РЕС інтермодуляційних коливань, і коливань на вищих гармоніках. Дослідження проводились для мікрострічкових РТП виконаних з високотемпературного надпровідника YВaCuO.
В результаті проведеного аналізу зроблено такі висновки: вперше виявлений ефект слабкої залежності резонансної частоти резонаторів із ВТНП від степеня нелінійності надпровідників; встановлено, що РТП із ВТНП погіршує ЕМС РЕС, при цьому показники якості РЕС будуть не краще: -55…-65 дБм по коефіцієнту інтермодуляції 3-го порядку; -50…-100 дБм по рівню побічного випромінювання.
П’ятий і шостий розділи присвячені дослідженню випромінювальних електродинамічних структур з квазірозподіленою нелінійністю ВВЧ діапазону. Їх практичні розробленні (антени-генератори, антени-помножувачі та ін.) являють собою крупноапертурні періодичні АНЕ. Вони виконуються на основі інтеграції GaAs напівпровідникових елементів та мікрострічкових одновимірних структур, що мають у ВВЧ діапазоні менші втрати, ніж двовимірні. При дослідженнях використовувались дві відомі ідеї: до розрахунку пристроїв з квазірозподіленою нелінійністю застосуємо метод еквівалентних схем, а задача їх аналізу може бути розбита на дві –аналіз лінійного та нелінійного багатополюсників. ЛБ сучасних пристроїв з квазірозподіленою нелінійністю ВВЧ діапазону являють собою планарні мікрострічкові періодичні структури багатофункційного призначення. Вони одночасно виконують роль антенної решітки, ліній подання напруги на НЕ, фільтрів гармонік, пристроїв розв’язки за постійним струмом та ін. Кожен з елементів цих ЛБ є фактично випромінювачем і для створення їх моделей застосовні добре розроблені методи розрахунку періодичних АНЕ. Модель ЛБ пристроїв з квазірозподіленою нелінійністю повинна забезпечувати: розрахунок періодичної мікрострічкової структури з довільною конфігурацією провідників, включаючи перетинання ними меж сусідніх чарунок періодичності; реалізацію універсальної комп’ютерної програми, у якої при зміні конфігурації провідників оболонка не змінюється; розрахунок параметрів ЛБ не менше, ніж на п’яти частотних гармоніках за прийнятний час розрахунків, що, як відомо, необхідно для забезпечення високої точності розрахунку нелінійних характеристик ЕСРН. У зв’язку з цим самостійною задачею розвитку теорії ЕСРН є удосконалення методів розрахунку зовнішніх і внутрішніх параметрів ВС складної геометрії та створення на їх основі програм, адаптованих до процесу проектування багатофункційних ЛБ, які є частиною пристроїв з квазірозподіленою нелінійністю. Цю задачу вирішено у розділі 5 стосовно до одновимірних мікрострічкових випромінювачів (МСВ).
Проведений огляд праць показав, що існуючі програмні засоби не дозволяють вести розрахунок ВС з проводами, що перетинають межі чарунок періодичності, при цьому їх обмежена швидкодія дає можливість визначати параметри ВС на гармоніках не більше третьої. Мета проведених досліджень і полягала в ліквідації вказаних прогалин. Один з елементів новизни створеної моделі ВС –це розроблення універсального способу формалізованого опису однієї чарунки періодичності складної геометрії, який дозволяє врахувати гальванічне з’єднання випромінювачів, розміщених у різних чарунках періодичної структури. Розглядалась крупноапертурна решітка МСВ, що дозволило як модель такої ВС прийняти чарунку періодичності із косокутовою сіткою. Випромінювачі, що знаходяться в межах однієї чарунки, можуть бути розміщені в декількох площинах, які збігаються з межами розділу сусідніх шарів багатошарового діелектричного підкладня. Підкладень моделювався у вигляді шарувато-однорідного середовища із втратами над нескінченно ідеально провідним екраном. При описі топології випромінювача були прийняті такі наближення: МСВ складної геометрії був поданий у вигляді сукупності добре провідних прямолінійних стрічок нульової товщини, на поверхні яких виконувалась умова Леонтовича; ширина стрічки приймалась значно меншою довжини хвилі та мінімальної довжини прямолінійного відрізка. Однозначність опису геометрії була встановлена за рахунок введення понять гілок і вузлів так само, як і в розділі 3. Відмінністю є введення вузлів, утворених перетином гілок випромінювача меж каналу Флоке. У дисертації наведена процедура, яка дозволяє на підставі опису геометрії кожної чарунки періодичності скласти опис геометрії ВС будь-якої конфігурації в цілому при мінімальному наборі вихідних даних, що дає можливість будувати ефективні алгоритми їх аналізу.
Далі у розділі 5 одержана система ІР стосовно розподілу струмів на елементах МСВ при таких наближеннях: поздовжня складова поверхневого струму більша поперечної; розподіл струму по ширині стрічки рівномірний. Як стороннє збудження розглядалось падіння на апертуру пласкої електромагнітної хвилі з відомою амплітудоюта напрямком приходу. В результаті було одержано нескінченновимірну систему ІР відносно невідомих струмів (осі косокутної сітки):
Для розв’язання ІР використовувався метод Гальоркіна, згідно з яким шуканий струм подано у вигляді розкладу за деякою системою БФ. Єдиність розв’язку системи ІР при перетині провідниками випромінювачів стінок каналів Флоке забезпечувалась за рахунок урахування неперервності струмів вздовж провідників структури.
