авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Открытые неоднородные диэлектрические и металлодиэлектрические направляющие структуры, описываемые несамосопряженными операторами

На правах рукописи

Усков Олег Викторович ОТКРЫТЫЕ НЕОДНОРОДНЫЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МЕТАЛЛОДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ НАПРАВЛЯЮЩИЕ СТРУКТУРЫ, ОПИСЫВАЕМЫЕ НЕСАМОСОПРЯЖЕННЫМИ ОПЕРАТОРАМИ 05.12.07 – Антенны, СВЧ-устройства и их технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород 2010

Работа выполнена на кафедре «Физика и техника оптической связи» Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Раевский Алексей Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Белов Юрий Георгиевич кандидат технических наук Бажилов Вячеслав Александрович

Ведущая организация: ФГУП НПП «Салют», г. Н.Новгород

Защита состоится 25 ноября 2010 г. в 13.00 на заседании диссертационного совета Д 212.165.01 в Нижегородском государственном техническом университете им.

Р.Е. Алексеева по адресу: 603950, г.Н.Новгород, ул. Минина, 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГТУ.

Автореферат разослан октября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Назаров А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Современная техника ставит перед разработчиками задачи, нацеленные на уменьшение массогабаритных параметров функциональных узлов, повышении их широкополосности и многофункциональности, снижения стоимости. Проектиро вание электродинамических систем, как правило, начинается с предварительного расчета основных характеристик, что преследует цель экономии средств на этапе создания опытных образцов. Точность расчета характеристик проектируемых электродинамических систем определяется адекватностью математических моде лей и методами их реализации. С ростом производительности используемых для расчетов ЭВМ появилась возможность использовать более сложные математиче ские модели, достаточно точно отражающих свойства реальных систем. Разработ ка новых математических моделей, проверка адекватности модели физическому процессу и определение областей, в которых можно применять разработанную модель, является актуальной задачей.

При проведении газодинамических исследований для регистрации поло жения движущихся границ раздела различных сред (фронтов ударных и дето национных волн, поверхностей металлических и диэлектрических тел и др.) пер спективными являются бесконтактные методы, с использованием радиоинтер ферометров (РИ) миллиметрового диапазона длин волн. Особенно продуктив ным представляется применение таких РИ для определения характеристик раз гона ударников (металлических болванок) в стволах под действием взрывной волны. В отличие от контактных датчиков РИ миллиметрового диапазона, обес печивающие высокое пространственное разрешение, позволяют провести де тальную диагностику всего процесса движения ударника и, в частности, увели чить точность измерений на наиболее ответственном начальном участке разго на. Опыт применения одноканальных РИ миллиметрового диапазона подтвер дил величину относительной погрешности измерения перемещений объектов на уровне 104, что позволило существенно продвинуться в понимании физики га зодинамических процессов [Л.1].

В качестве основы зондирующей системы РИ миллиметрового диапазона может использоваться, в частности, открытый диэлектрический волновод (ДВ), помещенный внутрь ствола. ДВ служит для подвода зондирующего сигнала, а его открытый конец выполняет функции диэлектрической антенны, обеспечивающей излучение этого сигнала и прием отраженного сигнала от объекта исследования.

Специфика газодинамических исследований приводит к разрушению зонди рующей системы РИ при каждом опыте. Разовая зондирующая система на основе ДВ проста в изготовлении и имеет невысокую стоимость [Л.2].

Для решения задачи о расчете поля излучения с торца ДВ необходим расчет дисперсионных характеристик и распределений компонент поля как основной волны, так и волн высших типов, являющихся на рабочей частоте излучателя вы текающими.

Учет вытекающих волн в дифракционном базисе затруднен тем, что эти волны имеют нарастающий при удалении от ДВ характер. В [Л.3] предложена мо дель ДВ, помещенного в поглощающую среду. Показано, что в этом случае поле вытекающих волн начинает при определенном уровне потерь удовлетворять ус ловию излучения, что позволяет включать их в дифракционный базис. В связи с этим представляет интерес исследования спектров волн ДВ, граничащих с погло щающей средой.

Создание чувствительных элементов датчиков различного назначения на основе диэлектрических направляющих структур – весьма перспективное направ ление исследований в области ОДВ. В настоящее время интенсивно развиваются микроволновые методы контроля параметров нефти и природного газа в техноло гических установках [Л.4-7]. Также важной задачей является разработка неразру шающих методов измерений параметров диэлектриков [Л.8]. В связи с этим, во второй главе диссертации рассматриваются прямоугольные ОДВ, у которых под влиянием внешних факторов изменяются характеристики передачи.

В последнее время наблюдается повышенный интерес к исследованию ДВ, имеющих частичную металлизацию. Нанесение металла на диэлектрик позволяет решать ряд практических задач, например в [Л.9] в сканирующих оптических микроскопах ближнего поля и спектроскопах предлагается использовать коакси альный волновод с металлическими стенками, т.к. по сравнению с коническим волноводом в нем значительно меньше затухание.



