автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Ферритовые элементы КВЧ-устройств бортовых РЛС: расчет конфигурации и технология изготовления

На правах рукописи

Светланов Юрий Александрович

ФЕРРИТОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КВЧ-УСТРОЙСТВ БОРТОВЫХ РЛС: РАСЧЕТ КОНФИГУРАЦИИ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Специальность 05.12.07 - Антенны, СВЧ-устройства и их технологии

□ □34 79Б£ЗЬ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2009

003479685

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии федеральный научно-производственный центр «Научно-исследовательский институт измерительных систем им. Ю.Е. Седакова», г. Нижний Новгород

Научный руководитель: доктор технических наук,

старший научный сотрудник Козлов Валерий Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Орлов Олег Сергеевич

кандидат технических наук, доцент Щербаков Владимир Викторович

Ведущая организация: ФГУП Нижегородский научно-исследовательский

приборостроительный институт «Кварц», г. Нижний Новгород

Защита состоится 11 ноября 2009 года в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.01 в Нижегородском государственном техническом университете им. P.E. Алексеева по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Hl ТУ.

Автореферат разослан _L октября 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Назаров A.B.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Диссертационная работа включает в себя научные и технические результаты, полученные автором лично и под его руководством в течение ряда лет при выполнении НИР и ОКР, проводившихся в ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова», в том числе в соответствии с Федеральными целевыми Программами «Развитие ядерного оружейного комплекса на 1998-2005 гг.», «Развитие ядерного оружейного комплекса на 2007-2010 и на период до 2015 гг.», утвержденными Постановлениями Правительства РФ, и «Государственной программой вооружения на период до 2010 года», утвержденной Указом Президента РФ.

Разработчиками современных бортовых радиолокационных систем (РЛС) большое внимание уделяется освоению КВЧ диапазона радиоволн с целью создания малогабаритных радиолокаторов, имеющих высокие точностные характеристики [Л.1-Л.4]. Особенно актуально это направление исследований в плане создания бортовых радиолокационных комплексов, предназначенных для измерения расстояния от летательного аппарата до поверхности Земли и определения радиояркостных характеристик подстилающей поверхности [Л.З, Л.5,]. Определяющее значение при создании приборов этого класса имеет разработка малогабаритных приемопередающих устройств (ППУ), обеспечивающих требуемые электрические характеристики. В составе высокочастотных блоков ППУ традиционно широко используются развязывающие устройства. В КВЧ диапазоне радиоволн существенно возрастает роль отключающих и переключающих ферритовых устройств (ФУ) [Л.6 - Л.8], поскольку их габариты сравнимы с габаритами полупроводниковых устройств аналогичного назначения. По допустимым уровням мощности, и устойчивости к радиационным воздействиям переключающие ФУ имеют преимущества перед полупроводниковыми устройствами. Эти качества переключающих ФУ делают их использование предпочтительным, особенно в составе антенно-фидерных систем (АФС) с управляемыми диаграммами направленности [Л.6-Л.7]. Следует отметить, что использование переключающих ФУ в бортовых РЛС КВЧ диапазона обусловлено не только устойчивостью самих ферритов к воздействию радиационных облучений и СВЧ сигналов высокого уровня мощности, но еще и возможностью создания устройств с «магнитной памятью» [Л.8], в которых энергопотребление необходимо только в моменты переключения.

В КВЧ диапазоне радиоволн возможности расширения номенклатуры ФУ ограничены, поскольку ограничен сам выбор ферритовых материалов по намагниченности насыщения (не более 5000 Гс), а для намагничивания ферритов требуются достаточно большие магнитные поля (более 1000 Эрстед). Однако пути повышения эффективности использования ФУ в составе высокочастотных блоков ППУ бортовых РЛС есть. Один из таких путей - улучшение основных технических характеристик базовых ФУ (в том числе цир-куляторов, вентилей, переключающих устройств), а именно, уменьшение габаритов и массы, расширение полосы рабочих частот, повышение допусти-

мых уровней мощности и т.д. Данные возможности опираются на совершенствование методик проектирования базовых ФУ и создание новых технологических процессов, позволяющих выполнять обработку с высокой степенью точности ферритовых элементов и феррит-диэлектрических элементов (далее в тексте - ФЭ), являющихся неотъемлемой частью ФУ.

Таким образом, потенциальные возможности использования ФУ в составе бортовых РЛС, пути повышения эффективности их разработки и применения в составе высокочастотных блоков и АФС известны. Однако их практическая реализация до настоящего времени остается ограниченной. Существенными сдерживающими факторами являются отсутствие методик инженерного расчета конфигурации и технологических процессов изготовления основного компонента устройств - ФЭ.

Целью исследований, результаты которых приведены в диссертации, является создание научно обоснованных методик расчета геометрической конфигурации ФЭ, входящих в состав ФУ КВЧ диапазона радиоволн, и разработка технологических процессов их изготовления.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. На основе строгого электродинамического расчета характеристик собственных волн для базовой электродинамической структуры, используемой при проектировании ФЭ - круглого открытого продольно-намагниченного ферритового волновода, составлено дисперсионное уравнение (ДУ) и разработан алгоритм его численного решения;

2. Разработана методика инженерного расчета конфигурации ФЭ КВЧ развязывающих ФУ на металлических волноводах на основе численного решения ДУ для круглого открытого продольно-намагниченного ферритового волновода;

3. Разработана методика инженерного расчета конфигурации ФЭ переключающих ФУ на металлических волноводах на основе выделения в нем рабочей части и вспомогательного магнитопровода;

4. Разработаны технологические процессы размерной обработки ФЭ развязывающих и переключающих ФУ для реализации их изготовления с необходимой точностью в условиях производства;

5. Определен станочный парк и разработан комплект средств технологического оснащения, необходимых для изготовления ФЭ.

