Электродинамический анализ структурной функциональности распределения поля для создания новых компактных СВЧ устройств и антенн

Актуальность темы

Изучение СВЧ электродинамики волноведущих структур и излучателей с целью создания трактов радиосигналов и антенн для вооружений, военной и специальной техники, систем двойного назначения и гражданских применений является одним из важнейших приоритетов в современной радиофизике. Актуальность таких исследований во многом обусловлена тем, что тактико-технические характеристики создаваемых систем диктуют жесточайшие, зачастую трудно совместимые требования к СВЧ устройствам и антеннам [1,2].

Требуется стабильность амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик в существенно расширенных полосах рабочих частот компактных устройств и антенн [3,4]. Осваиваются новые частотные диапазоны, причем не только в сторону увеличения частот до КВЧ диапазона миллиметровых длин волн [5−8], но и в низкочастотной области спектра СВЧ [9,10], в части применения объемных высокодобротных волноводных устройств — вплоть до Ь-диапазона в условиях необходимости обеспечения их малых габаритов и веса для построения систем мобильной связи следующего поколения. Развивающиеся технологии пассивных систем радиочастотной идентификации ИРГО и сенсорных сетей обуславливают целый ряд конструктивных и схемотехнических ограничений для создаваемых транспондеров, которые также требуют новых технических решений [11,12]. Особую весомость в последние годы приобретают стоимостные требования, причем эта проблема принимает критический характер не только в области гражданских применений, но и при создании военной и специальной техники, где прежде технические характеристики превалировали [13,14].

Традиционные технические решения часто не обеспечивают удовлетворения отмеченных выше возрастающих требований. Поэтому большое внимание стало уделяться поиску эффективных подходов к созданию новых типов устройств и антенн. Данная работа и посвящена реализации единого феноменологического подхода к созданию целого ряда новых компактных антенн и устройств СВЧ. Феноменология подхода здесь понимается как своеобразный «посредник» между строгой теорией и экспериментом (в том числе численным, по адекватной модели). При этом создание новаторских СВЧ волноведущих устройств и антенн обусловлено пониманием и точным расчетом требуемой структурной функциональности распределения электромагнитного поля для обеспечения заданных характеристик.

Исходя из этого, исследование в рамках единого феноменологического подхода волновых явлений для обеспечения структурной функциональности распределения поля в широком классе создаваемых волноведущих и излучающих структур является актуальным. Соответственно, актуальным представляется также построение моделей электродинамического уровня строгости, как инструмента для точного расчета распределения поля в исследуемых волноведущих структурах.

Цель и задачи диссертационной работы. Главной целью диссертации является развитие целостного феноменологического подхода к созданию компактных СВЧ устройств и антенн на основе анализа структурной функциональности распределения поля, включающее исследование особенностей электродинамики в новых волноведущих и излучающих структурах.

Для достижения поставленной цели потребовалось выработать модельный инструментарий исследования и собственно создать целый ряд СВЧ устройств и антенн, удовлетворяющих актуальным жестким требованиям, что мотивировало постановку и решение следующих задач: построение универсальных электродинамических моделей, позволяющих исследовать и разрабатывать широкий круг разнообразных пассивных СВЧ устройств, представимых в виде рекомпозиции волноводных неоднородностей типа сдвигов, стыков и разветвления прямоугольных волноводов заполненных диэлектриком, стыков волноводов со слоистым диэлектрическим заполнением, продольных ленточных металлических диафрагм;

— создание и исследование таких волноводных устройств, как трансформаторов и переходов между различными типами линий передачи, а также волноводных гермовводов и фазовращателей, в т. ч. принципиально новых;

— создание и исследование различных волноводных полосно-пропускающих фильтров и диплексеров: на сдвигах волноводов, на трехмодовых волноводных резонаторах, выполненных по INWATE технологии, а также квазипланарных, в т. ч. на запредельных волноводных резонаторах;

— предложение новой концепции и реализация компактных планарных антенн с оригинальной конфигурацией концевой реактивности и с распределенной реактивной нагрузкойреализация компактных интегральных транспондеров с полупроводниковым электронным чипом, непосредственно включенным в предложенные излучатели антенн;

— исследование таких эмерджентных аспектов создания транспондеров, как непосредственное комплексно сопряженное согласование излучателя с существенно комплексным импедансом электронного чипа и адекватная характеризация чипа и антенны, анализируемых нераздельно от транспондера, с учетом электромагнитного влияния особенностей монтажа ректенн методом flip-chip (перевернутый кристалл).

Научная новизна диссертационной работы. Новизна определяется тем, что главные результаты, положенные в основу диссертации получены нами впервые и состоит в следующем:

1. В отличие от доминирующего в настоящее время традиционного подхода к созданию СВЧ устройств и антенн, основанного на применении уже известного набора структурных фрагментов и их комбинаций (описываемых преимущественно эквивалентными схемами), главная идея нашего феноменологического подхода заключается в том, что концепция волноведущих устройств и антенн должна быть непосредственно «подсказана» требуемым и точно рассчитанным электродинамическим распределением поля для выполнения тех или иных функций, что и приводит к формированию новой геометрии как структурных фрагментов, так и их конструктивных композиций — устройств и антенн.

