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

За основними результатами дисертацiйної роботи можна зробити наступнi висновки та рекомендацiї.

1. Вивчення стану питання мобiльностi, стiйкостi та розвiдзахищеностi відомчих систем зв'язку та проведений аналiз показали, що доцiльним напрямком досягнення високої мобiльностi, стiйкостi та розвiдзахищеностi відомчих систем зв'язку є створення перспективних зразкiв багатоканального радіозв'язку, як основних засобiв каналоутворення на шляху удосконалення їх НВЧ трактiв. Пiд удосконаленням НВЧ трактiв технiки радiозв'язку мається на увазi розробка широкосмужних пристроїв і елементiв НВЧ iз зменшеними масо-габаритними показниками, якi вiдповiдають вимогам високої електричної мiцностi та доброго екранування. Методологiя побудови НВЧ трактiв заключається в створеннi нового ряду пристроїв і елементiв за єдиною екранованою лiнiєю передачi, яка вiдповiдає вимогам широкосмужностi, високої електричної мiцностi, малих масо-габаритних показникiв. Такий пiдхiд дозволяє вирiшити проблему не тiльки відомчих систем зв'язку, але й систем зв'язку загального застосування, радiолокацiйних та радiонавігацiйних систем, вимiрювальної та прискорювальної технiки. Сформульовану проблему вдалося вирiшити на шляху розробки нового класу пристроїв і елементів на частково заповнених дiелектриком хвилеводах.

2. Розробленi пристрої та елементи на частково заповнених дiелектриком хвилеводах дозволяють обiйти основну складнiсть загального конструювання НВЧ трактiв, яка заключається у виконаннi тракту достатньо компактним і при цьому вiдповiдаючим перелiченим вище вимогам. Однак розробка нового ряду таких пристроїв і елементів вимагала створення єдинсго пiдходу до методик їх проектування, а також iнженерного розрахунку. З цiєю метою розроблено метод визначення власних функцiй та власних значень частково заповнених хвилеводiв, дiелектрик яких не торкається стiнок хвилевода. Визначення власних функцiй та власних значень таких хвилеводiв в аналiтичному видi є дуже складною електродинамiчною задачею. Власні функції таких хвилеводів виражені в нових спеціальних функціях математичної фізики. Але труднощi “перенесенi” в область електродинамiки дозволили отримати власні функцiї частково заповненого дiелектриком хвилевода в явному виглядi, пiсля чого став можливим надалi розвиток методу власних функцій, покладеного в основу методик проектування та iнженерного розрахунку розроблених пристроїв НВЧ. Методики проектування та iнженерного розрахунку конкретних пристроїв на частково заповнених дiелектриком хвилеводах основанi на сполученнi електродинамiчних та матричних методiв аналiзу та синтезу НВЧ. Такий пiдхiд повнiстю себе оправдав і при синтезi нового типу високовиборчих фiльтрiв НВЧ - фiльтрiв на комбiнованих хвилеводно-дiелектричних ланках.

3. Не менш важливим в теорії і практицi є простi наближенi методи розрахунку. В дисертацiйнiй роботi отримав завершення метод знаходження фазових постiйних електромагнiтних хвиль частково заповнених дiелектриком хвилеводiв на основi ефективної дiелектричної проникливості. Визначенi в явному виглядi фазовi постiйнi основної та вищих типiв хвиль частково заповнених дiелектриком прямокутного, круглого, коаксiального, секторного та коаксiально-секторного хвилеводiв. Знання цих фазових постiйних дозволяє розробляти iнженернi розрахунки з достатньою для практики точнiстю навiть таких складних пристроїв як восьмиплечі хвилеводнi мости на перелiчених лiнiях передачi. Даний метод розрахунку фазових постiйних хвиль частково заповнених дiелектриком хвилеводiв має контрольовану точнiсть, а iнженери в розрахунках користуються простими формулами, котрi легко перевiряються. Точнiсть розробленого методу визначення власних функцiй та власних значень по визначенню частково заповнених дiелектриком хвилеводiв (розділ 2) фазових постiйних значно вище (до 1%). Досягнення такої точностi дозволило створити методики проектування частотних фiльтрiв, обертаючихся поєднань, фазообертачiв, поляризаторiв, плавних та ступеневих переходiв, згибiв в Е- і Н-площинах, переходiв мiж рiзними хвилеводами з дiелектриком, Е- і Н-тройникiв, щiлинних мостiв, спрямованих вiдвітлювачiв, поляризацiйних фільтрів на частково заповнених дiелектриком хвилеводах.