Так само, як і в розділі 3, універсалізація та висока швидкодія алгоритму досягались за рахунок вибору як БФ кусково-синусоїдних функцій. Крім того, показано, що швидкодію можна ще збільшити за рахунок застосування таких спеціальних способів: визначення елементів МУІ аналітичним шляхом, спосіб наближеного обчислення яких запропоновано в роботі для випадку, коли характеристики МСВ розраховуються залежно від напрямку приходу збуджувальної пласкої хвилі; при цьому втрати точності становлять 1 %, а швидкодія збільшується в 2,5 рази; використання запропонованого рекурентного алгоритму при обчисленні тензорної функції Гріна, фізична інтерпретація якого полягає у перерахуванні параметрів усіх шарів підкладня, що лежать вище і нижче, до шару, в якому розміщене точкове джерело струму, яке розглядається.
На основі створеної моделі розроблено комплект прикладних програм “INFARS-3”, для оцінювання вірогідності та ефективності якого виконано ряд тестових розрахунків, результати яких порівнювались з опублікованими у відомих працях даними. Показано, що похибка визначення вхідних опорів не перевищує 1…5 %, а виграш у часі розрахунку може бути одержаний значний (до 30 хв.), залежно від складності геометрії МСВ. У дисертації наведено також результати обчислень, які доводять їх вірогідність при дослідженні структур з перетинами проводами меж чарунок Флоке. Крім того, на прикладі сіткової структури перевірялась ефективність запропонованого алгоритму при розрахунку вхідного опору чарунки Флоке на дев’яти частотних гармоніках при 6-ти базисних функціях і 20 просторових гармоніках. Розрахунок був проведений всього за 25с на ПК “Pentium-200”, що підтверджує можливість використання розробленої моделі при проектуванні ЛБ ЕСРН.
Шостий розділ присвячений моделюванню та дослідженню параметрів нелінійного режиму періодичних мікрострічкових пристроїв з квазірозподіленою нелінійністю. Тут розглянуто особливості моделювання методом еквівалентних схем електродинамічних пристроїв ММДХ, квазірозподілена нелінійність яких обумовлена наявністю GaAs діодних структур (корпусних діодів Шотткі). Еквівалентні схеми різноманітних пристроїв ВВЧ діапазонів на діодах Шотткі багато в чому схожі. Без порушення спільності викладу запропонована методика моделювання розглядається на прикладі антен-випрямлячів, що входять до складу систем безпроводової передачі енергії мікрохвильовим променем. При виконанні досліджень переслідувалась така мета: довести ефективність застосування створених у розділах 2, 5 методів і програмних засобів розрахунку ЕСРН для вирішення інженерних задач проектування перспективних радіотехнічних пристроїв ВВЧ діапазону хвиль; виявити раніше не відомі властивості антен-випрямлячів ММДХ і на цій основі запропонувати їх нові схемні рішення; оцінити потенційні можливості систем БПЕ, в яких використовуються запропоновані схемні рішення діодних випрямлячів.
Ефективність систем БПЕ оцінюється такими параметрами і характеристиками: результувальним ККД , який дорівнює відношенню потужності постійного струму у навантаженні, до потужності випромінювання передавальної антени; питомою поверхневою потужністю , що має зміст потужності постійного струму у навантаженні, “що знімається” з 1 м апертури ректени та кутовим розподілом рівня побічного випромінювання, поява якого обумовлена наявністю нелінійних елементів у ректені.
Із збільшенням робочої частоти системи БПЕ у діодів Шотткі значення допустимої вхідної потужності і ККД випрямлення зменшуються, що призводить до зниження величин і системи в цілому. З цієї причини при дослідженні потенційних можливостей систем БПЕ ММДХ вирішувались дві актуальних задачі: пошук конфігурацій випромінювальних структур ЕСРН, що забезпечують прийнятні величини ; максимізація результувального ККД. При вирішенні першої задачі була запропонована зручна для інженерної практики проектування наближена модель розрахунку ККД ректен, що враховує вплив паразитних елементів корпусу діодів Шотткі та опору втрат . Як первісне наближення використовувалось наближення нескінченної решітки, що дозволило перейти до розгляду однієї чарунки Флоке досліджуваної ЕСРН. Таке наближення виправдане тим, що ректени ММДХ є крупноапертурними. Еквівалентна схема чарунки наведена на рис. 1,а. Тут паразитні ємність, індуктивність, а випромінювач поданий у вигляді еквівалентного генератора з внутрішнім опором та ЕРС , наведеною спадною пласкою хвилею. Інші прийняті наближення були продиктовані такими обставинами. Максимум ККД випрямлення діоду Шотткі досягається в тому випадку, коли вхідне коло випрямляча настроєне в резонанс і характеризується еквівалентним активним опором (клеми на рис. 1,а), підключеним паралельно резистивній нелінійності діоду , а величина опору навантаження за постійним струмом. У загальному випадку величина залежить від рівня вхідного впливу і значення , тому що динамічна нелінійна ємність С(u) діоду та опір є елементами вхідного кола. Через те що на етапі пошуку резонансних розмірів ВС невідоме, то невідомий і опір , що призводить до невизначеності задачі. Для однозначного визначення геометрії ВС на попередніх етапах проектування запропоновано ввести два наближення: динамічний опір втрат діоду на першій гармоніці набагато більший опору втрат
Рис. 1. Еквівалентна схема чарунки Флоке
Рис. 2. Структури: колінеарні проводи (а) та сітка (б)
(доведено числовими експериментами). В результаті схема рис. 1,а перетворюється у схему рис. 1,б. При цьому (див. рис.1,в)
Визначивши при відомих параметрах діоду значення , при якому реалізується максимальний ККД випрямлення можна знайти значення , при яких вхідне коло випрямляча буде настроєне в резонанс. Для цього в (9) необхідно покласти .