6. Проведено экспериментальное исследование технических характеристик опытных образцов ФЭ в составе ФУ, созданных на основе разработанных методик инженерного расчета и технологических процессов.

Методы исследования. Представленные в диссертационной работе результаты были получены с использованием метода частичных областей, метода укороченных уравнений, численных методов решения трансцендентных уравнений в комплексной плоскости, а также технологических методов постоянства и совмещения технологических баз при разработке технологических процессов изготовления ФЭ.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. На основе строгой постановки краевой задачи для круглого открытого продольно намагниченного ферритового волновода выведено дисперсионное уравнение и разработан алгоритм его решения;

2. Созданы новые методики расчета геометрической конфигурации ФЭ для развязывающих и переключающих устройств КВЧ диапазона радиоволн с использованием решения краевой задачи для круглого открытого продольно намагниченного ферритового волновода в строгой электродинамической постановке;

3. Создан новый комплекс технологических процессов прецизионной обработки малоразмерных ФЭ, позволяющий обеспечить получение ФЭ цилиндрической формы для развязывающих КВЧ ФУ;

4. Создан новый комплекс технологических процессов прецизионной обработки малоразмерных ФЭ, позволяющий обеспечить получение требуемой геометрической конфигурации ФЭ призматической формы с отверстиями для управляющего витка провода для переключающих КВЧ ФУ с магнитной «памятью».

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов, рекомендаций, сформулированных в диссертации подтверждается:

- использованием при составлении дисперсионного уравнения направляющей структуры теоретически обоснованных методов;

- использованием строгой электродинамической модели, отражающей особенности рассматриваемой резонансной структуры;

- применением практически обоснованных технологических методов и способов при изготовлении ФЭ

- достаточно точным совпадением результатов расчета с экспериментальными данными.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Созданы методики инженерного расчета геометрических размеров ФЭ, реализуемые при проектировании ферритовых КВЧ развязывающих и переключающих устройств для бортовых РЛС;

2. Разработаны и внедрены в производство технологии размерной обработки деталей цилиндрической и призматической формы из ферритовых заготовок, обеспечивающих заданную точность изготовления;

3. Сформулированы требования к парку технологического оборудования и технологическому оснащению для изготовления ФЭ в соответствии с разработанными и внедренными в производство технологическими процессами.

Реализация и внедрение результатов. Полученные в процессе выполнения диссертационной работы результаты нашли применение при создании (в части расчета и изготовления ФЭ) КВЧ развязывающих и переключающих ФУ для различных типов ППУ бортовых РЛС в рамках НИР и ОКР, выполненных и выполняемых ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова».

Положения, выносимые на защиту:

1. Полученное на основе строгой постановки краевой задачи дисперсионное уравнение для круглого открытого продольно-намагниченного ферри-тового волновода и предложенный алгоритм его численного решения, позволяют рассчитывать характеристики собственных волн данной структуры, необходимые для расчета геометрической конфигурации ФЭ развязывающих и переключающих КВЧ устройств бортовых РЛС.

2. Созданные на основе результатов решения дисперсионного уравнения для открытого ферритового волновода методики расчета геометрических размеров ФЭ дают возможность практической реализации развязывающих и переключающих ФУ высокочастотных блоков ППУ бортовых РЛС с использованием разработанных технологических процессов прецизионной обработки ФЭ.

3. Созданный сквозной технологический процесс размерной обработки деталей в форме цилиндра позволяет получать малоразмерные ФЭ для развязывающих ФУ КВЧ диапазона длин волн с необходимой точностью изготовления.

4. Созданные технологические процессы размерной обработки деталей из ферритов позволяют получать малоразмерные ФЭ в форме призмы с отверстиями для витка провода перемагничивания для переключающих ФУ КВЧ диапазона длин волн с необходимой точностью изготовления.

5. Основные результаты диссертации позволяют разрабатывать и выпускать ФЭ для ФУ высокочастотных блоков современных бортовых РЛС.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и получили положительную оценку на следующих научно-технических конференциях:

- IV Международная научно-техническая конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Нижний Новгород, 2005 г.;

- Международная научно-техническая конференции «Информационные системы и технологии», ИСТ-2007, Нижний Новгород, НГТУ, 2007 г.;

- XV координационный семинар по СВЧ технике, Нижний Новгород, 2007 г.;

- VI Международная научно-техническая конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Казань, 2007 г.;

- Научно-техническая конференция «Радиолокация. Теория и практика», Нижний Новгород, ННИИРТ, 2008 г.

- Международная научно-техническая конференции «Информационные системы и технологии», ИСТ-2009, Нижний Новгород, НГГУ, 2009 г.;

- VIII Международная научно-техническая конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Санкт-Петербург, 2009 г.;

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 19 работ, в том числе 6 статей в изданиях рекомендованных ВАК для опубликования основных результатов диссертационных работ на соискание ученой степени доктора и кандидата наук.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложения. Объем диссертации составляет 177 страниц основ-

ного текста, в том числе 51 рисунок и 20 таблиц, 15 страниц списка литературы (105 наименований), 6 страниц приложения, содержащего акт внедрения результатов диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается анализ современного состояния вопроса, ставится цель диссертационной работы, обосновывается ее актуальность, формулируются задачи исследований, определяются новизна полученных результатов и их практическая ценность, формулируются основные положения, выносимые на защиту, кратко излагается содержание диссертации.