Направляющие структуры с частичной металлизацией одной из оболочек (так называемая секториальная металлизация) в настоящее время очень мало изу чены. Их основное достоинство состоит в том, что еще на этапе постановки крае вой задачи в них запрещается существование симметричных волн. Как известно, именно первая пара симметричных волн H 01, E01 ограничивает в круглых много слойных ОДВ диапазон одномодового режима распространения основной волны HE11. Отсутствие симметричных волн в спектре решений такой задачи расширяет одномодовый диапазон. Отсутствие симметрии по угловой координате также приводит к тому, что симметричные волны не могут «генерироваться» на неодно родностях волокна – изломах, стыках, микротрещинах.

В качестве структур с продольно-неоднородными параметрами в работе рассматриваются волоконные брегговские решетки – направляющие структуры, в которых продольное изменение показателя преломления «умышленно» заклады вается на стадии проектирования и изготовления. В оптическом диапазоне длин волн широко применяются брегговские волоконные решетки показателя прелом ления, которые используются при построении различных функциональных узлов систем оптической связи, в частности, частотных фильтров, дискриминаторов мод, компенсаторов дисперсии [Л.10], составных частей мультиплексоров и де мультиплексоров в волоконно-оптических линиях связи [Л.11], зеркал волокон ных [Л.12] и полупроводниковых лазеров [Л13], чувствительных элементов воло конно-оптических датчиков физических величин [Л.14]. Их основные достоинства – низкие потери, легкость соединения с другими участками волоконного тракта, низкий температурный коэффициент длины, простая конструкция, дешевизна.

Расчет спектральных характеристик брегговских волоконных решеток обыч но выполняют с применением теории связанных мод, в рамках которой предпола гается, что заданной длине волны лишь для двух определенных мод выполняется условие фазового синхронизма, и только эти моды могут обмениваться энергией друг с другом [Л.15].

Актуальность проводимых исследований определяется отсутствием строгих методик, позволяющих производить теоретические расчеты характеристик рас пространения волн в волоконных структурах с периодически изменяющимся в продольном направлении показателем преломления. Создание таких методик по зволит произвести расчет математических моделей, которые можно будет исполь зовать для разработки новых устройств и совершенствовании имеющихся.

Целью диссертации является Разработка математических моделей, алгоритмов и программ расчета харак теристик дисперсии и затухания волн диэлектрических волноводов, граничащих с поглощающими средами;

дисперсионных характеристик волн частично металли зированного волновода и волоконного световода с периодически изменяющимся по продольной координате показателем преломления сердцевины. Исследование особенностей распространения в указанных структурах электромагнитных волн.

Разработка рекомендаций по использованию результатов расчетов при проекти ровании устройств СВЧ, КВЧ и оптического диапазонов, в частности, чувстви тельных элементов датчиков, фильтров типов волн, излучателей радиоинтерфе рометров, узкополосных оптических фильтров.

Методы исследования Представленные в диссертационной работе теоретические результаты полу чены на основе метода частичных областей (МЧО), метода согласования полей, лучевого подхода [Л.15], метода поверхностного тока [Л.16], метода коллокаций [Л.17], метода вариации фазы [Л.18], основанным на принципе аргумента [Л.19] в сочетании с методом Мюллера [Л.20].

Алгоритмы, созданные на основе этих методов удобны для использования в системах автоматизированного проектирования (САПР) функциональных узлов СВЧ, КВЧ и оптического диапазонов волн ввиду их универсальности и простоты алгебраизации функциональных уравнений, получаемых в результате реализации граничных условий.

Научная новизна:

Получены результаты расчета полей вытекающих волн открытого ди 1.

электрического волновода в среде с потерями.

Обнаружен эффект «запирания» поля медленной волны в круглом ди 2.

электрическом волноводе с поглощающей пленкой.

Исследованы дисперсионные характеристики волн частично металли 3.

зированного волновода.

Предложена методика расчета дисперсионных характеристик LP-мод 4.

слабонаправляющих волоконных световодов с периодически изменяющимся про филем показателя преломления сердцевины.

Показано неравенство критических частот HEn,m 1 и EH nm волн.





5.

Обнаружено продолжение HE-волн ниже критических частот в круг 6.

лом ОДВ, окруженном средой с потерями.

Показано, что в определенном диапазоне частот вытекающие волны в 7.

круглом ОДВ, окруженном средой с потерями, удовлетворяют условию излуче ния.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и реко мендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается использованием при расчете направляющих структур теоретически обоснованных методов;

обос нованным использованием приближенных методов;

сравнением численных ре зультатов, полученных различными методами;

проверкой полученных результа тов на сходимость.

Практическая ценность работы заключается:

1. В создании алгоритмов и программ, позволяющих производить расчет дисперсионных характеристик и компонент электромагнитного поля поверхност ных и вытекающих волн ОДВ, окруженного средой с потерями.

