Наукові основи побудови пристроїв на частково заповнених діелектриком хвилеводах для радіотехнічних систем

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

УКРАЇНСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ ЗВЯЗКУ ім. О.С. ПОПОВА

Спеціальність: 05.12.17 - Радіотехнічні і телевізійні системи

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Наукові основи побудови пристроїв

на частково заповнених діелектриком хвилеводах

для радіотехнічних систем

Почерняєв Віталій Миколайович

ОДЕСА - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Київському військовому інституті управління і звязку.

Офіційні опоненти:

доктор техн. наук, професор Власенко Віктор Олексійович, Одеський державний політехнічний університет, зав. кафедрою;

Заслужений діяч науки і техніки України, доктор техн. наук, професор Гофайзен Олег Вікторович, Українська державна академія звязку, зав. кафедрою;

доктор техн. наук, професор Цибізов Костянтин Миколайович, Науковий центр управління і звязку Міністерства оборони України, головний науковий співробітник.

Провідна установа: НВО “Квант” Міністерства промислової політики України, відділення “Локація”.

Захист відбудеться “ 17 ” червня 1999р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.816.01 Української державної академії звязку ім. О.С. Попова, 270021, Одеса, вул. Кузнечна, 1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Української державної академії звязку ім. О.С. Попова, 270021, Одеса, вул. Кузнечна, 1.

Автореферат розісланий “16” 05 1999р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої радиІваницький А.М.

Размещено на http://www.allbest.ru

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Одним з напрямкiв пiдвищення мобiльностi, стiйкостi та розвiдзахищеностi відомчих систем зв'язку є удосконалення засобiв багатоканального радiозв'язку. Відомчі системи зв'язку вищих ланок керування базуються на засобах багатоканального радiозв'язку - радiорелейних, тропосферних та космiчних, якi складають понад 70% усiх засобiв зв'язку. Багатоканальні системи передачі являються одними з найважливіших радіотехнічних систем в телекомунікаціях. Тому необхiдне створювання таких перспективних зразкiв, як радiорелейні станцiї з винесеними прийомопередавальними модулями, тропосферні станцiї контейнерного типу, багатоствольні ретранслятори повiтряних ретрансляцiйних пунктiв та повiтряних пунктiв керування на рiзних льотно-пiдйомних засобах, малогабаритні вузлові станцiї космiчного зв'язку, багатоспрямовані тропосферні станцiї, багатодiапазонні бортові ретранслятори для космiчних апаратiв, гiбридні радiорелейно-тропосферні i тропосферно-космiчні станцiї зв'язку. Стримувальним фактором в напрямку пiдвищення мобiльностi, стiйкостi та розвiдзахищеностi відомчих систем зв'язку на шляху модернiзацiї iснуючих та утворення нових зразкiв технiки багатоканального радiозв'язку є громiздкiсть НВЧ трактiв, якi займають до 1/З об'єму та 1/2 маси апаратури рухомих станцiй багатоканального радiозв'язку.

Сутнiсть проблеми полiпшення характеристик радіотехнічних систем НВЧ дiапазону в iнтересах пiдвищення мобiльностi, стiйкостi та розвiдзахищеностi відомчих систем зв'язку заключається в пошуках нових шляхiв рацiональної побудови НВЧ трактiв радіотехнічних систем при заданих суперечних вимогах до лiнiй передачi НВЧ.

Значення вирiшення вказаної проблеми складається з досягнення потенцiйно бiльш високих електричних характеристик та конструктивних параметрiв радiотехнічних систем НВЧ дiапазону спецiального та загального застосування, включно iз засобами зв'язку, радiолокацiї, радiонавiгацiї, вимiрювальної технiки на шляху побудови НВЧ трактiв на єдинiй лiнiї передачi. Аналiз шляхiв пiдвищення мобiльностi, стiйкостi та розхiдзахищеностi відомчих систем зв'язку вказує на необхiднiсть зменшення масо-габаритних показникiв багатоканальних радiорелейних, тропосферних, космiчних засобiв зв'язку та розробки гiбридних станцій багатоканального радiозв'язку. Крім цього, тракти НВЧ перспективних відомчих засобiв багатоканального радiозвязку повиннi бути широкосмужними, електрично мiцними та добре екранованими. Існуюча відомча технiка багатоканального радiозв'язку має хвилеводнi НВЧ тракти. Пристрої НВЧ на порожнiх металевих хвилеводах, якi входять до складу НВЧ трактiв, не можуть задовольнити одночасним вимогам широкосмужностi, високої електричної мiцностi, зменшених масо-габаритних показникiв. Необхiдно дослiдити, яка лiнiя передачi НВЧ може бути основою НВЧ трактiв відомчої технiки зв'язку з облiком пред'явлених вимог i на основi якої можливо пiдвищити мобiльнiсть, стiйкiсть та розвiдзахищенiсть відомчих систем зв'язку.

Актуальнiсть теми. Порiвняльний аналiз електричних характеристик екранованих лiнiй передачi НВЧ показав, що найкращi дiапазоннi властивостi мають гребневi хвилеводи, частково заповненi дiелектриком, якi бiльш нiж в 2 рази широкосмужнiшi за порожнi прямокутнi хвилеводи. З ними можуть порiвнюватися прямокутнi хвилеводи, частково заповненi дiелектриком. За електричною мiцнiстю лiпшi показники у частково заповнених прямокутних хвилеводiв (ЧЗПХ) з центрально розташованою дiелектричною пластиною за умови, що ii вiдносна товщина по широкiй стiнцi хвилеводу c/a0,1. Однак, гребневi хвилеводи, частково заповненi дiелектриком та екранованi планарнi лiнiї передачi не можуть бути основою НВЧ трактiв відомчої технiки багатоканального радiозв'язку, яка має вихiднi потужностi десятки Вт ... одиницi кВт. Хвилеводно-щiлинна лiнiя по електричнiй мiцностi також не може конкурувати з ЧЗПХ. Вiдзначимо, що у ЧЗПХ хвильовий опiр в 50 Ом або 75 Ом можна отримати, використовуючи дiелектричнi пластини з вiдносною товщиною по широкiй стiнцi хвилеводу с/a = 0,15...0,2 та якi мають вiдносну дiелектричну проникливiсть r4. Затухання в ЧЗПХ менше, нiж у частково заповненого круглого хвилеводу, частково заповненого дiелектриком гребневого хвилеводу, хвилеводно-щiлинної лiнiї; та iснує область частот, в якій затухання в металi у ЧЗПХ менше, нiж у порожнього прямокутного хвилеводу. Як показали дослiдження, дiлянка частот залежить не тiльки вiд величини c/a, перетину, в якому розшташовано дiелектрик, але й вiд вiдносного заповнення по вузькiй стiнцi хвилеводу d/b. Ефект зменьшення затухання в металi у ЧЗПХ добре проявляється при d/b = 0,6 ... 0,8. Тому основою НВЧ трактiв може бути ЧЗПХ, дiелектрична пластина якого не торкається стiнок хвилеводу.