В первой главе дается строгая постановка краевой задачи для базовой направляющей структуры - круглого открытого продольно намагниченного ферритового стержня, на основе которой строится математическая модель для расчета параметров ФЭ. Задача решается методом частичных областей [Л.9].

С использованием метода укорочения уравнения [Л. 10] система уравнений Максвелла, записанной для рассматриваемой среды, сводится к уравнению Гельмгольца относительно скалярной функции гр, объединяющей продольные компоненты электрического и магнитного полей:

Ау/ + хгУ = 0,

которое преобразуется в систему двух однородных дифференциальных уравнений относительно функций у// и ц/^.

Рассматривается двухслойная цилиндрическая направляющая структура — продольно намагниченный постоянным магнитным полем ферритовый волновод радиуса а с диэлектрической проницаемостью с1 и магнитной проницаемостью //,, представляющей собой тензор второго ранга, находящийся в поперечно неограниченной изотропной среде с параметрами е2, р2 (рисунок 1).

Рисунок 1

Продольные компоненты поля в феррите (область I) выражаются через функции у/ и у2, имеющие амплитудные коэффициенты А] и В]. Решение уравнений типа Гельмгольца относительно функций у/; и у/2 с учетом ограниченности поля в точке г=0 можно представить в виде:

у/, (г,<р) = А Ш (г„) = в.

у ' Ша) Л ' ЧСЬ«) '

где У„(л;) - функция Бесселя.

Внешний слой направляющей структуры (область П) образуется изотропной диэлектрической средой. В открытом волноводе он не ограничен по радиальной координате. Электромагнитное поле в нем описывается обычным уравнением Гельмгольца относительно комплексных амплитуд продольных составляющих электрического и магнитного векторов Герца, решение которого в случае открытого ферритового волновода может быть представлено в виде:

П' _ А Н ")(аг)

~ гН?\аа)

Пт Н(„2\аг)

* ~ гН?\аа) где Аг и В; - неизвестные амплитудные коэффициенты; а - поперечное волновое число в области II; #<2) (а г) - функция Ханкеля второго рода.

На границе г=а рассматриваемой структуры должны выполняться условия непрерывности касательных составляющих электромагнитного поля:

Еа{г = а) = Е.2(г = а), Нг1(г = а) = Н.2(г = а),

£р1(г = а) = Е^2(г = а), = а) = Н^(г=а).

В результате реализации граничных условий получается система линейных однородных алгебраических уравнений (СЛАУ) относительно неизвестных амплитудных коэффициентов А/, А2, В¡, В2. Условие нетривиальности решения полученной СЛАУ (равенство нулю ее главного определителя) приводит к ДУ волн круглого открытого ферритового волновода, находящегося в неограниченной изотропной среде.

Определяется алгоритм численного решения ДУ. Показывается, что с помощью предложенного алгоритма решения дисперсионного уравнения можно рассчитывать волновые числа всего дискретного спектра волн, необходимого для решения дифракционных задач, связанных с расчетом и проектированием КВЧ устройств на базе открытых ферритовых волноводов. Рассматриваемый алгоритм и программа численного решения дисперсионного уравнения позволяют получить в табличном или графическом виде значения волновых чисел на заданной частоте как функций диаметра ферритового стержня. Представленные материалы составляют теоретическую базу для разработки приближенных методик расчета геометрической конфигурации ФЭ развязывающих и переключающих КВЧ устройств на металлических волноводах.

Во второй главе приводятся результаты исследований по созданию методик инженерного расчета геометрических параметров ФЭ развязывающих ФУ и переключающего ФУ с магнитной «памятью».

Для развязывающих ФУ рассматривается Н-плоскостная компактная турникетная конструкция [Jl.ll], выполненная на основе симметричного У-разветвления трех волноводов, наиболее часто используемая для развязывающих КВЧ ФУ бортовых РЛС. На рисунке 2 схематично показано сечение волноводного У-разветвления в вертикальной плоскости, проходящей через середину широкой стенки одного из волноводов.

Математическая модель для расчета параметров ФЭ развязывающих ФУ основывается на численном решении ДУ для двух собственных волн открытого цилиндрического ферритового волновода с вращающейся плоскостью поляризации электромагнитного поля Я£ц и НЕ~и. Аналогичный подход используется в [Л.12]. Отличием является то, что параметры входного волновода (характеристический импеданс и высота й,л) не рассчитываются, а однозначно задаются. Исходными данными для расчетов являются физические параметры используемого феррита, заданная рабочая частота/в, величина статического магнитного поля Но и геометрия волноводного разветвления.

Сущность разработанной методики расчета заключается в следующем:

1. Вычисляются средние значения нормированных намагниченности насыщения т, и внутреннего поля намагничивания £ для центральной рабочей частоты заданного диапазона /о-

2. По рассчитанным значениям т$, £ заданной /0 и диэлектрической проницаемости феррита Еф определяется Оф. Для этого используются численные решения ДУ для продольных волновых чисел /Г ={1*(Оф) (волны НЕ*„) и р~=[Г(Оф) (волны НЕИ). На рисунке 3 представлены графические данные, полученные для открытого продольно намагниченного электрода из феррита марки М1СЧ4 при 1=8 мм, /^=0,354.

