WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

МАЛЫШКИН Александр Константинович АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОТКРЫТЫХ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА Специальности: 01.04.01 – приборы и методы экспериментальной физики 01.04.03 – радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2009

Работа выполнена на физическом факультете и в учебно-научном центре магнитной томографии и спектроскопии МГУ имени М.В. Ломоносова.

Научные руководители: доктор физико-математических наук, доцент Афонин Дмитрий Гаврилович доктор физико-математических наук, профессор Пирогов Юрий Андреевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Калошин Вадим Анатольевич кандидат физико-математических наук Игнатьев Александр Николаевич

Ведущая организация: ЦНИИ Химии и Механики (г. Москва)

Защита состоится “_ ”_2009 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.66 в Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские Горы, МГУ, Физический факультет, аудитория _.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова

Автореферат разослан “_ ”_2009 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д 501.001.66 Доктор физико-математических наук Ершов А.П.

1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы Развитие радиофизики и электроники характеризуется как широким распространением полупроводниковых и гибридных интегральных схем, так и улучшением энергетических характеристик мощных электронных приборов. В значительной степени эти достижения обусловлены разработкой и применением новых, более совершенных компонентов устройств в широком диапазоне длин волн [1]. Совершенствование экспериментальных методик и повсеместное внедрение компьютерных методов получения данных и обработки результатов измерений позволяют адекватно представлять физические процессы, являющиеся основой функционирования современной аппаратуры.

Передающие линии и колебательные системы играют существенную роль во всех отраслях радиофизики и техники [2]. При переходе к сверхвысоким частотам существенным обстоятельством, влияющим на свойства передающих линий СВЧ, является соизмеримость этих устройств с длиной волны [3]. В этом случае основными характерными способами передачи СВЧ-энергии становятся волноводы.

Размеры колебательных цепей при сверхвысоких частотах также оказываются сравнимы с длиной волны. Это приводит к использованию в качестве колебательных систем СВЧ таких устройств как полые резонаторы.

В результате с помощью волноводов и резонаторов создаются аналоги всех элементов цепей, характерных для более низких частот, - индуктивностей, емкостей, активных сопротивлений. При этом используются системы как закрытого, так и открытого типа – открытые резонаторы (ОР).

Модификации резонансных систем, сочетающие в себе элементы волноведущих структур и ОР, разнообразные связанные диэлектрические и металлодиэлектрические системы, а также ОР с различными включениями остаются недостаточно исследованными до настоящего времени.

Исследование спектра и других характеристик ОР с диэлектрическими телами представляет интерес при решении ряда практических вопросов современной радиофизики [4]. Так, например, диэлектрики вводятся в ОР для исследования свойств и измерения параметров самих диэлектриков. При этом ОР используется в качестве высокоточного инструмента для изучения свойств материалов. Диэлектрические линзы и стержни находят свое применение в лазерных системах в качестве активных сред, фокусирующих и управляющих устройств.

Важными элементами электродинамических систем являются фильтры [5], создаваемые на базе металлодиэлектрических структур и резонаторов различной формы, основные свойства которых определяются зависимостью добротности и коэффициента передачи сигнала от частоты.

Несмотря на большое число публикаций по результатам исследований электродинамических систем и их использования в миллиметровом диапазоне, остается нерешенным целый круг задач, связанных с выявлением их характерных особенностей, необходимых при создании конкретных устройств. Решение таких задач осуществляется методами математического моделирования и физического эксперимента. Последнее (основной предмет настоящей диссертации) в силу сложности и трудоемкости эксперимента в миллиметровом диапазоне требует автоматизации процесса измерений [6] и создания новых экспериментальных методик.

Цель работы Целью работы являлась разработка способов автоматизированных измерений параметров электродинамических устройств миллиметрового диапазона и изучение физических характеристик открытых симметричных систем.

В качестве примера применения разработанных методик была поставлена задача изучить ряд диэлектрических резонансных систем с гладкой поверхностью, периодических структур с шагом порядка длины волны и цепочек дифракционно связанных открытых резонаторов, применяемых в измерительных и электронно-волновых устройствах.

