WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

На правах рукописи

ВЛАДИМИРОВ Сергей Валерьевич

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДНО-ПУЧКОВЫЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НА МНОГОСВЯЗНЫХ ВОЛНОВОДАХ:
ЯВЛЕНИЯ И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ

Специальность 05.12.04 -

Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва–2009

Работа выполнена на кафедре Основ радиотехники
Московского энергетического института (Технического университета)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

ВЗЯТЫШЕВ Виктор Феодосьевич

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук, профессор

Шевченко Виктор Васильевич

кандидат технических наук, доцент

Рябов Борис Алексеевич

Ведущая организация: Федеральный научно-производственный центр

«НИИИС им Ю.Е. Седакова» (г. Н. Новгород)

Защита состоится «28» мая 2009 г. в 15 час. 30 мин на заседании
диссертационного совета Д 212.157.05 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва,
Красноказарменная ул., дом 17, аудитория А – 402

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим
направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., дом 14,
Ученый совет МЭИ (ТУ)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (Технического университета)

Автореферат разослан « 27 » апреля 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.05

кандидат технических наук, доцент Т.И. КУРОЧКИНА

Общая характеристика работы

Проблема, ее развитие и цели работы

Актуальность темы. Современные радиосистемы все шире используют волны диапазона крайне высоких частот (КВЧ). Его достоинства известны: широкая полоса частот, высокое пространственное разрешение, возможность реализации высокой направленности антенн, габариты КВЧ узлов, и др. Но пока далеко не все возможности КВЧ диапазона раскрыты. Одна из причин – недостаточное развитие адекватной этому диапазону элементной базы.

Одно из актуальных применений КВЧ физики и техники связано с диагностикой газодинамических процессов. Настоящая работа ориентирована именно на эту и родственные ей области приложений. Анализ положения дел и тенденций развития этой области на середину 2007 года хорошо описан Ю.И. Ореховым в его докторской диссертации (Орехов Ю.И. Открытые волноводные и резонансные устройства бесконтактной диагностики быстропротекающих процессов в многокомпонентных средах // Автореф. дисс. д-ра техн. наук. –М.: МЭИ, 2007).

Краткая история проблемы. Первую работу по радиоинтерферометрам для диагностики газодинамических процессов Б. Кон (B. Cohn) опубликовал в 1953 г. Однако до начала XXI века точность радиоинтерферометрических
методов при измерении скоростей процессов оставалась на уровне (1-5).10-2.

Основная причина – в том, что подход к проблеме был дифференцированным, узко дисциплинарным. А комплексная проблема создания радиоинтерферометрических систем требует корректного учета всей совокупности разнородных процессов: формирования зондирующих волновых образований; дифракционного взаимодействия их с объектом диагностики, оптимизации подсистем синтеза и обработки сигналов, а также поиска принципиально новых схемных и конструкторских решений, особенно в области волновых устройств.

Применение такого интегрированного «научного и проектного» подхода дали Ю.И. Орехову и его коллегам по кооперации (В.А. Канаков, В.Е. Костюков, А.Л. Михайлов, А.Б. Тихонов, Ю.Г. Белов, А.В. Родионов, В.Н. Хворостин и др.) возможность на 1-2 порядка улучшить точность метода. Но развитие проблемы поставило новые задачи.

Перспективы развития проблемы. Системные задачи, являющиеся внешними для настоящей работы, формулируются следующим образом:

  1. Получение распределений полей зондирующих волновых образований, близких к распределению одного или нескольких гауссовых пучков,
    в том числе с различными размерами в поперечных направлениях.
  2. Поиск обликов, разработка конструкций и создание методов оптимизации параметров различных типов волноводно-пучковых преобразователей (ВПП), служащих для выполнения набора функций п.1.
  3. Поиск принципов построения и проектирования набора ВПП, дающих возможность многоканального, обликового анализа объектов диагностики.
  4. Совмещение функций формирования и обработки волновых образований.

