Введение к работе
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 волно-водные и резонансные устройства бесконтактной диагностики быстропроте-кающих 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 (В. Cohn) опубликовал в 1953 г. Однако до начала XXI века точность радиоинтерферометрических методов при измерении скоростей процессов оставалась на уровне (1-5) Ю"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:
Получение распределений полей зондирующих волновых образований, близких к распределению одного или нескольких гауссовых пучков, в том числе с различными размерами в поперечных направлениях.
Поиск обликов, разработка конструкций и создание методов оптимизации параметров различных типов волноводно-пучковых преобразователей (ВПП), служащих для выполнения набора функций п.1.
Поиск принципов построения и проектирования набора ВПП, дающих возможность многоканального, обликового анализа объектов диагностики.
Совмещение функций формирования и обработки волновых образований.
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,я), круглого (рис. 1,6) и прямоугольного (рис. 1 ,в) сечения.
Для достижения этой цели необходимо решить ряд задач:
Рис.1. Поперечные сечения четы-
рехсвязных МСДВ: а - из планар-
ных; б - из круглых элементов; в -
из прямоугольных элементов
исследовать электродинамические явления и процессы, происходящие в МСДВ и в устройствах на их базе;
изучить закономерности этих явлений и свойств таких устройств
^В nenBvK? ОЧЄпЄттЬ — волново^но-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. 1,6 и в), пластины (рис.1,я)). 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, как правило, 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), СЕ. Банков, Ю.И. Орехов, А.Б. Тихонов, Б.А. Мурмужев (ДВ и устройства на них в интегральном исполнении); Э.М. Гутцайт, СБ. Раевский, Б.Ю. Капилевич, В.В. Крутских (металлодиэлек-трические 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.
Набор «волноводных» параметров - элементов матрицы рассеяния Sik = bi I ak, где bi - амплитуда волны, выходящей из г'-го плеча устройства, ак - амплитуда волны, входящей в к-ое плечо устройства.
Набор полевых характеристик - амплитудно-фазовых распределений полей на апертурах, возбуждаемых волнами в различных волноводных плечах.
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.
Предложено рассматривать волновую подсистему диагностики, выполняемую из диэлектрика, как совокупность различных направленных функциональных узлов на МСДВ.
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.
3. 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.
Обнаружено явление согласованной пространственной самофильтрации высших мод на нерегулярных участках МСДВ.
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.
Показано, что многозлементкые диэлектрические устройства ооладзют большей эффективностью и лучшими качествами формируемого поля, чем одноэлементные.
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.
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 пла-нарных элементах МСДВ, а также повысить точность измерений за счет коррекции систематических погрешностей.
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
Многосвязные диэлектрические волноводы (МСДВ) как обобщенная элементная база открытых диэлектрических КВЧ устройств.
Созданные на базе МСДВ волновые устройства (в частности, ВПП), обладающие большей эффективностью и лучшими качествами формируемых полей, чем одноэлементные.
Физическая теория регулярных и нерегулярных МСДВ.
Принципы построения ВПП на МСДВ, основанные на физической теории и результатах эксперимента, рекомендации по проектированию ВПП.
Методики экспериментального исследования полей и волн в МСДВ и ВПП, макет сопряженного с компьютером аппаратно-программного комплекса и комплект волновых зондов.
Экспериментальное подтверждение возможности достижения в МСДВ режима с малым затуханием.
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 пот7твепл/'т7ается 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.