2. В создании алгоритмов и программ, позволяющих производить расчет характеристик передачи прямоугольного полоскового волновода, покрытого по глощающей пленкой, используемого в качестве ЧЭДТТР.

3. В создании алгоритмов и программ, позволяющих производить расчет характеристик передачи прямоугольного полоскового волновода на диэлектриче ской подложке с потерями, по которым можно определить диэлектрические пара метры этой подложки.

4. В создании алгоритмов и программ, позволяющих производить расчет дисперсионных характеристик, компонент поля и распределения плотности пото ков мощности круглых ОДВ, покрытых резистивными пленками.

5. В создании алгоритмов и программ, позволяющих производить расчет дисперсионных характеристик и компонент поля волн ОДВ с секториальной ме таллизацией поверхности.

6. В создании алгоритмов и программ, позволяющих производить расчет дисперсионных характеристик LP-волн в волоконных световодах с периодически изменяющимся вдоль оси показателем преломления, используемых при построе нии частотно избирательных устройств оптического диапазона.

Апробация работы и публикации Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1. Международных научно–технических конференциях “Физика и тех нические приложения волновых процессов”, 2006-2007, 2009-2010.

2. Всероссийских научно-технических конференциях "Информационные системы и технологии. ИСТ – 2006-2007, 2009-2010", Н.Новгород.

3. IX Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки», Н.Новгород, 2010.

4. По материалам работы было опубликовано 4 статьи (из них 2 в изда ниях, одобренных ВАК) и 11 тезисов докладов.

Внедрение результатов Результаты расчетов чувствительного элемента датчика температуры точки росы и прямоугольного диэлектрического волновода на диссипативной подложке были использованы в отчетах по НИР, выполненных кафедрой «Физика и техника оптической связи» в рамках хоздоговоров с ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Се дакова». Программы для расчета длины волны отсечки одномодового волоконно го световода, комплексных постоянных распространения вытекающих волн, пе риода биений и величины двулучепреломления частично металлизированных во локонных световодов, постоянных распространения LP-волн световода с перио дически изменяющимся по продольной координате показателем преломления сердцевины переданы в Институт химии высокочистых веществ РАН им. Г.Г. Де вятых и будут использованы при исследовании свойств световодов для волокон ных лазеров и усилителей, волоконно-оптических датчиков, а также при решении задач оптимизации волоконных световодов для линий связи.

Объем и структура диссертации Работа состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит страницу основного текста, включая библиографию из 97 наименований;

82 ри сунка;

5 таблиц;

1 приложение, содержащее 2 акта внедрения результатов диссер тации.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследования полного спектра волн круглого ОДВ с раз личными диэлектрическими параметрами, окруженного средой с потерями или без потерь.

2. Постановка и результаты решения краевой задачи для волн прямо угольного полоскового волновода, покрытого поглощающей пленкой. Обоснова ние применимости МПТ при решении данной задачи.

3. Исследование характеристик передачи полоскового диэлектрического волновода на диссипативной подложке и основанный на нем косвенный метод определения комплексной диэлектрической проницаемости.

4. Результаты решения краевой задачи для волн круглого волновода, по крытого резистивной пленкой.

5. Постановка и результаты решения краевой задачи для волн круглого ОДВ с секториальной металлизацией оболочки.

6. Разработка алгоритма и результаты расчета дисперсионных характе ристик LP-волн в слабонаправляющих волоконных световодах с периодически изменяющимся вдоль их оси показателем преломления с целью их использования при расчете устройств на брегговских волоконных решетках.

Краткое содержание работы Во введении проводится анализ современного состояния вопроса, ставится цель диссертационной работы, обосновывается ее актуальность, формулируются задачи исследований, определяется новизна полученных результатов и их практи ческая ценность, формулируются основные положения, выносимые на защиту, кратко излагается содержание диссертации.

В первой главе диссертации: проводится рассмотрение спектра решений краевой задачи для двухслойного ОДВ (рис. 1).

Рис. Записывается трехмерное уравнение Гельмгольца относительно продоль ных компонент электрического и магнитного векторов Герца:

П ze, m 2 П ze,m 0, где и - параметры сред, образующих направляющую структуру, фор мулируются граничные условия, определяется тип электродинамического опера тора и спектр возможных решений.

Общее решение уравнения Гельмгольца в случае ОДВ имеет вид cos n iz, П z, m Z n m r e e sin n где Z n - цилиндрическая функция 1-го рода для внутреннего слоя, цилиндриче ская функция 3-го рода для внешней области.

При n=0 поля волн ОДВ не зависят от координаты (симметричные вол ны). При наложении граничного условия на бесконечности общее число гранич ных условий прямой краевой задачи будет:

U m 0;

m 1,2,...,2q;

N 2q, где q – число слоев, на которое разбивается поперечное сечение рассматриваемой структуры. Поскольку число граничных условий сопряженной краевой задачи N q2n N 2q;

N N, оператор является самосопряженным. Здесь n - порядок дифференциального уравнения.