0Рф

ФР.„

Рисунок 2

Рисунок 3

Условием циркуляции является [Л. 12] выражение

(/Г-Р~)_ 2 {?+?■) 3(2п—1)'

где п=1, 2, 3, ...- номера резонаторной моды НЕил.т для конструкции цир-кулятора, приведенной на рисунке 2.

Поскольку в результате решения ДУ зависимости и /Г(Ц^,) зада-

ны численно, либо графически, значение Эф выбирается из указанного соотношения, которое также можно представить графически (рисунок 4) или численно.

Рисунок 4

Физически выбор диаметра ФЭ на основе численных решений дисперсионного уравнения означает обеспечение необходимых для режима циркуляции фазовых соотношений, а именно равенство значению 2л-/3 фазового сдвига между собственными значениями матрицы рассеяния циркулятора.

3. Определяются длина ферритового элемента /ф [Л.11, Л. 13] и, по выведенным аналитическим выражениям, остальные геометрические и физические параметры феррит-диэлектрического элемента, которые с учетом результи-

рующих геометрических размеров должны обеспечивать резонанс вдоль его оси с учетом краевых полей и эффективной диэлектрической проницаемости.

Строгой теории, позволяющей рассчитывать и оптимизировать геометрию ФЭ для переключающих ФУ, в настоящее время не существует, так как для решения соответствующей краевой задачи электродинамики конфигурация ФЭ очень сложная. Поскольку в статическом состоянии переключающие ФУ функционально не отличаются от развязывающих ФУ, анализируется возможность условного выделения в ФЭ переключающих ФУ областей, аналогичных по режиму работы ФЭ развязывающих ФУ.

В общем виде сущность разработанной методики заключается в следующем:

1. ФЭ условно разделяется на две части: центральную рабочую и периферийную (рисунок 5). При этом предполагается, что центральная часть функционально аналогична цилиндрическому ФЭ развязывающих ФУ, поэтому ее размеры должны соответствовать размерам ФЭ развязывающего ФУ рассматриваемого частотного диапазона, а периферийная часть функционально представляет собой замыкатель магнитного потока с такими геометрическими размерами, чтобы обеспечивалась замкнутость и однородность магнитного потока внутри ФЭ.

Периферийные части

Отверстия для витка перемагничивания

Рисунок 5

2. Допускается, что условие однородности магнитного потока в ФЭ обеспечивается равенством геометрических площадей центральной части и периферийных частей ФЭ в сечении, параллельном плоскости основания ФЭ.

3. Из условия однородности выводятся выражения для определения основных геометрических размеров ФЭ, как функций от диаметра или длины (высоты) ФЭ, рассчитанных по методике для ФЭ развязывающих ФУ.

Приводится вывод аналитических выражений для определения основных размеров ФЭ для переключающих ФУ с различным сочетанием, как внешних образующих поверхностей, так и внутренних.

Дается теоретическая оценка необходимой точности изготовления ФЭ. Показывается, что допустимая относительная погрешность линейных размеров ФЭ для развязывающих ФУ определяется точностью задания центральной частоты рабочей полосы частот. Центральная частота обычно задается с

точностью ±1%. Следовательно, с такой же точностью должны изготавливаться ФЭ. Учитывая, что, например, в восьмимиллиметровом диапазоне длин волн диаметр ФЭ О,/,=1,5...2,0 мм и его длина (высота) 1ф= 1,5...2,5 мм, величина поля допуска на изготовление диаметра и длины ферритового элемента не должна превышать 0,04 мм. С повышением рабочей частоты и, соответственно, уменьшением линейных размеров ФЭ, величины полей допусков уменьшаются. Предполагается, что точность изготовления ФЭ для переключающих ФУ должна быть одного порядка, что и для ФЭ развязывающих ФУ соответствующего диапазона длин волн.

В таблицах 1 и 2 представлены характерные размеры (с допусками на изготовление) ФЭ, используемых в разработках циркуляторов (вентилей) (таблица 1) и переключателей (таблица 2) на металлических волноводах различных сечений.

Таблица 1

Диапазон длин волн (сечение волновода, ммхмм) йф, мм 1ф, мм

Восьмимиллиметровый (7,2x3,4) 2-0,025 2-0.025

Пятимиллиметровый (3,6x1,8) 1-0.014 1,5-0.014

Трехмиллиметровый (2,4x1,2) 0,5_о.о1 0,9.0.01

Таблица 2

Сечение волновода, ммхмм А, мм С, мм В, мм Ъ, мм Н, мм й, мм

7,2x3,4 1,9-0.025 1,9-0.025 0,98+0,03 0,5±0,03 1,8-0.025 0,81±0,03

3,6x1,8 1,0-0.014 1,21+0,014 0,7±0,01 0,4±0,025 1,3-0.014 0,4+0,025

2,4x1,2 0,6.0.014 1,0±0,014 0,65±0,01 0,4±0,025 0,85.0.014 0,4±0,025

Примечание. Обозначение размеров см. на рисунке 6

На основе приведенных оценок формулируются основные технические требования к размерам и точности изготовления ФЭ для развязывающих и переключающих КВЧ ФУ на металлических волноводах с учетом современных технологических возможностей.

В третьей главе рассматриваются внедренные в производство базовые, вспомогательные, и сквозные технологические процессы для изготовления ФЭ развязывающих и переключающих ФУ и приводятся их параметры.

