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:     | 1 || 3 |

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

-- [ Страница 2 ] --

где ПВП - поле «желаемого» волнового пучка на апертуре ВПП,
ПД - некое «дополнительное» поле («know how» метода);

x, y - поперечные координаты в плоскости апертуры,

z0 - значение в плоскости апертуры координаты z.

Второй шаг - расчет коэффициента возбуждения (по мощности) «желаемого» волнового пучка. Это вычисление проводится с помощью «интеграла перекрытия» функции поперечного распределения поля в ДВ Hy и функции поперечного распределения поля пучка HГП

. (2)

Полученная обобщенная модель позволила обосновать выбор класса объектов и направлений их исследования. Показано, в частности, что ДВ как элементная база ВПП лучше, чем металлический волновод (МВ) по совокупности минимум четырех показателей качества: эффективность, качество поля ВПП, уровень отражений в волноводе и обратного рассеяния в область диагностики.

С помощью модели (2) рассчитана (рис. 3) эффективность возбуждения гауссового пучка торцами ДВ при различных их размерах в интересном для диагностики диапазоне эффективных размеров пучка dэфф от 3 до 20 длин волн.

 Коэффициент преобразования по-3
Рис. 3. Коэффициент преобразования по мощности SПВ Н1 волны планарного ДВ
в гауссов пучок как функция относительного размера ДВ d` ( = 2,25)

Из анализа этих результатов (в частности, зависимостей эффективности ВПП от размера ДВ – рис. 3) выявлена система противоречий задачи создания ВПП. Вот основные из них.

  • Возбуждение пучков эффективно только при малых размерах ДВ (значительно меньше ) и при больших размерах ДВ (значительно больше ).
  • В первом случае имеем режим малых замедлений. В нем возникает проблема возбуждения ДВ без применения металлических элементов.
  • Во втором случае имеем многомодовый режим работы. При этом возникают проблемы с контролем типов волн.
  • При средних же размерах ДВ (в его одномодовом режиме) эффективность возбуждения ВП недопустимо мала.

Сделано предположение, что применение МСДВ позволит разрешить эти противоречия. Выделены четыре направления исследования этой гипотезы.

  • Физическое исследование свойств мод МСДВ.
  • Исследование дифракции в переходах от ДВ к МСДВ.
  • Создание методики экспериментального изучения ВПП.
  • Синтез принципов действия и построения ВПП.

Им посвящены соответственно 2, 3, 4 и 5-ая главы работы.

С целью расширения множества обликов исследуемых ВПП проведен также патентный поиск прототипов по классам ДВ, диэлектрических антенн, решеток и облучателей.

Глава 2. Многосвязные диэлектрические волноводы: методы анализа и свойства

Во второй главе работы анализируются свойства регулярных МСДВ и их отличия от свойств привычных односвязных волноводов.

МСДВ являются слабо изученным классом линий передачи. N-связный ДВ – это, по определению, система N раздельных (в регулярном случае - параллельных) элементов, помещенных в среду, проницаемость которой меньше, чем у любого из материалов элементов МСДВ.

Число параметров и признаков у МСДВ – больше, чем у уединенного ДВ. Отсюда следует трудность исследования и более емкая база данных об их результатах, Но это окупается широким диапазоном свойств МСДВ и их возможных приложений.

Электродинамический анализ МСДВ (рис. 1) даже в простейшей постановке собственных волн регулярного ДВ – сложен. Его реально выполнить только для планарной геометрии (рис. 1,а). Для случая круглых ДВ (рис. 1,б) известна работа Г.И. Веселова и В.М. Крехтунова, в которой для N=2 рассчитаны постоянные распространения двух мод. Задачу о МСДВ из прямоугольных элементов (рис. 1,в), насколько нам известно, никто не ставил.

В работе поставлена и решена задача построения физической теории однородных и регулярных МСДВ для произвольного порядка связности и для любой формы сечения элементов, для которых известны параметры волн и распределенной связи между двумя элементами, работающими как ДВ.

Теория носит синтетический характер и по необходимости является приближенной. Пример ее применения иллюстрируется графиками рис. 4, где представлены рассчитанные по ней замедления всех пяти мод пятисвязного МСДВ в зависимости от расстояния между элементами h для двух значений размеров элементов a.

 Рис. 4. Замедления мод пятисвязного-4  Рис. 4. Замедления мод пятисвязного-5
Рис. 4. Замедления мод пятисвязного планарного МСДВ с разными значениями приведенного размера ап в зависимости от расстояния между элементами h


Значения коэффициентов замедления U=/k при h=0 U5a(Wp) соответствуют модам Wp уединенного ДВ с размером 5а. Уровни Ua(W1) (пунктирные линии на рисунках 4,а и б) соответствуют основной (и единственной) моде W1 ДВ с приведенным размером аП= 0,25 на рис.а и 0,45 на рис.б.