При снятии граничного условия на бесконечности N 2 q 1. В результате, поскольку N q2n ( 2q 1) 2q 1 N, оператор становится несамосопряжен ным.

Действительным собственным значениям краевой задачи соответствуют решения дисперсионного уравнения, являющиеся волновыми числами поверхно стных волн. Это волны, направляемые данной структурой. Их распространение обусловлено полным внутренним отражением на границах раздела сред.

На критических частотах поверхностные волны переходят в волны излуче ния – вытекающие волны. Строго говоря, для описания этих волн необходимо вводить интегральное представление поля и, соответственно, непрерывный спектр собственных значений, хотя термин «собственные значения» в данном случае не является строгим, поскольку вытекающие волны не удовлетворяют условию из лучения, в результате чего краевая задача для них не является однородной.

В случае несимметричных волн в спектре решений дисперсионного уравне ния краевой задачи, которая является несамосопряженной, присутствуют ком плексные значения, соответствующие различным типам комплексных волн. Для собственных комплексных волн, удовлетворяющих условию излучения, они соот ветствуют однородной краевой задаче, для несобственных (не удовлетворяющих условию излучения) – полуоднородной.

Несобственные комплексные волны подразделяются на вытекающие и мед ленные несобственные волны. Дисперсионные характеристики вытекающих волн являются продолжениями характеристик поверхностных волн на частотах ниже критических. Комплексность их волновых чисел обусловлена потерями на излу чение. Вытекающие волны могут переходить в собственные комплексные волны.

Термин «собственные» означает, что они при тех же параметрах рассматриваемой структуры будут присутствовать и в спектре решений однородной задачи. В слу чае малых n такие волны существуют при достаточно высоком значении отноше ния диэлектрических проницаемостей слоев ОДВ. В случае больших n они появ ляются при меньших значениях этого отношения. Характерной особенностью та ких волн является равенство нулю среднего за период потока мощности, перено симой через поперечное сечение структуры.

С уменьшением частоты собственные комплексные волны снова переходят в вытекающие, а те, в свою очередь, в медленные несобственные.

Если в рассматриваемом ОДВ учесть потери на поглощение хотя бы в од ном из слоев, то краевая задача будет несамосопряженной независимо от того, на кладывается условие излучения или не накладывается. Все собственные значения будут комплексными, а значит, и решения дисперсионного уравнения также будут комплексными. В данном случае комплексность волновых чисел обусловлена по терями на поглощение, приводящими к уменьшению амплитуд полей по продоль ной координате ОДВ.

Далее показано, что традиционное представление о равенстве критических частот волн EH nm и HEn, m 1 является ошибочным, что демонстрируется численно и аналитически.

В круглом ОДВ, окруженным средой без потерь, рассмотрено изменение дисперсионных характеристик и компонент поля при трансформации первых гиб ридных волн высших типов из поверхностных в комплексные. Показано, что по верхностные волны экспоненциально затухают, а комплексные – нарастают с уве личением радиальной координаты. Показано, что в случае диссипативной среды волна HE12 имеет продолжение в виде комплексных волн. Поле волны HE12 нарас тает по радиальной координате и по структуре отличается от поля волны EH11.

В круглом ОДВ, окруженным средой с потерями, рассмотрено изменение дисперсионных характеристик и компонент поля при трансформации первых гиб ридных волн высших типов из поверхностных в комплексные. Показано, что с увеличением потерь изменяются критические частоты поверхностных волн, при этом компоненты поля остаются практически неизменными.

Рассмотрено поведение компонент поля вытекающих волн на различных частотах. Показано, что в средах с диссипацией энергии существуют диапазоны частот, в которых поле вытекающей волны нарастает, а также существуют диапа зоны частот, где поле вытекающей волны убывает. Наличие диапазона частот, где поле вытекающей волны убывает, позволяет при решении задачи дифракции на открытом конце излучающего в открытое пространство ОДВ учитывать выте кающие волны в ортогональном базисе собственных волн.

Во второй главе диссертации: приводятся исследования передающих свойств открытых диэлектрических волноводов, граничащих с поглощающими средами. В первом параграфе главы рассматривается расчет прямоугольного от крытого диэлектрического волновода (ПОДВ), покрытого поглощающей пленкой толщиной (рис. 2).

Рис. На основе отрезка такого волновода может быть изготовлен чувствитель ный элемент датчика температуры точки росы для использования в газовой про мышленности с целью контроля влажности газа. Краевая задача решается мето дом коллокаций с использованием метода поверхностного тока (МПТ). В случае, когда на границе сред находится тонкая резистивная пленка, имеющая толщину много меньше глубины скин-слоя материала на данной частоте, МПТ позволяет не учитывать ее как слой, а вводить разрывные граничные условия для тангенци альных к границе компонент магнитного поля. Обоснование справедливости это го подхода для случая пленки воды в миллиметровом диапазоне показано на при мере сравнения получаемых результатов для трехслойного круглого ОДВ и двух слойного с бесконечно тонкой проводящей пленкой.