2. Разработаны универсальные и в то же время эффективные электродинамические модели широкого класса волноводных неоднородностей типа сдвигов, стыков, разветвлений прямоугольных волноводов, стыков волноводов со слоистым диэлектрическим заполнением, продольных ленточных металлических диафрагм. Высокая эффективность и точность предложенных моделей достигнуты, прежде всего, благодаря применению метода Галеркина с базисными функциями, учитывающими априорную информацию о характере поведения электромагнитного поля вблизи металлических либо диэлектрических структурных ребер. Так, для задач формулируемых в пространственной области, в качестве базисных выбраны взвешенные полиномы Гегенбауэра, а для задач решаемых в спектральной области — функции Бесселя. Кроме того, для задач в спектральной области эффективность метода также повышена внедрением оригинального численно-аналитического способа вычисления характерных интегралов метода с использованием теории вычетов, что позволило исключить необходимость прямого численного интегрирования.

3. На основе строгого электродинамического моделирования исследованы такие направляющие волноводные устройства, как ступенчатые трансформаторы на прямоугольных волноводах, в т. ч. немонотонные, ступенчатый переход с одномодового на многомодовый прямоугольный волновод, прямоугольные волноводные гермовводы, переход с прямоугольного волновода на микрополосковую линию, волноводный фазовращатель с диэлектрической вставкой, переход с гребневого волновода на коаксиальную линию.

4. На основе строгого электродинамического моделирования проведено исследование и сравнительный анализ таких частотно-селективных устройств, как фильтров и диплексеров выполненных по БЧУАТЕ технологии, в т. ч. на Еи Н-плоскостных сдвигах волноводов и трехмодовых резонаторах, а также квазипланарных Е-плоскостных фильтров и диплексеров с цельнометаллическими и диэлектрическими вставками, в т. ч. на индуктивных полосках в волноводах с распространяющейся основной модой и на емкостных продольных диафрагмах в запредельных волноводах.

5. Предложены и реализованы два новых типа планарных излучателей: с оригинальной конфигурацией концевой реактивности и с распределенной реактивной нагрузкой. Принцип действия обоих типов излучателей позволяет строить их как в щелевом исполнении, так и в дуальном ему вибраторном (дипольном) виде комплиментарных полосковых излучающих конфигураций. Предложенная структура излучателей позволяет возбуждать их различными способами, например копланарным либо микрополосковым фидером, а также путем непосредственного включения полупроводникового электронного чипа в излучатель.

6. Предложены и реализованы новые интегральные планарные транспондеры для компактных меток систем пассивной радиочастотной идентификации и сенсорных сетей. На основе анализа особенностей создания и функционирования пассивных систем радиочастотной идентификации УВЧ и СВЧ диапазонов выделена новая проблема обеспечения эмерджентных свойств при интеграции полупроводникового чипа в антенну с формированием ректенны (антенны-выпрямителя) для построения пассивных транспондеров.

7. В конечном счете, новизна работы доказана созданием на основе предложенного единого подхода обширного ряда запатентованных в России, США, ЕС, Японии и Южной Корее новаторских компактных СВЧ устройств и антенн с актуальными рекордными характеристиками.

Совокупность новых научных результатов, приведенных в диссертации, можно квалифицировать, как решение крупной научной проблемы радиофизики — развитие целостного феноменологического подхода к созданию компактных СВЧ устройств и антенн на основе анализа структурной функциональности распределения поля, включающее исследование особенностей электродинамики в новых волноведущих и излучающих структурах.

Научная и практическая значимость диссертационной работы.

Научная значимость заключается в концептуальном развитии и реализации феноменологического подхода к созданию компактных СВЧ устройств и антенн на основе анализа структурной функциональности распределения поля. Большую теоретическую и практическую ценность представляет также создание моделей электродинамического уровня строгости и соответствующих программных комплексов, как инструмента для точного расчета распределения поля в исследуемых волноведущих структурах.

Несомненную практическую ценность представляет внедрение созданных на основе предложенного подхода новаторских устройств и антенн с актуальными рекордными характеристиками в реальные системы различного назначения. Важно отметить не только применения в военной и специальной технике, разрабатываемой и производимой в Федеральном научно-производственном центре ФГУП «РНИИРС» (Ростов-на-Дону) и компании LG Innotek Co., Ltd. (Южная Корея), но и успешное массовое производство в составе продукции гражданского назначения компанией

Samsung Electronics Co., Ltd. (Южная Корея). Внедрение результатов подтверждено соответствующими документами.

Достоверность результатов диссертации.

Достоверность теоретических результатов обеспечена: строгостью электродинамических моделей, корректностью упрощающих допущений, внутренней сходимостью решений, соответствием результатов расчета эксперименту.

Достоверность экспериментальных результатов обеспечена: применением прецизионного технологического оборудования для изготовления, использованием новейших высококлассных измерительных приборов, обоснованными методиками измерения, воспроизводимостью полученных результатов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Электродинамические методы решения двумерных и трехмерных векторных дифракционных задач для получения отличающихся универсальностью и эффективностью дескрипторов волноводных неоднородностей типа сдвигов, стыков и разветвления прямоугольных волноводов заполненных диэлектриком, стыков волноводов со слоистым диэлектрическим заполнением, продольных ленточных металлических диафрагм. Дескрипторы неоднородностей рассматриваются принципиально многомодовыми, поскольку находятся с целью дальнейшей рекомпозиции в модели для широкого круга разнообразных пассивных СВЧ устройств. Каждый дескриптор позволяют находить исчерпывающий «отклик» на падение любой из собственных мод регулярных участков волноводов.

