авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Диэлектрические волноводно-пучковые преобразователи на многосвязных волноводах: явления и принципы построения

-- [ Страница 1 ] --

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:

  • в работе корректно использованы физические представления, электродинамические и экспериментальные методы исследования;
  • основные положения работы согласованы с полувековым опытом кафедры Основ радиотехники Института Радиотехники и электроники Технического университета МЭИ (ОРТ ИРЭ МЭИ) в области физики и техники ДВ;
  • результаты работы обсуждались и проверялись на координационных совещаниях по радиоинтерферометрии представителей организаций, входящих в кооперацию «Научно-исследовательский институт измерительных систем - Институт Физики взрыва - Нижегородский государственный университет - Институт Радиотехники и электроники Технического университета МЭИ».

Достоверность результатов подтверждается также оценками акта внедрения.

Личный вклад. Все научные положения в области ВПП на МСДВ предложены, а выводы и рекомендации сформулированы соискателем (совместно с руководителем). В коллективных публикациях соискателю принадлежит основная роль в формулировке положений, связанных с изучением и применением МСДВ и построением ВПП на их основе. Конкретное личное участие автора в публикациях указано также в Заключении кафедры ОРТ ИРЭ МЭИ.

Апробация результатов работы проводилась на следующих научных форумах и дискуссионных площадках:

  • на 2-ой международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики АПР-2008» (Томск, 2008 г.);
  • на 9 и 11-ых Харитоновских научных чтениях “Экстремальные состояния вещества” (Саров 2007, 2009 г.г.);
  • на международной НТК к столетию В.А. Котельникова (Москва, 2008 г.);
  • на 13, 14, 15-ой аспирантских НТК «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, МЭИ, 2007-09 гг.);
  • на семинарах кафедры ОРТ МЭИ (2007-9 гг.).

Публикации по теме диссертационной работы (общим числом 12) в достаточно полной мере отражают основные результаты работы. Публикации содержат 3 статьи (из них 2 работы - в журнале, входящем в перечень ВАК) и 9 тезисов докладов. Автор участвовал также в написании семи научных отчетов, включая отчет по гранту РФФИ за 2008 год.

Работа выполнялась при поддержке РФФИ (грант № 08-08-00992-а).

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 129 наименований, приложений и актов внедрения. Объем диссертации - 193 стр., включая 69 рисунков и 8 таблиц.

Содержание работы

 Рис. 2. Волноводно-пучковый-1
Рис. 2. Волноводно-пучковый преобразователь, его элементы и схема функционирования

Во введении, кроме характеристики работы, описаны проблема, ключевые идеи и проектный замысел диссертации. Главная задача - повышение качества волновых подсистем и волноводно-пучковых преобразователей (рис. 2). Перспектива развития волновых подсистем диагностики - анализ пространственно-временной картины полей, созданной динамикой объекта диагностики.

Функции существующих волновых подсистем диагностики:

  • преобразование зондирующего сигнала во входном одномодовом плече ВПП в зондирующее волновое образование;
  • преобразование информационного волнового образования в информационный сигнал в волноводе подсистемы обработки (детальнее – рис.11).

В процессе уточнения задачи выяснено, что:

  • волновые подсистемы целесообразно выполнять из диэлектрика;
  • элементной базой существующих подсистем являются отрезки ДВ.
  • новые задачи (в частности, многоканальные) требуют поиска новой элементной базы.

Ключевая инновация работы - новый вид элементной базы волновых подсистем диагностики – отрезки МСДВ. Вот основания для построения ВПП и других волновых устройств именно на базе МСДВ.

  • Ю.И. Орехов показал, что идеальное зондирующее волновое образование - волновой пучок диаметром от 3 до 20 . Возбуждение такого пучка можно эффективно осуществить именно торцом МСДВ.
  • ВПП - переход от одномодового ДВ к МСДВ целесообразно реализовать путем соединения ступеней МСДВ с различных числом элементов.
  • Все элементы волновой подсистемы в целом (включая многоканальные ВПП), можно рассматривать как отрезки сложного составного МСДВ.

Глава 1. Анализ состояния вопроса и постановка исследовательской задачи

В первой главе работы проведен анализ состояния проблемы, поставлена задача исследования и выбрана стратегия поиска решений.

Важнейшей волновой функцией в радиоинтерферометрах является преобразование волноводной моды в волновое образование. В существующих интерферометрах эту функцию выполняют устройства, называемые зондирующими. Однако в перспективных приборах (включая многоканальные) предполагается применять ВО в виде волновых пучков. Для их формирования нужны особые устройства – ВПП. Их исследование избрано в качестве главной задачи работы.

Для обоснованного сопоставления и выбора конструкций и параметров ВПП построена обобщенная модель эффективности и качества. Первый шаг в построении модели – представление полного поля на апертуре ВПП ПВПП
в виде суммы:

ПВПП (x, y, z0) = ПВП (x, y, z0) + ПД (x, y, z0), (1)


Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.