Получена зависимость затухания от длины ПОДВ при различной толщине пленки воды. Результаты расчетов были использованы при проектировании чув ствительного элемента датчика температуры точки росы.

Во втором параграфе рассматривается ПОДВ на поглощающей диэлектри ческой пластине (рис. 3).

Рис. При наличии поглощения в материале подложки диэлектрическая прони ~ цаемость 2 в дисперсионном уравнении для волн рассматриваемого полоскового волновода является комплексной величиной. Построение математической модели обобщенной полосковой структуры производится на основе лучевого подхода.

Рассматривается частный случай такой обобщенной структуры – возвышающаяся полоска (полосковый волновод). Решая это уравнение методом вариации фазы можно проследить влияние параметров диэлектрической подложки на характери стики основной моды квази- HE00 такого волновода. Представляет интерес опре делить зависимость действительной части нормированной постоянной распро странения моды квази- HE00 ПОДВ от действительной и мнимой частей диэлек трической проницаемости подложки и зависимость затухания моды квази- HE00 от тех же параметров подложки.

Показано, что потери в подложке практически не влияют на действитель ную часть нормированной постоянной распространения моды квази- HE00. Следо вательно, действительная часть нормированной постоянной распространения этой моды фактически целиком определяется действительной частью диэлектрической проницаемости подложки (при условии постоянства всех остальных параметров структуры). Справедливо и обратное утверждение: из-за малого, практически ну левого, влияния потерь в подложке на постоянную распространения моды можно восстановить действительную часть диэлектрической проницаемости подложки по действительной части нормированной постоянной распространения.

Результаты были применены для неразрушающего определения комплекс ной диэлектрической проницаемости материала подложки по результатам расчета характеристик передачи ПОДВ.

В третьем параграфе рассматривается круглый ОДВ, покрытый резистивной пленкой. Применяются два подхода для решения данной задачи – точный метод, в котором резистивная пленка рассматривается как отдельный слой с комплексной диэлектрической проницаемостью (рис. 4а) и приближенный метод поверхност ного тока (справедливо для случая тонких пленок, рис. 4б).

а) б) Рис. С помощью обоих методов получены дисперсионные характеристики первых симметричных и гибридных волн. На основании сравнения дисперсионных харак теристик, полученных каждым из методов, делается вывод о корректности при менения метода поверхностного тока в математической модели круглого ОДВ, покрытого тонкой резистивной пленкой, в широких пределах изменения поверх ностной проводимости пленки. При рассмотрении влияния материала резистив ной пленки на дисперсионные характеристики и распределения плотности потока мощности обнаружен эффект «запирания» поля в волноводе (В одномодовом ре жиме вплоть то нулевой частоты волна является сильно замедленной и имеет сла бую по сравнению с ОДВ без пленки частотную зависимость постоянной замед ления. При это доля потока мощности, переносимой волной, приходящаяся на сердцевину, близка к 100%).

Рассмотрены анизотропные резистивные пленки – с продольной и кольце вой проводимостью (рис. 5а,б). Проведено исследование зависимости характери стик дисперсии и затухания основной волны и волн высших типов от вида анизо тропии пленки. Показано, что в продольно-проводящей пленке имеют большие потери волны E0m и HE1m, в пленке с кольцевыми токами - волны H0m и EH1m. По лученные результаты предлагается применять при проектировании фильтров ти пов мод.

а) б) Рис. В третьей главе диссертации: рассмотрен трехслойный ОДВ с соосными ди электрическими слоями, один из которых разорван на угловой координате прово дящей областью (рис. 6).

Рис. Наличие частичной металлизации одного из слоев делает поле рассматри ваемой направляющей структуры принципиально гибридным. Частичная метал лизация запрещает существование симметричных волн. В результате волны, на правляемые структурой, описываются продольными компонентами обоих векто ров Герца, которые удовлетворяют уравнению Гельмгольца в цилиндрической системе координат.

На основе дисперсионного уравнения, записанного в различных приближе ~ ниях, были получены частотные зависимости коэффициента замедления / k 0.

Приводятся дисперсионные характеристики нескольких первых гибридных волн волокна ( n 1 ), рассчитанные в различных приближениях, при различных углах 0, определяющих размеры металлизации. Производится рассмотрение изменения дисперсионных характеристик при изменении плоскости поляризации.

Рассматривается вопрос сходимости алгоритма по амплитудным коэффици ентам, на основании чего делается вывод о равномерной сходимости амплитуд ных коэффициентов в первой и третьей областях, тогда как во второй области на блюдается лишь сходимость в среднем.