2. Совокупность новых физических результатов, полученных при электродинамическом исследовании ступенчатых немонотонных трансформаторов на прямоугольных волноводах, в т. ч. перехода с одномодового на многомодовый прямоугольный волноводпрямоугольных волноводных гермовводовпереходов с прямоугольного волновода на микрополосковую линиюволноводных фазовращателей с диэлектрической вставкойперехода с гребневого волновода на коаксиальную линию.

3. Совокупность новых физических результатов, полученных при электродинамическом исследовании и сравнении фильтров и диплексеров выполненных по INWATE технологии, заполненных новыми типами керамических материалов с высокими значениями диэлектрической проницаемости (s ~ 82) и малыми потерями (tan 8~ 0,0007), в т. ч. на Еи Н-плоскостных сдвигах волноводов и трехмодовых резонатораха также квазипланарных E-плоскостных фильтров и диплексеров с цельнометаллическими и диэлектрическими вставками, в т. ч. на индуктивных полосках в волноводах с распространяющейся основной модой и на емкостных продольных диафрагмах в запредельных волноводах.

4. Принцип действия новых типов планарных излучателей: с оригинальной конфигурацией концевой реактивности и с распределенной реактивной нагрузкой, позволяющий строить их как в щелевом исполнении, так и в дуальном ему вибраторном (дипольном) виде комплиментарных полосковых излучающих конфигураций. Новый способ построения компактных и малых планарных излучателей отличается конфигурированием концевой реактивности или распределенной реактивной нагрузки таким образом, что изменение структуры поля в ближней зоне поддерживает резонансные свойства излучателя, а уникальное распределение токов по всей структуре излучателя формируется так, что эффективная площадь увеличивается. При этом оригинальное распределение токов по излучателю осуществляется таким путем, что нежелательный вклад в излученное поле дальней зоны автоматически погашается, а вклад сонаправленных токов успешно утилизируется.

5. Совокупность новых физических результатов, полученных при исследовании интегральных планарных транспондеров для компактных меток систем пассивной радиочастотной идентификации — устройств с полупроводниковым электронным чипом, непосредственно включенным в излучатель антенны. На основе анализа особенностей создания и функционирования пассивных систем радиочастотной идентификации УВЧ и СВЧ диапазонов выделена новая проблема обеспечения эмерджентных свойств при интеграции полупроводникового чипа в антенну с формированием ректенны (антенны-выпрямителя) для реализации пассивных транспондеров.

6. Ряд новых запатентованных и реализованных компактных СВЧ устройств и антенн, созданных по предложенному в диссертации единому подходу.

Личный вклад автора. Результаты, составляющие основу диссертации, получены автором лично. В опубликованных работах по теме диссертации с отечественными соавторами автору диссертации принадлежат постановка задач, разработка электродинамических моделей и соответствующих компьютерных программ, проведение численных исследований, анализ и интерпретация полученных теоретических и экспериментальных результатов. Роль зарубежных соавторов заключается в технологическом обеспечении реализации предложенных автором устройств и антенн, а также в технической помощи при организации экспериментов.

Апробация результатов работы. Основные результаты исследований, приведенных в диссертации, представлены и обсуждались на ведущих международных отечественных и зарубежных конференциях и симпозиумах:

— IEEE International Symposium on Antennas and Propagation, AP-S2008, San Diego, California, USA, July 5−11, 2008 (приглашенный доклад)

— 37th European Microwave Conference 2007, EuMW2007, Munich, Germany, October 8−12, 2007

— 10th European Conference on Wireless Technology 2007, ECWT2007, Munich, Germany, October 8−12, 2007

— 36th European Microwave Conference 2006, EuMW2006, Manchester, UK, September 10−15, 2006

— IEEE International Symposium on Antennas and Propagation, AP-S2006, Albuquerque, New Mexico, USA, July 9−14, 2006 (приглашенный доклад)

— 35th European Microwave Conference 2005, EuMW2005, Paris, France, October 3−7, 2005

— International Symposium on Antennas and Propagation, ISAP2005, Seoul, Korea, August 3−5, 2005 (приглашенный доклад)

— IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC/URSI National Radio Science Meeting, AP-S2005, Washington DC, USA, July 3−8, 2005

— Millimeter-Wave International Symposium — Topical Symposium on Millimeter Waves, MINT-MIS2005 / TSMMW2005, Seoul, Korea, February 2425, 2005

— Asia-Pacific Microwave Conference, APMC2004, New Delhi, India, December 15−18, 2004

— Asia-Pacific Microwave Conference, APMC2003, Seoul, Korea, November 4−7, 2003 (приглашенный доклад)

— 33th European Microwave Conference 2003, EuMW2003, Munich, Germany, October 7−9, 2003

— 32th European Microwave Conference 2002, EuMW2002, Milan, Italy, September 23−27, 2002

— 9th International Symposium on Antenna Technology and Applied Electromagnetics, ANTEM2002, Montreal, Canada, July 30 — August 2, 2002

