Проекционные методы анализа устройств свч

Для анализа сложных устройств СВЧ на основе принципа декомпозиции необходимо уметь вычислять матрицы внешних характеристик базовых элементов. Вычисление этих матриц проводится с помощью соотношений, получающихся в результате решения уравнений Максвелла применительно к конкретным граничным условиям, задаваемым геометрической структурой конкретного базового элемента. При этом в результате решения уравнений электродинамики должна быть составлена математическая модель базового элемента, позволяющая определять матрицы его внешних характеристик. Для составления математической модели могут быть использованы различные методы, однако наибольшее практическое применение получили проекционные методы. Суть проекционных методов состоит в том, что неизвестные поля, являющиеся элементами функционального пространства, проецируются с помощью полной ортонормированной системы функций в числовое пространство. При этом неизвестным становится множество чисел, являющихся коэффициентами базисных функций, совокупность которых определяет неизвестные поля. Роль базисных функций во внутренних задачах электродинамики обычно играют поля различных типов волн волноводов или резонаторов. К проекционным методам относятся: метод Галёркина, метод моментов, метод частичных областей, метод коллокаций и т.п. В качестве примера рассмотрим подробнее основную идею метода Галёркина.

Предположим, что решается краевая задача для области  ограниченной замкнутой поверхностью  сформулированная в виде операторного уравнения  (6.7)

где  - некоторый электродинамический оператор;  - подлежащая определению векторная, функция; - известная векторная функция, определяющая внешнее возбуждение в рассматриваемой задаче.

Функция  обычно задается в виде касательных составляющих полей на части поверхности являющейся поверхностью клеммных плоскостей устройства СВЧ (поперечными сечениями входных линий передачи). Функция  представляет собой неизвестное электрическое или магнитное поле внутри устройства СВЧ. При решении внутренних задач обычно находится полная ортонормированная в объеме  система функций  которая может служить базисом для представления неизвестной функции  рядом Фурье:

 (6.8)

Полнота системы функций  означает, что при любом внешнем воздействии  неизвестная функция  представима в виде ряда (6.8). Ортонормированность функций  означает удовлетворение их условию  (6.9)

С учетом этого из (6.8) имеем

Из (6.7) следует, что  есть нулевой элемент функционального пространства, поэтому он ортогонален к любой функции базиса:

 (6.10)

В методе Галёркина искомое приближенное решение представляется в виде линейной комбинации первых базисных функций (в виде усеченного ряда Фурье) с неопределенными коэффициентами:

 (6.11)

Это приближенное решение подчиняется условию ортогональности, аналогичному (6.10), т.е.

Подставляя сюда (6.11) с учетом (6.9), получаем систему линейных уравнений относительно коэффициентов которая может быть записана в виде:

где  - квадратная матрица порядка  с коэффициентами столбец неизвестных коэффициентов;  - столбец свободных членов, элементы которого определяются уравнением

Таким образом, метод Галёркина, как и другие проекционные методы, сводит неоднородную краевую задачу к неоднородной системе линейных уравнений, решение которой определяет коэффициенты разложения искомой функции. При этом чем выше порядок системы, т.е. чем больше  тем точнее определяется неизвестная функция и. Определив с помощью этого метода поля внутри базового элемента, а, следовательно, и в поперечных сечениях его входных линий передачи, можно найти численные значения напряжений и токов на клеммах эквивалентного многополюсника, используя, например, соотношение (6.1). По токам и напряжениям на клеммах многополюсника могут быть найдены любые матрицы внешних характеристик базового элемента. Объединив матрицы рассеяния базовых элементов в общую схему, можно найти матрицу рассеяния сложного устройства СВЧ и вычислить любые его характеристики. Эти вычисления проводятся, естественно, с применением высокопроизводительных ЭВМ.

//Л2 ПрСВЧУ ВГ

//л2 УСВЧ Макс