Показано, что в частично металлизированном ОДВ снимается дисперсион ное вырождение двух взаимноортогональных поляризаций основной квази-НЕ волны, что делает возможным их использование в качестве направляющих струк тур, сохраняющих состояние поляризации волны. Симметричные волны в ОДВ с частичной металлизацией поверхности принципиально отсекаются, это приводит к расширению диапазона одномодового режима в таких волноводах.

В четвертой главе диссертации: рассмотрена задача о нахождении характе ристик дисперсии и затухания волн слабонаправляющего градиентного световода с периодически изменяющимся вдоль оси профилем показателя преломления (рис. 7):

r ( r, z ) 2 1 1 1 2 cos z.

2 a d Рис. Система уравнений Максвелла для электронейтральной непроводящей изо тропной среды, у которой диэлектрическая проницаемость является функцией координат r и z, а магнитная проницаемость от координат не зависит, приво дит к уравнению: E ( r, z ) 2 E ( ~ ~ E ).

Полагая, что ~( r, z ) – медленноменяющаяся функция радиальной координа ты, и с учетом того, что волокно является слабонаправляющим, вышеприведенное уравнение можно записать относительно одной из декартовых компонент, напри мер, относительно Ex, после чего в нем удается произвести разделение перемен ных.

Результатом решения полученных после разделения переменных относи тельно радиальной и продольной координат уравнений будет система линейных однородных алгебраических уравнений бесконечно высокого порядка относи тельно амплитуд пространственных гармоник.

Приравнивая нулю главный определитель системы, получаем дисперсион ное уравнение волн рассматриваемой направляющей структуры, которое, будучи записанным при различных l и p, дает дисперсионные характеристики LP lp волн, представляемых (в силу периодичности структуры) наборами пространст венных гармоник. Порядок системы алгебраических уравнений, т.е. приближение, в котором решается дисперсионная задача, определяется числом учитываемых пространственных гармоник.

На основе разработанного алгоритма были рассчитаны дисперсионные за висимости основной волны LP волокна со слабой 1 0.005 и средней 1 0. градиентностью при 2 0.15, а = 10 мкм, d = 1 мкм. Расчет производился в пер вом приближении, когда учитывались гармоники m= 0;

± 1, результаты расчета приведены в соответствующей главе. Также проверена сходимость алгоритма по пространственным гармоникам, и получено, что сходимость является равномер ной, что подтверждает корректность предложенного алгоритма.

Во второй части четвертой главы рассмотрены вопросы анализа и синтеза уз кополосных фильтров на брегговских волоконных решетках. С использованием предложенного в первой части алгоритма найдены значения эффективного пока зателя преломления, которые были использованы при нахождении методом свя занных мод спектральных характеристик однородных брегговских волоконных решеток при различных их параметрах.

В заключении к диссертации перечислены основные результаты, получен ные в процессе ее выполнения.

Основные выводы и результаты Проведен анализ решений самосопряженной и несамосопряженной 1.

однородной и полуоднородной краевых задач для круглого открытого диэлектри ческого волновода. В соответствие найденным решениям поставлены волны, воз никающие в данной структуре.

Показано, что в круглом двухслойном ОДВ критические частоты по 2.

верхностных волн HE1, m 1 и EH 1m не совпадают.

Показано, что в круглом двухслойном ОДВ, окруженном средой с по 3.

терями, волна HE12 имеет продолжение в виде вытекающей волны. Поле волны HE12 нарастает по радиальной координате и по структуре отличается от поля вол ны EH11.

Рассмотрено поведение компонент поля вытекающих волн при раз 4.

личных частотах. Показано, что в круглом двухслойном ОДВ, окруженном средой с потерями, существует диапазон частот, в котором поле вытекающих волн начи нает при определенном уровне потерь удовлетворять условию излучения, что по зволяет включать их в дифракционный базис.

Обосновано применение метода поверхностного тока для расчета ха 5.

рактеристик передачи прямоугольного ОДВ, покрытого поглощающей пленкой воды, справедливое в КВЧ – диапазоне (на частоте 35 ГГц).

Рассчитаны характеристики передачи ЧЭДТТР в зависимости от дли 6.

ны волновода при различных значениях толщины пленки воды.

Предложен неразрушающий метод определения комплексной диэлек 7.

трической проницаемости материала подложки на основе результатов расчета ха рактеристик передачи ПОДВ, находящегося на ней.

Для круглого ОДВ, покрытого резистивной пленкой, получены харак 8.

теристики дисперсии и затухания волн при различных значениях.

Для круглого ОДВ, покрытого анизотропной резистивной пленкой в 9.

идее полос или колец проведено исследование зависимости характеристик дис персии и затухания основной волны и волн высших типов от вида анизотропной пленки.

Рассмотрены дисперсионные характеристики волн ОДВ с частичной 10.

металлизацией поверхности. Показано, что отсутствие симметричных мод позво ляет использовать круглые ОДВ с частичной металлизацией поверхности в более широком одномодовом диапазоне.