— IEEE Radio and Wireless Conference, RAWCON2001, Boston, USA, August 19−22, 2001

— Asia — Pacific Radio Science Conference, AP-RASC'01, Tokyo, Japan, August 1−4, 2001

— Asia-Pacific Microwave Conference, APMC2000, Sydney, Australia, December 3−6, 2000

— International Symposium on Antennas and Propagation, ISAP2000, Fukuoka, Japan, August 21−25, 2000 (приглашенный доклад)

— XXVIII Moscow International Conference on Antenna Theory and Technology, September 22−24, 1998, Moscow, Russia

— URSI International Symposium on EM Theory, Thessaloniki, Greece, May 25−28, 1998

— KEES, Korea Electromagnetic Engineering Society Conference, Chanweon, Korea, June, 1997

— Conference on Microwave Technology and Wave Propagation, Seoul, Korea, May, 1997

— TBSR Symposium on Applied Electromagnetism, Metsovo, Greece, April 17−20, 1996

— URSI International Symposium on EM Theory, St. Petersburg, Russia, May 23−26, 1995

— Всесоюзный научный семинар «Математическое моделирование и применение явлений дифракции», МГУ, Москва, 1990

— 10-й Всесоюзный семинар по методам решения внутренних краевых задач электродинамики, Вильнюс, Литва, 1988

Основные публикации. Содержание диссертации опубликовано в 81 печатной работе, включая 30 работ в изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования научных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук. По теме диссертации опубликовано 30 патентов в России, США, ЕС, Японии и Южной Корее.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения и списка литературы. Работа содержит 262 страницы, включая 136 иллюстрации, 13 таблиц и 200 наименований списка литературы.

5.7. Выводы

В данном разделе исследованы интегральные планарные транспондеры для компактных меток систем пассивной радиочастотной идентификацииустройства с полупроводниковым электронным чипом, непосредственно включенным в излучатель антенны. На основе анализа особенностей создания и функционирования пассивных систем радиочастотной идентификации УВЧ и СВЧ диапазонов выделена новая проблема обеспечения эмерджентных свойств при интеграции полупроводникового чипа в антенну с формированием ректенны (антенны-выпрямителя) для реализации пассивных транспондеров. При этом ряд технически сложных подзадач проистекает из жесткого экономического требования достижения экстремально низкой рыночной цены создаваемых меток. Решение данной проблемы найдено в рамках нашего концептуального подхода с использованием структурной функциональности распределения поля в объекте, где применена адекватная характеризация антенны с полупроводниковым чипом.

Предложены и реализованы два новых типа компактных антенн предназначенных для построения пассивных транспондеров радиочастотной идентификации. Предложенные структуры отличаются от традиционных антенн оригинальным способом комплексно сопряженного согласования с полупроводниковым чипом, включенным непосредственно в излучатель. Прямое согласование с чипом достигнуто благодаря функционально сформированной структуре поля на специальной конфигурации излучателя. Так конструкция новой щелевой антенны, с целью усиления индуктивных свойств излучателя в точках включения чипа, содержит систему щелей, расположенных поперечно относительно основной излучающей щели, а также оригинальную конфигурацию концевой щелевой нагрузки для увеличения эффективной площади. Конструкция новой вибраторной антенны, с целью усиления индуктивных свойств излучателя в точках включения чипа, содержит кольцо либо петлю и оригинальную конфигурацию концевой полосковой нагрузки для увеличения эффективной площади. В целях обеспечения аутентичности производимых меток, в конфигурацию антенны привнесен логотип компании производителя, сформированный из того же проводящего материала, что и остальная часть излучателя. Поэтому логотип заведомо возмущает распределение поля, и если копировать антенну без логотипа, то ее параметры будут уже иными, а радиус действия системы идентификации заметно снижен. Строгое электродинамическое моделирование осуществлено с помощью коммерческого трехмерного симулятора на основе метода конечных элементов. Предложенный способ прямого согласования транспондера запатентован нами в США, ЕС, Японии и Южной Корее и внедрен патентообладателем — компанией Samsung Electronics Co., Ltd. — при производстве пассивных меток для систем радиочастотной идентификации УВЧ диапазона.

Обнаружено сильное изменение комплексного входного импеданса полупроводникового чипа пассивного транспондера при включении его в антенну технологией массового монтажа flip-chip (перевернутого кристалла). В отличие от традиционно превалирующего индуктивного воздействия проволочек или перемычек при обычных способах монтажа, технология перевернутого кристалла привносит шунтирующую емкость из-за существенного перераспределения поля по топологии чипа транспондера вблизи контактной площадки с прилегающей цепью выпрямителя. Установлено, что для внутреннего комплексно сопряженного согласования ректенн следует учитывать соответствующее изменение входного импеданса чипа. В компании Samsung Electronics Co., Ltd. нами разработаны кремниевые интегральные схемы транспондеров типа «система на кристалле» где для улучшения согласования с различными типами антенн учтено обнаруженное влияние монтажа методом flip-chip на импеданс чипа, что запатентовано в США и Южной Корее.

