автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.21, диссертация на тему:Методы повышения эффекивности технологии проектирования и производства многозвенных структур СВЧ и оптического диапазонов

7 о !;.;;• "л

ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УШГОЕРСИТЕТ

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ II ПРОИЗВОДСТВА ¡МНОГОЗВЕННЫХ СТРУКТУР СВЧ И ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНОВ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальности: 05.12.21 — "Радиотехнические системы спе-

циального назначения, включая технику . СВЧ и технологию их производства" 05.11.16 — "Информационно-измерительные системы"

Тула-2000

Работа выполнена в Тульском Государственном Университете.

Научный руководитель -

Научный консультант -

доктор технических наук, профессор Покровский Ю.А.

кандидат технических наук Польшкин A.B.

Официальные оппоненты- ^академик, доктор технических наук,

профессор Яшин A.A.

- кандидат технических наук Селькин В.В.

Ведущая орг анизация - НИИ "Стрела", г. Тула

Защита диссертации состоится " 6 " июля 2000 г. в /4 часов

на заседании диссертационного совета К 063.47.09 в Тульском Государственном

Университете по адресу: 300600, г. Тула, проспект Ленина, 92, 9-101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Автореферат разослан "3 ".06.2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., проф.

Е.ВЛаркин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Совершенствовате как радиотехнических систем специального назначения, так и информационно-измерительных систем неразрывно связано с разработкой и производством новых образцов техники СВЧ и оптического диапазонов.

В этой связи сокращение сроков и стоимости их отработки и изготовления является важной и актуальной задачей.

Для современной технологии производства техники СВЧ и, особенно, волно-водно-диэлектрических устройств типа многозвенных фильтрующих структур характерно широкое применение настроечных и доводочных работ с применением дорогостоящего, например, лазерного, оборудования.

Доля доводочных работ может достигать 70-80% от общей трудоемкости работ по проектированию и изготовлению устройства.

Следовательно, разработка методов и средств, обеспечивающих существенное снижение объема настроечных и доводочных работ, а также методов и средств повышения их производительности является весьма актуальной.

Общеизвестно, что необходимость в настроечных и доводочных работах вызывается как недостаточной точностью применяемых методов проектирования, так и недостаточной точностью описания свойств диэлектрических материалов, используемых в СВЧ-устройствах.

Аналогичная ситуация имеет место и в проектировании и производстве многослойных оптических структур (МОС), в особенности при создании на их основе высокоразрешающих резонансных оптических антенн, угловых дискриминаторов, датчиков угловых и линейных отклонений, а также принципиально новых устройств обработки оптической информации.

Поэтому, первой задачей диссертации является разработка моделей и алгоритмов, обеспечивающих повышение точности проектирования многозвенных СВЧ и оптических структур без увеличения его трудоемкости.

Второй задачей должна стать разработка более точных методов и средств измерения параметров СВЧ-материалов.

Следует, однако, учесть, что для современного производства СВЧ-материалов характерен значительный разброс их параметров даже в одной партии. Этот факт обуславливает необходимость применения настроечных работ даже при высокой точности как проектирования устройств, так и измерения е и 1§5 контрольных образцов материалов.

Следовательно, еще одной задачей диссертационной работы является разработка методов и средств повышения точности и производительности соответствующего технологического оборудования, например, лазерных технологических модулей по подгонке волноводно-диэлектрических и диэлектрических СВЧ-структур типа волно-водно-диэлектрических фильтров (ВДФ),и фильтров на микрополосковых линиях (МПЛ) и на объемных диэлектрических резонаторах (ОДР).

Анализ области применения МОС и решаемых ими задач показывает, что их роль как средств повышения эффективности информационно-измерительных систем существенно занижена.

Поэтому последней задачей диссертационной работы является рассмотрение возможностей построения на основе МОС принципиально новых устройств обработ-

ки оптической информации - устройств пространственного дифференцирования и интегрирования, пространственной свертки и т.д.

Цели работы. В соответствии с вышеизложенным, целями работы является:

- разработка методов и средств снижения сроков и стоимости отработки новых образцов техники СВЧ и оптического диапазона путем сокращения объема, сроков и стоимости доводочных работ;

- разработка методов и средств повышения эффективности информационно-измерительных систем на основе принципиально новых оптических устройств.

Поставленная цель достигается за счет решения следующих задач:

1. Исследование особенностей наиболее распространенных в настоящее время многозвенных структур СВЧ и оптического диапазонов и разработка более точных методов их проектирования.

2. Исследование и совершенствование методов и средств измерения е и 1цо материалов в СВЧ и оптическом диапазонах.

3. Разработка более совершенных моделей и алгоритмов лазерной подгонки ВДФ и структур на связанных МПЛ.

4. Разработка методов и средств повышения эффективности лазерных информационно-измерительных систем на основе МОС.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

1. Разработаны модели и алгоритмы анализа и синтеза многозвенных СВЧ-структур с четвертьволновыми связями на основе новой частотной переменной.

2. Разработаны модели и алгоритмы анализа и синтеза многослойных оптических структур на основе нового прототипа и новой частотно-угловой переменной.

3. Разработаны модели СВЧ-измерителей е и 185 • на основе волноводно-диэлектрических резонаторов в запредельном волноводе (ЗВ) с учетом поглощения во всех его элементах.

4. Разработаны математические модели подгонки резонансной частоты диэлектрических резонаторов в ЗВ.

5. Разработаны принципы построения оптических МОС, выполняющих функции пространственного интегрирования, дифференцирования, свертки и т.д.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Разработано информационное и программное обеспечение автоматизированного проектирования многозвенных структур с четвертьволновыми связями, а также многозвенных оптических структур.

2. Разработаны методы и устройства для более точного измерения е и tg8 диэлектриков на СВЧ.