В частично металлизированном ОДВ снимается дисперсионное выро 11.

ждение двух взаимноортогональных поляризаций основной квази-НЕ11 волны, что делает возможным их использование в качестве направляющих структур, со храняющих состояние поляризации волны.

Разработан алгоритм расчета дисперсионных характеристик LP-волн с 12.

периодически изменяющимся по продольной координате показателем преломле ния сердцевины. Полученные с помощью него значения эффективного показателя преломления использованы в задачах анализа и синтеза фильтров на основе брэг говских волоконных решеток.

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ:

1. Усков, О.В. Оптимальные компоненты магистральной ВОЛС // Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «ИСТ-2006». Н.Новгород, Изд. НГТУ, 2006.

2. Раевский, А.С. Расчет дисперсионных характеристик многослойных во локонных световодов / А.С. Раевский, А.К. Редкий, О.В. Усков //Тезисы докладов V Международной НТ конференции «Физика и технические приложения волно вых процессов», г. Самара, 3. Раевский, А.С..Волоконный световод с частично металлизированной внешней оболочкой / А.С. Раевский, А.К. Редкий, О.В. Усков // Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «ИСТ-2007».- Н.Новгород, Изд.

НГТУ, 2007.

4. Бритов, И.Е. Вытекающие волны ОВ с депрессированной оболочкой /И.Е. Бритов, А.С. Раевский, А.К. Редкий, О.В. Усков // Сборник Труды НГТУ», серия: Радиоэлектронные системы и устройства,- Н.Новгород:Изд.НГТУ, вып. 11, 2006. С. 41-48.

5. Ильин, А.М. Исследование характеристик передачи полоскового ди электрического волновода на диссипативной подложке и основанный на нем кос венный метод определения комплексной диэлектрической проницаемости /А.М.

Ильин, А.С. Раевский, А.К. Редкий, О.В. Усков // Антенны, 2007, №2(13 7), С.34 37.

6. Раевский, А.С Дисперсионные свойства трехслойных волоконных све товодов с пониженным показателем преломления сердцевины / А.С. Раевский, А.К. Редкий, О.В. Усков // Тезисы докладов VI Международной НТ конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Казань, 7. Раевский, А.С. Влияние частичной металлизации на дисперсионные свойства круглого открытого диэлектрического волновода / А.С. Раевский, О.В.

Усков // Тезисы докладов XV Международной научно-технической конференции «ИСТ-2009».- Н.Новгород, Изд. НГТУ, 2009, с. 71.

8. Раевский, А.С. О дисперсии волн открытых диэлектрических волново дов с секториальной металлизацией / А.С. Раевский, А.К. Редкий, О.В. Усков //Тезисы докладов VTII Международной НТ конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Санкт-Петербург, 2009.

9. Малахов, В.А. О свойствах вытекающих волн открытых диэлектриче ских волноводов / В.А. Малахов, А.С. Раевский, О.В. Усков //Тезисы докладов XV Международной научно-технической конференции «ИСТ-2010».- Н.Новгород, Изд. НГТУ, 2010, с. 10. Бабкин, А.А. О влиянии поглощающего напыления на свойства волн от крытого диэлектрического волновода / А.А. Бабкин, В.А. Малахов, А.С. Раев ский, О.В. Усков // Тезисы докладов XV Международной научно-технической конференции «ИСТ-2010».- Н.Новгород, Изд. НГТУ, 2010, с. 11. Бабкин, А.А.. О решениях дисперсионного уравнения волн круглого диэлектрического волновода, покрытого поглощающей пленкой / А.А. Бабкин, В.А. Малахов, А.С. Раевский, О.В. Усков //Физика волновых процессов и радио технические системы, 2010, Т.13, № 12. Малахов, В.А. О возможных подходах оценки сходимости решений дисперсионной задачи для частично металлизированного диэлектрического вол новода / В.А. Малахов, А.С. Раевский, О.В. Усков // Сборник тезисов докладов IX Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее техни ческой науки».- Н.Новгород. Изд.НГТУ, 2010, с. 13. Бабкин, А.А. Поля на раскрыве металло-диэлектрических излучателей /А.А.

Бабкин, А.С. Гавалов, О.В. Усков, В.В. Щербаков // Тезисы докладов XV Междуна родной научно-технической конференции «ИСТ-2010».- Н.Новгород, Изд. НГТУ, 2010, с. 14. Усков, О.В. О расчете дисперсии волн периодически-нерегулярного во локонного световода // Тезисы докладов IX Международной НТ конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Челябинск, 15. Раевский, А.С. Спектр волн круглого открытого слоистого диэлектриче ского волновода / А.С. Раевский, С.Б. Раевский, О.В. Усков // Сборник Труды НГТУ», Н.Новгород:Изд.НГТУ, вып. 2(81), 2010. С. 104-117.