Предложен и реализован способ адекватной характеризации чипа транспондера именно так, как он «виден» антенной, при заданном технологическом методе монтажа непосредственно в излучатель. Двухпортовая тестовая структура позволяет извлекать собственный комплексный импеданс чипа, минимизируя при этом погрешности измерений. Обнаружено, что у разработанных нами в компании Samsung Electronics Co., Ltd. чипов транспондеров малосигнальный режим сохраняется лишь до уровня 0,5 мВт принятой мощности. Воплощенная в разработанных нами чипах транспондеров схема обуславливает ректенну с выпрямителем, приспособленным для включения в любые типы антенн, без ущерба для функционирования систем радиочастотной идентификации.

Предложен и реализован способ измерения входного импеданса компактных антенн отличающийся использованием Е-плоскостной симметрии излучателя. Предложенная измерительная установка позволяет избегать возмущения поля вблизи антенны, поскольку измерительный кабель экранирован под большим плоским металлическим листом, размещенным в плоскости симметрии структуры. В результате удается адекватно характеризовать антенну для транспондеров радиочастотной идентификации, определяя комплексный входной импеданс антенны именно так, как он «виден» чипом транспондера. Установлено, что среди разработанных нами антенн, наилучшее комплексно сопряженное согласование с чипом обеспечивает вибраторная антенна с прямоугольной петлей, полоса рабочих частот которой составила 3,7% при уровне обратных потерь не хуже -10 дБ, усилении 1,78 дБи, КПД 92% и электрическом размере 0,21 Л0×0,12 Л0. Наибольшее усиление 2,5 дБи обеспечивает щелевая антенна при полосе рабочих частот 1,1%, уровне обратных потерь не хуже -10 дБ, КПД 75% и электрическом размере 0,21Л0×0,15 Л0.

Заключение

Представленные в диссертации теоретические и экспериментальные материалы показали, как наш концептуальный подход, благодаря использованию структурной функциональности распределения поля, позволяет создавать новаторские волноводные и антенные устройства. Оригинальные конструкции таких устройств органично подсказаны точно рассчитанной структурой электромагнитного поля, которую требовалось сформировать для обеспечения заданных жестких требований. Подводя итоги работы, перечислим главные результаты и выводы:

1. Разработаны универсальные и в то же время эффективные электродинамические модели широкого класса волноводных неоднородностей типа сдвигов, стыков, разветвлений прямоугольных волноводов, стыков волноводов со слоистым диэлектрическим заполнением, продольных ленточных металлических диафрагм. Модели таких отдельных волноводных неоднородностей построены в целях их последующей строгой электродинамической рекомпозиции в сложные структуры. Поэтому дескрипторы представляют собой обобщенные многомодовые матрицы рассеяния, полученные решением ряда дифракционных задач, в т. ч. трехмерных векторных и двумерных, для произвольных наборов как падающих, так и рассеянных собственных волноводных мод.

Высокая эффективность и точность предложенных моделей достигнуты, прежде всего, благодаря применению метода Галеркина с базисными функциями, учитывающими априорную информацию о характере поведения электромагнитного поля вблизи металлических либо диэлектрических структурных ребер. Так, для задач формулируемых в пространственной области, в качестве базисных выбраны взвешенные полиномы Гегенбауэра, а для задач решаемых в спектральной области — функции Бесселя. Кроме того, для задач в спектральной области эффективность метода также повышена внедрением оригинального численно-аналитического способа вычисления характерных интегралов метода с использованием теории вычетов, что позволило исключить необходимость прямого численного интегрирования.

2. Исследованы такие волноводные устройства, как ступенчатые трансформаторы на прямоугольных волноводах, ступенчатый переход с одномодового на многомодовый прямоугольный волновод, прямоугольные волноводные гермовводы, переход с прямоугольного волновода на микрополосковую линию, волноводный фазовращатель с диэлектрической вставкой, переход с гребневого волновода на коаксиальную линию. Предложен и реализован ряд принципиально новых компактных трансформаторов и переходов.

2.1. На основе прямой машинной оптимизации с вычислением целевой функции по строгой электродинамической модели найдено новое технические решение построения трансформаторов прямоугольных волноводов отличающееся немонотонным изменением размеров сечений секций, а следовательно, и волновых сопротивлений, вдоль продольной оси перехода. Предложенные волноводные трансформаторы обеспечивают существенную компактность конструкции. Так достигнуто укорочение общей длины трансформатора на 20−40% по сравнению с традиционными решениями. Область применения — миниатюризация волноводных трансформаторов для бортовой радиоэлектронной аппаратуры.

2.2. Предложен новый тип перехода с одномодового на многомодовый прямоугольный волновод с немонотонным изменением поперечных размеров. Новый компактный переход обеспечивает отличную передачу основной моды (не более -0,1 дБ потерь в Ка-диапазоне) и эффективное подавление паразитных мод высшего порядка (не хуже -25 дБ). Показано, что предложенный переход является устойчивым по отношению к типовым механическим погрешностям при изготовлении и эксплуатации. Область применения — распределительные волноводные системы миллиметровых диапазонов с малыми диссипативными потерями.

2.3. На основе прямой машинной оптимизации с вычислением целевой функции по строгой электродинамической модели выполнена разработка гермовводов компактной и технологически простой оригинальной конструкции для стандартных волноводов сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн. Проведен полный комплекс испытаний изготовленных гермовводов, подтвердивший теоретические расчеты. Область применения — герметизация волноводных устройств радиоэлектронной аппаратуры различного назначения.