Вiдомi рiшення побудови НВЧ трактiв iз зменшеними масо-габаритними показниками, наприклад, на гребневих хвилеводах. При цьому розроблюється комплект пристроїв НВЧ на таких хвилеводах. Однак це рiшення не дозволяє утворити багатоспрямованi тропосфернi станцiї, вузловi станцiї космiчного зв'язку, гібридні засоби багатоканального радіозвязку в iнтересах пiдвищення мобiльностi, стiйкостi та розвiдзахищеностi відомчих систем зв'язку. Друге вiдоме рiшення основана на використаннi дiелектричних резонаторiв та пристроїв на їх основi при побудовi трактiв НВЧ відомчої технiки зв'язку. Однак такi тракти НВЧ не вiдповiдають вимогам широкосмужностi та високої електричної мiцностi, що робить неможливим утворення багатодіапазонних бортових ретрансляторів для космічних апаратів, гiбридних радiорелейно-тропосферних та тропосферно-космiчних станцiй зв'язку а також технiки тропосферного зв'язку.

Наукова проблема заключається в підвищенні мобільності, стійкості і розвідзахищеності відомчих систем звязку на основі застосування техніки багатоканального радіозвязку з трактами НВЧ на частково заповнених діелектриком хвилеводах на шляху створення їх теорії, розробцi класу пристроїв і елементів на таких хвилеводах, методик їх проектування та iнженерного розрахунку. До цієї роботи не iснувало повного ряду пристроїв на частково заповнених дiелектриком хвилеводах. Теоретично дослiджено Ю.В. Єгоровим частково заповненi слоїстим дiелектриком прямокутнi хвилеводи. Розробка нового методу дослiдження частково заповнених діелектриком хвилеводiв дозволяє створити методики проектування та iнженерного розрахунку цілого класу пристроїв на таких хвилеводах. Тракти НВЧ на частково заповнених дiелектриком хвилеводах для відомчої технiки зв'язку реалiзуються на пiдприємствах Мiнпромполiтики України, якi мають виробничу базу по випуску радiорелейних та тропосферних станцiй зв'язку.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослiдження по даному напрямку проведенi в рамках:

комплексних НДР “Массовка-83” (КВВІУЗ, 1986), “Радуга-К-I” (КВВІУЗ, 1986), “Радуга-К-II” (КВВІУЗ, 1987), “Аргентин” (КВВІУЗ, 1990), “Лидер” (КВВІУЗ, 1991) за Державною програмою розвитку Єдиноi автоматизованої мережi зв'язку;

НДР 6.1.1/17 та 6.1.1/29 за Державною програмою “Інформацiйно- обчислювальна мережа України” Державного Комiтету України з питань науки та технологiї;

тематичних НДОКР “Диалект” (КВІУЗ, 1985), “Старт-2” (КВВІУЗ, 1985); “Эриокс-У” (КВВІУЗ, 1985), “Дебютант” (КВВІУЗ, 1986), “Этанол” (КВВІУЗ, 1987), “Реалист-1АН” (КВВІУЗ, 1990), “Робот” (КВВІУЗ, 1991), “Эколог_У” (КВВІУЗ, 1991), “Пипомир” (КВВІУЗ, 1992), “Пентаграмма” (КВВІУЗ, 1992), “Тропосфера” (КВВІУЗ, 1993), “Акустика_95” (КВІУЗ, 1995), “Энергетика_95” (КВІУЗ, 1995), “Акустика-96” (КВІУЗ, 1996), “Энергетика_96” (КВІУЗ, 1996), “Акустика_97” (КВІУЗ, 1997), “Энергетика_97” (КВІУЗ, 1997), “Обрій” (КВІУЗ, 1997), “Акустика_98” (КВІУЗ, 1998), “Энергетика_98” (КВІУЗ, 1998), “Олакс_В” (КВІУЗ, 1998) по планам удосконалення радіотехнічних систем НВЧ та КВЧ дiапазонiв в інтересах Міноборони, Служби безпеки, Міністерства з питань надзвичайних ситуацій, Мінпромполітики України.

Мета та задачі досліджень. Метою роботи є рішення основних електродинамічних і технічних задач, які визначають раціональну побудову трактів НВЧ техніки багатоканального радіозвязку в інтересах підвищення мобільності, стійкості і розвідзахищеності відомчих систем звязку.

В науковiй лiтературi вiдсутнi дослiдження в областi розробки пристроїв по частково заповненим дiелектриком хвилеводах для НВЧ трактiв засобiв багатоканального радіозв'язку, радiолокацiйних та радiонавiгацiйних станцiй, вимiрювальної та прискорювальної технiки. Вiдомi лише дослiдження фазообертачiв та поляризаторiв з дiелектричними пластинами, дослiдження рупорiв з дiелектричною вставкою для окремих випадкiв. Це обумовлено значними труднощами теоретичного характеру, пов'язаного зi складнiстю електромагнiтного поля в частково заповнених дiелектриком хвилеводах, знаходженням хвилевих параметрiв електромагнiтних хвиль, визначенням зовнiшнiх параметрiв поєднань частково заповнених хвилеводiв мiж собою та з iншими лiнiями передачi НВЧ, розрахунку хвилеводних конструкцiй з дiелектриком, елементи яких вiдрiзняються вiд прямолiнiйного безщiлинного вiдрiзку частково заповненого дiелектриком хвилевода.

Для досягання поставленої мети необхiдно вирiшити наступнi електродинамiчні і технічні задачi:

визначити власні функцiї та власні значення частково заповнених дiелектриком хвилеводiв, дослiдити умови сходження отриманих рiшень;

створити методику розрахунку хвильових параметрiв електромагнiтних хвиль в частково заповнених дiелектриком хвилеводах;

вирішити ключові електродинамічні задачі теорії частково заповнених дiелектриком хвилеводів;

розробити методики проектування та iнженерного розрахунку розроблених пристроїв та елементiв для НВЧ трактiв технiки багатоканального радiозв'язку;

виявити дiлянку смуги одномодового режиму роботи частково заповненого дiелектриком хвилеводу для досягення найбiльшої широкосмужностi розроблених пристроїв та елементи, якi зменшують електричну мiцнiсть нових пристроїв у порiвняннi з аналогiчними на порожнiх хвилеводах;

розробити клас пристроїв та елементiв для НВЧ трактiв технiки багатоканального радiозв'язку;

створити методологію побудови НВЧ трактів техніки багатоканального радіозязку.

Наукова новизна роботи. В дисертацiйнiй роботi створені основи теорії частково заповнених діелектриком хвилеводів: 1) розроблено новий метод дослiдження частково заповнених дiелектриком хвилеводiв, який дозволив уперше визначити власні функцiї та власні значення таких хвилеводiв, у яких дiелектрик не торкається їх стiнок; 2) рішені ключові електродинамічні задачі теорії частково заповнених дiелектриком хвилеводiв. В результатi цього подальший розвиток отримав метод власних функцiй, на основi якого створенi методики проектування розроблених пристроїв і елементiв НВЧ трактiв на частково заповнених дiелектриком хвилеводах. Рішення ключових електродинамічних задач використані в методиках проектування пристроїв і елементів НВЧ трактів і мають самостійне значення в теорії хвилеводів. Отримані нові спеціальні функції математичної фізики, через які виражаються власні функції частково заповнених прямокутного і круглого хвилеводів. Приблизні рішення для частково заповнених прямокутного і круглого хвилеводів отримані у відомих спеціальних функціях - функціях Мат'є і вироджених гіпергеометричних функціях. В основу теорiї частково заповнених дiелектриком хвилеводiв, методик проектування розроблених пристроїв і елементiв НВЧ, покладено послiдовне застосування вищих трансцендентних функцiй, серед яких уперше застосовується у внутрiшнiх задачах електродинамiки вища узагальнююча трансцендентна функцiя - G-функцiя Мейера. При цьому отриманий новий математичний результат - знайдені інтеграли з кінцевими межами інтегрування від добутку функцій Бесселя першого і другого роду різного порядку і різного складного аргументу. Інтеграли від добутку функцій Бесселя першого роду виражені через гіпергеометричну функцію Гаусса, а інтеграли від добутку функцій Бесселя другого роду виражені через G-функцію Мейера.

