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 |

Улучшение параметров сверхвысокочастотных устройств с протяженными кольцевыми резонаторами

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

СЛАПОВСКАЯ Юлия Петровна

УЛУЧШЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫХ

УСТРОЙСТВ С ПРОТЯЖЕННЫМИ КОЛЬЦЕВЫМИ РЕЗОНАТОРАМИ

05.12.07 – Антенны, СВЧ - устройства и их технологии

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов 2010

Диссертация выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Сивяков Борис Константинович

Официальные оппоненты - Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Коломейцев Вячеслав Александрович
- Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор
Мещанов Валерий Петрович

Ведущая организация Саратовский филиал Учреждения Российской академии наук Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН

Защита состоится 22 декабря 2010 г. в 13 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.242.01 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, корп. 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» (410054, Саратов, ул. Политехническая, 77).

Автореферат разослан « 19 » ноября 2010 г.

Автореферат размещен на сайте Саратовского государственного технического университета www.sstu.ru « 19 » ноября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета А.А. Димитрюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Известны и применяются на практике различные приборы и устройства, одной из основных частей которых являются протяженные кольцевые резонаторы с периметром, многократно превышающим длину электромагнитной волны в резонаторе. Это лазерные гироскопы, волоконно-оптические гироскопы, устройства интегральной микроэлектроники, многолучевые электровакуумные приборы СВЧ-миллиметрового диапазона длин волн, антенные устройства и другие. Развитие СВЧ-техники: продвижение в область миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн, появление эффективных генераторов и технологий изготовления схем открывает новые возможности по применению протяженных кольцевых резонаторов в сверхвысокочастотных устройствах различного назначения.



К числу таких устройств следует отнести сверхвысокочастотные гироскопы, предложенные Harry D. Felsenthal, П.К. Плотниковым и другими исследователями, электронные приборы и устройства миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов, а также технологические установки по обработке и модификации свойств материалов.

Анализ известных конструктивных решений СВЧ-гироскопов, показал, что, несмотря на предложенные усовершенствования и повышение рабочей частоты, они обладают недостаточной чувствительностью. Поэтому задача повышения чувствительности является актуальной для данного вида гироскопов.

Одним из перспективных направлений повышения чувствительности представляется использование переходного процесса в кольцевом резонаторе после окончания импульса возбуждения. В результате многократно увеличивается путь, пробегаемый электромагнитной волной до её полного затухания и, соответственно, растет чувствительность гироскопа. Однако математические модели переходного и установившегося процессов в сверхвысокочастотном кольцевом резонаторе и особенности его свойств, связанные с учетом эффекта Саньяка, остаются недостаточно изученными.

СВЧ-технологии обработки и модификации свойств материалов все шире применяются в различных отраслях промышленности и научных исследованиях. Возрастающие требования по повышению энергоэффективности установок и увеличению уровней напряженности электрического и магнитного полей для модификации материалов выдвигают резонаторные камеры в число наиболее перспективных. Протяженные кольцевые резонаторы позволяют использовать несколько генераторов, что повышает мощность установки, и увеличить длительность обработки, в том числе за счет многократности перемещения материала в резонаторе без выхода из зоны обработки. В фундаментальных работах Э. Окресса, Н.Д. Девяткина, Ю.С. Архангельского, В.А. Коломейцева и других отечественных и зарубежных ученых камеры на кольцевых резонаторах не рассматривались и особенности электромагнитных процессов в них не исследовались.

В связи с этим становятся актуальными поиск путей повышения чувствительности СВЧ гироскопов и улучшения параметров СВЧ-технологических установок в результате применения протяженных кольцевых резонаторов в качестве рабочих камер, а также разработка математических моделей, позволяющих провести моделирование переходного и установившегося процессов в кольцевых резонаторах.

Цель диссертационной работы.

Поиск возможностей повышения чувствительности сверхвысокочастотных гироскопов и улучшения параметров технологических устройств на основе протяженных кольцевых резонаторов. Разработка математических моделей и исследование переходного и установившегося процессов в протяженных кольцевых сверхвысокочастотных резонаторах с учетом эффекта Саньяка при произвольном числе генераторов СВЧ-энергии.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

  1. Разработка математических моделей переходного и установившегося процессов в протяженном кольцевом резонаторе с учетом эффекта Саньяка в импульсном и непрерывном режимах работы генераторов СВЧ-энергии.
  2. Разработка программы компьютерного моделирования переходного процесса в кольцевом резонаторе с учетом эффекта Саньяка при произвольном числе генераторов.
  3. Исследование характеристик и оценка чувствительности СВЧ-гироскопа в импульсном режиме работы.
  4. Разработка конструкции рабочей камеры со стоячей волной технологической установки на основе кольцевого сверхвысокочастотного резонатора.
  5. Разработка программы компьютерного моделирования процессов в кольцевом резонаторе технологической установки при произвольном числе генераторов.
  6. Исследование характеристик кольцевой рабочей камеры СВЧ-установки с несколькими генераторами.