З використанням вказаного підходу були проведені теоретичні дослідження, внаслідок яких вияснено умови досягнення максимального ККД випрямлення у сучасних діодах Шотткі. Показано, що при збільшенні робочої частоти від 12 ГГц до 43 ГГц максимальний ККД випрямлення зменшується від 75 % до 45 %, при цьому повинно знижуватися від 160 Ом до 40 Ом.
Подальші дослідження за допомогою розробленого КПП “INFARS-3” були спрямовані на пошук геометричних розмірів випромінювачів, які забезпечують умову досягнення високих ККД та питомої потужності на частоті 35 ГГц. Було запропоновано використати у ректенах ВС, виконані або у вигляді системи колінеарних вузьких мікрострічкових проводів, у розриви яких через рівні проміжки включені діоди Шотткі, або у вигляді косокутної сітки (рис. 2,а,б).
Чисельні машинні експерименти показали, що в структурах типу “колінеарні проводи” або “сітка” не можна досягти опору, що забезпечило б на частоті 35 ГГц максимальний ККД. Типові значення для цих структур лежать в межах (12-16)Ом, що приводить до ККД чарунки до
%. Другою виявленою особливістю вивчених ВС є те, що вони забезпечують резонанс вхідного кола випрямляча при розмірах квадратної чарунки Флоке від до . За рахунок цього густина розміщення діодів Шотткі на апертурі ректени збільшується й реалізується умова досягнення великих значень . Третя особливість полягає в тому, що вивчені ВС мають вельми малий опір на частотах гармонік, що забезпечує великий рівень подавлення побічного випромінювання (не менше –дБ). Остання обставина суттєво спрощує реалізацію антени випрямляча з гарними характеристиками ЕМС. В результаті запропоновано схемне рішення ректени на основі ВС типу “прямокутна сітка” без вхідного і вихідного фільтра та чарункою , яка при рівномірному збудженні апертури має такі параметри: ККД випрямлення 35%; рівень побічного випромінювання не гірше –дБ; питома потужність не менше 8 кВт/м.
Провадились дослідження, спрямовані на пошук варіантів побудови систем БПЕ ММДХ з максимальним результувальним ККД, який дорівнює добутку ККД перехоплення електромагнітної енергії апертурою ректени , ККД випрямлення ректени і ККД збирання потужності постійного струму . У системі БПЕ діють такі закономірності. Для досягнення максимального ККД перехоплення амплітудний розподіл вздовж апертури ректени повинен бути суттєво нерівномірним і описується функцією Гаусса. У свою чергу при зменшується значення і різко знижується ККД збирання , що обмежує ефективність систем БПЕ. Запропоновано для вирішення протиріччя між збільшенням та зниженням ККД випрямлення і збирання збуджувати апертуру сфокусованим пучком, амплітудний розподіл вздовж перерізу якого максимально близький до рівномірного. Для перевірки цієї ідеї поставлені і розв’язані такі задачі: при заданій геометрії системи БПЕ та відомій робочій частоті синтезовано поле збудження, що забезпечує на апертурі ректени амплітудний розподіл, максимально близький до рівномірного; з урахуванням впливу квадратичного фазового розподілу визначені ККД випрямлення і збирання крупноапертурної ректени. Проведено порівняння ефективності двох варіантів систем БПЕ на частоті 35 ГГц: перший варіант з оптимальним за критерієм максимуму ККД перехоплення гауссовим розподілом поля збудження, другий варіант –з оптимальним за критерієм максимальної близькості до рівномірного амплітудним розподілом по апертурі ректени. За наслідками числових експериментів зроблено висновок, що при будь-якій топології схеми збирання ректени другий варіант системи БПЕ дає виграш у ККД від 3 до 8 %.
Для підтвердження достовірності одержаних теоретичних результатів проведені експериментальні дослідження ректени з робочою частотою 2,45 ГГц.
Вивчалась залежність потужності постійного струму від опору навантаження та від густини потоку потужності поля збудження . Результати експерименту порівнювались із розрахунковими кривими, які були одержані з урахуванням і без урахування залежності нелінійності ємності діодів Шотткі від рівня збудження. Проведений аналіз порівняльних даних підтвердив достовірність і практичну застосовність розроблених методів та програмних засобів для розрахунку ЕСРН. На підставі одержаних матеріалів була розроблена та випробувана установка для проведення перших демонстраційних експериментів у космосі, яка реалізована на замовлення НКАУ.
У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової проблеми, яка полягає в необхідності розроблення адекватних методів аналізу і проектування перспективного класу РТП –електродинамічних структур із розподіленими і квазірозподіленими нелінійними властивостями. Це рішення являє собою розвиток відомої теорії АНЕ, яка базується на методі НІР з НГУ, які записані в просторово-часовій області.