2.4. Разработан эффективный метод анализа Е-плоскостных волноводно-микрополосковых переходов позволивший создать переходы для миллиметровых диапазонов длин волн. Новая конструкция, запатентованная в Южной Корее, включает желобки для надежной фиксации подложки. Реализованы переходы Ка-диапазона (29−32 ГГц) и W-диапазона (75−90 ГГц) с рекордными вносимыми потерями -0,23 дБ. Область примененияаппаратура специального назначения миллиметрового диапазона.

2.5. На основе точной электродинамической модели рассчитаны волноводные фазовращатели с диэлектрической вставкой. Для миллиметрового Ка-диапазона достигнуто рекордно хорошее согласование при фазовом сдвиге от 0° до 360°. При этом КСВ не превышало 1,03 в полосе частот 28−32 ГГц волновода WR28. Область примененияраспределительные системы фазированных антенные решеток, в т. ч. миллиметрового диапазона.

2.6. На основе электродинамического анализа предложен и реализован новый тип перехода с гребневого Н-образного волновода на коаксиальную линию, отличающийся от известных переходов тем, что одна из ступеней трансформатора волновых сопротивлений выполняет также и функцию преобразователя типов волн. Преобразователь типов волн представляет собой полость оригинальной формы окружающую цилиндрический проводник, который соединяет один из гребней Н-образного волновода с сердечником коаксиальной линии. Принципиально новый переход очень компактной конструкции обеспечивает сверхоктавную полосу рабочих частот. Переход запатентован в Южной Корее. Новая концепция построения переходов подтверждена теоретически и экспериментально. КСВ для полосы рабочих частот в полторы октавы 18:6 ГГц составляет 1,22, а величина потерь — 0,2 дБ. При этом компактная соосная конструкция перехода общей длиной лишь 30 мм не содержит настроечных элементов и обладает отличной воспроизводимостью параметров. Одна из областей примененияпостроение сверхоктавных антенно-фидерных устройств СВЧ. Так на основе предложенного перехода создан новый тип волноводно-рупорного излучателя, запатентованный в России. Изобретенный излучатель используется в составе антенных решеток, зеркальных антенн, а также в виде самостоятельной антенны.

3. Исследованы такие волноводные частотно-селективные устройства, как фильтры и диплексеры выполненные по ЕЧ? АТЕ технологии, в т. ч. на Е-и Н-плоскостных сдвигах волноводов и трехмодовых резонаторах, а также квазипланарные Е-плоскостные фильтры и диплексеры с цельнометаллическими и диэлектрическими вставками, в т. ч. на индуктивных полосках в волноводах с распространяющейся основной модой и на емкостных продольных диафрагмах в запредельных волноводах.

3.1. Предложена и подтверждена новая концепция построения фильтров и диплексеров в длинноволновой части СВЧ диапазонов (вплоть до Ь-диапазона) на основе сдвигов волноводов и трехмодовых волноводных резонаторов, заполненных новыми типами керамических материалов с высокими значениями диэлектрической проницаемости {е ~ 82) и малыми потерями (1апс)~ 0,0007), что обеспечивает существенную компактность устройств. Причем предложенные новые конструктивные решения по сути волноводных частотно-селективных устройств позволяют осуществлять их поверхностный монтаж на печатные платы гибридных интегральных схем. Установлено, что частотно-селективные устройства на трехмодовых резонаторах достаточно стабильны по отношению к типовым технологическим разбросам диэлектрической проницаемости керамики заполнения. Одна из областей применения — базовые станции мобильной связи, такие например, как стандарта IMT-2000, по спецификациям которого разработаны как отдельные фильтры трактов приема и передачи, так и диплексеры для работы приемопередатчика на единую антенну. Так предложенный и разработанный диплексер нового типа с канальными фильтрами на каскадном соединении двух трехмодовых резонаторов обеспечивает изоляцию не хуже -110 дБ для частот передачи и -70 дБ для частот приема. При этом сохраняется хорошее согласование общего антенного порта, как в полосе частот приема, так и в полосе передачи КСВ<1,8, а ослабление в каналах приема и передачи не превышает -0,8 дБ.

3.2. Предложены и запатентованы в Южной Корее два новых типа переходов с диэлектрически заполненного прямоугольного волновода на микрополосковую линию: переход на основе Т-образного торцевого зонда и переход на основе L-образной торцевой петли. Новые переходы позволяют эффективно интегрировать волноводные частотно-селективные устройства поверхностным монтажом в гибридные интегральные схемы на планарных линиях передачи. Разработанные переходы с типовой микрополосковой линии на волновод заполненный керамикой обеспечивают согласование с КСВ <1,12 для полосы частот шириной 5,4%.

3.3. На основе точного электродинамического моделирования разработан квазипланарный диплексер К-диапазона с Е-плоскостной цельнометаллической вставкой для базовых станций систем скоростной передачи данных LMDS и MAN. Выбрана соосная конструкция, позволяющая минимизировать «затенение» зеркальных антенн при размещении диплексера с приемопередатчиком. При очевидной дешевизне

V/ С" VJ изготовления, обусловленной конструкцией, не требующей настроики, достигнуты жесткие спецификации реализованного диплексера с четырехзвенными канальными фильтрами. Достигнуто согласование на уровне КСВ < 1,44, вносимые потери не превышают -2,0 дБ, а изоляция между каналами приема и передачи составляет не хуже -50 дБ.