Так, технологический маршрут изготовления цилиндрических ФЭ для развязывающих ФУ включает в себя следующие основные операции:

1. Бесцентровое круглое шлифование ферритовых стержней в размер по диаметру на бесцентровошлифовальном станке ЗЕ180В.

2. Резка ферритовых стержней на станке для резки малогабаритных деталей П 19.592.00.00 с припуском под плоское шлифование.

3. Плоское шлифование торцов заготовки в размер по высоте согласно чертежу с двух сторон поочередно на плоскошлифовальном станке ЗД710В-1.

4. Приемочный контроль.

Следует отметить, что данный технологический процесс разработан с применением метода постоянства технологических баз и обеспечивает изготовление ФЭ с точностью 0,01 мм для волноводов стандартных сечений.

Дается оценка технологичности изготовления ФЭ для переключающих ФУ. В частности, показывается, что оптимальным конструктивным исполнением ФЭ, с точки зрения возможности изготовления, является ФЭ, выполненный в виде У-разветвления. Схематическое изображение конструкции такого ферритового элемента (с центральной частью в виде девятигранной призмы) с обозначением основных размеров, контролируемых при его изготовлении, представлено на рисунке 6.

Рисунок 6

Приводятся параметры технологических процессов изготовления призматических ФЭ для пяти и восьми миллиметрового диапазона длин волн.

Технологический маршрут изготовления призматических ФЭ для переключающих ФУ, состоит из следующих основных операций:

1. Круглое наружное шлифование заготовок (стержней) на бесцентро-вошлифовальном станке модели ЗВ180Е в технологический размер.

2. Резка заготовок на диски на плоскошлифовальном станке модели ЗД710В-1 по высоте Я (см. рисунок 6) с припуском под плоское шлифование (операция 3).

3. Плоское шлифование заготовок (дисков) по высоте в размер Я на плоскошлифовальном станке модели ЗД710В-1.

4. Профильное шлифование У-конфигурации элемента (выполнение размеров А и а, см. рисунок 6) на универсальном заточном станке модели НеКйошс ЗОЖ:.

5. Плоское шлифование образующих граней в размер С (см. рисунок 6) на плоскошлифовальном станке модели ЗД710В-1.

6. Ультразвуковая размерная обработка прямоугольных сквозных отверстий Ьу.И, выполнение размера В (см. рисунок 6) и углублений по периметру центральной части ферритового элемента на универсальном ультразвуковом станке модели 4Б771Ф11.

7. Приемочный контроль.

Все технологические операции по данному маршруту обработки ведутся по рассмотренным в диссертации базовым технологическим процессам с использованием вспомогательных технологических процессов.

Основными особенностями данных технологических процессов являются обработка с высокой точностью внешней конфигурации ФЭ (до 0,01 мм для линейных и ±10' - для угловых размеров) при профильном шлифовании и ультразвуковая обработка отверстий и пазов с формированием центральной части ФЭ с точностью 0,02 мм. Рассматриваются и обосновываются выбор технологических схем обработки отдельных элементов ФЭ, маршрутов обработки, разработки оригинальных приспособлений, применение технологических методов и приемов и др.

Рассматривается особенности технологических процессов изготовления ферритовых элементов разных типоразмеров (зависящих от рабочего диапазона длин волн КВЧ устройства) и различной конфигурации.

Анализируются статистические данные размеров цилиндрических и призматических ФЭ, изготовленных по разработанным технологическим процессам. Полученные результаты подтверждают возможность изготовления ФЭ для КВЧ ФУ на базе созданной производственной и технологической базы в соответствии со сформулированными техническими требованиями к изготовлению ФЭ с высокой повторяемостью выполнения размеров, что необходимо для снижения трудоемкости настройки ФУ.

Даются общие рекомендации по выбору технологического оборудования для изготовления ферритовых элементов для развязывающих и переключающих КВЧ устройств на металлических волноводах. Определяется минимальная номенклатура основного технологического оборудования, необходимого для изготовления ФЭ.

В четвертой главе производится сравнение расчетных геометрических размеров феррит-диэлектрических элементов КВЧ устройств заданных диапазонов с фактическими геометрическими размерами экспериментальных образцов ФЭ, полученных в результате изготовления по разработанной технологии. Приводится анализ электрофизических параметров экспериментальных образцов в составе КВЧ устройств. Обосновывается методика экспериментальной подстройки ферритовых развязывающих устройств посредством изменения статического магнитного поля, определяющего режим работы ФЭ.

Определяются пределы, в которых возможна плавная подстройка развязывающих ФУ, если из-за неточности расчетов параметров феррит-диэлектрического элемента высота входного волновода стандартного сечения не соответствует оптимальным характеристикам ФУ.

Из полученного соотношения показывается, что для относительного приращения высоты входного волновода

К ¿4 К

4т5

при изменении величины внутреннего поля £ в пределах 10 %, можно получить до 5 %, что на практике достаточно для плавной подстройки параметров циркулятора.

Кроме того, рассматривается процедура приближенной оценки усредненного размагничивающего фактора N подстраиваемого параметра - величины магнитного поля, необходимой для намагничивания феррита [Л. 14] вдоль оси ферритового цилиндра. При этом предлагается, использовать в инженерных расчетах развязывающих ФУ графические результаты [Л.15], выполнив замену цилиндра эквивалентным эллипсоидом вместо того, чтобы рассчитывать величину N в соответствии с аппроксимацией Зоммерфельда [Л. 16] и усреднять ее по длине цилиндра.