4. В роботi уперше в прикладнiй електродинамiцi послiдовно застосовано апарат вищих трансцендентних функцiй. Власні функцiї частково заповненого дiелектриком прямокутного хвилевода вираженi через нові спеціальні П-функції, а приблизні вирази через функцiї Мат'є. Власні функцiї частково заповненого дiелектриком круглого хвилеводу вираженi через нові спеціальні Р-функції, а приблизні вирази через виродженi гiпергеометричні функцiї. Самостiйне значення мають результати, отриманi по з'єднанням частково заповнених дiелектриком хвилеводів. Результати отриманi в явному виглядi та вираженi через ортогональнi полiноми, функцiї Мат'є, гiпергеометричну функцiю Гаусса, G-функцію Мейера. Уперше в електродинамiцi знайдено пропозицiю для вищої узагальнюючої трансцендентної функцiї - G-функцiї Мейера. Цей результат отримано при розвитку теорiї хвилеводiв і рішенні ключових електродинамічних задач. Так математичний апарат методики iнженерного розрахунку плавних частково заповненим дiелектриком хвилеводних переходiв базується на використаннi виродженої гiпергеометрiчної функцiї, функцiї Вебера, методики iнженерного розрахунку фiльтрiв на комбiнованих хвилеводно-дiелектричних ланках - на функцiях Мат'є, методики iнженерного розрахунку рiвномiрних згибів - на гiпергеометричнiй функцiї Гаусса та функцiях Бесселя. Застосування апарата вищих трансцендентних функцiй дозволило створити високоефективнi обчислювальнi алгоритми складних електродинамiчних схем.

5. Розробленi технiчнi рiшення по побудовi НВЧ трактiв технiки багатоканального радіозв'язку мають глибоке наукове обгрунтування - теорiю частково заповнених дiелектриком хвилеводiв та пристроїв НВЧ на їх основi, включаючи методики їх проектування та iнженерного розрахунку. Теорiя частково заповнених дiелектриком хвилеводiв дозволяє визначити власні функції та власні значення хвилеводiв з дiелектриком в аналiтичному вигляді для самого загального випадку, коли дiелектрик має вiльне розшташувавння i не торкається стiнок хвилевода. Технiчнi характеристики, які приведенi в роботi, є новими, викликанi вимогами практики та захищенi авторськими свiдоцтвами. Запропонованi технiчнi рiшення в повнiй мiрi вiдповiдають вимогам, що пред'являються до НВЧ трактiв технiки багатоканального радіозв'язку. Дослiдження не можна вважати завершеними без перевiрки на достовiрнiсть отриманих числових результатiв, параметрiв i характеристик розробленого класу пристроїв на частково заповнених дiелектриком хвилеводах. Тому теоретичнi дослiдження були доповненi експериментальними дослiдженнями, якi не тiльки пiдтвердили науковi положення роботи, але й визначили реально досягнутi параметри та засоби їх побудови, дозволили оцiнити дисипативнi втрати та виробити рекомендацiї по реалiзацiї розроблених пристроїв в КВЧ дiапазонi.

Таким чином, в дисератцiйнiй роботi вирiшена наукова проблема по рацiональнiй побудовi трактiв НВЧ радіотехнічних систем, що вiдповiдає вимогам широкосмужностi, високої електричної мiцностi, доброго екранування та малим масо-габаритним показникам. Наукова проблема вирiшена на основi розробленого нового методу дослiдження частково заповненого дiелектриком хвилеводу, створених методик проектування та iнженерного розрахунку пристроїв і елементiв на частково заповнених дiелектриком хвилеводах і тих технiчних рiшень, що забезпечують рiшення комплексу задач, якi впливають з особливостей застосування вiдомчих систем багатоканального радiозв'язку.