Головний результат дисертації –створення методу аналізу електро-динамічних структур довільного вигляду з розподіленою і, як окремий випадок, з квазірозподіленою нелінійністю при багатомодовому їх збудженні. Метод базується на ідеї формування двовимірних систем НІР із застосуванням принципу еквівалентності при відповідних НГУ у просторово-частотній області. Такий підхід дозволяє суттєво розширити коло різновидів ЕСРН, для яких можна провести аналіз, тому що для цілого ряду ЕСРН функція Гріна визначена лише у просторово-частотній області. Основний внесок у розвиток теорії і практики проектування ЕСРН полягає у створенні методів, алгоритмів і програм, за допомогою яких можна провести в усталеному періодичному і майже-періодичному режимі розрахунок параметрів ЕСРН різноманітного функційного призначення як при слабкій, так і сильній нелінійності із достатніми для практики точністю та швидкодією. Згідно з поставленою метою і сформульованими у роботі задачами досліджень одержані такі нові результати.
1. В частині вирішення задач, спрямованих на розвиток теоретичних основ ЕСРН, вперше: доведена можливість застосування принципу еквівалентності для задач аналізу ЕСРН при заданих НГУ; доведено, що для ЕСРН одного й того самого призначення при різних способах застосування принципу еквівалентності можна одержати декілька варіантів систем двовимірних НІР, раціональний вибір однієї з яких визначає складність подальшого вирішення задачі аналізу; сформульована і вирішена задача багатомодового збудження ЕСРН; визначено клас ЕСРН, для якого при аналізі можливий перехід від вирішення двовимірних НІР до одновимірних для позначеного класу ЕСРН; сформульовані та вирішені крайові задачі для тонкопроводових і вузьких мікрострічкових електродинамічних структур скінченних розмірів та складної конфігурації, на поверхні яких виконуються НГУ; удосконалено рішення крайової задачі для нескінченних періодичних вузьких мікрострічкових структур складної геометрії, яке враховує випадок перетину провідниками стінок каналу Флоке.
2. В частині вирішення задач, спрямованих на розроблення нових моделей і методів чисельного рішення НІР: удосконалено метод чисельного рішення НІР, що базується на методі моментів; для цього в роботі запропоновано: способи формування матриці узагальнених імпедансів у вигляді двох підпослідовностей базисних функцій, врахування всіх властивостей симетрії цієї матриці і вибору варіанту обчислень її елементів або за виведеними в роботі формулами, або числовими методами, а також рекурентний алгоритм при обчисленні функції Гріна; створені моделі проводових і мікрострічкових ЕСРН, які на відміну від відомих, дозволяють: розраховувати їх параметри не менше ніж на п’яти вищих гармоніках; виявити всі нелінійні ефекти як при “слабкій”, так і “сильній” нелінійності та мають властивість універсальності за рахунок використання запропонованого у роботі простого способу однозначного опису геометрії електродинамічної структури складної конфігурації; запропонована наближена модель ректени, яка дозволяє на попередніх етапах проектування суттєво спростити настроювання електродинамічної структури в резонанс спільно з паразитними елементами корпусу діода Шотткі. Достовірність моделей доведена порівнянням даних моделювання й відомих експериментальних результатів інших авторів.
До другої групи належать результати по вивченню властивостей РТП з розподіленою нелінійністю та їх вплив на ЕМС РЕС. Вперше, при дослідженні тонкопроводових ЕСРН, отримані кількісні залежності для порівняння внутрішніх і зовнішніх характеристик ЕСРН при сильній і слабкій нелінійності. Виявлені нові ефекти суттєвої зміни форми амплітудного і фазового розподілу струму вздовж ЕСРН, а також її ДС на вищих гармоніках при збільшенні степеня нелінійності від слабкої до сильної. Зроблено висновок про можливість створення в недалекій перспективі на основі відрізків ліній передачі з розподіленою нелінійністю (обумовленою, наприклад, наявністю напівпровідникового підкладня) нового класу керованих пристроїв тракту (кіл узгодження, подільників, фазообертачів та ін.) і АНЕ з керувальною на вищих гармоніках ДС (наприклад, антен-помножувачів). При дослідженні РТП з ВТНП: виявлено ефект слабкої залежності резонансної частоти прохідних резонаторів від степеня нелінійності ЕСРН; показано, що при їх застосуванні характеристики ЕМС РЕС погіршуються до рівня інтермодуляцій третього порядку не краще –…–дБм та рівня побічного випромінювання не краще –… –дБм.