Методы и средства исследований.

В работе использованы методы и результаты электродинамики и техники СВЧ, теории цепей с распределенными параметрами, теории периодических структур, методы математического моделирования и построения алгоритмов. Для апробации моделей применялся пакет прикладных программ MathCAD. Разработанные алгоритмы программ и пользовательский интерфейс были реализованы на объектно-ориентированном языке Тurbo Delphi в среде Borland Delphi 7.

Научная новизна.

  1. Предложена конструкция СВЧ-установки для обработки диэлектрических материалов с камерой стоячей волны на кольцевом резонаторе с несколькими генераторами, позволяющая обеспечить равномерность электромагнитного поля вдоль резонатора (решение о выдаче патента на изобретение от 28.09.2010 по заявке № 201104119/07(005849) от 10.02.2010 г.).
  2. Показана эффективность использования переходного процесса после окончания импульса возбуждения протяженного кольцевого резонатора для повышения чувствительности СВЧ-гироскопа.
  3. Разработаны математические модели переходного и установившегося процессов в сверхвысокочастотном протяженном кольцевом резонаторе в импульсном и непрерывном режимах работы генераторов СВЧ-энергии, отличающиеся от известных учетом эффекта Саньяка.
  4. Методом математического моделирования исследованы особенности переходного процесса при импульсном возбуждении резонатора.
  5. Проведено теоретическое исследование характеристик электромагнитного поля в кольцевой камере в случае двух несинхронизированных генераторов, при вводах энергии расположенных друг относительно друга на расстоянии нечетного числа четвертей длины волны в резонаторе. Показана возможность обеспечения в этом случае равномерности обработки материала в резонаторе.

Научные результаты и положения, выносимые на защиту:

  1. Конструкция СВЧ-установки для обработки диэлектрических материалов с камерой стоячей волны на кольцевом резонаторе с несколькими генераторами, вводы энергии которых в резонатор расположены друг относительно друга на расстоянии нечетного числа четвертей длины волны в резонаторе, позволяет обеспечить равномерность обработки материала.
  2. Результаты исследования переходного процесса в кольцевом резонаторе после окончания импульса возбуждения, обосновывающие возможность повышения чувствительности сверхвысокочастотных гироскопов за счет многократного увеличения пути, пробегающего электромагнитной волной до её полного затухания.
  3. Математические модели переходного и установившегося процессов в сверхвысокочастотных протяженных кольцевых резонаторах с учетом эффекта Саньяка, позволяющие исследовать характеристики резонаторов при импульсном и непрерывном режимах работы генераторов СВЧ-энергии.

Практическая значимость.

Разработанные программы позволяют адекватно моделировать переходный и установившийся процессы в протяженных кольцевых сверхвысокочастотных резонаторах и могут быть использованы при проектировании СВЧ-устройств (свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2010615567 от 30.08.2010 г.). Предложенная конструкция СВЧ-установки для обработки диэлектрических материалов обеспечивает равномерность и повышенный уровень электромагнитного поля в камере, что позволит повысить эффективность обработки материалов. Конструкция СВЧ-гироскопа с импульсным возбуждением резонатора обладает более высокой чувствительностью по сравнению с известными СВЧ-гироскопами, работающими в режиме непрерывного возбуждения.

Ряд результатов диссертации используется в учебном процессе на кафедре «Электронные приборы и устройства» Саратовского государственного технического университета в курсах «Электродинамика и микроволновая техника» и «Математические модели и САПР ЭПУ СВЧ».

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах: Санкт-Петербургской Международной конференции по интегрированным навигационным системам (Санкт-Петербург, 2007 г., 2008 г.), Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Ярославль, 2007 г.), Международной научно-практической конференции «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности» (Саратов, 2007 г.), Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 2006 г., 2008 г., 2010 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2009 г.). Актуальность работы подтверждается выполнением НИОКР по программе «У.М.Н.И.К.» (грант Слаповской Ю.П. Фонда содействия развитию малым предприятиям в научно-технической сфере).





Достоверность и обоснованность результатов.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов обеспечиваются корректным применением методов электродинамики, теории СВЧ-цепей, теории цепей с распределенными параметрами, математического моделирования и современных программных средств, а также обоснованностью упрощающих допущений и соответствием результатов расчетов по предложенным моделям, там, где это возможно, данным, полученным другими теоретическими методами и авторами.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 19 работ, из них две статьи в журналах, входящих в перечень ВАК РФ, получены свидетельство о регистрации программы и решение о выдаче патента на изобретение.

Структура и объем диссертации.

