Введение к работе
Актуальность темы. При разработке новых, более совершенных радиотехнических систем специального назначения и их элементной базы, кик и для любых видов производств, основными являются задачи сокращения стоимости к сроков разработки и изготовления более совершенных образцов техники. Особо остро эти задачи истают при производстве СВЧ-техиикн, где большая часть времени тратится на отладку изделии. Так, для современного производства резонансных многозвенных фильтрующих н согласующих устройств характерно широкое применение доводочных и настроечных работ, относительная трудоемкость которых'может достигать 50 - 80% от трудоемкости всего цикла.
Отмеченная ситуация сохраняется несмотря на то, что точность технологического оборудования, применяемого в производстве техники СВЧ, на 1-2 порядка превышает требуемую, а п арсенале методов и средств проектирования имеются строгие математические модели и мощная вычислительная техника.
Таким образом, для повышения эффективности технологии производства техники СВЧ необходимо искать нетрадиционные методы и средства.
Среди основных факторов, определяющих сроки и стоимость новых разработок, можно выделить адекватность и точность физических it математических моделей разрабатываемых устройств. Действительно, значительные затраты средств и времени на экспериментальную отработку новых технических объектов объясняются, и первую очередь, недостаточной точностью исходных физических и мапмашческлх моделей, а также несовершенством применяемого дня поиска оптимальных параметров математического аппарата.
Дли достаточно большого ряда радиотехнических и радиооптическнх систем, в том числе и измерительных, в основе элементной базы лежат волноводно-дпэлекгрпческне слоистые структуры (ВДСС), обеспечивающие требуемые вол-новедущие и резонансные своі'їсіва. В развитие и становление теории указанных структур внесли значительный вклад П.В. Лебедев, Л.А. Вайнштейн, А.Л. Мика-эляи, Л.В. Ллеіачтїчнк, МБ. Ильченко, Б.Ю. Капнлевнч, В.А. Коробкші, ІО.В. Шорой, В.В. Никольский, Б.1І. Васильев, В.Ф. Взягышев, ІО.А. Покровским в .России, а іакиги Marcnvitz N., Marcaiiti Б.A.J., Levin L., Hamid A.hi. за рубежом. Резудьтап.і многолетних исследовании позволяют эффективно решать с помощью ВДСС іадачн миниатюризации функциональных элементов И устройств СВЧ
Однако известные физические модели ВДСС, использующиеся для проекш-рованші фп.чырующе-согласующнх СВЧ-ycrpoiicre, существенно отличаются от |н:,і:плп їх обьекгов: эти модели либо nocTjioeiibi на основе элементов с сосредо-юч иными параметрами, либо не учитывают такие важные аспекты, как дисперсии связи между компонентами, а также влияние нерегулярностей структур на их свойства (краевыеэффекты).
По ному актуальной является задача существенного увеличения точности нроскіирования многозвенных резонансных структурСВЧ-устройств. Решение ее позволит повысить эффективность технологии производства техники СВЧ путем значительного сокращения доводочных и юстировочных работ.
Опьскт исследования диссертации - воииоводно-днэлектрические структуры циніки СВЧ и особенности іехиолоіии их производства.
Предмет исследования диссертации - взаимосвязанная совокупность методов, моделей и алгоритмов проектирования волноводно-диэлектрических структур, способствующая, путем увеличения точности их проектирования, снижению стоимости и повышению производительности технологических процессов производства техники СВЧ.
Целью работы является сокращение сроков и стоимости отработки устройств техники СВЧ на основе многозвенных резонансных структур путем существенного уменьшения объема настроечных и доводочных работ за счет повышения точности проектирования.
Задачи исследований.
-
Разработка метода и алгоритма идентификации резонансного звена как базового элемента объекта проектирования.
-
Разработка метода и алгоритма идентификации состояния резонанса -рабочего состояния объекта проектирования и его элементов.
-
Разработка метода и алгоритма идентификации материалов - основных компонентов технологического процесса.
4. Разработка моделей и алгоритмов анализа и синтеза многозвенных
фильтрующе-согласующих структур с частотно-зависимыми связями в одномо-
довом приближении. .
5. Разработка моделей и алгоритмов анализа волноводно-диэлектрических
структур в строгой электродинамической постановке.
На защиту выносятся:
). Метод и алгоритм идентификации резонансного звена с распределенными параметрами по значению его фазовой координаты.
-
Метод и алгоритм идентификации рабочего состояния резонансного звена.
-
Метод и алгоритм повышения точности идентификации параметров технологического материала при измерении резонансным методом.
-
Алгоритм расчета параметров прототипа селективных устройств на основе волноводно-диэлектрических структур с запредельными связями (ВДСЗС-прототипа), позволяющий повысить точность определения значений парамегров при большом числе звеньев.
5. Комплект таблиц для расчета параметров прототипов иолосно-про-
пускающих фильтров и согласующих устройств с максимально-плоской частот
ной характеристикой, учитывающего дисперсию элементов связи.
-
Новый прототип фильтрующе-согласующих устройств на связанных линиях, учитывающий частотную зависимость связи.
-
Обобщение метода интегральных уравнении для эквивалентных токов на поверхности цилиндрического диэлектрического тела на случай неограниченной слоистой диэлектрической структуры, позволяющее решать задачи на возбуждение собственных волн.
-
Метод расчета параметров собственных волн и полей рассеяния, возбуждаемых на нерегулярности слоистой плоской диэлектрической структуры.
-
Алгоритм расчета электродинамических параметров плоской диэлектрической структуры с произвольной формы нерегулярности.