Вирiшення цiєї наукової проблеми має важливе значення для досягнення потенцiально високих технiчних характеристик відомчої технiки багатоканального радiозв'язку, а також багатоканальних радіосистем передачi загального користування, радiолокацiйних та радiонавiгацiйних систем, вимiрювальної та прискорювальної технiки. 3 урахуванням високої вартостi НВЧ трактiв у сучасних радіотехнічних системах рiшення цієї проблеми набуває також важливого економічного значення.

Список основних робіт, опублікованих після захисту кандидатської дисертації

Писаренко А.Н., Почерняев В.Н., Мирный С.В. Цифровые радиорелейные станции с вынесенным приемопередающим модулем. - Киев: КВВИУС, 1992._113с.

Почерняев В.Н., Скрыпник Л.В. Внешние параметры соединения двух частично заполненных прямоугольных волноводов // Известия ВУЗов. Радиоэлектроника.- 1991 _№2. - С.112.

Почерняев В.Н., Скрыпник Л.В. Электрическая прочность полосового фильтра на комбинированных волноводно-диэлектрических звеньях // Известия ВУЗов. Радиоэлектроника.- 1991. - №10 - С.108_110.

Почерняев В.Н. Соединение коаксиальной линии передачи с частично заполненным прямоугольным волноводом // Известия ВУЗов. Радиоэлектроника.- 1992. _ №11. - С.74_77.

Почерняев В.Н., Скрыпник Л.В. Волновые числа частично заполненного прямоугольного волновода // Известия ВУЗов. Радиофизика.- 1992. _№9. - С.817_821.

Почерняев В.Н. Широкополосные вращающиеся соединения // Известия ВУЗов. Радиоэлектроника.- 1993 _№6. - С.9_15.

Почерняев В.Н., Скрыпник Л.В. Электрические характеристики фазовращателя на нерегулярном частично заполненном прямоугольном волноводе // Известия ВУЗов. Радиоэлектроника.- 1993. - №10. - С.72_75.

Почерняев В.Н. Пути улучшения характеристик полосовых волноводных фильтров //Радиотехника.- 1993. - №7. - С.25_26.

Почерняев В.Н. Внешние параметры смещенного соединения частично заполненных прямоугольных волноводов // Известия ВУЗов. Радиоэлектроника.- 1994. - №8. - С.24_28.

Почерняев В.Н. Внешние параметры плавного частично заполненного волноводного перехода // Известия ВУЗов. Радиоэлектроника.- 1994. _№10. - С.48_52.

Почерняев В.Н., Скрыпник Л.В., Татаркин В.Т. Внешние параметры восьмиплечего моста на секторных волноводах //Радиотехника.- 1994._ №7. - С.65_68.

Почерняев В.Н., Скрыпник Л. В. Плоско-поперечные стыки круглых и секторных волноводов // Известия ВУЗов. Радиофизика.- 1994. - №2. - С.254_258.

Почерняев В.Н.Расчет рабочего диапазона волн щелевых мостов с диэлектриком // Известия ВУЗов. Радиоэлектроника.- 1995. - №2. - С.67_69.

Почерняев В.Н. Полосовой фильтр СВЧ повышенной избирательности //Радиотехника.- 1995. - №1. - С.32.

Почерняев В.Н. Интегралы от произведений функций Бесселя для прикладных задач электродинамики // Украинский математический журнал.- 1995. - №4. - С.566_570.

Почерняев В.Н. Равномерно изогнутый частично заполненный прямоугольный волновод // Известия ВУЗов. Радиоэлектроника.- 1995. - №11. - С.13_19.

Почерняев В.Н. Плоско-поперечные стыки коаксиальных и коаксиально-секторных волноводов // Известия ВУЗов. Радиофизика.- 1995. - №10. - С.1094 - 1101.

Почерняев В.Н. Тройники на частично заполненных прямоугольных волноводах // Известия ВУЗов. Радиофизика.- 1996. - №7. - С.901_908.