Приводятся результаты расчет расчетов конструктивных параметров составляющих компонентов Т-циркуляторов и требуемой величины магнитного поля, а также их экспериментальные значения. Данные для циркулятора, выполненного на волноводе сечением 7,2x3,4 мм, приведены в таблице 3.

Таблица 3

Параметр т5 ДА Вф, мм V мм Ц* мм 4ь мм мм 1тр> ММ N Э

Результаты расчета 0,39 0,25 2,23 1,77 2,23 0,95 6,58 0,68 0,38 1800

Экспериментальные данные - - 2,12 1,95 2,12 0,80 6,80 0,65 - 1650

При расчете конструктивных параметров циркулятора, приведенных в таблице 3, использованы характеристики конкретного феррита М1СЧ4 с намагниченностью насыщения 4хМ5=4750 Гс и диэлектрической проницаемостью £-0=13,6. В качестве материала диэлектрических прокладок на торцах феррита был выбран фторопласт-4 с диэлектрической проницаемостью £¿=2,1. По результатам расчетов были изготовлены опытные образцы циркулятора, у которых отклонение центральной частоты от заданной частоты /о составило до 5%. После точной настройки данные образцы в полосе рабочих частот /о ±2 ГГц имели следующие электрические характеристики: вносимые потери Рщ,<0,5 дБ; развязки Р,„-,р >21 дБ; КСВн < 1,25.

Рассматривается методика определения поправочных коэффициентов при расчете размеров призматических ФЭ с использованием статистических данных, полученных при изготовлении партий отключающих ФУ. Определение поправочных коэффициентов для конкретного выбранного диапазона частот включает в себя прецизионное измерение величин основных геометрических параметров ФЭ нескольких экспериментальных образцов переключающих ФУ, работающих на центральной рабочей частоте/о, вычисление средних значений и определение их отношений к величинам тех же параметров, рассчитанных по разработанной методике для той же самой частоты ./о.

Использование поправочных коэффициентов позволяет снизить погрешность расчетов по методике расчета размеров призматических ФЭ для переключающих ФУ до 3-4 %.

Анализируются технические характеристики ФУ, в состав которых входят ФЭ, рассчитанные по предлагаемым методикам и изготовленные по разработанным технологиям, обосновывается пригодность использования предложенных инженерных методик расчета ФЭ при проектировании и изготовлении развязывающих и переключающих ФУ на металлических волноводах.

Приводятся основные технические характеристики развязывающих и переключающих КВЧ ФУ, в разработке и изготовлении которых были использованы разработанные методики расчета конфигурации ФЭ и технологические процессы их изготовления.

Приведенные данные в этой главе показывают, что выполнение технических требований, сформулированных в главе 2, по точности изготовления призматических ферритовых элементов и обеспечение необходимой технологической базой являются основой при организации проектирования и выпуска переключающих ФУ с «внутренней» магнитной памятью. В данном случае отступление от заданной точности изготовления ФЭ вследствие отсутствия соответствующих технологических процессов или станочного парка приводит не просто к снижению выхода годных элементов или ухудшению параметров ФУ, а к технической и экономической нецелесообразности использования таких ФУ. Экспериментальные исследования показали, что выбранные критерии по точности изготовления ферритовых элементов являются предельными, при которых отклонение от симметричности линейных и угловых размеров может быть скомпенсирована введением подстроечных элементов в плечи ФУ. При снижении технических требований по точности изготовления ФЭ возникают ситуации, в которых симметричная настройка плеч ФУ невозможна. Следствием этого являются проблемы с взаимозаменяемостью переключающих устройств и резким ростом их стоимости.

В заключении приведены основные результаты, полученные в процессе выполнения диссертационной работы и их практическое применение.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

В процессе выполнения диссертации разработаны инженерные методики расчета ферритовых элементов развязывающих и переключающих устройств КВЧ диапазона длин волн, разработаны базовые и сквозные технологические процессы изготовления ферритовых элементов, сформулированы рекомендации по внедрению в производство технологических процессов прецизионного изготовления ферритовых элементов КВЧ устройств.

Основные результаты, полученные в проведенных исследованиях, следующие:

1. Дана строгая постановка краевой задачи для круглого открытого ферритового волновода. Составлено дисперсионное уравнение, разработан алгоритм его решения.

2. Получено численное решение дисперсионного уравнения, позволяющее определить зависимость постоянных распространения электромагнитных волн от диаметра феррита и рабочей частоты.

3. Разработана методика инженерного расчета геометрических размеров феррит-диэлектрических элементов для развязывающих КВЧ устройств турникетного типа на металлических волноводах.

4. Разработана методика инженерного расчета геометрических размеров ферритовых элементов для переключающих КВЧ устройств на металлических волноводах с «магнитной памятью».

5. Разработан комплекс технологических процессов прецизионной обработки ферритовых элементов для развязывающих и переключающих КВЧ устройств.

6. Изготовлены ферритовые элементы для экспериментальных и опытных образцов развязывающих и переключающих ферритовых устройств на металлических волноводах, используемые в составе КВЧ приемопередатчиков бортовых радиолокаторов.

Полученные в процессе выполнения результаты использованы в разработках ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова» в ОКР и НИР.