Практичне значення отриманих результатів. На основi розробленої теорiї запропонованi технiчнi рiшення з побудови пристроїв і елементiв НВЧ трактiв на частково заповнених дiелектриком хвилеводах технiки багатоканального електрозв'язку. Новизна технiчних рiшень пiдтверджена рядом авторських свiдоцтв. На основі методик проектування розроблені методики інженерного розрахунку та створені пристрої і елементи НВЧ трактів на частково заповнених дiелектриком хвилеводах, параметри яких експериментально пiдтвердженi. Розроблена методика інженерного розрахунку хвильових параметрів електромагнітних хвиль частково заповнених дiелектриком хвилеводів: прямокутного, круглого (, коаксіального, секторного, коаксіально-секторног. Для iнженерних розрахункiв отриманi простi аналiтичнi формули, якi дозволяють проводити розрахунки з достатньою для практики точнiстю, що також пiдтверджено експериментальними дослiдженнями. В методичному планi робота завершує створення основ теорiї частково заповнених дiелектриком хвилеводiв без облiку втрат.

Результати виконаних дослiджень знайшли застосування в НВО “Сатурн” (Мінпромполітики України), НВП “Символ” (Мінпромполітики України), ДНДІ “Оріон” (Мінпромполітики України), ДНТЦ “Сузiр'я” (Мінпромполітики України), в/ч 33868 (МО РФ), КВІУЗ (МО України).

Особистий внесок дисертанта. В роботах [2, 3, 6, 13, 20] автору належить iдея, та пiдхiд, що її реалiзує, основний результат у створенні теорії частково заповнених дiелектриком хвилеводів. В роботах [1, 4, 8, 12, 24] автором був розвинутий метод власних функцiй для побудови методик проектування та інженерного розрахунку пристроїв і елементів НВЧ трактів і запропоновані нові технічні рішення [25-33]. Роботи [5, 7, 9-11, 14-19, 21-23] виконанi автором особисто i складають основнi iдеї та науковi положення дисертацiйної роботи.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповiдались на ІХ Всесоюзном НТС “Решение внутренних краевых задач электродинамики” (Новоросiйськ, вересень, 1986), Всесоюзной НТК "Интегральные волноводные и полосковые элементы систем связи" (Куйбышев, вересень, 1987), ІІ Всесоюзной школе-симпозиуме по распространению миллиметровых и субмиллиметровых волн в атмосфере (Фрунзе, жовтень, 1986), ХІ Всесоюзном НТС “Решение внутренних краевых задач электродинамики” (Куйбышев, вересень, 1990), Всесоюзной НТК “Математическое моделирование физических процессов в антенно-фидерных трактах” (Саратов, жовтень, 1990), Республиканской НТК “Конструирование и производство радио- и микроэлектронной аппаратуры” (Київ, листопад, 1986), Межведомственном НТС “Малогабаритные станции спутниковой связи” (Київ, листопад, 1987), ІІ ВНТК ЛВВІУЗ (Ленiнград, жовтень, 1985), ІІІ ВНТК ЛВВІУЗ (Ленiнград, жовтень, 1988), ІV ВНТК ЛВВІУЗ (Ленiнград, жовтень, 1991), ХХV ВНТК КВВІРТУ (Київ, листопад, 1987), ХVI ВНТК КВВІУЗ (Київ, жовтень, 1986), ХVII ВНТК КВВІУЗ (Київ, листопад, 1991), ХVIII ВНТК КВВІУЗ (Київ, жовтень, 1992), І ВНТК КВІУЗ (Киiв, листопад, 1993), VIII Міжнародній НТК по НВЧ техніці (Севастополь, вересень, 1998).

Публікації. Результати роботи опублiкованi в 29 статтях, журналiв “Изв. ВУЗов. Радиофизика”, “Изв. ВУЗов. Радиоэлектроника”, “Радиотехника”, “Украинский математический журнал”, “Зв'язок”. За результатами роботи отримано 12 авторських свiдоцтв на винахiдництво, за два експонати, захищених авторськими свiдоцтвами, отримано бронзовi медалi ВДНГ УРСР та першої премiї виставки НТТМ-88. Загальний список наукових праць - 105 найменувань. Результати роботи вiдображенi в 25 звiтах про НДОКР.

Структура дисертацiї. Робота мiстить вступ, 7 роздiлiв, основнi результати та висновки по роботi, список лiтератури, 3 додатки. Всього в дисертацiї 312 сторiнок без додатків, з них сторiнок малюнків i таблиць 61, список лiтератури мiстить 277 найменувань.

Короткий змiст роботи

Перший роздiл присвячено методологiї побудови НВЧ трактiв відомчої технiки багатоканального радiозв'язку на розробленому класi пристроїв в iнтересах пiдвищення мобiльностi, стiйкостi та розвiдзахищеностi відомчих систем зв'язку. Як відомо, відомчі системи зв'язку повинні задовольняти загальним вимогам, серед яких в сучасних умовах особове значення набуває мобiльнiсть, стiйкiсть та розвiдзахищенiсть. Досліджуються шляхи досягнення цих вимог.

Реалiзувати їх можна використанням багатоканальних засобiв радiозв'язку iз реалiзацiєю НВЧ трактiв на основi хвилеводно-гібридноi технологiї. Такi НВЧ тракти повиннi бути широкосмужними, добре екранованими, мати високу електричну мiцнiсть i зменшенi масо-габаритнi показники.

Показано, що необхiдно зробити перехiд вiд НВЧ трактiв на порожнiх хвилеводах, реалiзованих за традицiйною хвилеводною технологiєю до НВЧ трактiв на частково заповнених дiелектриком хвилеводах, реалiзованих за хвилеводно-гібридною технологiєю. Слiд вiдмiтити, що в теперешнiй час основою побудови НВЧ трактiв бортових ретрансляторiв космiчних апаратiв визначена хвилеводно-гiбридна технологiя. Такий перехiд обумовлений не тiльки значними масо-габаритними показниками порожнiх хвилеводiв у довгохвильовiй частинi сантиметрового дiапазону хвиль, але i недостатньою широкосмужнiстю пристроїв і елементів НВЧ, реалiзованих на таких хвилеводах (10%). Наприклад, теоретично щiлинний мiст на порожнiх прямокутних хвилеводах може мати робочу смугу частот 9,2%. На цьому пристрої в тропосфернiй станцiї Р-412 реалiзований розподiлювач потужностi (на 2-х щiлинних мостах), дуплексери (на 2-х щiлинних мостах) та фiльтр гармонiк на виходi передаючого пристрою. Для перспективної відомчої технiки багатоканального радiозв'язку необхiднi пристрої з робочою смугою частот 20%.