Рис.1. Поперечные сечения четырехсвязных МСДВ: а – из планарных; б – из круглых элементов; в – из прямоугольных элементов

Цель и задачи диссертационной работы. Цель работы – повышение эффективности и качества ВПП за счет применения предложенной в работе новой элементной базы - многосвязных диэлектрических волноводов (МСДВ). На рис.1 показаны примеры поперечных сечений МСДВ из элементов планарного (рис. 1,а), круглого (рис. 1,б) и прямоугольного (рис. 1,в) сечения.

Для достижения этой цели необходимо решить ряд задач:

  1. исследовать электродинамические явления и процессы, происходящие в МСДВ и в устройствах на их базе;
  2. изучить закономерности этих явлений и свойств таких устройств
    (в первую очередь – волноводно-пучковых преобразователей);
  3. создать базу знаний и принципов построения и проектирования конструкций волноводно-пучковых преобразователей на базе МСДВ.

Объекты, состояние знаний о них и принятые модели

Объекты исследования. ВПП на МСДВ являются волновыми диэлектрическими устройствами. Их функция - взаимные линейные преобразования между направляемыми волноводными волнами и направленными волновыми образованиями. Они представляют собой (рис. 1) сочетания диэлектрических элементов вытянутой формы: стержней (рис. 1,б и в), пластин (рис.1,а)).
Характер происходящих в них явлений существенно зависит от взаимной
ориентации осей элементов и оси устройства в целом. Поэтому необходимо различать две принципиально различные ситуации:

  • когда элементы ориентированы преимущественно вдоль оси устройства;
  • когда элементы ориентированы преимущественно поперек оси устройства.

Продольные элементы волновых диэлектрических устройств могут работать как:

  • отрезки диэлектрических волноводов (ДВ); они, кроме нерегулярностей на концах, могут содержать дополнительные функциональные нерегулярности;
  • отрезок волноводного пучка, также с нерегулярностями;
  • отрезок МСДВ, и тоже, как правило, - с нерегулярностями.

Все элементы могут работать в различных режимах:

    • регулярные отрезки ДВ - в одномодовом или в многомодовом режимах;
    • нерегулярные участки – в режиме преобразования как в направляемые моды, так и в волны излучения.

Число мод в изучаемых до сих пор пучках ДВ, строго равно числу элементов в них. В МСДВ, как будет показано в работе, оно может быть как меньше, так и больше числа элементов.

Поперечные диэлектрические элементы в открытых устройствах работают как дифракционные элементы узлов.

Состояние исследования диэлектрических устройств. Изучением диэлектрических устройств (главным образом, в виде ДВ, диэлектрических антенн, устройств на связанных ДВ и пучков ДВ) занимались сотни исследователей. Только в СССР и только в рамках Программы «СВЧ» ими занимались в трех десятках научных и промышленных лабораторий. Перечислить всех авторов в ограниченном объеме автореферата невозможно. Но несколько фамилий предшественников (во всяком случае, из России), работы которых наиболее близки к нашей, назовем: Б.З. Каценеленбаум и В.В. Шевченко, Е.И. Нефедов (фундаментальная теория и дифракция волн в ДВ); Г.Д. Рожков, Б.А. Рябов (прямоугольные ДВ КВЧ диапазона); Б.И. Рябов, Г.И. Веселов и В.М. Крехтунов (распределенная связь ДВ и устройства на них); Е.А. Ермолаев и А.С. Беланов (волны в пучках ДВ), Д.И. Мировицкий, Н.Н. Евтихиев, И.Ф. Будагян и В.Ф. Дубровин (соединения на ДВ), С.Е. Банков, Ю.И. Орехов, А.Б. Тихонов, Б.А. Мурмужев (ДВ и устройства на них в интегральном исполнении); Э.М. Гутцайт, С.Б. Раевский, Б.Ю. Капилевич, В.В. Крутских (металлодиэлектрические волноводы и устройства на них).

Физические модели волновых диэлектрических устройств являются развитием моделей, применяемых для описания сверхвысокочастотных узлов на закрытых линиях передачи, и содержат:

    • одно или несколько волноводных плеч;
    • «апертурные» плечи, через которые передвигаются волновые пучки или волновые образования.