Основные результаты диссертационной работы используются в разработке бортовых PJ1C. В частности, развитые в диссертационной работе методики инженерного расчета и технологии изготовления ФЭ развязывающих и переключающих ФУ использованы при разработке КВЧ приемопередатчиков и многолучевых АФС при создании самолетных радиолокационных исследовательских комплексов, доплеровских измерителей скорости.

Использование результатов диссертации в конкретных разработках подтверждается актом внедрения, приведенным в приложении к диссертации.

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ:

1. Козлов, В.А. Расчет и технология изготовления ферритовых элементов КВЧ-переключателей с «внутренней» магнитной памятью / В.А. Козлов, Ю.А. Светлаков//Антенны. -2005. - Вып. 5 (96). - с. 18-23.

2. Козлов, В.А. Метод расчета и технология изготовления ферритовых элементов КВЧ переключателей / В.А. Козлов, Ю.А. Светлаков // Физика и технические приложения волновых процессов: Тезисы докладов IV Международной научно-технической конференции. - Нижний Новгород, 2005. - с. 219-220.

3. Гудина, TJI. Технология изготовления ферритовых элементов для переключающих КВЧ-устройств / TJ1. Гудина, Ю.А. Светлаков, АЛО. Седаков // Новые промышленные технологии. - 2006. - №3. - с. 22-23.

4. Козлов, В.А. Расчет и технология изготовления феррит-диэлектрических элементов волноводных КВЧ циркуляторов и вентилей В.А. Козлов, A.B. Назаров, Ю.А Светлаков // Антенны. - 2007.- Вып. 2 (117). - с. 25-30.

5. Козлов, В.А. Выбор конфигурации ферритового элемента переключающего КВЧ устройства / В.А. Козлов, Ю.А. Светлаков // Информационные системы и технологии ИСТ-2007: Материалы Международной научно-технической конференции. - Нижний Новгород, НГТУ, 2007. - с. 65.

6. Козлов, В.А. Исследование возможности применения ферритовых элементов составной конструкции в переключающих КВЧ устройствах /

В.А. Козлов, Ю.А. Светлаков // Информационные системы и технологии ИСТ-2007: Материалы Международной научно-технической конференции. - Нижний Новгород, НГТУ, 2007. - с. 67.

7. Зефиров, BJI. Разработка технологии заполнения вспененными диэлектриками полостей волноводных СВЧ устройств / ВЛ. Зефиров, В.А. Козлов, Ю.А. Светлаков // Информационные системы и технологии. ИСТ - 2007: материалы Международной научно-технической конференции - Нижний Новгород, НГТУ, 2007, - с. 66.

8. Козлов, В.А. Расчет и технология изготовления ферритовых элементов Y-образной формы для КВЧ переключателей / В.А. Козлов, Ю.А. Светлаков // Материалы XV координационного семинара по СВЧ технике.- Нижний Новгород, 2007. - с. 85-87.

9. Козлов, В.А. Метод расчета и технология изготовления феррит-диэлектрических элементов волноводных КВЧ-циркуляторов и вентилей / В.А. Козлов, Ю.А. Светлаков // Физика и технические приложения волновых процессов: Тезисы докладов VI Международной научно-технической конференции. - Казань, 2007. - с. 227-229.

10. Светлаков, Ю.А. Расчет компонентов колебательной системы для ультразвуковой обработки отверстий в ферритовых элементах КВЧ переключателей / Ю.А. Светлаков // Физика и технические приложения волновых процессов: Тезисы докладов VI Международной научно-технической конференции. - Казань, 2007. - с. 235-236.

11. Светлаков, Ю.А. Ультразвуковая размерная обработка отверстий в ферритовых элементах КВЧ переключателей / Ю.А. Светлаков // Физика и технические приложения волновых процессов: Тезисы докладов VI Международной научно-технической конференции. - Казань, 2007. -с. 236-238.

12. Козлов, В.А. Расчет и технология изготовления ферритовых элементов волноводных развязывающих и переключающих КВЧ устройств / В.А. Козлов, Ю.А. Светлаков // Вопросы радиоэлектроники. Серия Радиолокационная техника (РЛТ) - 2008. - Вып. 3-е. 181-188.

13. Светлаков, Ю.А. Разработка технологий механической обработки деталей из твердых хрупких неметаллических материалов / Ю.А. Светлаков // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2008, №1 (90), - с. 46-51.

14. Денисенко, A.A. Определение размеров ферритовых элементов волноводных КВЧ циркуляторов и вентилей / A.A. Денисенко, В.А. Козлов, A.B. Назаров, Ю.А. Светлаков // Информационные системы и технологии - ИСТ-2009: материалы XV Международной научно-технической конференции - Нижний Новгород, НГТУ - 2009,- с. 75-76.

15. Козлов, В.А. О точности изготовления ферритовых элементов волноводных развязывающих КВЧ устройств / В.А. Козлов, Ю.А. Светлаков // Информационные системы и технологии - ИСТ-2009: материалы XV Международной научно-технической конференции - Нижний Новгород, НГТУ -2009.-е. 63.

16. Козлов, В Л. О точности метода расчета геометрических размеров ферритовых элементов волноводных переключающих КВЧ устройств / В.А. Козлов, ЮЛ. Светляков // Информационные системы и технологии -ИСТ-2009: материалы XV Международной научно-технической конференции - Нижний Новгород, НГТУ - 2009. - с. 62.