Реалiзувати НВЧ тракти відомчої технiки багатоканального радiоз'вязку можна тiльки завдяки новому класу пристроїв і елементів на частково заповнених дiелектриком хвилеводах. Показано, що дiелектрична пластина при цьому не повинна торкатися стiнок хвилевода. Новий клас пристроїв на частково заповнених дiелектриком хвилеводах повинен мiстити елементи НВЧ (плавнi та ступеневi переходи, згиби в Н- та Е-площинах), чотирьохполюсники (частотнi фiльтри, фазообертачi, поляризатори, верченi поєднання), шестиполюсники (Н- та Е-тройники) і восьмиполюсники (щiлиннi мости та спрямованi відвітлювачi).

Методологiя побудови НВЧ трактiв технiки багатоканального радiозв'язку полягає у виборi єдиної лiнii передачi для бортових ретрансляторiв, радiорелейних, тропосферних та космiчних cтанцiй зв'язку, можливiстю утворення гiбридних радiорелейно-тропосферних та тропосферно-космiчних станцiй, що найбiльш повно вiдповiдають вимогам, якi пред'являються в iнтересах створення технiки багатоканального радiозв'язку для забезпечення високої мобiльностi, стiйкостi та розвiдзахищеностi відомчих систем зв'язку. Такою лiнiєю передачi є частково заповнений дiелектриком хвилевод, на якому необхiдно створити повний ряд пристроїв для НВЧ тракту радiотехнiчної системи.

Дослiджена електрична та теплова мiцнiсть пристроїв на частково заповнених дiелектриком хвилеводах. Виявлено, шо електрична мiцнiсть пристроїв з металевими штирями та дiелектриком визначається електричною мiцнiстю металевих штирiв при умовi, що для дiелектричної пластини з r4 вiдношення c/a0,1 (рис. 1).

Показано, що для дослiдження пристроїв НВЧ на частково заповнених дiелектриком хвилеводах потрiбний якiсно новий пiдхiд. Проведено аналiз методiв електродинамiчного моделювання складних хвилеводних пристроїв. Зроблено висновок про необхiднiсть розробки нового методу дослiдження частково заповнених дiелектриком хвилеводiв, який дозволяє визначити власні функцiї та власні значення хвилеводiв, дiелектрична пластина яких не торкається їх стiнок. Такий метод може бути закладено в основу теорії частково заповнених дiелектриком хвилеводів.

Другий розділ присвячено розробцi методу дослiдження частково заповнених дiелектриком хвилеводiв, що дозволяє визначати в явному видi власні функцiї та власні значення таких хвилеводiв.

Крайове завдання для хвиль частково заповнених дiелектриком хвилеводiв формується у видi лiнiйного диференцiйного рiвняння другого порядку iз змiнними коефiцiєнтами, залежними вiд двох координат:

(1)

 де . Така функцiя двох змiнних апроксимується комбiнацiями функцiй, кожна з яких залежить вiд однiєi змiнної. В деяких випадках вдається апроксимувати функцiю F(x, y) сумою функцiй, кожна з яких залежить вiд однiєi координати. Це можливо для найбiльш частих з точки зору практики випадкiв - діелектрична пластина прямокутного поперечного перетину в прямокутному хвилеводi та круглий стержень в круглому хвилеводi. Такий пiдхід дозволяє застосувати метод розподiлу змiнних до рiвняння (1).

Для частково заповненого прямокутного хвилевода, дiелектрична пластина якого не торкається стiнок хвилевода, в результатi застосування методу розподiлу змiнних отримано рiвняння виду:

(2)

Два лiнiйно-незалежних рiшення рiвняння (2) виражаються через новi функцiї математичної фiзики П1(0, 2, 4, 6, 8, x) і П2(0, 2, 4, 6, 8, x):

П1=1+f0(0)x2+ f2(0,2)x4+... ,

П2=x+f1(0)x3+ f3(0,2)x5+... .

Отриманi функцiї (3) застосованi при розробцi методик проектування рiзних пристроїв і елементiв НВЧ на частково заповнених дiелектриком хвилеводах.

В роботi знайдені приблизні рiшення з використанням функцiй Мат'є. Ці рішення мають контрольовану точнiсть та застосовується при розробцi методик iнженерного розрахунку рiзних пристроїв і елементiв НВЧ на частково заповнених дiелектриком хвилеводах. Власні функцiї частково заповненого прямокутного хвилеводу мають наступний вигляд:

h=Nhmn П1(0, 2, 4, 6, 8, x)П1(v0, v2, v4, v6, v8, y) - для квазі H_хвиль,

e=Nemn П2(0, 2, 4, 6, 8, x)П2(v0, v2, v4, v6, v8, y) - для квазі E_хвиль.

Вираз (4) при вiдсутностi дiелектричної пластини переходить у вiдомi вирази для власних функцiй порожнього прямокутного хвилеводу. Наприклад, в методиках iнженерного розрахунку використовується наступна власна функцiя частково заповненого прямокутного хвилеводу для основної хвилi квазi-Н10:

(5)

де Cem(q, x), Cen(p, y) - парні функції Мат'є; q, p - параметри рівняння Мат'є.

У частковому випадку власну скалярну функцiю порожнього прямокутного хвилеводу для основної хвилi Н10 можливо одержати з формули (5) при q=0, p=0. Тодi маємо відомий вираз:

Для частково заповненого круглого хвилеводу, дiелектричний стержень якого розташовано симетрично центру хвилеводу (рис.2), в результатi застосування методу розподiлення змiнних одержано рiвняння вигляду:

r2R + rR + (s2 r2 - s4 r4 + s6 r6 - s8 r8 + s10 r10 - t2)R = 0.(6)

Два лiнiйно незалежних рiшення рiвняння (6) також виражаються через новi функцiї математичної фiзики P1(s2, s4, s6, s8, s10, t, r) і P2(s1, s3, s5, s7, s9, t, r), причому друге рiшення має особливу точку (-) при r=0 , та не задовольняє граничним умовам. Функцiя P1 має наступний вигляд:

P1 = 1 - t/4r2 + 1/16(t2/2 - s2)r4 - 1/36(s2/16(s4 + s22/4) + s2s4/4 + s6)r6 + ... .

В приблизному рішенні вiд рiвняння (6) за допомогою замiни змiнної та перетворення можна перейти до виродженого гiпергеометричного рiвняння. Власні скалярнi функцiї частково заповненного круглого хвилеводу, вираженi через вироджену гiпергеометричну функцiю 1F1(, , r), мають вигляд:

- для квазі-H - хвиль,

- для квазі-E - хвиль.

Вираз (7) при вiдсутностi дiелектричного стержня переходить у вiдомi вирази для власних функцiй порожнього круглого хвилеводу.

Достовiрнiсть отриманих результатiв перевiрялась порiвнянням власних значень з вiдомими для приватних випадкiв. Так, вiдомо строге рiшення для частково заповненого прямокутного хвилеводу, коли одна iз сторiн дiелектричної пластинки дорiвнює геометричному розмiру однiєї iз стiнок хвилеводу. До цієї роботи власні значення частково заповненого круглого хвилеводу знаходились методом часткових областей з високою точнiстю. Отриманi в дисертацiйнiй роботi результати мають розходження з вiдомими в межах 3% похибки.

Отриманi у другому роздiлi результати дозволяють застосовувати метод власних функцiй для проектування та інженерного розрахунку розроблених пристроїв та елементiв на частково заповнених дiелектриком хвилеводах.