Количественное описание волновых диэлектрических устройств – обобщенные матрицы рассеяния, а также совокупности параметров и характеристик.

1) Набор «волноводных» параметров - элементов матрицы рассеяния Sik = bi / ak, где bi - амплитуда волны, выходящей из i–го плеча устройства, ak - амплитуда волны, входящей в k–ое плечо устройства.

2) Набор полевых характеристик – амплитудно-фазовых распределений полей на апертурах, возбуждаемых волнами в различных волноводных плечах.

3) Набор «волновых» параметров, описывающих амплитуды и фазы bik пучков, выходящих из апертурных плеч.

Научная новизна и полезность

Элементами научной новизны являются новые результаты и положения.

  1. Предложено рассматривать волновую подсистему диагностики, выполняемую из диэлектрика, как совокупность различных направленных функциональных узлов на МСДВ.
  2. Для ключевой части волновой подсистемы - ВПП - построена модель эффективности и качества. Модель позволяет:
      • рассчитывать эффективность возбуждения зондирующего волнового пучка с заданной шириной различными полями на апертуре;
      • давать рекомендации по свойствам полного поля на апертуре, которые обеспечивают максимум эффективности;
      • по характеру «дополнительных» дифракционных полей перед апертурой ВПП оценивать их влияние на точность системы.
  1. Построена физическая теория МСДВ, включающая:
      • описание и качественный анализ свойств мод МСДВ (критических условий, распределений поля и постоянных распространения);
      • анализ модовых режимов и условий их существования;
      • анализ влияния соотношения между модовым порядком (числом мод в МСДВ), и порядком связности (числом элементов) на свойства МСДВ и узлов на его базе.
  1. Обнаружено явление согласованной пространственной самофильтрации высших мод на нерегулярных участках МСДВ.
  2. Разработан ряд патентно-чистых конструкций ВПП.

Практическая значимость результатов работы - в том, что создана база знаний и данных для развития нового класса устройств КВЧ диагностики и других дифракционных систем, работающих в ближней зоне.

1. Показано, что многоэлементные диэлектрические устройства обладают большей эффективностью и лучшими качествами формируемого поля, чем одноэлементные.

2. Сформулированы принципы действия и принципы построения ВПП на МСДВ, а также рекомендации по их проектированию. Их последовательное применение позволило найти новые патентно-чистые облики ВПП. На два из них оформляются авторские заявки на изобретения.

3. Разработаны методики и комплект волновых зондов, позволяющие измерять амплитудные и фазовые характеристики распределений полей волновых образований, волн в стержневых элементах МСДВ и волновых пучков в планарных элементах МСДВ, а также повысить точность измерений за счет коррекции систематических погрешностей.

4. Разработан и реализован макет аппаратно-программного комплекса, сопряженного с компьютером. Разработаны экспериментальные макеты многоэлементных устройств. Проведены полевые, волноводные и пучковые измерения характеристик устройств и параметров процессов в них.

Положения, выносимые на защиту

1. Многосвязные диэлектрические волноводы (МСДВ) как обобщенная элементная база открытых диэлектрических КВЧ устройств.

2. Созданные на базе МСДВ волновые устройства (в частности, ВПП), обладающие большей эффективностью и лучшими качествами формируемых полей, чем одноэлементные.

3. Физическая теория регулярных и нерегулярных МСДВ.

4. Принципы построения ВПП на МСДВ, основанные на физической теории и результатах эксперимента, рекомендации по проектированию ВПП.

5. Методики экспериментального исследования полей и волн в МСДВ и ВПП, макет сопряженного с компьютером аппаратно-программного комплекса и комплект волновых зондов.

6. Экспериментальное подтверждение возможности достижения в МСДВ режима с малым затуханием.

7. Две патентно-чистые конструкции ВПП на основе МСДВ.

Дополнительные оценки работы

Достоверность полученных результатов обоснована следующим:

Pages:     || 2 | 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»