Следует заметить, что в отличие от предельных случаев, когда период много больше или много меньше длины волны, изучаемые в диссертации системы с периодом порядка длины волны являются наиболее сложными для математического описания, и их экспериментальное исследование дает более точное представление об их электродинамических свойствах.

Практическая ценность работы Создание автоматизированной экспериментальной установки и использование новых разработанных методик исследования позволяет не только значительно упростить и ускорить процесс исследования, но и выявлять новые физические особенности характеристик открытых систем. Созданная для исследования таких структур автоматизированная экспериментальная установка была с успехом применена в изучении ряда конкретных практически значимых электродинамических систем, предназначенных для использования в качестве фильтров и систем взаимодействия миллиметрового диапазона.

Личный вклад диссертанта Диссертантом самостоятельно получены и обработаны все результаты, изложенные в оригинальных главах диссертации. Постановка задачи и формулировка выводов осуществлены под руководством и при непосредственном участии научных руководителей - д.ф.-м.н. Афонина Д.Г. и д.ф.-м.н. Пирогова Ю.А.

Научная новизна Создана новая автоматизированная установка для изучения различных типов электродинамических систем в миллиметровом диапазоне длин волн.

Разработаны новые методики, позволяющие рассматривать одновременно ряд характеристик системы, получая наглядное цветное трехмерное изображение.

В работе впервые проведены измерения спектральных характеристик ряда новых электродинамических систем.

В аксиально-симметричных периодических структурах из диэлектрика со ступенчатым радиальным профилем и периодом порядка длины волны обнаружен эффект резонансного дифракционного преобразования высших волн.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Созданная автоматизированная установка, благодаря компьютерному управлению, набору созданных вычислительных программ и периферийных устройств, позволяет значительно упростить и, по крайней мере, на порядок ускорить процесс исследований электродинамических характеристик устройств миллиметрового диапазона.

2. Созданные новые автоматизированные методики измерений дают возможность детально анализировать спектральные особенности различных типов электродинамических систем. Комбинированная методика измерений позволяет получить наглядные трехмерные изображения одновременно и коэффициента передачи, и расстояния между отражателями от частоты.

3. Аксиально-симметричные периодические структуры из диэлектрика со ступенчатым радиальным профилем и периодом порядка длины волны эффективно возбуждаются на резонансных частотах излучения на открытом конце диэлектрического волновода. Благодаря резонансу высших запредельных на суженных участках структуры волн, запертых на участках с большим диаметром, эффект определяется резонансным дифракционным преобразованием волн на границе между секциями меньшего и большего диаметров.

4. Эффективное возбуждение цепочки параллельно расположенных открытых металлических резонаторов со сферическими зеркалами происходит за счет дифракционной передачи энергии на краях зеркал высшими типами колебаний.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на научной конференции “Ломоносовские чтения” (Москва, 1989); 8-м Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике (Свердловск, 1990); Всесоюзном научном семинаре “Математическое моделирование и применение явлений дифракции” (Москва, 1990); Всесоюзной школе-семинаре “Физика и применение микроволн” (Москва, 1991); Всесоюзной конференции "Физические проблемы оптической связи и обработки информации" (Севастополь, 1991, 1992, 1993); AMSE Conference “Signals and systems” (Geneva, 1992); 5-й Всероссийской школе-семинаре “Физика и применение микроволн. Миллиметровые и субмиллиметровые волны” (Москва, 1995); 6-й Всероссийской школе-семинаре “Волновые явления в неоднородных средах” (Москва, 1996);

4-й Международной конференции "ILLA-98" (Шатура, 1998); 9-й Международной конференции по лазерной оптике (С.Петербург, 1998); 3-м Международном симпозиуме "Physics and engineering of millimeter and submillimeter waves" (Харьков, 1998); 3-й Международной конференции "Antenna: Theory and Techniques" (Севастополь, 1999); Международной крымской микроволновой конференции ”СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии” (Севастополь, 2000 – 2005).