3.4. Проведен сравнительный анализ двух практических типов квазипланарных Е-плоскостных полоснопропускающих фильтров со вставками на диэлектрической подложке: фильтра на обычном волноводе с индуктивными полосками, перемыкающими широкие стенки волновода и фильтра на запредельном волноводе с емкостными продольными диафрагмами. Установлено, что фильтры на запредельных волноводах являются предпочтительными для ряда применений, и особенно при создании компактных устройств. Кроме того, фильтры на запредельных волноводах обладают улучшенной и управляемой характеристикой второй полосы заграждения. Е-плоскостные диэлектрические вставки позволяют удобно формировать на них емкостные диафрагмы с помощью прецизионной и сравнительно недорогой технологии фотолитографии. Причем емкостные щели следует располагать посередине металлических диафрагм, а не у стенок волноводных каналов, как предлагалось другими авторами. Установлено, что влияние торцевых ребер диэлектрических подложек оказывается существенным, и их следует учитывать при проектировании реальных устройств.

3.5. Предложен и реализован новый тип квазипланарного Е-плоскостного диплексера на запредельных волноводных резонаторах. Новый диплексер является предпочтительными при создании компактных устройств. Предложенная конструкция принципиально не имеет каких либо настроечных элементов, а использование адекватно точных оригинальных электродинамических моделей позволяет избегать неминуемого при традиционном проектировании трудоемкого, а следовательно, и дорогого, этапа физической настройки устройств после их сборки, что является чрезвычайно важным при массовом производстве. Новая концепция диплексера подтверждена теоретически и экспериментально. Спроектирован, изготовлен и измерен диплексер К-диапазона с четырехзвенными канальными фильтрами на запредельном волноводе. Показано совпадение теоретических и экспериментальных результатов. Вносимые потери не превышают -1,6 дБ, а изоляция между каналами составляет не хуже -40 дБ. Причем такие электрические характеристики достигнуты при существенной компактности конструкции — общая длина диплексера составляет лишь 36 мм.

4. Предложены два новых типа планарных излучателей: с оригинальной конфигурацией концевой реактивности и с распределенной реактивной нагрузкой. Принцип действия обоих типов излучателей позволяет строить их как в щелевом исполнении, так и в дуальном ему вибраторном (дипольном) виде комплиментарных полосковых излучающих конфигураций. Предложенная структура излучателей позволяет возбуждать их различными способами, например копланарным либо микрополосковым фидером, а также путем непосредственного включения полупроводникового электронного чипа в излучатель.

Новая концепция построения компактных и малых планарных излучателей в отличие от известных подходов заключается в конфигурировании концевой реактивности или распределенной реактивной нагрузки таким образом, что изменение структуры поля в ближней зоне поддерживает резонансные свойства излучателя, а уникальное распределение токов по всей структуре излучателя формируется так, что эффективная площадь увеличивается. При этом оригинальное распределение токов по излучателю осуществляется таким путем, что нежелательный вклад в излученное поле дальней зоны автоматически погашается, а вклад сонаправленных токов успешно утилизируется.

4.1. Продемонстрировано, что реализация уникальной топологии излучателя с оригинальной конфигурацией концевой реактивности обеспечивает 30% расширения рабочей полосы частот без ущерба для диаграммы направленности, усиления и поляризационной чистоты. Так разработанная планарная УВЧ антенна размером 0,21 Л0×0,15 Л0 на основе нового излучателя обеспечила относительную ширину полосы рабочих частот 4,2% при усилении 2,8 дБи. Показано, что явное расширение полосы частот достигнуто исключительно благодаря новой конфигурации концевой реактивности излучателя.

4.2. Продемонстрировано, что предложенный планарный излучатель с оригинальной конфигурацией распределенной реактивной нагрузки позволяет реализовывать еще более компактные антенны. Так размер УВЧ антенны уменьшен до 0,09 Л0×0,11 Л0 для заданного усиления -2,9 дБи и относительной ширины полосы частот 3,2%. Геометрический размер антенны при этом составил 30×35 мм, что позволило встраивать ее в составе дополнительных терминалов в объем мобильного телефона. Продемонстрирована также возможность простой и в то же время эффективной перестройки полосы частот путем изменения длины угловых щелевых секций предложенной конструкции излучателя.

4.3. Область применения предложенных новых типов планарных излучателей включает перспективные системы с малым радиусом действия. Предложенные новые излучатели запатентованы в США, ЕС, Японии, Южной Корее и внедрены патентообладателем — компанией Samsung Electronics Co., Ltd. — при производстве стационарных и мобильных систем радиочастотной идентификации.

5. Исследованы интегральные планарные транспондеры для компактных меток систем пассивной радиочастотной идентификацииустройства с полупроводниковым электронным чипом, непосредственно включенным в излучатель антенны. На основе анализа особенностей создания и функционирования пассивных систем радиочастотной идентификации УВЧ и СВЧ диапазонов выделена новая проблема обеспечения эмерджентных свойств при интеграции полупроводникового чипа в антенну с формированием ректенны (антенны-выпрямителя) для реализации пассивных транспондеров. При этом ряд технически сложных подзадач проистекает из жесткого экономического требования достижения экстремально низкой рыночной цены создаваемых меток. Решение данной проблемы найдено в рамках нашего концептуального подхода с использованием структурной функциональности распределения поля в объекте, где применена адекватная характеризация антенны с полупроводниковым чипом.

