Электродинамический анализ планарных частотно-селективных поверхностей и волноведущих структур

• Автор: Зеленчук, Дмитрий Евгеньевич
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Ростов-на-Дону
• Количество страниц: 168 с. : ил.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1. Применение частотно-селективных поверхностей -141.2. Анализ ЧСП -191.3. Применение планарных сверхпроводящих устройств и их анализ -
ГЛАВА 2. ДИФРАКЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ НА
БЕСКОНЕЧНОЙ РЕШЕТКЕ ОДИНОЧНЫХ МИКРОПОЛОСКОВЫХ ОТРАЖАТЕЛЕЙ НА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПОДЛОЖКЕ
2.1. Постановка задачи
2.1.1. Дифракция тоской волны на диэлектрическом слое конечной толщины
2.1.1.1. Н-поляризация падающей волны -312.1.1.2. Е-поляризация падающей волны
2.1.2. Сведение краевой задачи о дифракции тоской электромагнитной волны на двумерно периодической прямоугольной решетке к парным сумматорным и интегро-дифференциальным уравнениям
2.2. Дифракция плоской монохроматической электромагнитной волны на
ДВУМЕРНОЙ РЕШЕТКЕ МИКРОПОЛОСКОВЫХ ОТРАЖАТЕЛЕЙ ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ФОРМЫ
2.2.1. Решение парных сумматорныхуравнений -462.2.2. Решение интегро-дифференциальныхуравнений -502.3. Дифракция плоской монохроматической электромагнитной волны на
ДВУМЕРНОЙ РЕШЕТКЕ МИКРОПОЛОСКОВЫХ ОТРАЖАТЕЛЕЙ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ
2.4. Расчет прошедшей и отраженной мощности - 59 -
2.5. Верификация метода расчетов - 60 -
2.6. Исследование дифракции на отражателях прямоугольной формы
2.6.1. Влияние параметров подложки на частотные характеристики ЧСП
2.6.2. Влияние угла падения и периодов решетки
2.6.3. Влияние геометрических размеров прямоугольного отражателя -692.7. Исследование дифракции на отражателях сложной формы - 73 -
Выводы -91-

ГЛАВА 3. ДИФРАКЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН НА
МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ И МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУРАХ
3.1. Дифракция электромагнитных волн на двумерной прямоугольной
МНОГОЭЛЕМЕНТНОЙ РЕШЕТКЕ МИКРОПОЛОСКОВЫХ ОТРАЖАТЕЛЕЙ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ
3.2. Использование принципа Бабине для перехода от задачи дифракции на
РЕШЕТКЕ МИКРОПОЛОСКОВЫХ ОТРАЖАТЕЛЕЙ К ЗАДАЧЕ О РЕШЕТКЕ АПЕРТУР В ИДЕАЛЬНО ПРОВОДЯЩЕМ ЭКРАНЕ - 95 -
3.3. Дифракция электромагнитных волн на многослойной двумерной
ПРЯМОУГОЛЬНОЙ РЕШЕТКЕ ЩЕЛЕВЫХ ОТРАЖАТЕЛЕЙ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ - 98 -
3.3.1. Постановка и решение задачи - 98 -
3.3.2. Учет толщины экрана -1033.4. Результаты -103Выводы -
ГЛАВА 4. РАСЧЕТ ПОТЕРЬ В ЦЕНТРАЛЬНЫХ ПРОВОДНИКАХ
СВЕРХПРОВОДЯЩИХ ЩЕЛЕВЫХ ЛИНИЯХ
4.1. Импедансные граничные условия -1254.2. Постановка задачи и сведение к парным сумматорным уравнениям
4.3. Решение парных сумматорных уравнений -1324.4. Расчет постоянной затухания -1344.5. Численная реализация и результаты исследований
Выводы -142ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
ПРИЛОЖЕНИЕ 4
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

Актуальность. Изучение дифракции и распространения электромагнитных волн в планарных структурах является одним из основных направлений в современной радиофизике. В числе наиболее интересных задач прикладной электродинамики отдельное место занимают задачи о дифракции на периодических структурах. В частности широкое применение находят устройства, использующие двумерно периодические решетки планарных отражателей. В различных вариантах исполнения, либо микрополосковые отражатели на диэлектрической подложке, либо апертуры в металлическом экране, эти структуры получили название частотноселективных поверхностей (ЧСП) и используются в качестве пространственных фильтров для квазиоптического разделения сигнала, поляризационных фильтров, антенных обтекателей, средств радиозащиты. Отдельное внимание заслуживает использование ЧСП в квазиоптических фидерах рефлекторных антенн метеорологических спутников. Применение ЧСП в этих устройствах позволяет существенно улучшить массогабаритные характеристики. Одновременно с этим к ЧСП предъявляются довольно жесткие требования. Так, например, радиометр Европейского Космического Агентства MASTER должен обеспечивать разделение диапазонов 294-306 ГГц, 316-326 ГГц, 342-349 ГГц при 20дБ отражении вне полосы и вносимых потерях не более 0.5дБ для уверенного детектирования слабых излучений молекул в атмосфере. Для минимизации вносимых потерь применяют апертурные ЧСП, позволяющие исключить диэлектрик и связанные с ним потери. Улучшение избирательных характеристик может быть достигнуто использованием многослойных, т.е. содержащих несколько слоев с отражателями (апертурами) в параллельных плоскостях, и многоэлементных, т.е. содержащих несколько отражателей (апертур) в одной элементарной ячейке периодической структуры, ЧСП. Проектирование такого рода устройств является актуальной задачей, решение которой сложно осуществить вне рамок строго электродинамического моделирования.
Решению задач дифракции на вышеупомянутых и подобных структурах посвящено много работ отечественных и зарубежных авторов.

При таком выборе базисных функций их выражения в спектральной области (2.28),(2.29) примут вид:
УЛйМЛРЛ _ ЛЖПиРЛ
ул ~ Л 9 т Vп ~ —• * [/'.Э/.)
Рп «V
2ул - 2пл
где ау=-~, рп= — ■
Уравнения (2.25) проектируются на комплексно сопряженные базисные функции 3‘Л {х,г) и У'* (х,г). Таким образом в матричных уравнениях от частоты зависят только ядра /„*, а сами матричные уравнения имеют тот же вид (2.31), только с заменой (2.28),(2.29)на (2.32).
2.2.2. Решение интегро-дифференциальных уравнений
Интегро-дифференциальные уравнения (2.25) имеют особенность ядра. Для получения устойчивого решения необходима регуляризация решения интегральных уравнений. В настоящей работе регуляризация проводится путем выделения и численно-аналитического преобразования статической особенности ядра интегральных уравнений.
Рассмотрим задачу с ф = 1 и Ь = 0. При таких условиях функции
gм(x, г), &е(х, г) равны функции g(x-x г-г ’). Далее вместо х-х ’, у-у ’и г-г ’ будем для краткости писать х ,у ил, соответственно. Эта функция имеет вид:
( Ъ Ъ ехР«а»х+РЛ) г. л ч

1 " - exp(ri(amx+pnz))
+й ~к'у)
есть спектральное представление двумерно периодической функции Грина для свободного трехмерного пространства. С точностью до постоянного множителя асимптотики функций g/x, z), gE(x, z) совпадают с g(x, z).