Третій розділ присвячено вирiшенню ключових електродинамічних задач про поєднання частково заповнених діелектриком хвилеводiв, включаючи змiщенi поєднання частково заповнених прямокутних хвилеводів, поєднання круглих, коаксiальних, секторних, коаксіально-секторних хвилеводів.

Знання зовнiшнiх параметрiв поєднань частково заповнених дiелектриком хвилеводiв необхiдно при вирiшеннi задач аналiзу та синтезу розроблених чотирьох-, шести-, восьмиполюсних пристроїв на таких хвилеводах. Тракт НВЧ радіотехнічної системи включає рiзноманiтнi пристрої і елементи НВЧ. Поєднання цих пристроїв здiйснюється за допомогою вiдрiзкiв регулярних частково заповнених дiелектриком хвилеводiв. Умови узгодження подібних пристроїв мiж собою та регулярними вiдрiзками частково заповнених дiелектриком хвилеводiв можна сформулювати по вiдомим зовнiшнiм параметрам їх поєднань.

Матерiал даного роздiлу викладено в наступному порядку. Визначенi зовнiшнi параметри поєднань двох частково заповнених прямокутних хвилеводiв однакового поперечного перетину, дiелектричнi пластини яких мають рiзнi геометричнi розмiри. Цей випадок є показним в разi оцiнки швидкостi процесу сходження та вибору функцiй, що апроксимують розподiлення дотичного електричного поля на стику. Отриманi результати свiдчать про швидке внутрiшнє сходження алгоритму та вдалий вибiр поперечної електричної власної векторної функцiї в якостi апроксимуючої. Для практики важливим є i частинний випадок вище розглянутого - поєднання частково заповненого та порожнього прямокутних хвилеводiв. Приводяться результати чисельних розрахункiв.

Визначенi зовнiшнi параметри змiщеного поєднання двох частково заповнених прямокутних хвилеводiв однакового поперечного перетину. Знайдена залежнiсть резонансної довжини хвилi вiд геометричних розмiрiв “вiкна” змiщеного поєднання. Характер реактивної проводимостi змiщеного поєдання може бути як ємністним, так i iндуктивним. Обчислена дiлянка робочого дiапазону, де реактивна проводимiсть поєднання не залежить вiд змiщення по однiй з координатних прямих. Це важливо при виробництвi трактiв НВЧ, якi складаються з великого числа рiзних пристроїв і елементiв. Дослiджено змiни ширини резонансної кривої в залежностi вiд розмiрiв “вiкна” змiщеного поєднання.

Далі дослiджено поєднання частково заповненого прямокутного хвилеводу з коаксіальним і круглим хвилеводами. Розглянуто випадок переходу мiж частково заповненим прямокутним і коаксіальним хвилеводами - реактивний штир в частково заповненому прямокутному хвилеводi. При дослiдженні поєднання частково заповненого прямокутного хвилеводу з коаксіальним хвилеводом розглядались два випадки. Перший - коли частково заповений прямокутний хвилевод узгоджено з двох сторiн. Другий - коли такий хвилевод узгоджено з однiєї сторони, а з другої - закорочено. Аналiз отриманих результатiв показав, що по-перше, активний вхiдний опiр слабо залежить вiд довжини хвилi, що є пiдставою для проектування широкосмужних переходiв, по-друге, в нижнiй частинi робочого дiапазону частково заповненого прямокутного хвилеводу реактивнi вхiднi опори мало вiдрiзняються один вiд одного, що полегшує забезпечення стiйкого узгодження при рiзних варiацiях параметрiв частково заповненого прямокутного хвилеводу.

Розглянуто поєднання напiвнескiнченого частково заповненого прямокутного хвилеводу з круглим хвилеводом, який утримує резонансне кiльце та ємністну дiафрагму. Поєднання двох хвилеводiв здiйснюється по широкiй стiнцi прямокутного хвилеводу, один торець якого повнiстю металiзований, а iнший узгоджено навантежений. Числовi результати отриманi для випадку вiдсутностi ємністної дiафрагми та розташування ємністної дiафрагми пiсля фiльтруючого кiльця, причому в одному випадку дiлянка круглого хвилеводу до ємнiстної дiафрагми була завужена. Без ємністної дiафрагми можна забезпечити необхiдне узгодження в бiльш широкiй смузi частот. Однак включення ємністної дiафрагми полiпшує узгодження поєднання.

В цьому розділі досліджені поєднання круглих, коаксіальних, секторних і коаксіально-секторних хвилеводів. Застосування методу власних функцiй до розрахунку пристроїв і елементів НВЧ трактiв утримувалось вiдсутнiстю виразiв в замкнутому виглядi для iнтегралiв з кiнцевими межами iнтегрування вiд добутку функцiй Бесселя першого i другого роду рiзного порядку та рiзного складного аргументу. Знайденi у даному роздiлi вирази в замкнутому видi вiд вказаних iнтегралiв дозволили визначити зовнiшнi параметри поєднань цилiндричних хвилеводiв.

Визначення iнтегралiв типу , , в загальному випадку зустрiчає значнi математичнi труднощi. Ця задача вирiшена у цьому розділі і за допомогою спецiальних функцiй математичної фiзики отриманий новий математичний результат. Інтеграли вiд добутку функцiй Бесселя першого роду виражаються через гiпергеометричну функцiю Гаусса, а iнтеграли вiд добутку функцiй Бесселя другого роду - через G-функцiю Мейера:

(8)

(9)

Досліджено збіжність рядів, що входять до виразів (8), (9). Отриманий пiсля iнтегрування нескiнчений ряд у виразi (8) на замкнутому iнтервалi [0, R] сходиться, а той, що входить в гiпергеометричний ряд Гаусса, швидко сходиться. Нескiнчений ряд в виразi (9) при (m / n)<1, m+2k>0 також сходиться на замкнутому iнтервалi [R1, R2]. В роботi отриманi вирази i для рiзновидiв вказаних iнтегралiв, типу , , , .

Достоїнством отриманих виразiв є той факт, що зовнiшнi параметри поєднань цилiндричних хвилеводiв виражаються через вiдомi вищi трансцендентнi функцiї, а вирази, що входять в цi ряди швидко сходяться. В прикладнiй електродинамiцi уперше застосована вища узагальнююча трансцендентна функцiя - G-функцiя Мейера.

Вирiшення даних ключових задач про поєднання частково заповненого дiелектриком хвилеводу має i самостiйне значення через те, що дозволяє дослiджувати питання сходження рiшень та утворює основу для переходу вiд методик проектування пристроїв НВЧ до методик їх iнженерного розрахунку.

Четвертий розділ присвячено розробцi методики знаходження хвильових параметрiв електромагнiтних хвиль частково заповнених дiелектриком хвилеводiв. Хвилевi параметри можна визначити через фазову постiйну , знайдену в другому роздiлi. Для iнженерних розрахункiв доцiльно створити просту наближену методику визначення величини , але яка має достатню для практики точнiсть.

В роботi розроблена методика визначення фазових постiйних основного та вищого типiв хвиль в циліндричних хвилеводах з дiелектриком, який не торкається стiнок хвилеводу. Методика заснована на поняттi ефективної діелектричної проникливостi. Обмеженням цiєi методики є те, що для поперечного перетину хвилеводу та областi дiелектричного заповнення повиннi бути вiдомi набори власних функцiй. Достоїнством даної методики є простота та компактнiсть отриманих формул.