До третьої групи належать результати чисельного моделювання радіопристроїв, виконаних на електродинамічних структурах, квазірозподілена нелінійність яких обумовлена наявністю GaAs напівпровідникових переходів (діодів Шотткі); детально досліджені антени-випрямлячі міліметрового діапазону хвиль, випромінювальними структурами яких є періодичні мікрострічкові системи типу “колінеарні проводи” і “сітка”; внаслідок проведеного дослідження вперше виявлено, що структури типу “колінеарні проводи” і “сітка” не дозволяють реалізувати максимальний ККД випрямлення, бо вхідні опори випромінювачів у точках установлення діодів у 3-4 рази менше, ніж потрібно для реалізації умови максимальної передачі потужності від випромінювача до нелінійного елемента; позитивними якостями досліджених структур є можливість значного подавлення випромінювання на вищих гармоніках та досягнення високих значень питомої поверхневої потужності; запропоновано з урахуванням виявлених особливостей схемотехнічне рішення антени-випрямляча з робочою частотою 35 ГГц, ККД випрямлення 35%, рівнем побічного випромінювання не гірше –дБ та питомою поверхневою потужністю не гірше 8 кВт/м; удосконалено принцип безпроводової передачі енергії; показано, що максимальний результувальний ККД у системах БПЕ досягається не у випадку збудження апертури гауссовим пучком, як вважали раніше, а у випадку її рівномірного збудження; виграш у ККД при цьому становить ; проведені експериментальні дослідження антен-випрямлячів на частоті 2,45 ГГц; дані експерименту порівнювалися з даними розрахунку за розробленими моделями; проведені дослідження підтвердили достовірність створених моделей та ефективність розроблених програмних засобів проектування.
Одержані в дисертації результати можуть бути застосовані при розробленні сучасних радіоелектронних систем ВВЧ і ГВЧ діапазонів, у яких використання ідеї інтеграції різних радіопристроїв відіграє визначальну роль для досягнення високих показників якості. Прикладами таких систем є системи ближньої і надближньої радіолокації, радіобачення, інформаційні системи з радіодоступом та системи безпроводової передачі енергії.
ОСНОВНІ РОБОТИ, ОПУБЛІКОВАНІ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Расчет параметров проволочных излучающих структур произвольной конфигурации / Д.С. Гавва, А.И. Лучанинов, М.А. Омаров, В.М. Шокало // Дистанционные методы и средства исследования процессов в атмосфере Земли. –Харьков: Бизнес Информ, 2002. –С. 399-425.
2. Лучанинов А.И., Омаров М.А., Коновальцев А.А. Расчет динамических характеристик ректенн с учетом влияния нелинейной емкости выпрямительных диодов // Вестник Харьков. гос. ун-та. Радиофизика. –. –Вып. 3 - С. 59-61.
3. Электродинамические структуры с распределенными нелинейными элементами, часть 1/ Пащенко Д.А., Шокало В.М., Коновальцев А.А., Омаров М.А. // Радиоэлектроника и информатика. – 2000. - № 2. –С. 17-21.
4. Электродинамические структуры с распределенными нелинейными элементами, часть ІІ / Пащенко Д.А., Шокало В.М., Коновальцев А.А., Омаров М.А. // Радиоэлектроника и информатика. – 2000. - № 3. –С. 18-21.
5. Применение и перспективы развития беспроводных систем передачи энергии СВЧ-лучом / Лучанинов А.И., Шокало В.М., Коновальцев А.А., Омаров М.А. // Радиотехника. –. - № 114. –С. 174-180.
6. Омаров М.А. Многомодовое возбуждение антенн // Радиотехника. –. - № 116. –С. 44-49.
7. Шифрин Я.С., Лучанинов А.И., Омаров М.А. Анализ антенн с распределенной нелинейностью // Антенны (Москва). –. - № 1. –С. 70-83.
8. Алгоритм анализа эквидистантной решетки ленточных микрополосковых излучателей произвольной геометрии, адаптированной к расчету крупноапертурных антенн с нелинейными элементами, часть 1 / В.М.Шокало,
А.И. Лучанинов, А.А. Коновальцев, Ю.А. Лучанинов, М.А. Омаров // Радиотехника.–. - № 117. –С. 78-84.
9. Алгоритм анализа эквидистантной решетки ленточных микрополоско-вых излучателей произвольной геометрии, адаптированной к расчету крупноапертурных антенн с нелинейными элементами, часть 2 /В.М.Шокало, А.И. Лучанинов, А.А. Коновальцев, Ю.А. Лучанинов, М.А. Омаров // Радиотехника. –. - № 118. –С. 3-7.
10. Алгоритм анализа эквидистантной решетки ленточных микрополосковых излучателей произвольной геометрии, адаптированной к расчету крупноапертурных антенн с нелинейными элементами, часть 3 / В.М.Шокало, А.И.Лучанинов, А.А.Коновальцев, Ю.А.Лучанинов, М.А.Омаров // Радиотех-ника. –. - № 119. –С. 199-210.
. Алгоритм анализа эквидистантной решетки ленточных микрополосковых излучателей произвольной геометрии, адаптированной к расчету крупноапертурных антенн с нелинейными элементами, часть 4 / В.М.Шокало, А.И.Лучанинов, А.А.Коновальцев, Ю.А.Лучанинов, М.А.Омаров // Радио-ехника. –. - № 120. –С. 8-11.
12. Лучанинов А.И., Журбенко В.В., Омаров М.А. Моделирование нелинейных эффектов в микрополосковых линиях с высокотемпературной сверхпроводимостью // Радиоэлектроника и информатика. –. - № 3 (16). –С. 20-23.
13. A.A. Konovaltsev, Yu.A. Luchaninov, M.A.Omarov, V.M.Shokalo. Applications and Prospects for Developing Wireless Energy Systems Using Microwave Beams // TELECOMMUNICATIONS AND RADIOENGINEERING. –. –Vol. 55, № 2. –P. 21-29.