При больших h/a замедления всех волн системы близки к асимптоте Ua(W1). С уменьшением h/a кривые замедлений расходятся от асимптотической прямой вверх и вниз в соответствии с соотношениями

Up(Wр) = Ua(W1) + pcп ; cп = c0п exp(-Кспh), (3)

где p – номер волны МСДВ; p – безразмерный коэффициент;

cп - линейный коэффициент связи, известный из теории связанных ДВ, хорошо изученный для всех форм сечения, показанных на рис. 1, и представимый экспоненциальной аппроксимацией через известные параметры c0п. и Ксп.

Входящие в уравнение (3) коэффициенты p являются корнями характеристических многочленов (4), известных из теории пучков ДВ.

(4)

Для частного случая рис. 4 (N=5) значения этих коэффициентов равны
1 = 1.73, 2 = 1, 3 = 0; 4 = -1; 5 = - 1.73.

Амплитудно-фазовое распределение поля p-ой моды МСДВ представляется в виде суммы

, (5)

где Еn(x,y) - распределение поля моды W1 n-го ДВ (в его координатах); р - безразмерный коэффициент по (3); Ap(т) – амплитудные коэффициенты; N - число элементов в МСДВ. Поперечные волновые числа, описывающие Еn(x,y), разумеется, испытывают влияние взаимодействия элементов и должны рассчитываться через замедление соответствующей моды МСДВ по (3).

Коэффициенты Ap(т) описываются соотношениями

, (6)

где р=1, 2,..., N.

О точности теории. Результаты, полученные по созданной физической теории, при больших h имеют точность не хуже, чем заложенные в теорию данные о волнах уединенного ДВ и о коэффициенте связи. С уменьшением h их точность ухудшается, но наличие достоверных данных при h = 0 позволяет оценить и частично скорректировать эту погрешность.

 Модовая карта 4-связного-9
Рис. 5. Модовая карта 4-связного планарного МСДВ; aп - приведенный размер элементарного ДВ

Важным признаком МСДВ является его модовый режим (МР) – число собственных типов волн, которые могут распространяться в системе.

Для описания МР введены: «модовые карты» (рис. 5), частотно-модовые и дистантно-модовые характеристики. Линии на модовых картах – это границы разных МР: при их пересечении слева направо или снизу вверх мода с указанным на линии номером становится распространяющейся.

На рис. 6 показан пример дистантно-модовых характеристик – зависимостей МР от нормированного расстояния между элементами МСДВ - приведенного формата ФП=1 - e-kh).

 Рис. 6. Дистантно-модовые характеристики-10
Рис. 6. Дистантно-модовые характеристики 4-связного планарного МСДВ

Из графиков рис. 6 следует, что при увеличении формата модовый порядок M может не изменяться совсем (кривая для aп = 0,44), может возрастать на единицу (кривая для aп = 0,31), на две единицы и больше – вплоть до (N-1).

По модовому порядку МСДВ разделяются в работе на: одномодовые, маломодовые и полномодовые. Для всех названных видов характерен свой набор явлений, свойств и специфические области применения.

Установлено, что волновые образования в МСДВ, работающих в маломодовом режиме, когда число мод независимо от числа элементов не превышает 3…5, при определенном соотношении амплитуд и фаз составляющих их мод весьма близки к волновым пучкам. Поэтому именно маломодовые МСДВ весьма удобны для построения ВПП.

Показано, что моды у МСДВ для формирования широких пучков (5, …10 и более длин волн), имеют малые замедления. Установлено, что маломодовый и особенно одномодовый режимы в МСДВ достижимы только при введении ограничения на максимальный размер МСДВ.

Детально изучены так называемые «полномодовые» МСДВ, в которых модовый порядок равен порядку связности. Свойства таких МСДВ совпадают со свойствами пучков ДВ.

Глава 3. Направленные узлы на МСДВ: описание и свойства

В третьей главе, на основании изучения явлений и свойств нерегулярных участков МСДВ, получена информация, нужная для проектирования многоэлементных узлов и устройств и для выбора параметров их элементной базы.

Рассмотрено множество принципов действия ВПП на МСДВ. Обнаружено противоречие между эффективностью преобразования и продольными габаритами. Показано, что в работе ВПП важную роль играют дифракционные явления в элементах ВПП. Сформировано множество обликов ВПП на МСДВ, работающих на принципах преобразования волноводных мод ДВ, собственных волн систем ДВ (пучков) и МСДВ. Показано, что в них неизбежно должны входить нерегулярные участки, выполняющие функции переходов (как резких, так и плавных).

Рассмотрены дифракционные явления на резких переходах в МСДВ. Для их описания применены обобщенные матрицы рассеяния. Для расчета их элементов применены два подхода: с позиции концепции собственных волн систем ДВ и с позиции концепции связанных линий. Установлено, что при изменении формата МСДВ Ф возможны не только количественные изменения значений элементов матрицы, но и качественное изменение характера явлений.

В частности для резких переходов установлены такие закономерности.

1) Краевые эффекты на стыке МСДВ разного порядка связности приводят к возникновению волн излучения.

2) Излучение со стыка приводит к тому, что максимальные значения коэффициентов передачи узла меньше единицы.

3) Оба эффекта (п.2 и п.3) максимальны при касании элементов МСДВ в граничном сечении и быстро уменьшаются при увеличении формата МСДВ и с укорочением длины волны.

