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 |

Анализ и оптимизация широкополосных устройств и антенн на основе нерегулярных структур комбинированного типа

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Лощилов Антон Геннадьевич

анализ и оптимизация

широкополосных устройств и антенн

на основе нерегулярных структур

комбинированного типа

Специальность 05.12.07 – Антенны, СВЧ устройства и их технологии

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Томск – 2008

Работа выполнена на кафедре Телекоммуникации и основ радиотехники (ТОР) Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Филатов Александр Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Разинкин Владимир Павлович

кандидат физико-математических наук,

Буянов Юрий Иннокентьевич

Ведущая организация: Московский государственный институт

электроники и математики (МИЭМ)

(технический университет)

Защита состоится «23» декабря 2008 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета Д212.268.01 при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники по адресу:

634050, г. Томск, проспект Ленина, 40, ауд. 203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники по адресу:

634050, г. Томск, ул. Вершинина, 74.

Автореферат разослан « 20 » ноября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.268.01

доктор технических наук, профессор А. В. Филатов

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Создание систем связи, радиолокации и радионавигации, работающих в различных диапазонах волн, потребовало в последние годы разработки широкополосных, с перекрытием по частоте 20:1 и более, функциональных устройств, приемных и передающих антенн. Развитие широкополосных систем обусловлено повышением требований к помехозащищенности передачи информации и применением шумоподобных сигналов в технике связи и радиолокации. Вопросам исследования и разработки широкополосных устройств посвящено большое число работ отечественных и зарубежных авторов.

Традиционным путем расширения полосы рабочих частот ВЧ и СВЧ устройств является применение в их составе отрезков нерегулярных линий передачи (НЛП), первичные параметры которых зависят от продольной координаты. Одними из первых в данном направлении были работы А. Л. Фельдштейна, в дальнейшем данное направление получило развитие в работах В.П. Мещанова, Б.М. Каца, И.Н. Салия. Спектральный подход к анализу и синтезу устройств на неоднородных линиях передачи изложен в работах О.Н. Литвиненко, В.В. Козловского, В.И. Сошникова. Синтезу устройств на основе ступенчато-нерегулярных линий передачи посвящены работы Б.А. Беляева, А.А. Лексикова, В.В. Тюрнева, R. Levy и других авторов. В некоторых частных случаях отрезки НЛП могут вырождаться в сосредоточенно-распределенные или “несоразмерные” цепи, подходы к анализу и синтезу которых изложены в работах М. Я. Воронина и В.Р. Шлее.



К настоящему моменту достаточно обстоятельно разработана теория ступенчато-нерегулярных и плавно-нерегулярных линий передачи. Разработана общая теория нерегулярных связанных линий (НСЛ), в том числе и с неуравновешенной электромагнитной связью. Известны работы по анализу и оптимизации распределенных устройств и антенн, содержащих элементы с сосредоточенными параметрами. Однако проектирование устройств на основе комбинированных структур, содержащих отрезки нерегулярных связанных линий передачи с произвольным законом изменения первичных параметров и сосредоточенные или квази-сосредоточенные корректирующие и согласующие элементы различных типов все еще остается сложной задачей.

Один из путей решения обозначенной проблемы разработка алгоритмов анализа и оптимизации устройств на основе нерегулярных структур комбинированного типа, содержащих отрезки нерегулярных связанных линий передачи с произвольным законом изменения первичных параметров и сосредоточенные или квазисосредоточенные корректирующие и согласующие элементы различных типов.

Создание эффективных алгоритмов анализа и оптимизации устройств на основе структур комбинированного типа является актуальной задачей и будет способствовать повышению качественных характеристик и сокращению затрат на разработку.

Цель работы. Анализ, экспериментальные исследования и оптимизация комбинированных структур, содержащих нерегулярные связанные линии передачи произвольной формы и сосредоточенные корректирующие включения.

Задачи исследования. Поставленная цель достигается решением следующих основных задач.