5.1. Предложены и реализованы два новых типа компактных антенн предназначенных для построения пассивных транспондеров радиочастотной идентификации. Предложенные структуры отличаются от традиционных антенн оригинальным способом комплексно сопряженного согласования с полупроводниковым чипом, включенным непосредственно в излучатель. Прямое согласование с чипом достигнуто благодаря функционально сформированной структуре поля на специальной конфигурации излучателя. Так конструкция новой щелевой антенны, с целью усиления индуктивных свойств излучателя в точках включения чипа, содержит систему щелей, расположенных поперечно относительно основной излучающей щели, а также оригинальную конфигурацию концевой щелевой нагрузки для увеличения эффективной площади. Конструкция новой вибраторной антенны, с целью усиления индуктивных свойств излучателя в точках включения чипа, содержит кольцо либо петлю и оригинальную конфигурацию концевой полосковой нагрузки для увеличения эффективной площади.

5.2. В целях обеспечения аутентичности производимых меток, в конфигурацию антенны привнесен логотип компании производителя, сформированный из того же проводящего материала, что и остальная часть излучателя. Поэтому логотип заведомо возмущает распределение поля, и если копировать антенну без логотипа, то ее параметры будут уже иными, а радиус действия системы идентификации заметно снижен. Строгое электродинамическое моделирование осуществлено с помощью коммерческого трехмерного симулятора на основе метода конечных элементов. Предложенный способ прямого согласования транспондера запатентован нами в США, ЕС, Японии и Южной Корее и внедрен патентообладателем — компанией Samsung Electronics Co., Ltd. — при производстве пассивных меток для систем радиочастотной идентификации УВЧ диапазона.

5.3. Обнаружено сильное изменение комплексного входного импеданса полупроводникового чипа пассивного транспондера при включении его в антенну технологией массового монтажа flip-chip (перевернутого кристалла). В отличие от традиционно превалирующего индуктивного воздействия проволочек или перемычек при обычных способах монтажа, технология перевернутого кристалла привносит шунтирующую емкость из-за существенного перераспределения поля по топологии чипа транспондера вблизи контактной площадки с прилегающей цепью выпрямителя. Установлено, что для внутреннего комплексно сопряженного согласования ректенн следует учитывать соответствующее изменение входного импеданса чипа. В компании Samsung Electronics Co., Ltd. нами разработаны кремниевые интегральные схемы транспондеров типа «система на кристалле» где для улучшения согласования с различными типами антенн учтено обнаруженное влияние монтажа методом flip-chip на импеданс чипа, что запатентовано в США и Южной Корее.

5.4. Предложен и реализован способ адекватной характеризации чипа транспондера именно так, как он «виден» антенной, при заданном технологическом методе монтажа непосредственно в излучатель. Двухпортовая тестовая структура позволяет извлекать собственный комплексный импеданс чипа, минимизируя при этом погрешности измерений. Обнаружено, что у разработанных нами в компании Samsung Electronics Co., Ltd. чипов транспондеров малосигнальный режим сохраняется лишь до уровня 0,5 мВт принятой мощности. Воплощенная в разработанных нами чипах транспондеров схема обуславливает ректенну с выпрямителем, приспособленным для включения в любые типы антенн, без ущерба для функционирования систем радиочастотной идентификации.

5.5. Предложен и реализован способ измерения входного импеданса компактных антенн отличающийся использованием Е-плоскостной симметрии излучателя. Предложенная измерительная установка позволяет избегать возмущения поля вблизи антенны, поскольку измерительный кабель экранирован под большим плоским металлическим листом, размещенным в плоскости симметрии структуры. В результате удается адекватно характеризовать антенну для транспондеров радиочастотной идентификации, определяя комплексный входной импеданс антенны именно так, как он «виден» чипом транспондера. Установлено, что среди разработанных нами антенн, наилучшее комплексно сопряженное согласование с чипом обеспечивает вибраторная антенна с прямоугольной петлей, полоса рабочих частот которой составила 3,7% при уровне обратных потерь не хуже -10 дБ, усилении 1,78 дБи, КПД 92% и электрическом размере 0,21 Л0 хО, 12Л0. Наибольшее усиление 2,5 дБи обеспечивает щелевая антенна при полосе рабочих частот 1,1%, уровне обратных потерь не хуже -10 дБ, КПД 75% и электрическом размере 0,21 Л0×0,1510 .

Таким образом, достигнута главная цель диссертации — развит целостный феноменологический подход к созданию компактных СВЧ устройств и антенн на основе анализа структурной функциональности распределения поля, включающий исследование особенностей электродинамики в новых волноведущих и излучающих структурах.

Благодарности

Автор выражает глубокую благодарность своему научному консультанту, доктору физико-математических наук, профессору Синявскому Геннадию Петровичу за активное побуждение к написанию диссертации и постоянное внимание к работе.

Автор считает также своим приятным долгом выразить искреннюю благодарность директору Федерального научно-производственного центра ФГУП «РНИИРС», кандидату технических наук Косогору Алексею Александровичу за моральную поддержку и понимание важности работы.