14. Моделирование крупноапертурных ректенн космических энергосистем 1. Модель крупноапертурной ректенны для расчета КПД выпрямления при соосном расположении передающей и приемной апертур и изменяющейся дальности передачи энергии / Шокало В.М., Омаров М.А., Грецких Д.В., Лучанинов Ю.А. // Радиотехника. –. - № 121. –С. 3-10.
15. Экспериментальные исследования масштабной модели системы беспроводной передачи энергии микроволновым лучом с максимальным КПД / Шокало В.М., Коновальцев А.А., Омаров М.А., Лучанинов Ю.А., Грецких Д.В. // Радиотехника. - 2001. –№ 122. –С. 17-21.
16. Моделирование крупноапертурных ректенн космических энергосистем 2. Расчет коэффициента полезного действия перехвата при несоосном расположении передающей и приемной апертур / Шокало В.М., Рыбалко А.М., Омаров М.А., Грецких Д.В. // Радиотехника. –. - № 125. –С. 3-7.
17. Моделирование крупноапертурных ректенн космических энергосистем 3. Расчет КПД выпрямления и сбора крупноапертурной ректенны при несоосном расположении передающей и приемной апертур / Шокало В.М., Коновальцев А.А., Омаров М.А., Грецких Д.В. // Радиотехника.- 2002. - № 127. –С. 3-6.
. Эффективность микроволновых систем беспроводной передачи энергии при неоптимальном КПД перехвата / Шокало В.М., Рыбалко А.М., Коновальцев А.А., Омаров М.А., Грецких Д.В. // Радиотехника. –. - № 128. –С. 139-144.
19. Лучанинов А.И., Омаров М.А., Гавва Д.С. Выбор базисных и весовых функций в задаче анализа антенн с нелинейным поверхностным импедансом методом моментов // Радиотехника. –. - № 124. –С. 213-218.
20. Омаров М.А., Грецких Д.В. Приближенная модель расчета КПД выпрямления крупноапертурных ректенн // Радиотехника. –. - № 129. –С. 43-45.
21. Омаров М.А., Грецких Д.В., Шокало В.М. Потенциальные возможности антенн-выпрямителей миллиметрового диапазона волн // Радиотехника. –. - № 130. –С. 24-28
. Аналіз нелінійних ефектів у надпровідникових мікросмужкових резонаторах / Лучанінов А.І., Шокало В.М., Журбенко В.В., Омаров М.А. // Вісник національного університету “Львівська політехніка”. Радіоелектроніка та телекомунікації. –. - № 440. –С. 150-154.
23. Лучанинов А.И., Гавва Д.С., Омаров М.А. Пакет программ “WIRE” для моделирования тонкопроволочных антенн произвольной конфигурации с линейными и нелинейными свойствами поверхностного импеданса // Прикладная радиоэлектроника. –. - № 2. –С. 225-230.
24. Омаров М.А., Грецких Д.В., Сухомлинов Д.В. Потенциальные характеристики ректенн КВЧ диапазона // Радиотехника. –. - № 131. –С. 211-214.
25. Гавва Д.С., Лучанинов А.И., Омаров М.А. Характеристики проволочных электродинамических структур, возбуждаемых источниками различных типов // Радиотехника. –. - № 134. –С. 256-260.
26. Методика анализа крупноапертурных эквидистантных решеток ленточных микрополосковых антенн сложной геометрии / А.И.Лучанинов, А.А.Коновальцев, Ю.А.Лучанинов, М.А.Омаров / Харьков. техн. ун-т радиоэл. –Харьков, 200. –с. –Рус. –Деп. В ГНТБ Украины 13.11.2000, № 196-Ук2000 // Анот. В РЖ “Депоновані наукові роботи”№ 1, 2000.
27. Анализ нелинейных эффектов в сверхпроводящих микрополосковых линиях / Лучанинов А.И., Омаров М.А., Гавва Д.С., Журбенко В.В. // Труды 5-й международной НТК “Достижения в телекоммуникациях за 10 лет независимости Украины”: ч. 1. –Одесса: ТЕЛЕКОМ-2001. - 2001. –С. 144-147.
. Моделирование микрополосковых устройств СВЧ, проводники которых обладают нелинейным поверхностным импедансом / Лучанинов А.И., Омаров М.А., Гавва Д.С., Журбенко В.В. // Сб. науч. трудов по материалам 7-й Междунар. конф. “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”. –Харьков: ХТУРЭ. - 2001. –С. 146-147.
29. Экспериментальные исследования масштабной модели космической энергосистемы, функционирующей на принципе передачи энергии СВЧ-лучом / Шокало В.М., Коновальцев А.А., Омаров М.А., Лучанинов Ю.А., Грецких Д.В. // Труды третьей междунар. научно-практической конф. “Современные информационные и электронные технологии”. –Одесса: ОНПУ. –. - С. 43.
30. Исследования по беспроводной передаче энергии в Харьковском национальном университете радиоэлектроники / Шифрин Я.С., Шокало В.М., Лучанинов А.И., Коновальцев А.А., Грецких Д.В., Омаров М.А. // Сб. науч. тр. по мат. 1-го междунар. радиоэлектронного форума “Прикладная радиоэлектроника: состояния и перспективы развития”, часть 1. –Харьков: МРФ-2002. –. - С. 236-239.