  1. Разработка алгоритмов численного анализа структур, содержащих нерегулярные связанные линии передачи произвольной формы и сосредоточенные корректирующие включения.
  2. Разработка моделей функциональных устройств на основе нерегулярных комбинированных структур.
  3. Разработка программного обеспечения для проектирования устройств и систем на основе нерегулярных комбинированных структур.
  4. Экспериментальные исследования комбинированных структур, в том числе во временной области в режиме импульсного воздействия.
  5. Оптимизация частотных характеристик комбинированных устройств на основе разработанных моделей, алгоритмов анализа и результатов экспериментальных исследований.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применяются методы теории линейных электрических цепей, матричной алгебры, вычислительной математики. При создании комплекса программ использовались методы объектно-ориентированного и модульного программирования. Проверка основных теоретических положений осуществлялась на основе экспериментальных исследований изготовленных опытных образцов и макетов.

Научная новизна работы определяется следующим.

1. Предложен алгоритм численного анализа структур комбинированного типа, содержащих нерегулярные связанные линии передачи с произвольной зависимостью первичных параметров от продольной координаты и корректирующие сосредоточенные или квазисосредоточенные элементы.

2. Разработаны модели и алгоритмы решения внутренней задачи анализа вибраторных комбинированных антенных систем декаметрового диапазона длин волн (ДКМВ), включающих в себя элементы фидерного тракта, согласующе-симметрирующие устройства, корректирующие фильтры и другие устройства.

3. Показано, что применение корректирующих сосредоточенных элементов в составе нерегулярных вибраторов комбинированных антенн и оптимизация профиля вибраторов позволяет расширить полосу рабочих частот антенны. Новизна технических решений подтверждается патентами [1, 2].

4. Реализован расчетно-экспериментальный метод оптимизации входных частотных характеристик комбинированных антенн по результатам измерений характеристик антенны во временной области при импульсном воздействии.

Практическая ценность.

  1. Разработанное программное и аппаратное обеспечение позволило реализовать расчетно-экспериментальный метод оптимизации параметров комбинированных антенн диапазона ДКМВ. В результате оптимизации создано несколько образцов широкополосных комбинированных антенн с перекрытием по частоте 20:1.
  2. Созданы образцы согласующе-симметрирующих трансформаторов, устройств согласования на неминимально-фазовых фильтрах.
    Разработаны макеты фильтров поглощающего типа.
  3. Разработаны алгоритмы измерений, программное и аппаратное обеспечение для проведения измерений характеристик цепей во временной области с последующим вычислением частотных характеристик.
  4. Созданные модели и алгоритмы анализа, изложенные в диссертационной работе, легли в основу оригинального программного обеспечения:
    • программа анализа входных частотных характеристик проволочных комбинированных антенн SWR2W;
    • программа синтеза согласующих устройств на основе секций неминимально-фазовых фильтров MatchWizard;
    • программное обеспечение для анализа управляющих секций на отрезке связанных линий передачи CoupledLineSimulator;
    • программа VIP-Line, позволяющая осуществлять параметрический синтез топологии микрополосковых связанных линий с вертикальной вставкой по заданным требованиям на конструктивные и электрические параметры.
    • программа SemiAngle для анализа первичных погонных параметров линии с лицевой связью методом конформных отображений.

Реализация и внедрение результатов исследований.

Работа выполнена на кафедре телекоммуникации и основ радиотехники Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. Достижения практического характера, в которых используются полученные автором результаты, внедрены в ФГНУ ГНТЦ “Наука” (г. Москва). Результаты работы используются в учебном процессе в Оренбургском государственном университете на кафедре “Проектирование и технология радиоэлектронных средств”, в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники на кафедрах: “Телекоммуникации и основ радиотехники”, “Радиоэлектронных технологий и экологического мониторинга”, “Радиоэлектроники и защиты информации”, “Сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники”.