Диссертация общим объемом 143 страницы состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 78 наименований, и двух приложений, содержит 57 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении проведен краткий обзор областей применения протяженных кольцевых резонаторов и дан анализ современного состояния теории и результатов исследований процессов в кольцевых сверхвысокочастотных резонаторах, обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, изложены новые научные результаты, полученные в диссертации, ее практическая ценность, приведены положения, выносимые на защиту, и сведения об апробации и применении результатов работы.

В первой главе описаны принципы работы и конструкции приборов и устройств, основанных на протяженных кольцевых резонаторах.

В кольцевых сверхвысокочастотных гироскопах кольцевой резонатор выполнен в виде волновода, свернутого в кольцо (рис. 1а). Анализ известных конструктивных решений СВЧ-гироскопов показал, что они обладают недостаточной чувствительностью. Поэтому задача повышения чувствительности является актуальной для данного вида гироскопов. Одним из перспективных направлений повышения чувствительности представляется использование переходного процесса в кольцевом резонаторе после окончания импульса возбуждения.

В интегральном исполнении кольцевые резонаторы могут быть образованы на различных видах линий передачи.

В технике и приборах СВЧ кольцевые объемные резонаторы применяются главным образом в многолучевых клистронах (рис. 1б) и приборах магнетронного типа. Особенно актуальным становится применение кольцевых резонаторов в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах. Также известна конструкция вихревого электромагнитного реактора плазменного преобразователя энергии (рис. 1в).

Проведен обзор известных типов резонаторных рабочих камер технологических устройств, который показал, что камеры на кольцевых резонаторах не рассматривались и особенности электромагнитных процессов в них не исследовались.

Рис. 1. Приборы и устройства СВЧ, в состав которых входит кольцевой резонатор

Проведенный анализ показал, что математические модели переходного и установившегося процессов в сверхвысокочастотных кольцевых резонаторах и его свойства, связанные с учетом эффекта Саньяка, а также в случае произвольного числа генераторов с вводами энергии в резонатор остаются недостаточно изученными.

В связи с этим становятся актуальными поиск путей повышения чувствительности СВЧ-гироскопов и улучшения параметров СВЧ-технологических установок, а также разработка математических моделей, позволяющих провести моделирование переходного и установившегося процессов в кольцевых резонаторах.

Во второй главе построены математические модели переходного и установившегося процессов в протяженном кольцевом СВЧ-резонаторе с учетом эффекта Саньяка при произвольном числе генераторов, разработаны программы моделирования.

В работе А.С. Логинова и А.Ш. Майорова1 показано, что решение уравнений Максвелла в кольцевом резонаторе может быть представлено в виде волнового уравнения, решением которого являются бегущие волны.

Таким образом, для анализа процессов в протяженном кольцевом резонаторе можно использовать теорию электрических цепей с распределенными параметрами.

Эффект Саньяка состоит в том, что на вращающемся объекте расстояние, проходимое прямой электромагнитной волной в направлении вращения по замкнутому волноводу, отличается от расстояния, проходимого встречной волной по тому же контуру, что лежит в основе работы СВЧ и оптических гироскопов.

Рассмотрим волновод, свернутый в виде кольца и замкнутый сам на себя (рис. 2). В резонатор подается импульс напряжения длиной и с амплитудой Um. При этом в нем возбуждаются две волны (прямая и встречная), распространяющиеся в противоположных направлениях от точки возбуждения.

Платформа, на которой установлен резонатор, вращается с угловой скоростью z. При вращении платформы появляется разность времен хода волн t, так как волны будут проходить разные расстояния. Следовательно, они будут обладать различными фазовыми скоростями , фазовыми постоянными и коэффициентами затухания относительно резонатора, зависящими от абсолютной угловой скорости z (все обозначения, относящиеся к прямой волне, имеют индекс «+», к встречной волне – индекс «-»). В силу цикличности распространения происходит сложение как прямых, так и встречных волн. Выражение, описывающее процесс распространения волны, имеет вид для прямой волны:

, (1)

для встречной волны:

, (2)

где – амплитуда напряжения прямой (встречной) волны на входе резонатора =0 в момент времени , когда волны поступают в резонатор; N – число циклов сложения волн; n – число полных оборотов волны; nt – число оборотов (nt= N), совершаемых волной за время tn; – угол на текущем n+1 обороте; R – радиус кольца резонатора; - начальная фаза волн при t=0.

Сложение волн происходит в сечении резонатора с координатой n, / в данный момент времени t. Волны поступают в резонатор в разные моменты времени , которые определяются следующими выражениями:

, (3)

где – время, затрачиваемое прямой и встречной волнами для достижения рассматриваемого сечения (n, /). Соответственно,

; . (4)

Граничные условия для амплитуды напряжения:

(5)

Суммарная (стоячая) волна является результатом сложения прямых и встречных волн:

. (6)

При вращении платформы со скоростью z фазовые скорости электромагнитных волн относительно резонатора равны:



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.