Приведено формули для фазових постiйних основних типiв хвиль частково заповненого круглого хвилеводу з несиметрично розташованою вiдносно центра хвилеводу пластиною напiвкруглого або секторiального поперечного перетину і частково заповненого секторного хвилеводу з дiелектричною пластиною такого ж поперечного перетину (рис. 3,4):

Для фазових постiйних основних типiв хвиль частково заповненого коаксіального хвилевода і частково заповненого коаксіально-секторного хвилевода, дiелектричнi пластини яких мають поперечнi перетини у виглядi зрiзаного сектору (рис.5,6), маємо наступнi вирази:

,(12)

.(13)

Отриманi вирази (10) - (13) мають важливе практичне застосування для задач аналiзу та синтезу шiстнадцятиполюсних пристроїв, реалiзованих на таких хвилеводах для радіотехнічних систем з просторовою обробкою сигналiв.

Отриманi в четвертому роздiлi аналітичнi вирази для фазових постiйних основних та вищих типiв хвиль частково заповнених дiелектриком хвилеводiв використанi при розробцi методик iнженерного розрахунку пристроїв і елементiв НВЧ трактів на таких хвилеводах.

Пятий розділ присвячено дослiдженню нерегулярних частково заповнених дiелектриком прямокутних хвилеводiв. Дослiджуються три види нерегулярностей: плавна змiна поперечного перетину ЧЗПХ; стуненева змiна поперечного перетину ЧЗПХ; рiвномiрний згиб ЧЗПХ в Е- та Н-площинах.

Дослiдженi в цьому роздiлi нерегулярнi хвилеводи є елементами НВЧ трактiв, якi дозволяють забезпечити його компактнiсть. Розробленi методики проектування та iнженерного розрахунку наступних елементiв НВЧ: прямолiнiйного переходу, утвореного розширенням ЧЗПХ в Е-площинi, такого ж плавного переходу з розширенням в Н-площинi, пiрамiдального плавного переходу, плавних переходiв з рiзною залежнiстю дiелектричної проникливостi вiд продольної координати, ступеневих переходiв на ЧЗПХ зі зміною розмiрiв вузької стiнки або широкої стiнки, пiрамiдального ступеневого переходу, рiвномiрно зiгнутих ЧЗПХ в Е- та Н-площинах.

Для прямолiнiйного переходу, утвореного розширенням ЧЗПХ в Е-площинi, знайдено власні функцiї, вираженi через комбiнацiю функцiй Ейрi та функцiй Мат'є. Для плавного пiрамiдального переходу на ЧЗПХ власні функцiї виражаються через комбiнацiю виродженої гiпергеометричної функцiї та функцiї Мат'є.

При розробці ступеневих частково заповнених дiелектриком хвилеводних переходiв врахованi особливостi функцiювання відомчих радіотехнічних систем та недолiки iснуючих типiв ступеневих переходiв. Враховуючи ускладення конструкцiй ступеневих переходiв на ЧЗПХ та особливостей робочої смуги частот відомчих радіотехнічних систем, доцiльно мати частотну характеристику коливального, але нерiвнохвильового характеру. В якостi апроксимуючого полiнома обрано полiном Лежандра. Тому в роботi створенi методики проектування та iнженерного розрахунку ступеневих переходiв на ЧЗПХ лежандровського типу.

В роботi уперше знайденi поперечнi власні скалярнi функцiї рiвномiрно зiгнутих ЧЗПХ. Для рiвномiрнозiгнутого в Н-площинi ЧЗПХ власні скалярнi функцiї мають вигляд:

(14)

(15)

При вiдсутностi дiелектричного заповнення вирази (14), (15) переходять у вiдомi власні скалярнi функцiї порожнього рiвномiрно зiгнутого в Н-площині прямокутнього хвилеводу. Отриманi власні скалярнi функцiї рiвномiрно зiгнутого в Е-площинi ЧЗПХ наступнi:

,

.

Аналiз залежностей КСХ подвiйного поєднання регулярних ЧЗПХ, мiж якими включено вiдрiзок рівномірно зігнутого ЧЗПХ в дiапазонi хвиль, показав їх менш осцилюючий характер у порiвняннi з аналогiчними на порожнiх прямокутних хвилеводах. Це дозволяє отримати краще узгодження в трактi НВЧ на ЧЗПХ в бiльш широкому дiапазонi хвиль. Вiдмiтимо, що з наближенням до кордону однохвильового режиму роботи хвилевода КСХ вiд згибiв в Н-площинi збiльшується, на вiдмiну вiд значень КСХ для Е-згибiв ЧЗПХ. Розглянутi подвiйнi поєднання з Е-згибами мають бiльший коефiцiєнт перекриття, нiж аналогiчнi з Н-згибами. Знайдені умови для забезпечення широкосмужної роботи НВЧ тракту на ЧЗПХ, який мiстить вiдрiзки рiвномiрно зiгнутих хвилеводiв.

Експериментальнi дослiдження розроблених елементiв НВЧ пiдтвердили вiрнiсть зроблених допущень для iнженерних розрахункiв. Розробленi в даному роздiлi елементи НВЧ тракту по широкосмужності перевищують на 10-30% аналогічнi елементи на порожнiх прямокутних хвилеводах.

Шостий роздiл присвячено розробцi методик проектування та iнженерного розрахунку класу пристроїв на частково заповнених дiелектриком хвилеводах: обертаючихся поєднань, полярiзацiйних фiльтрiв, фазобертачiв, поляризаторiв, високовиборчих частотних фільтрів, Е- і Н-тройників, щілинних мостів, спрямованих відвітлювачів. Вiдомi методики розрахунку фазообертачiв i поляризаторiв, що мiстять дiелектричнi пластини, відносяться до частинних випадків. В кожному конкретному випадку цi задачi вирiшувались по-своєму. В даному роздiлi роботи розрахунок всього класу пристроїв на частково заповнених діелектриком хвилеводах здiйснюється на основi методу власних функцiй.

В роботi дослiдженi два обертаючихся поєднання на коаксіальному та круглому хвилеводах, поєднаних з частково заповненим прямокутним хвилеводом. На всiх етапах дослiдження обертаючихся поєднань використовувались отриманi аналiтичнi вирази. Дослiдження поєднання на коаксіальному хвилеводi здiйснювалось двома способами, що дозволило оцiнити точнiсть зроблених припущень при iнженерних розрахунках. Використання короткозамкнутих шлейфiв для фiльтрацiї хвилi Н11 в поєднаннi на круглому хвилеводi із застосуванням узгоджуючих ємнiстних дiафрагм та узгоджуючих плавних переходiв на ЧЗПХ дозволило реалiзувати ряд широкосмужних обертаючихся поєднань, якi мають З0% смугу частот для значень КБХ 0,8, а коаксіально-хвилеводнi поєднання мають 60% смугу частот для тих же значень КБХ.

Дослiджено поляризацiйний фiльтр, який представляє собою частково заповнений квадратний хвилевод, у двi бiчнi стiнки якого ортогонально включенi ЧЗПХ. Особливiстю проектування такого поляризацiйного фiльтру є те, що дiелектричнi пластини, котрi пiдключаються до бiчних ЧЗПХ не мали з'єднання з дiелектричною пластиною квадратного перетину частково заповненого квадратного хвилеводу. Розроблена конструкцiя поляризацiйного фiльтра для земної станцiї супутникового зв'язку має робочий дiапазон хвиль, що на 25% перевищує робочий дiапазон хвиль аналогiчної конструкцiї на порожнiх хвилеводах. На основi методу власних функцiй розробленi методики проектування фазообертачiв, дiелектричнi пластини яких мають схили рiзної конфiгурацiї. Запропонована методика iнженерного розрахунку поляризатора на круглому хвилеводi, яка заснована на замiнi прямокутної пластини еквiвалентною їй двохсекторною пластиною. Такий прийом дозволив полiпшити точнiсть при iнженерних розрахунках.