ЛИТЕРАТУРА Л.1. Взятышев, В.Ф. Многоканальная радиоинтерферометрия – метод диаг ностики изменения фронтов ударно-волновых и детонационных процессов. Кон цепция и экспериментальное подтверждение. / В.Ф. Взятышев, Н.И. Дмитриев, В.А. Канаков [и др.] // Труды XI Харитонвских чтений. Саров, 2009, с. 617-621.

Л.2. Бударагин, Р.В. Исследование микроволновой зондирующей системы для бесконтактной диагностики быстропротекающих процессов / Р. В. Бударагин, Ю. И. Орехов // Антенны, 2005, №5(96), С.47-51.

Л.3. Раевский, А.С. Неоднородные направляющие структуры, описываемые несамосопряженными операторами / А.С. Раевский, С.Б. Раевский – М.: Радио техника. 2004. 112 c.

Л.4. Зайцев, А.Н. Измерения на сверхвысоких частотах и их метрологиче ское обеспечение / А.Н Зайцев, П.А. Иващенко, А.В. Мыльников - М.: Издатель ство стандартов, 1989. –238 с.

Л.5. Фетисов, В.С. Средства измерения влажности нефти: Современное со стояние, проблемы и перспективы (обзор) // Датчики и системы, -1999. -№3. С.33-38.

Л.6. Москалев, И.Н. Микроволновая техника для газовой промышленности / И.Н. Москалев, И.П. Кириткин, Н.И. Москалев [и др.] // Газовая промышлен ность, -1997. -№4. -С.56-58.

Л.7. Халиф, А.Л. Приборы для определения влажности газа / А.Л. Халиф, Е.И. Туревский, В.В. Сайкин [и др.] -М.:ИРЦ «Газпром», 1995. -45 с.

Л.8. Воробьев, Е.А. Развитие физических методов неразрушающего контро ля в производстве материалов и компонент микроэлектронной техники / Е.А. Во робьев, А.А. Харитонов // Физические методы и средства неразрушающего кон троля в производстве микроэлектронной аппаратуры и ее компонентов. Сб. научн.

трудов ЛИАП, 1986. – Вып.181. С.49 - 51.

Л.9. Кузнецова, Т.И. Концентрация светового поля в оптической коаксиаль ной линии / Т.И. Кузнецова, В.С. Зуев // Квантовая электроника, -1999, -Т.24, №5, -С.462-466.

Л.10. Иванов, А.Б. Волоконная оптика / А.Б. Иванов – М.:Сайрус Системс, 1999. – 658 с.

Л.11. Bilodeau, F. An all-fiber dense-wavelength multiplexer/demultiplexer using photoimprinted Bragg gratings / F. Bilodeau, D.C. Johnson, S. Theriault et al. // IEEЕ Photonics Technology Letters, Vol.7, No.4,388-390, 1995.

Л.12. Dianov, E. M. CW high power 1.24 µm and 1.48 µm Raman lasers based on low loss phosphosilicate fibre / E.M. Dianov, M.V. Grekov, I.A. Bufetov et al. // Electronics Letters, Vol.33, No.18,1542-1544, 1997.

Л.13. Bird, D.M. Narrow line semiconductor laser using fibre grating / D.M. Bird, J.R. Armitage, R. Kashyap et al. // Electronics Letters, Vol.27, 1115- 1116,1991.

Л.14. Kersey, A.D. Fiber grating sensors / A.D. Kersey, M.A. Davis, H.J. Patrick et al.// J. Lightwave Technol., Vol.15, No.8, 1442-1463, 1997.

Л.15. Унгер Х.Г. Планарные и волоконные оптические волноводы / Х.Г.Унгер. - М.: Мир, 1988.

Л.16. Веселов, Г.И. Слоистые металло-диэлектрические волноводы / Г.И.Веселов, С.Б.Раевский. - М.: Радио и связь, 1988.

Л.17. Goell, J.E. A circular-harmonic computer analysis of rectangular dielectric waeguidies // Bell. Syst. Tech. J., -1969, -Vol.48, P.2133-2160.

Л.18. Бритов И.Е., Зорин Е.В., Раевский А.С. Применение метода вариации фазы для поиска корней трансцендентных уравнений на комплексной плоскости // Тез. докл. научно-техн. конф. факультета информационных систем и технологий НГТУ. – Н.Новгород, 2000. С. 35–36.

Л.19. Привалов, И.И. Введение в теорию функции комплексного перемен ного / И.И. Привалов –М.: Наука, 1967. 444 c.

Л.20. Амосов, А.А. Вычислительные методы / А.А. Амосов, Ю.А. Дубин ский, Н.В. Копченова – М.: Изд. Дом МЭИ. 2008. 672 c.

Подписано в печать 11.10.10. Формат 60 х 84 116. Бумага офсетная.

Печать офсетная. Уч.-изд. л 1,0. Тираж 100 экз. Заказ Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева.

Типография НГТУ. 603950, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.