Почерняев В.Н..Скрыпник Л.В. Фазовые постоянные частично заполненных цилиндрических волноводов // Известия ВУЗов. Радиоэлектроника.- 1996. - №11. - С.67_70.

Почерняев В.Н. Ступенчатые переходы на частично заполненных прямоугольных волноводах // Известия ВУЗов. Радиоэлектроника.- 1997. - №3. - С.74_77.

Почерняев В.Н. Соединение круглого волновода с частично заполненным прямоугольным волноводом // Известия ВУЗов. Радиоэлектроника.- 1997. - №4. - С.11_16.

Почерняев В.Н. Направленные ответвители на частично заполненных прямоугольных волноводах // Известия ВУЗов. Радиоэлектроника.- 1997. - №11. - С. 26_31.

Почерняев В.Н., Скрыпник Л.В. Поляризационные фильтры на частично заполненных диэлектриком волноводах // Известия ВУЗов. Радиоэлектроника.- 1998 - №2. - С.25_28..

Почерняев В.Н., Скрыпник Л.В. О возможности использования воздухоплавательных аппаратов в системах беспроводной связи //Зв'язок.- 1997. - №4. - С.ЗЗ_35.

Почерняев В.Н., Скрыпник Л.В. Межведомственная система спутниковой связи //Зв'язок.- 1998. - №3. - С.36.

Анотації

хвилевод діелектрик багатоканальний

Почерняєв В.М. Наукові основи побудови пристроїв на частково заповнених діелектриком хвилеводах для радіотехнічних систем. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.12.17 - радіотехнічні і телевізійні системи. - Українська державна академія звязку, Одеса, 1999.

Робота присвячена питанням проектувания та інженерного розрахунку нового класу пристроїв і елементів НВЧ трактів на частково заповнених діелектриком хвилеводах для техніки багатоканального радіозвязку відомчих систем звязку. В дисертації розроблений метод дослідження частково заповнених діелектриком хвилеводів, який дозволив уперше визначити їх власні функції і власні значення. Власні функції частково заповненого прямокутного хвилевода виражені через нові спеціальні П-функції, а власні функції частково заповненого круглого хвилевода - через нові спеціальні Р-функції. Цей результат дозволяє розвинути метод власних функцій, на основі якого створені методики проектування та інженерного розрахунку разробленого класу пристроїв і элементів НВЧ трактів на частково заповнених діелектриком хвилеводах. Отримані результати теоретично обгрунтовані і експериментально підтверджені. Основні результати роботи, технічні рішення і рекомендації знайшли практичне застосування при обгрунтуванні вимог і вироблення технічних пропозицій з побудови НВЧ трактів перспективних радіотехнічних систем.

Ключові слова: радіотехнічна система, багатоканальний радіозв'язок, тракт НВЧ, частково заповнений діелектриком хвилевод, метод, власна функція, власне значення, методика проектування, інженерний розрахунок.

Pochernyaev V.N. Scientific fundamentalses of a construction of devices on a partially completed dielectric waveguides for radiotechnic systems. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the doctor of technical science on a speciality 05.12.17 - Radiotechnical and Television Systems. - Ukraine State Academy of Communication, Odessa, 1999.

The dissertation is devoted to problems of projection and engineering account of a new class of devices and elements of a MICROWAVE tracts on a partially completed dielectric waveguides for multichannel radiotools. In a thesis the method of a research partially by completed dielectric of waveguides is developed which has allowed for the first time to define their own functions and eigenvalues. The own functions partially of completed rectangular waveguide are expressed through new special п-functions, and own functions partially of completed round waveguide - through new special р-functions. This outcome allows to develop a method of own functions, which techniques of projection and engineering account of the developed class of devices and elements of a MICROWAVE tracts on a partially completed dielectric waveguides because of are created. The obtained outcomes theoretically are justified and experimentally are confirmed. The basic outcomes of work have found practical application for want of substantiation of the requirements to systems of a multichannel radio communication and formulation of engineering solutions on a realization of a MICROWAVE tracts in a perspective radiotechnic systems.