31. Анализ ленточных электродинамических структур с нелинейным поверхностным импедансом / Лучанинов А.И., Омаров М.А., Журбенко В.В., Гавва Д.С. // Сб. науч. тр. по мат. 1-го междунар. радиоэлектронного форума “Прикладная радиоэлектроника: состояния и перспективы развития”, часть 1. –Харьков: МРФ-2002. –. - С. 283-286.
32. Luchaninov A.I., Shokalo V.M., Zhurbenko V.V., Omarov M.A. The analysis of nonlinear effects in superconducting microstrip resonators // Proc. Of tyhe Intern. Conf. “Modern problems of radio engineering, telecommunications and computer science”. –Lviv:Slavsk: “TCSET-2002”. –. - P. 35-37.
33. Омаров М.А. Интегральные уравнения для поверхностного тока при многомодовом возбуждении // Сб. научных трудов по материалам 6-й междунар. конф. “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”. –Харьков: ХТУРЭ. –. –С. 435.
34. Luchaninov A.I., Konovaltsev A.A., Omarov M.A. Influence of nonlinear capacitance of a microwave rectifying diode on rectenna characteristics // Proc. of. the Intern. Conf. on Antenna theory and Techniques. –Sevastopil: “ICAT’”. –. - P. 547.
35. Коновальцев А.А., Лучанинов Ю.А., Омаров М.А. Программа космического эксперимента по беспроводной передаче энергии СВЧ лучом // Сб. тр. конф. “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини”. - Харьков. –. - № 6. –С. 491-494.
. Омаров М.А. Об использовании принципа эквивалентности при анализе электродинамических устройств с распределенной нелинейностью // Труды четвертой международной конференции “Современные информационные и электронные технологии”. –Одесса, 2003. – С. 75.
. Omarov M.A., Gretskih D.V., Sukhomlinov D.V. Investigation into receiving-rectifying of ehf rectennas.- Proc. Oft the Intern. Conf. On Antenna anol Techniques. –Sevastopil: “ICAT’”. –. – P. 842-845.
Омаров М.А. Розвиток теорії і практики проектування електродинамічних пристроїв з розподіленими та квазірозподіленими нелінійними властивостями. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.12.13 –радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій. –Харківський національний університет радіоелектроніки, м. Харків, 2003.
У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової проблеми, яка полягає в необхідності розроблення адекватних методів аналізу та проектування перспективного класу радіотехнічних пристроїв (РТП) –електродинамічних структур з розподіленою і квазірозподіленою нелінійністю (ЕСРН) в інтересах удосконалення сучасних РЕС мікрохвильового діапазону. Це вирішення являє собою розвиток відомої теорії антен з нелінійними елементами, що базується на методі нелінійних інтегральних рівнянь.
Основний внесок у розвиток теорії і практики проектування ЕСРН полягає у створенні методів, алгоритмів і програм, за допомогою яких можна провести в усталеному періодичному і майже-періодичному режимі розрахунок параметрів більш широкого, ніж раніше, кола різновидів випромінювальних та невипромінювальних ЕСРН з достатніми для практики точністю і швидкодією.
Достовірність створених теоретичних методів і програм доведена експериментально і вони застосовані для дослідження конкретних типів РТП мікрохвильового діапазону: тонкопроводових ЕСРН довільної конфігурації з поліноміальною розподіленою нелінійністю, мікрострічкових пристроїв, розподілена нелінійність яких обумовлена наявністю високотемпературної надпровідності, крупноапертурних ЕСРН відкритого типу ВВЧ діапазону з квазірозподіленими GaAs нелінійними елементами.
Ключові слова: радіотехнічні пристрої, мікрохвильовий діапазон, електродинамічні структури, розподілена і квазірозподілена нелінійність, моделі, програми, числовий і натурний експеримент.
Омаров М.А. Развитие теории и практики проектирования электро-динамических устройств с распределенными и квазираспределенными нелинейными свойствами. –Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.12.13 –радиотехнические устройства и средства телеком-муникаций. –Харьковский национальный университет радиоэлектроники,
г. Харьков, 2003.
В диссертации приведено теоретическое обобщение и новое решение научной проблемы, состоящей в необходимости разработки адекватных методов анализа и проектирования перспективного класса радиотехнических устройств (РТУ) –электродинамических структур с распределенной и квазираспределенной нелинейностью (ЭСРН) в интересах совершенствования современных РЭС микроволнового диапазона. Это решение представляет собой развитие известной теории антенн с нелинейными элементами, базирующейся на методе нелинейных интегральных уравнений (НИУ) с нелинейными граничными условиями (НГУ), записанными в пространственно-временной области.
Развитый в диссертации новый подход к созданию общей модели ЭСРН базируется на идее формирования системы НИУ при соответствующих НГУ в пространственно-частотной области, т.к. только в этой области известна функция Грина для целого ряда ЭСРН. При этом впервые: сформулирована и решена задача многомодового возбуждения ЭСРН; обосновано применение принципа эквивалентности при заданных НГУ и показано, что для ЭСРН одного и того же функционального назначения при различных способах применения принципа эквивалентности можно получить несколько вариантов систем двумерных НИУ, рациональный выбор одной из которых предопределяет сложность дальнейшего решения задачи анализа. Обоснован подход к анализу ЭСРН, базирующийся на идее перехода от решения двумерных НИУ к одномерным; определен класс ЭСРН, для которых такой переход возможен при соответствующих условиях возбуждения; получены системы одномерных НИУ для обозначенных ЭСРН.