Отдельно и более детально рассмотрены явления, возникающие в ситуациях, когда на нерегулярных участках узла на МСДВ происходит изменение модового режима.

 Направленные узлы на МСДВ: а –-11
Рис. 7. Направленные узлы на МСДВ:
а – направленный ответвитель;
б – разветвитель или сумматор;
в - разветвитель с 2 входами и 4 выходами;
г - разветвитель с N входами и M выходами




Проанализированы закономерности явлений в плавных переходах на МСДВ. Наиболее детально исследованы закономерности явлений и свойства переходов класса волноводных соединений с различным числом плеч на разных сторонах соединения (рис. 7,б-г).

В таких соединениях должно наблюдаться явление, которое можно назвать согласованной и направленной самофильтрацией высших мод МСДВ в областях понижения его модового порядка. Этот результат является обобщением «Явления направленного и согласованного разветвления энергии в соединениях на диэлектрических волноводах» на более широкий класс устройств.

Глава 4. Экспериментальное исследование полей и волн в МСДВ

В четвертой главе описываются методики измерений параметров полей и волн, рассмотренных в главах 1-3.

Проведена классификация экспериментальных КВЧ задач. Все они разделены на четыре класса: волноводные, волновые, полевые и дифракционные. Сформулирован состав признаков классов задач: по объекту изучения; по составу средств возбуждения и/или измерения амплитуд; по характеру происходящих явлений. Все названные классы определены и описаны, проанализированы их особенности (раздел 4.1).

Выявлены проблемные вопросы постановки эксперимента, связанные с характером объектов. Показано, что почти все изучаемые устройства можно назвать «дифракционными устройствами» (раздел 4.1).

Измерения распределений КВЧ полей вблизи открытых направляющих структур – слабо изученная область. Поэтому постановке таких измерений уделено особое внимание. Проанализированы и сопоставлены четыре методики измерения распределений полей в КВЧ диапазоне:

    • измерение интенсивности с помощью пробных тел;
    • измерение распределений с помощью зондов в виде штырей
      и отверстий в экранах и/или стенках элементов системы;
    • применение зондов, интегрированных с детектором;
  • применение «зондовых измерительных узлов», интегрирующих зонд с линией передачи.

Выбран вариант с зондовым измерительным узлом с ДВ в качестве линии передачи. Его достоинства заключаются в минимальном влиянии на исследуемые поля и, что особенно важно для полевых измерений ВПП, в очень малом рассеянии от диэлектрических зондов в заднюю полусферу.

 Рис. 8. Исследование амплитудно-фазовых-12
Рис. 8. Исследование амплитудно-фазовых распределений (АФР) полей зондирующего (ЗВО) и информационного (ИВО) волновых образований с помощью направленных зондов; МОД – модель объекта диагностики

Разработаны зонды с различной геометрией для разных измерительных задач. Пример применения диэлектрических зондов для исследования распределений зондирующего и информационного волновых образований показан на рис. 8.

Обоснован (разделы 4.3-4.6), разработан и реализован макет аппаратно-программного комплекса, позволяющего проводить измерения как двумерных амплитудно-фазовых распределений полей волновой подсистемы, так и волноводных полей внутри ВПП.

Разработана интерпретирующая модель для программной коррекции систематических аппаратных погрешностей. Это позволило повысить точность анализа структуры полей с помощью радиоинтерферометра. Высказано предположение, что применение подобной коррекции в процессе обработки динамических измерений позволит существенно повысить точность и газодинамических исследований, что особенно важно при многоканальной диагностике.

Глава 5. Синтез принципов действия и принципов построения ВПП

В пятой главе производится обобщение материалов предыдущих глав с целью получения рекомендаций по формированию принципов действия, проектированию и реализации ВПП. В разделе 5.1 дается общая постановка задачи, начиная с синтеза волновой подсистемы диагностики – справа на рис. 9.

 Рис. 9. Место и состав волновой-13
Рис. 9. Место и состав волновой подсистемы в системе диагностики

Далее задается набор функций, выполняемых волноводными и волновыми устройствами, входящими в ее состав. Их совокупность составляет принципы действия этих устройств. Назовем их, начиная с более простых устройств.

1) Приемные волновые устройства рефлектометра (внизу) служат для преобразования движущегося поля информационного волнового образования (ИВО) в волны одномодовых волноводов на их одномодовых выходах.

2) Приемные волновые устройства «директометра» (вверху) служат для определения направлений движения (ориентации фазового фронта) ИВО.

3) Собственно волноводно-пучковые преобразователи, являющиеся объектом исследования в работе, служат для выполнения двух наборов функций:

  • формирование перед апертурой ВПП (в области диагностики) зондирующих волновых образований (ЗВО) в виде одного или нескольких зондирующих волновых пучков, возбуждаемых от одномодовых волноводов;
  • прием ИВО, их пространственная обработка и преобразование в информационные сигналы во входных волноводах.
Рис. 10. ВПП на МСДВ:
а – 2 ступенчатый ВПП;
б – ВПП с фазовым корректором


Pages:     | 1 || 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.