Результаты работы использованы при мелкосерийном производстве приборов “Векторный импульсный измеритель характеристик цепей Р4-И-01” и программного обеспечения “ИмпульсМ v.1.0”, “ИмпульсМ v.2.0” для анализа частотных характеристик цепей в импульсном режиме.

Апробация результатов. Основные положения диссертационной работы представлялись на следующих конференциях и выставках:

  • Всероссийская научно-технической конференция "Современные проблемы радиоэлектроники", г. Красноярск, 2002 г. 
  • Всероссийская научно-техническая конференция “Научная сессия ТУСУР”, г. Томск, 2004, 2005, 2007 гг.
  • Международная научно-практическая конференция “Электронные средства и системы управления”, г. Томск, 2004, 2005, 2007 гг.
  • Международный конгресс-выставка “Global Education – Образование без границ 2007”, г. Москва, 2007 г.
  • Международная Крымская конференция “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии” (КрыМиКо’2008), г. Севастополь, 2008 г.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Предложенный рекурсивный алгоритм численного анализа волновых процессов в нерегулярных связанных линиях передачи, содержащих сосредоточенные неоднородности, обеспечивает вычисление распространяющихся квази-Т волн по известным значениям напряжений и токов в одном из сечений структуры и данных о параметрах конструкции связанных линий передачи без вычисления матриц собственных значений и собственных векторов.

2. Распределено-сосредоточенный характер рассматриваемых комбинированных структур обусловливает преимущество использования измерений характеристик цепей в импульсном режиме, с последующим вычислением частотных характеристик, при реализации расчетно-экспериментального метода оптимизации.

3. Совокупность предпринятых мер: применение нерегулярного профиля вибраторов; включение корректирующих фильтров; использование согласующе-симметрирующего устройства на входе позволяет расширить полосу рабочих частот комбинированной антенны и обеспечить перекрытие по частоте 20:1 при ограниченном уровне входного КСВ.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 26 работ, в том числе 5 в журналах из перечня ВАК. Получен 1 патент на изобретение, 1 патент на полезную модель. Результаты диссертационной работы отражены в 7-ми отчетах о НИР.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и четырех приложений. Общий объем работы составляет 210 страниц, включая 170 текста, а также 158 рисунков, 6 таблиц. Список литературы и используемых источников содержит 194 наименования. Общий объем приложений составляет 43 страницы.





Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цель и задачи исследования, показаны научная новизна и практическая ценность работы, изложены научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор методов анализа и синтеза распределено-сосредоточенных структур комбинированного типа. Описаны основные подходы к анализу и синтезу устройств на нерегулярных линиях передачи. Обоснована необходимость разработки алгоритмов численного анализа структур, содержащих нерегулярные связанные линии передачи произвольной формы и сосредоточенные корректирующие включения.

Во второй главе решается задача расчета волновых процессов в нерегулярных комбинированных структурах, содержащих отрезки связанных линий с неоднородными первичными параметрами и сосредоточенные неоднородности [3, 4]. Обобщенная эквивалентная схема комбинированной структуры (КС) приведена на рис. 1.

В основе развиваемого подхода лежит способ построения конечно-разностной схемы, в котором не накладывается ограничений на закон изменения первичных параметров по продольной координате. Для вычисления волновых параметров рассматриваемых связанных линий без учета сосредоточенных неоднородностей исходной является система дифференциальных уравнений, матричная форма записи которой имеет вид:

, (1)

где , – столбцовые матрицы напряжений и токов в связанных линиях;

, , , – матрицы первичных параметров, зависящие от продольной координаты x.

Форма записи (1) позволяет существенно упростить задачу анализа без потери общности, т.к. при произвольной зависимости от времени t можно воспользоваться обратным преобразованием Фурье, и в этом случае рассматривается как одна из спектральных составляющих в разложении воздействующих сигналов и отклика в ряд Фурье.

