Свойства многопроводных нерегулярных линий передач

В электродинамике СВЧ одним из широко применяемых способов повышения эффективности различных устройств является использование в них нерегулярных линий передачи, таких, конфигурация области поперечного сечения которых и (или) магнитодиэлек-трические параметры среды, заполняющей линии, являются функциями пространственной координаты. Перспективность использования отрезков нерегулярных линий как базовых элементов устройств СВЧ связана с особенностями, присущими нерегулярным структурам. Во-первых, их частотные свойства зависят не только от длины линии (как в случае регулярных линий передачи), но и от закона изменения волнового сопротивления, Другой особенностью нерегулярных структур является неэквидистантность спектра их собственных частот.

Решение задач, связанных с исследованием нерегулярных структур, сопровождается математическими трудностями точного интегрирования линейных дифференциальных уравнений второго порядка с переменными коэффициентами либо нелинейных уравнений первого порядка типа Рик-кати, которым удовлетворяют матричные параметры нерегулярных линий. Эти уравнения решаются точно лишь для частных законов изменения характеристических параметров линий вдоль пространственной координаты.

Исследования нерегулярных линий передачи на основе точных решений названных дифференциальных уравнений проводились еще в конце прошлого века Хевисайдом и ведутся сегодня: последняя (известная автору) публикация датирована январем 1997 года (К. Lu в IEEE Trans, on МТТ, 1997. V. 45, N 1); К настоящему времени наибольшую известность получили решения для нерегулярных линий, волновые сопротивления которых изменяются по экспоненциальному закону, параболическому и гиперболическому, косинус-квадратному, линейному и другим законам. Для перечисленных функций волновых сопротивлений точные решения могут быть получены крайне простыми средствами. Однако одного или нескольких таких независимых решений недостаточно для получения полного представления о волновых явлениях в нерегулярных линиях, поскольку, во-первых, при переходе от одной функции волнового сопротивления к другой явления в нерегулярных линиях могут измениться не только в количественном отношении, но и в качественном. Во-вторых, исследования в рамках одного типа нерегулярной линии обеспечивают излучение лишь частных результатов, так как отсутствует возможность формального перехода от одной функции волнового сопротивления к другой.

Среди нерегулярных линий передани, допускающих, точное решение основных уравнений, большой интерес представляют канонические (обобщенные) линии, предложенные И. Н. Салием. Функция волнового сопротивления таких линий включает в качестве частных случаев регулярную, экспоненциальную, параболическую, гиперболическую, сЬ2— зависимости и другие, ранее рассматриваемые изолированно. Показано, что применение таких линий позволяет эффективно решать не только задачи анализа, но и синтеза устройств СВЧ по заданным частотным характеристикам. Экспериментальные исследования этих устройств показали высокую степень совпадения их характеристик с расчетными данными. Поэтому представляется актуальным дальнейшее изучение канонических нерегулярных линий передачи, — обобщение полученных результатов на случай многопроводных систем и детальный анализ волновых и колебательных свойств отрезков многопроводных канонических (обобщенных) линий.

Особый класс многопроводных линий составляют периодические системы, подчиняющиеся теореме Флоке. Широко применяемые отрезки многопроводных линий являются регулярными, — конфигурация их области поперечного сечения не изменяется в продольном направлении. Проблема совершенствования рабочих характеристик устройств на многопроводных периодических линиях без изменения внешних габаритов устройств сохраняет свою актуальность и в настоящее время. Для улучшения рабочих характеристик применялись нерегулярные линии с волновыми сопротивлениями, изменяющимися по параболическому и экспоненциальному законам. Поскольку параболические и экспоненциальные линии являются частным случаем обобщенных линий передачи, интересным представляется исследование многопроводных периодических систем на их основе.

Другой большой класс многопроводных систем составляют связанные линии передачи (восьмиполюсники). Совершенствование частотных характеристик устройств на связанных линиях можно производить различными способами. Основу одного из них составляет применение несоразмерных регулярных связанных линий передачи — линий, электрические длины которых для четной и нечетной волн различны вследствие неравенства (рассинхронизма) фазовых скоростей нормальных волн. Неравенство фазовых скоростей можно эффективно использовать для повышения избирательности и уменьшения размеров фильтров, а также снижения переходного ослабления направленных ответвителей. Однако требуемое неравенство фазовых скоростей может быть реализовано в регулярных линиях лишь с неоднородной средой, что значительно сужает область примепения способа. В связанных обобщенных нерегулярных линиях передачи фазовые скорости нормальных мод зависят не только от диэлектрической проницаемости, но и от конфигурации проводников линии. Поэтому следует ожидать, что физические эффекты и явления, установленные для систем на регулярных линиях и реализуемые лишь в линиях с неоднородной средой, могут наблюдаться в системах с однородной средой на связанных нерегулярных линиях. Возможно также появление новых эффектов.