17. Козлов, ВА. Требования к точности изготовления ферритовых элементов для КВЧ устройств на металлических волноводах / В.А. Козлов, Ю.А. Светлаков // Физика и технические приложения волновых процессов: материалы докладов УШ Международной научно-технической конференции: Приложение к журналу «Физика волновых процессов и радиотехнические системы» / Под ред. В.Ф. Дмитрикова, В.А. Неганова, Г.П. Ярового и A.C. Ястребова - СПб.: Политехника, 2009. - с. 182-184.

18. Козлов, В.А. Расчет и выбор конфигурации ферритового элемента для КВЧ переключателей / В.А. Козлов, ЮЛ. Светлаков // Физика и технические приложения волновых процессов: материалы докладов VIII Международной научно-технической конференции: Приложение к журналу «Физика волновых процессов и радиотехнические системы» / Под ред. В.Ф. Дмитрикова, В .А. Неганова, Г.П. Ярового и A.C. Ястребова - СПб.: Политехника, 2009. - с. 184-185.

19. Светлаков, ЮЛ. Разработка комплекса технологий размерной обработки конструкционных деталей из ферритов / ЮЛ. Светлаков, А.Ю. Седаков // Вопросы атомной науки и техники, 2009, № 1 (26), - с. 82-84.

ЛИТЕРАТУРА

Л.1. Быстрое, Р.П. Проблемы распространения и применения миллиметровых радиоволн в радиолокации / Р.П. Быстрое, [и др.] // Зарубежная радиоэлектроника: Успехи современной радиоэлектроники. - 1997. - №1. -с. 4-19.

JI.2. Борзов, А.Б. Радиолокационные системы: научно-технические достижения и проблемы развития техники мм диапазона радиоволн / А.Б. Борзов [и др.] // Зарубежная радиоэлектроника: Успехи современной радиоэлектроники. - 2001. - №5.

J1.3. Козлов, В.А. Приемопередающие устройства для бортовых импульсных РЛС миллиметрового диапазона / В.А. Козлов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2002. - Т. 5, № 4. - С. 44-47.

Л.4. Быстров, Р.П. Пассивные радиолокационные системы скрытого обнаружения наземных объектов / Р.П. Быстров, А.Д. Краснянский, С.С. Новиков, Потапов АЛ., Соколов А.В7/ Электромагнитные волны и электронные системы. -1996. - № 1. - С. 64.

Л.5. Козлов, ВЛ. Опыт разработки приемопередающих устройств для бортовых импульсных PJIC миллиметрового диапазона / В.А.Козлов, АЛ. Кунилов, Д.Р. Шишкин // Новые технологии в радиоэлектронике и системах управления: Труды международной специализированной выставки-конференции военных и двойных технологий. - Н.Новгород, 2002.-С. 46-48.

JI.6. Козлов, ВА. Многоканальные ферритовые антенные переключатели миллиметрового диапазона волн / ВА. Козлов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2004. - Т.7, № 3. - С. 64-66.

JI.7. Бородин, В.Н. Многоканальные ферритовые антенные переключатели миллиметрового диапазона / В.Н. Бородин, ВЛ. Козлов // Новые технологии в радиоэлектронике и системах управления: Труды международной специализированной выставки-конференции военных и двойных технологий. - Т. 4. - Н.Новгород, 2002. - С. 49-50.

JI.8. Воронков, В.Д. Быстродействующие ферритовые переключатели с магнитной памятью миллиметрового диапазона длин волн / В.Д. Воронков, ВЛ. Сильванович // Ферритовые СВЧ приборы и материалы: тезисы докладов конференций. Серия: Электроника СВЧ. - М.: ЦНИИ Электроника. -1984. - Т. 3. - С. 88-89.

J1.9. Неганов, В.А. Линейная макроскопическая электродинамика /

B.А. Неганов, С.Б. Раевский, Г.П.Яровой - М.: Радио и связь, 2001. -575 с.

Л. 10. Назаров, A.B. Электромагнитные волны в структурах, содержащих продольно намагниченные ферритовые слои / A.B. Назаров,

C.Б. Раевский // Физика волновых процессов и радиотехнические системы - 2007. - Т.10, № 1. - С. 76-82.

JI.11. Слободин, Г.Б. Ферритовые развязывающие приборы миллиметрового диапазона длин волн / Г.Б. Слободин // Обзоры по электронной технике. Серия: Электроника СВЧ. - М.: ЦНИИ Электроника. - 1988. - Вып. 21(1416).-82 с.

Л. 12. Denlinger, EJ. Design of Partial Height Ferrite Waveguide Circulators / EJ, Denlinger // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. - 1974. -V. MTT-22, No 8. - P. 810-813.

Л.13. Piotrowski, W.S. Low-Loss Broad-Band Circulator / W.S. Piotrowski, J.E/Raue // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. - 1976. - V. MTT-24, No 11.-P. 863-866.

Л.14. Микаэлян, AJI. Теория и применение ферритов на сверхвысоких частотах / AJI. Микаэлян - М.: Госэнергоиздат, 1963. - 662 с.

Л.15. Лаке, Б. Сверхвысокочастотные ферриты и ферримагнетики / Б. Лаке, К. Батон; перевод с англ. под ред. А.Г. Гуревича. - М.: МИР, 1965. -675 с.

Л. 16. Зоммерфельд, А. Электродинамика / А. Зоммерфельд - М.: ИЛ. - 1958. -542 с.

Подписано в печать 30.09.09. Формат 60 х 84Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 281.

Отпечатано в ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова». 603950, г Нижний Новгород, ГСП-486.