Впервые, с использованием одномерных НИУ, сформулированы и решены краевые задачи для тонкопроволочных и микрополосковых электродинамических структур конечных размеров и сложной конфигурации, на поверхности проводников которых выполняются НГУ. Предложена модель линейного многополюсника устройства с квазираспределенной нелинейностью; она построена на базе усовершенствованного решения краевой задачи для бесконечных периодических узких микрополосковых структур сложной конфигурации с многослойной диэлектрической подложкой, учитывающего случай пересечения проводниками стенок канала Флоке. На основе полученных решений краевых задач созданы модели соответствующих ЭСРН, алгоритмы анализа и программы, учитывающие специфику их анализа (например, необходимость расчетов не менее, чем на пяти высших гармониках). Для этого в работе предложены: простой способ однозначного описания геометрии ЭСРН любой конфигурации; способы формирования матрицы обобщенных импедансов в методе моментов в виде двух подпоследовательностей базисных функций, учета всех свойств симметрии этой матрицы и выбора варианта вычислений ее элементов (численными методами или по аналитическим выражениям, которые выведены в работе); рекуррентный алгоритм при вычислении тензорной функции Грина.
Получены новые знания о свойствах РТУ с распределенной нелинейностью и их влиянии на ЭМС РЭС. При исследовании тонкопроволочных структур с нелинейным поверхностным импедансом и микрополосковых нелинейных структур с высокотемпературной сверхпроводимостью выявлены эффекты значительной зависимости формы распределения тока и диаграмм направленности на высших гармониках ЭСРН при варьировании нелинейности от слабой до сильной. Эти эффекты являются основой для создания перспективных РТУ с управляемыми внешними и внутренними параметрами. Показано, что при применении исследованых ЭСРН характеристики ЭМС РЭС будут не лучше -55…-65 дБм по интермодуляции третьего порядка и -50… -100 дБ по уровню побочного излучения.
Исследованы РТУ с квазираспределенной нелинейностью (выпрямители на диодах Шоттки) миллиметрового диапазона волн (ММДВ); предложена приближенная модель ректенны, позволяющая на предварительных этапах проектирования существенно упростить настройку электродинамической структуры в резонанс совместно с паразитными элементами корпуса диода Шоттки; с помощью этой модели доказана возможность создания на основе сеточных структур ректенн ММДВ с удельной мощностью до 8 кВт/м и фильтрацией гармоник не хуже – 50 дБ. Предложен новый подход к построению систем беспроводной передачи энергии, базирующийся на идее создания вдоль ректенны распределения поля возбуждения, максимально близкого к равномерному. Частично теоретические результаты подтверждены экспериментально при испытаниях созданного образца ректенны на частоте 2,45 ГГц.
Разработанная совокупность методов, алгоритмов и программных средств анализа представляет собой научно обоснованную реализационную базу для проектирования ЭСРН. В отличие от известных аналогичных, созданные программные средства являются универсальными, обладают более чем в 2 раза большим быстродействием при потере точности 3-5% и простотой описания геометрии исследуемых ЭСРН, что обеспечивает широкую область их применения.
Ключевые слова: радиотехнические устройства, микроволновый диапазон, электродинамические структуры, распределенная и квазираспределенная нелинейность, модели, программы, численный и натурный эксперимент.
Omarov M. A. Electrodynamic devices with distributed and quasi-distributed nonlinear properties: design theory and practice development. –Manuscript.
Thesis for the Doctor of Technical Sciences degree by speciality 05.12.13 –Radio Engineering devices and means telecommunications. – Kharkov National University of Radioelectronics, Kharkov, 2003.
The dissertation is devoted to the theoretical generalization and new solution of a problem which consist in development of adequate analysis and designing methods for a perspective class radio engineering devices (RED) - electrodynamic structures with distributed and quasi-distributed nonlinearity (ESDN) in an effort to improve modern microwave RES. This solution is development of the well-known theory of antennas with nonlinear elements. The theory is based on a nonlinear integral equation method.
The creation of methods, algorithms and software are important contribution to development of ESDN design theory and practice. These methods, algorithms and software is possible to analyze more class of radiating and non radiating ESDN in steady-state periodic and almost-periodic regime than was used before. Accuracy and speed of the analysis are practice acceptable.
Reliability of the developed theoretical methods and software are experimentally demonstrated. Using these methods and software have been investigated some types of microwave RED: arbitrary configuration thin wire ESDN with polynomial distributed nonlinearity, nonlinear microstrip devices with high-temperature superconductors, EHF band large aperture open ESDN with quasi-distributed nonlinear GaAs elements.
Index Terms – radioengineering devices, microwave band, electrodynamic structures, distributed and quasi-distributed nonlinearity, software, numerical analysis.
Відповідальний випусковий В.М. Шокало
Підп. до друку 17.09.2003. Формат 60х84 1/16. Спосіб друку –ризографія.
Умов. друк. арк. 1,9. Облік. вид. арк. 2,0. Тираж 100 прим.
Зам. № 2-1047. Ціна договірна.
____________________________________________________________________
ХНУРЕ, 61166, Харків, просп. Леніна, 14
____________________________________________________________________
Віддруковано в учбово-виробничому
видавничо-поліграфічному центрі ХНУРЕ
61166, Харків, просп. Леніна, 14