Key words: radiotechnic system, multichannel radio communication, a widebandth MICROWAVE tract, a partially completed dielectric waveguide, method, own function, eigenvalue, technique of projection, engineering account.

Почерняев В.Н. Научные основы построения устройств на частично заполненных диэлектриком волноводах для радиотехнических систем. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.12.17 - радиотехнические и телевизионные системы. - Украинская государственная академия связи, Одесса, 1999.

Работа посвящена вопросам проектирования и инженерного расчета нового класса устройств и элементов СВЧ трактов на частично заполненных диэлектриком волноводах для многоканальных радиосредств ведомственных систем связи. В диссертации разработан метод исследования частично заполненных диэлектриком волноводов, позволивший впервые определить их собственные функции и собственные значения в явном виде. Собственные функции частично заполненного прямоугольного волновода выражены через новые специальные П-функции, а собственные функции частично заполненного круглого волновода - через новые специальные Р-функции. Приближенные решения получены в известных специальных функциях математической физики: для частично заполненного прямоугольного волновода - в функциях Матье, для частично заполненного круглого волновода - в вырожденных гипергеометрических функциях. В частных случаях, для полого и полностью заполненного диэлектриком волноводов, полученные собственные функции частично заполненных диэлектриком волноводов при исключении параметров диэлектрического заполнения переходят в известные собственные функции полых волноводов. Исследована внутренняя сходимость метода, позволившего получить аналитические выражения для собственных функций и собственных значений частично заполненных диэлектриком волноводов.

Разработан класс устройств и элементов на частично заполненных диэлектриком волноводах для широкополосных СВЧ трактов радиотехнических систем: вращающиеся соединения, плавные и ступенчатые переходы, изгибы в Е- и Н-плоскостях, поляризаторы, фазовращатели, высокоизбирательные частотные фильтры, Е- и Н-тройники, поляризационные фильтры, щелевые мосты, направленные ответвители. Развит метод собственных функций, на основе которого созданы методики проектирования и инженерного расчета разработанного класса устройств и элементов СВЧ трактов на частично заполненных диэлектриком волноводах.

Решены ключевые электродинамические задачи соединения частично заполненных диэлектриком прямоугольных волноводов, а также круглых, коаксиальных, секторных и коаксиально-секторных волноводов, которые имеют и самостоятельное прикладное значение. Внешние параметры соединений получены в аналитическом виде и выражены через специальные функции математической физики. Приведены решения внутренних задач электродинамики о соединениях смещенных частично заполненных прямоугольных волноводов, частично заполненного прямоугольного с полым прямоугольным волноводом, частично заполненного прямоугольного с круглым и коаксиальным волноводами. Разработана методика определения волновых параметров электромагнитных волн частично заполненных диэлектриком волноводов. Получены простые формулы для фазовых постоянных частично заполненных прямоугольного, круглого, коаксиального, секторного и коаксиально-секторного волноводов. Этот результат позволяет проводить инженерные расчеты с достаточной для практики точностью.

Получен новый математический результат. Найдены интегралы с конечными пределами интегрирования от произведения функций Бесселя первого и второго рода разного порядка и различного сложного аргумента. Интегралы от произведений функции Бесселя первого рода выражены через гипергеометрическую функцию Гаусса, а интегралы от произведений функции Бесселя второго рода - через G-функцию Мейера. Полученные результаты теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены. Впервые в задачах электродинамики применена высшая обобщающая трансцендентная функция - G-функция Мейера.

Создана методология построения СВЧ трактов радиотехнических систем. Разработаны методики экспериментальных исследований устройств и элементов СВЧ трактов на частично заполненных диэлектриком волноводах. Основные результаты, технические решения и рекомендации работы нашли практическое применение при обосновании требований и выработке технических предложений по построению трактов СВЧ радиотехнических систем. Результаты работы внедрены в цифровую радиорелейную станцию и технику миллиметрового диапазона волн.

Ключевые слова: радиотехническая система, многоканальная радиосвязь, тракт СВЧ, частично заполненный диэлектриком волновод, метод, собственная функция, собственное значение, методика проектирования, инженерный расчет.

Размещено на Allbest.ru