Методы исследования. Для получения основных теоретических результатов были использованы методы теории дифференциальных и интегральных, уравне-
ний, методы теории потенциала математической физики, методы теории функций комплексной переменной.
Научная новизна. В результате выполнения работы:
-
Разработаны метод и алгоритм идентификации резонансного звена, как базового элемента техники СВЧ, по непрерывному основному информационному параметру - фазовой координате, обеспечивающие повышение точности проектирования фильтрующе-согласутощих устройств СВЧ и снижение, за счет этого, объема технологических доводочных операций.
-
Разработаны метод и алгоритм идентификации рабочего состояния резонансного звена, позволяющие повысить точность фиксации рабочего состояния и, вследствие этого - повысить точность измерения параметров материалов н уменьшить трудоемкость и стоимость производства устройств СВЧ, использующих высококачественные диэлектрики.
-
Разработан алгоритм синтеза ВДСЗС-прототипа многозвенных селективных устройств, обеспечивающий повышение точности проектирования многозвенных фильтрующе-согласуіоших устройств СВЧ и снижение трудоемкости и стоимости настроечных работ.
-
Разработан новый прототип фильтрующе-согласутощих устройств на связанных линиях передачи, более точно отражающий электромагнитные явления в связанных линиях, обеспечивающий повышение точности проектирования и эффективности производства соответствующих устройств СВЧ .
-
Разработаны математические модели базовых нерегулярностей слоистых диэлектрических структур, позволяющие более точно учесть краевые эффекты и, тем самым, повысить степень соответствия нового прототипа фильтрук>'-це-согласующих устройств на связанных линиях передачи реальным объектам.
-
Создан универсальный алгоритм расчета электродинамических параметров нерегулярности практически любой формы в слоисто-диэлектрической структуре, позволяющий определять значения технологических допусков на производство устройств СВЧ на базе диэлектрических слоистых структур.
Практическая цеішость н реализация результатов. Применение метода непрерывной идентификации базового элемента - резонансного звена - существенно повышает точность проектирования многозвенных фильтрующе-согласующнх устройств техники СВЧ и для ряда основных параметров уменьшение погрешности достигает 40 н более раз.
Применение метода оптимальной идентификации рабочего состояния резонансного звена уменьшает погрешность фиксации рабочего состояния, что приводит к увеличению точности измерения параметров диэлектрических материалов в 3-5 раз по сравнению с традиционными методами.
Применение разработанных методов, моделей и алгоритмов в проектировании многозвенных фнльтрующе-соглаеукзщцх.устройств техники СВЧ при использовании материалов с разбросом параметров в пределах заданного дйпуска практически исключает необходимость технологических сферацнЦ подгонки и подстройки, что подтверждается малый (не более 5%) отличней измеренных в ходе экспериментальных исследований Значений параметров спроектированных устройств от требуемых.
Метод оптимальной идентификации рабочего состояния резонансного звена использован в разработанной в рамках МИР (1-81 и НИР 85-3S4 установки дая прецизионного измерения параметров диэлектриков, внедренной на ряде
с *
с;:еднрняг:;;; { К Лі"), ІКІБЛ - г. Тула; НПО "Стеклопластик" - г. Зеленоград Мо-
c;cc:.'.c;-:oii обл.). ООіг.чіі экономический эффект or внедрения составил 534 тыс.
ї;уй. в цеікіх І'Жі". ' . -
Па сс:і&::.' 1!с;:а-д,::о;;андл метод:» непрерывной идентификации резонансного :;.::;»;: u y>:tта д<:спег.-;;н элементов сиязп создан комплект таблиц для расчета га-ріімеїроз прототлни:, полосно-пронускающнх фильтров с максимально-плоской ч-істоі'ііоіі характеристикой.
По р'луліл;'.кім лесладоиаиші издано учебное пособие "Обобщенный врл->:OuOi'i синтез многозвенных структур с распределенными параметрами на основе ЛДСЗС-протот:;н;.'' а разработан пакет программ дла синтеза фтшырующе-шглаеуюшнх устройств техники СВЧ ни основе регулярных МНОГОСЛОЙНЫХ ПЛОСКИ," полиоводно-дтле'ктрнческнх структур, используемый в учебном процессе кафедры "Радяигш.-ісгроііни!" ТулГУ при изучении курсов "Электродинамика и распространен;!:: радиоволн", "Устройства СВЧ и антеннії".
Обог:;:;г;п;і:мїь і: д'зетомрнасть результатов рабшы. Теорегическис результаты диссертационной работы получены строго обоснованными методами:
' - интегральных ур. мнений для нерегулярных слоистых димекгрнчеехнх структур с использованием математически корректных процедур Крылова-Боголюбова н ГалеркіПіа-Ритца;
- модифицированных рекуррентных формул Покровского для регулярных
слоистых дизлехтрдчеешх структур.
Контроль результатов осуществлялся путем:
решении задач дп.ч структур, которые могут быть исследованы строго методом собственных функций;
анализа внутренней сходимости решений;
проверки выполнения закона сохранения энергии;
сравнений с известными тсстоаьши результатами;
срааншш с зггенерименталыю полученными данными.
IljGflijwauSisj і: глро-Зацш; работы. По материалам диссертации опублнкоца-
ssa 3! печатная работа, сделано 20 докладов на конференциях и семинарах, полу
чен патент РФ па изобретение. .
OGbevi и evpys-rrypa диссертации. Работа состоит из введения, пяти разделов я заключения. Содержит ИЗ страниц основного текста, 30 рисунков, 3 таблиц, библиографию из 179 наименований, 5 приложений, акты о внедрении.