В роботi проаналiзовано шляхи полiпшення електричних та масо-габаритних характеристик хвилеводних фiльтрiв. Запропоновано новий шлях, який дозволяє реалiзувати хвилеводнi фiльтри з полiпшеними масо-габаритними характеристиками та зменшеними масо-габаритними показниками за рахунок розмiщення в прохiдному хвилеводному резонаторi дiелектричного резонатору (ДР) прямокутної або цилiндричної форми. Таке поєднання резонаторiв утворює комбіновану хвилеводно-діелектричну ланку (КХДЛ). Розроблений фiльтр має можливiсть пiдвищення крутизни, як нижнього або верхнього скатiв, так і одночасно обох скатiв ЧХВЗ за рахунок налагодження резонансної частоти ДР на вiдповiднi крайнi частоти смуги загородження. Так, ДР з одночасно настроєним основним типом коливань на нижню та першим вищим типом коливань на верхню крайню частоту смуги загородження пiдвищує крутизну обох скатiв ЧХВЗ. Розроблена електродинамiчна модель та методика розрахунку КХДЛ. Створена методика проектування та iнженерного розрахунку фiльтрiв на КХДЛ. Приведенi приклади розрахунку фiльтрiв на КХДЛ для рiзної відомчої технiки багатоканального радiоз'вязку. Один з прикладiв реалізацii фільтра для НВЧ тракту станцiї космiчного зв'язку приведено в табл. 1.

Другою рiзновиднiстю високовиборчих фiльтрiв є фiльтри на сполученнi смугових та режекторних ланок. Такi фiльтри являють собою каскадне поєднання режекторних фiльтрiв, мiж якими включено КХДЛ. Результати експериментальних дослiджень в рiзних дiлянках НВЧ та КВЧ дiапазонiв представленi в сьомому роздiлi і пiдтвердили основний висновок, що розмiри фiльтру на КХДЛ зменшуються в 1,5 рази у порiвняннi з традицiйними хвилеводним фiльтром з чвертьхвильовими зв'язками, а коефiцiент прямокутностi ЧХВЗ при цьому збільшується в 2 рази.

Таблиця 1.

Фiльтри на хвилеводних резонаторах з чвертьхвильо- вими зв'язками	Фiльтри на комбiнованих хвилеводно-дiелектричних ланках з чвертьхвильо- вими зв'язками
Число ланок: n=7	Число ланок: n=5
Розмiри хвилеводу: 7234мм2	Розмiри хвилеводу:7234мм2
розмiри ланок: L1= L7=55мм, L2= L6=54мм, L3= L5=58мм, L4=55,5мм.	розмiри ланок: L1= L5=36мм, L2= L4=36,4мм, L3=38мм. Параметри п'яти цилiндричних ДР з r=40: c=8мм, d=17,7мм.
Розмiри поєднувальних вiдрiзкiв: l12= l67=19,5мм, l25= l56=21мм, l34= l45=21,65мм.	Розмiри поєднувальних вiдрiзкiв: l12= l45=10,3мм, l23= l34=11,2мм.
Дiаметри стержнiв дiафрагми: 2r1=2r7=0,65мм, 2r2=2r6=0,6мм, 2r3=2r5=0,72мм, 2r4=1,3мм.	Дiаметри стержнiв дiафрагми: 2r1=2r5=0,65мм, 2r2=2r4=0,5мм, 2r3=1,08мм.
Загальна довжина фільтра: 513,8мм	Загальна довжина фільтра: 225,6мм

В роботi при дослiдженнi Е- і Н-тройникiв показано, що використання в якостi апроксимуючоi поперечної електричної власної векторної функцiї ЧЗПХ, вираженої через функцiї Мат'є, дає не тiльки правильну оцiнку електричним характеристикам, але i досить пригоднi для iнженерної практики кiлькiснi спiввiдношення. В роботi здiйснено перевiрку на частковий випадок для тройникiв на порожнiх прямокутних хвилеводах. Дана перевiрка дозволила порiвняти результати роботи з результатами, отриманими методом АМБ. Ці результати добре спiвпадають і служать орiєнтиром при оцiнцi результатiв розрахункiв розроблених пристроїв на частково заповнених діелектриком хвилеводах з використанням нових спеціальних функцій і приблизних рішень з відомими спеціальними функціями.

В цьому роздiлi створенi широкосмужнi щілиннi мости двох типiв - на порожнiх прямокутних хвилеводах з дiелектричною пластиною в створi зв'язку i на ЧЗПХ. Розрахунок приведено для хвилеводу ab = 2310 мм2. При цих значенннях результати розрахунку можна порiвняти з вiдомими даними, згiдно яким робоча смуга щілинного мосту на порожнiх прямокутних хвилеводах на рiвні перехiдного затухання 30,5 дБ складає 9,2%. Результати розрахунку зведені в таблицю 2. Величина 2/0, яка знаходиться в чисельнику вiдноситься до щiлинного мосту з дiелектриком у створi зв'язку, а в знаменнику - до щiлинного мосту на ЧЗПХ. Аналiз таблицi 2 показує, що щiлиннi мости на ЧЗПХ є бiльш широкосмужнiшими, нiж щiлиннi мости з дiелектричною пластиною у створi зв'язку.

Таблиця 2

r	c/a	d/b	2/0
2,4	0,12	0,6	10,4% / 14%
2,4	0,12	0,8	10,8% / 15,6%
4	0,12	0,6	11,65% / 19,1%
4	0,12	0,8	12,4% / 22,3%
9,6	0,12	0,6	15,4% / 36,2%
9,6	0,12	0,8	17,1% / 44,7%

Окрiм цього щiлиннi мости на ЧЗПХ простiшi при налагодженнi, оскiльки ствiр зв'язку традицiйний та не мiстить дiелектрика. Порiвняння щiлинних мостiв по довжинi створу зв'язку вказує, що довжина створу зв'язку з дiелектриком змiнюється вiд 24,5 мм до 9,8 мм, а довжина створу без дiелектрика щiлинного мосту на порожнiх прямокутних хвилеводах дорiвнює 33,3 мм.

Розробленi методики проектування та iнженерного розрахунку спрямованих вiдвiтлювачiв на ЧЗПХ: з хрестоподiбним створом в широкiй стiнцi хвилеводу, з Т- образним елементом зв'язку в широкiй стiнцi хвилеводу, з двома круговими створами в загальнiй вузькiй стiнцi хвилеводу. Дослiджено розташування площин кругової поляризацiї вектора напруженностi магнiтного поля основної хвилi в дiапазонi хвиль в залежностi вiд параметрiв дiелектричної пластини. Значення величини спрямованості розроблених спрямованих вiдвiтлювачiв досягають З0 дБ, ще при цьому робочий дiапазон збільшується на 25...35% у порiвняннi з аналогiчними пристроями на порожнiх прямокутних хвилеводах.