Проблема интегрирования уравнений (1) состоит в том, что первичные параметры, напряжения и токи, как функции продольной координаты, в комбинированных структурах рассматриваемого класса разрывные вследствие наличия сосредоточенных неоднородностей и не являются дифференцируемыми в конечном числе точек, соответствующих точкам включения этих неоднородностей.

Для решения задачи интегрирования системы уравнений (1) с учетом сосредоточенных неоднородностей предложен и реализован рекурсивный метод анализа нерегулярных комбинированных структур. Подход основан на численном решении дифференциальных уравнений комбинированных структур. Для этого отрезки нерегулярных связанных линий (НСЛ) комбинированной структуры разбиваются равномерной сеткой по координате x с шагом . Размер шага выбирается исходя из величины рабочей длины волны в линии и размеров сосредоточенных неоднородностей. Первичные параметры элементарных отрезков НСЛ, образованных в результате дискретизации комбинированной структуры, считаются постоянными внутри каждого шага разбиения . При этом первая производная напряжений и токов в выражении (1) заменяется приближенным конечно-разностным выражением.

В работе исследовались способы численного решения телеграфных уравнений с заменой производной разностью "вперед":

, (2)

а также с заменой производной “центральной” разностью:

. (3)

В результате подстановки выражений (2) и (3) в систему (1) были получены матричные рекурсивные выражения (4) и (5) для вычисления напряжений и токов в структурах комбинированного типа.

, (4)

, (5)

где комплексные матрицы сопротивлений;

комплексные матрицы проводимостей;

k – номер узла сетки.

Таким образом, параметры комбинированной структуры представляются множеством матриц комплексных погонных сопротивлений Z и проводимостей Y, определяемых в узлах сетки, покрывающих отрезки НСЛ и сосредоточенные неоднородности. Учет сосредоточенных неоднородностей осуществляется на основе эквивалентного представления их “элементарным” отрезком линии передачи (см. рис.2). Такое эквивалентное представление сосредоточенных участков КС позволяет добиться однородности структуры конечно-разностных уравнений и упростить процедуру численного анализа таких структур. Для численного решения телеграфных уравнений комбинированных структур с использованием выражений для полных волн напряжений и токов (4), (5) необходимо и достаточно определить значения полных напряжений U0 и токов I0 в сечении x=0, соответствующем номеру узла сетки k=0. Указанные величины могут быть определены экспериментально или в результате моделирования.

Разработанный алгоритм расчета входных параметров комбинированной структуры, а также напряжений и токов (U0, I0) на входе при заданных граничных условиях, состоит из следующих этапов:

  1. структурная (блочная) дискретизация;
  2. дискретизация отрезков нерегулярных связанных линий;
  3. расчет погонных параметров элементарных отрезков НСЛ;
  4. расчет матриц передачи отрезков НСЛ;
  5. расчет матриц передачи сосредоточенных включений;
  6. расчет полной матрицы передачи комбинированной структуры;
  7. вычисление напряжений и токов на входе комбинированной структуры;
  8. расчет распределения напряжений и токов.

В работе приводится алгоритм анализа комбинированных структур во временной области, который основывается на разработанных моделях и алгоритмах анализа КС и известном методе прямого и обратного преобразования Фурье.

Анализ сходимости конечно разностных алгоритмов на основе рекурсивных соотношений (4), (5) и оценка точности расчета волновых процессов осуществлялись путем сравнения результатов численного анализа с известным из работ Салия И. Н. аналитическим решением для отрезка канонической нерегулярной линии передачи (КНЛП). Отрезок КНЛП включался согласно схеме рис. 3 и описывался следующими параметрами: длина отрезка l=0.3 м; волновое сопротивление на входе линии (0)=50 Ом; перепад волновых сопротивлений R=4. Коэффициент формы отрезка КНЛП k принимал значения: 2.5, 1.4, 0, 2.2, 8. Соответствующие этим коэффициентам зависимости характеристического сопротивления от координаты по длине приведены на рис. 4.



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.