Публикации По материалам диссертации опубликовано 7 статей, 15 работ опубликовано в материалах конференций и 7 тезисов докладов. Список основных работ приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитированной литературы (132 наименования). Работа изложена на 149 страницах и включает 41 рисунок и 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы, формулируется цель диссертационной работы, обсуждается новизна и практическая значимость полученных результатов, излагаются основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дается аналитический обзор литературы, рассмотрены и обобщены данные о наиболее простых базовых электродинамических системах – открытом резонаторе (ОР) и диэлектрическом волноводе (ДВ), а также более сложных структурах на их основе. Обсуждаются модели, описывающие ОР с диэлектрическими включениями, а также многорезонаторные системы различного вида и назначения. Специально анализируется состояние работ по автоматизации электродинамических измерений и формулируются требования к современной автоматизированной установке для изучения свойств открытых квазиоптических систем. В последнем параграфе показана актуальность использования диэлектрических, металлических и комбинированных структур в радиоэлектронных устройствах. Рассмотрены практические применения таких систем.

Вторая глава содержит описание автоматизированной экспериментальной установки и методик исследования электродинамических систем в миллиметровом диапазоне длин волн. Структурно (Рис.1 ) установка состоит из генератора СВЧ–излучения с длиной волны 68 (46) мм, волноводного тракта, исследуемой резонансной системы, детектора (Д), усилителя детектированного сигнала и осциллографа (ОС). Для автоматизации эксперимента в установку были добавлены дополнительные устройства: контроллеры, схемы управления генератором (ЦАП) и шаговыми двигателями, шаговые двигатели (ШД1,ШД2), АЦП и управляющая ЭВМ. Объект исследования может представлять собой двухзеркальный открытый резонатор с металлическими зеркалами произвольной формы, систему дифракционно связанных резонаторов, Исследуемая подобные структуры с дисистема У ОС электрическими образцами С Г И внутри или собственно диЕ Л Н электрические образцы разИ Д Е Т личной конфигурации.

Р Е А В параграфах данной главы Л Т Ь приведены схемы нестанО ШД ЦАП Р дартных узлов, используемых для автоматизации усАЦП ШД тановки.

Представлены методики исследования электродинаКОНТРОЛЛЕР 1 КОНТРОЛЛЕР мических систем. Автоматизированная установка позвоПЭВМ ляет в результате управления частотой генератора полуРис. 1 Схема экспериментальной установки.

чать зависимость коэффициента передачи сигнала через систему от частоты в диапазоне частот 5375 ГГц. При помощи шагового двигателя можно измерять зависимость коэффициента передачи от расстояния между зеркалами структуры. Сочетание двух методик позволяет фиксировать одновременно зависимость коэффициента передачи как от частоты, так и от геометрических параметров структуры. Для систем открытого типа имеется простая возможность измерять распределение поля возбуждающегося типа колебаний при помощи пробного тела. Анализ спектра дает возможность для любой резонансной кривой рассчитывать величину добротности по формуле Q=f/f (где f - резонансная частота возбуждения исследуемого типа колебания, f – ширина резонансной кривой на половине ее амплитуды).

В параграфе, посвященном ошибкам измерений, основное внимание уделено погрешности при вычислении добротности для различных методик измерения. Так в рабочем диапазоне частот относительная ошибка в определении величины добротности составляет 12% при значении добротности 103, но для 104 может достигать 20%.

В последнем параграфе приведены сведения о быстродействии процедур конкретных измерений автоматизированной установки, сведенные в таблицу (Табл. 1).

Рабочий Количество Вид измерений Время шаг точек 1) Снятие частотного 10 МГц 200 45 сек спектра (один поддиапазон) 2) Снятие частотного 10 МГц 2200 10 мин спектра (все 11 поддиапазонов) 3) Снятие простран- 40 мкм 100 1 мин 40 сек ственного спектра (на длину 4мм) 4) Снятие картины 660 мкм 100 1 мин 40 сек распределения поля 5) Снятие трехмерного спектра – по частоте один 10 МГц поддиапазон: 20000 1 ч 16 мин на длину 10мм: 100 мкм Табл. 1 Временные интервалы для типичных режимов работы автоматизированной установки.

Третья глава посвящена изложению полученных экспериментальных результатов, их обсуждению и предварительным выводам. Представлены графики, иллюстрирующие экспериментальные характеристики открытых систем различной геометрии.

Pages:     || 2 | 3 |






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