В сьомому розділі приводяться результати експериментальних дослiджень, технiчні рiшення і рекомендацiї по застосуванню розроблених пристроїв і елементів НВЧ, та рекомендації по використанню отриманих в роботі результатів.

Експериментальнi дослiдження пристроїв НВЧ проводилися з метою оцiнки впливу зроблених припущень при розробцi методик проектування та iнженерного розрахунку, перевiрки їх ефективностi та розробки послiдовностi пiдстройки параметрiв пристроїв. Дослiдження проводились в дiапазонах 3,4...3,9 ГГц, 4,4...5 ГГц, 5,75...6,25 ГГц, 7,7...8,4 ГГц, 8,5...11,5 ГГц, З5...38 ГГц.

Розробленi пасивнi пристрої НВЧ на частково заповнених дiелектриком хвилеводах служать основою створення активних пристроїв НВЧ, таких як високостабiльнi генератори НВЧ, а також прийомопередавачiв КВЧ та НВЧ дiапазонiв перспективних радіотехнічних систем. Розробленi пристрої НВЧ застосованi в цифровій радiорелейній станцiї “Елара” (НВО “Сатурн”) і в прийомопередавальному модулі “Етанол” (НВО “Сатурн”). Результати, технічні рішення і рекомендації цієї роботи використані при обгрунтуванні вимог і вироблення технічних пропозицій з побудови НВЧ трактів перспективних радіотехнічних систем: в НВП “Символ” для станцій супутникового зв'язку, в ДНДІ “Оріон” для прийомопередавальних модулів КВЧ, в ДНТЦ “Сузір'я” для цифрових радіорелейних і тропосферних станцій. Акти упровадження приводяться в додатках дисертаційної роботи.

Показанi перспективнi системи і засоби зв'язку, радiолокацiї, радiонавiгацiї, вимiрювальної та прискорювальної технiки з використанням розробленного класу пристроїв і елементiв на частково заповнених дiелектриком хвилеводах.

Основні результати та висновки по роботі

Бiльш важливi науковi та практичнi результати, в яких вiдображена сутнiсть вирiшеної в дисертацiї наукової проблеми, заключаютья в наступному:

1. Визначенi шляхи побудови та удосконалення компактних широкосмужних НВЧ трактiв радіотехнічних систем, якi вiдповiдають вимогам високої електричної мiцностi, доброго екранування та малих масо-габаритних параметрiв на основi розробленого класу пристроїв і елементiв на частково заповнених дiелектриком хвилеводах в iнтересах пiдвищення мобiльності, стiйкостi та розвiдзахищеностi відомчих систем зв'язку. Створена методологiя побудови НВЧ трактiв перспективних засобiв багатоканального радiозв'язку, принципом якого є єдина лiнiя передачi НВЧ - частково заповнений прямокутний хвилевод, дiелектрик якого не торкається стiнок хвилеводу.

2. Розроблено новий метод дослідження частково заповнених дiелектриком хвилеводів, який дозволив визначити власні функцiї та власні значення частково заповнених дiелектриком хвилеводiв. Отриманi аналiтичнi рiшення для частково заповнених прямокутного і круглого хвилеводiв. Власні функції цих хвилеводів виражаються через нові спеціальні функції математичної фізики. Приблизні вирази для власних функцій отримані через відомі спеціальні функції - функції Мат'є і вироджені гіпергеометричні функції. Розроблений метод дозволив створити основи теорії частково заповнених дiелектриком хвилеводiв і пристроїв НВЧ на таких хвилеводах.

3. Розвинуто метод власних функцiй, на основi якого створені методики проектування та iнеженерного розрахунку нового класу пристроїв і елементiв на частково заповнених дiелектриком хвилеводах. Отриманi розрахунки дозволили оцiнити широкосмужнiсть розроблених пристроїв і елементів НВЧ трактів та розрахувати їх конструктивнi параметри, враховуючи при цьому мiнiмiзацiю їх масо-габаритних параметрiв.

4. Отримав подальший розвиток метод знаходження хвилевих параметрiв електромагнiтних хвиль в частково заповнених дiелектриком хвилеводах з використанням поняття ефективної дiелектричної проникливостi. Такий пiдхiд дозволив отримати явнi вирази для фазових постiйних основної та вищих типiв хвиль частково заповнених дiелектриком прямокутного, круглого, коаксіального, секторного і коаксіально-секторного хвилеводiв. Це складає основу iнженерних розрахункiв складних пристроїв НВЧ, в тому числi й шiстнадцятиполюсних на перелiчених хвилеводах.

5. Вирiшенi ключовi електродинамічні задачi про поєднання частково заповнених дiелектриком прямокутних, круглих, коаксiальних, секторних, коаксіальних, коаксіально-секторних хвилеводiв, якi мають і самостiйне прикладне значення в теорії хвилеводів. Всi рiшення отриманi у вищих трансцендентних функцiях.

6. Створено новий клас пристроїв і елементів НВЧ трактів радіотехнічних систем: плавні і ступеневі переходи, рівномірні згиби в Е- і Н-площинах, обертаючі поєднання, фазообертачі, поляризатори, високовиборчі частотні фільтри, поляризаційні фільтри, Е- і Н-тройники, щілинні мости, спрямовані відвітлювачі.

7. Послiдовно застосовано в теорiї частково заповнених дiелектриком хвилеводiв та пристроїв на їх основi апарат вищих трансцендентних функцiй. Уперше в електродинамiцi знайдено пропозицiю вищої узагальнюючої трансцендентної функцiї - G-функцiї Мейера. Отриманi результати в вищих трансцендентних функцiях дозволили створити не тiльки методики проектування, але й методики iнженерного розрахунку складних пристроїв НВЧ трактів радіотехнічних систем.

8. Отримано новий математичний результат. Знайдені інтеграли з кінцевими межами інтегрування від добутку функцій Бесселя першого і другого роду різного порядку і різного складного аргументу. Інтеграли від добутку функцій Бесселя першого роду виражені через гіпергеометричну функцію Гаусса, а інтеграли від добутку функцій Бесселя другого роду - через G-функцію Мейера. Цей результат має самостійне значення не тільки для задач електродинаміки, а і в других розділах теоретичної і прикладної фізики.

9. Створені методики проектування та iнженерного розрахунку розроблених пристроїв і елементів НВЧ трактів. Отриманi позитивнi результати експериментальних дослiджень розроблених пристроїв і елементiв НВЧ, в рiзних дiлянках діапазонiв КВЧ і НВЧ, якi є критерiєм достовiрностi створеної теорiї. Отриманi технiчнi рiшення з побудови НВЧ трактів не обмежуються застосуванням їх в технiцi зв'язку, а можуть використовуватись в радiофізиці, радiолокацiї, радiонавiгацiї, вимiрювальній та прискорювальній технiці. Проведено розрахунок електричної та теплової мiцностi пристроїв на частково заповнених дiелектриком хвилеводах. Результати теоретичного розрахунку порiвнялися з результатами експериментальних дослiджень, здiйснених на тропосфернiй станцiї сантиметрового дiапазону хвиль. Отриманi данi пiдтверджують достовiрнiсть теоретичних результатiв та висновкiв, зроблених за електричною та тепловою мiцнiстю НВЧ трактiв на частково заповнених дiелектриком хвилеводах. Клас пристроїв і елементiв НВЧ трактiв на частково заповнених дiелектриком хвилеводах, розроблених на основi створеної теорiї, є кiнцевим практичним продуктом дисертацiйної роботи.

...