3. Разработаны принципы построения устройств пространственного дифференцирования и интегрирования, пространственной свертки и т.д.

На защиту выносятся следующие вопросы, составляющие основу научно-технической задачи:

1. Модели и алгоритмы анализа и синтеза многозвенных полосно-пропускагощих фильтров (ППФ) с четвертьволновыми связями на основе более информативной переменной.

2. Методы, модели и алгоритмы анализа и синтеза многозвенных оптических структур.

3. Методы, модели и алгоритмы измерения б и материалов на СВЧ, обеспечивающие повышение точности измерения.

4. Модели и алгоритмы лазерной подгонки СВЧ-резонаторов и элементов связи вол-новодно-диэлектрических структур.

5. Результаты экспериментального исследования разработанных методов и средств повышения эффективности технологии проектирования и производства волновод-но-диэлектрических структур техники СВЧ.

6. Принципы построения пространственно-инвариантных устройств обработки оптических сигналов и их математические модели.

Достоверность результатов диссертационной работы определяется следующими факторами:

1. В основе исследований, проведенных в работе, лежат хорошо апробированные положения электродинамики, а также методов анализа и синтеза четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ.

2. Обработка экспериментальных результатов и сопоставление их с теоретическими базируется на методах математической статистики.

Результаты сопоставления характеризуются хорошим качественным и количественным соответствием.

Апробация результатов диссертационной работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждались на И и ИГ Всероссийских научно-технических конференциях «Методы и средства измерения физических величин» в 1997 и 1998 г., на Международной конференции.

Публика юти. По материалам диссертации опубликовано /Э печатных работ. Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованной литературы. Общий объем диссертации составляет. год страниц, и включает 2£ рисутсов, ..9...таблиц, список литературы содержит.//5на-именований.

СОДЕРЖАНИЕРАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, ее научная новизна, основные положения и результаты, вьшосимые на защиту.

В первом разделе проведена разработка методов и средств повышения точности и производительности процесса проектирования многозвенных. структур с четвертьволновыми связями и многозвенных оптических структур с частотно-угловой избиратель остью.

В современной теории проектирования СВЧ полосно-пропускающих фильтров с четвертьволновыми связями используются НЧ-прототнп и обобщенные электрические параметры в виде добротностей О, резонаторов и приращения добротностей ЫЭь за счет дисперсии четвертьволновых связей, а обобщенной частотной переменной считается относительная частотная расстройка. Неадекватность физической модели и ее электрических параметров реальной волновой структуре и ее волновым параметрам обуславливает невозможность учета таких существенных особенностей СВЧ ППФ, как зависимость (), от частоты, неравенство ДО, лг/4 или я"/8 и неравенство электрической длины резонаторов половине длины волны.

С целью повышения точности и производительности процесса проектирования ППФ с четвертьволновыми связями введена более информативная частотная переменная у, связанная с фазовой координатой Ф, и коэффициентом отражения от элементов связи К;

Н=2Ъ(1-[{?Г118Ф, (1)

и разработаны алгоритмы позвенного наращивания и редукции математических моделей этих структур, выражаемых через приведенные коэффициенты отражения от К-ой структуры Г~м(Ф), коэффициент отражения Гл присоединяемого звена, его знаменатель Вп и фазовую расстройку ДФ антирезонатора:

1\>(У) =

ГЛзО-ВЖТ^ООе

12дф

IV. (У) = -7

(2)

(3)

Гп(у)ГАУ) + КВ^2аф

Так, например, для двузвенного ППФ с четвертьволновыми или антирезонансными связями (рисунок 1), образованного двумя резонансными звеньями 5-1 и 9-5, связанных с помощью антнрезонатора 5.

8

6 5 4

1

ц Ш | Л/УуУЧ §§

1/ / / //////// /У/ ••• / / / / / / / / / / / / /\

< ■4- С17 ' ¿6 4 [ аг

Рисунок 1

Коэффициент отражения от такой структуры определяется выражением

=ехр(яЛ0') =ех ^М^ЩШ^ЛФ^^ (4)

[1-Г2(Ж1(^)ехр02ДФ5)]

где Г2(_у) - приведенный коэффициент отражения от второго резонатора;

В2=\~]У2. (5)

Коэффициент отражения от л-го однозвенного резонатора в рамках новой пе-ремешюй описывается вьфажением:

гп{ул) = ЧУп$-]УпТ'=чпв;\ (б)

где-г/„ и Вп - соответственно числитель и знаменатель приведенного коэффициента отражения п-го однозвенного резонатора

'К 4 = 1- ]Уп- (7)

Приведенный коэффициент отражения от двузвенной нессиметричной структуры с четвертьволновыми связями в рамках новой переменной описывается формулой

Гл (У\ ,у2) = Ь(У\ ~ У2) - 2У\Уг В - КУ\ +Уг)~ 2У\Уг Г' (8) Созданы аналогичные модели для многозвенных структур. Модели 3,4,5-звенного ППФ с четвертьволновыми связями:

Г __ ~ АУ! + Уз ~ У2)+ 2Уг (>'1 ~Уз) + ]^У\УгУз (9)

"' 1 ~ЯУ\ +Уг +Уъ)-2(У\У2 +УзУг)+^У\У2Уз

(10) (И)

ч IV = КУ\ - У А + Уз - У2) + 2УгУз ~ 2У\Уг ~

-Ь'зУа, + ^У2УЗ(У4-У1) + ЪУ\У2УзУ* ■

»

-V = ЧП' +- (Зщ + Чш) = 1 - Хуг + у2+у3 + у4)-2(у1у2 + У\У4 + + У2Уз+УзУ*)+^УгУз1У\+У*) + ЪУ\УгУзУА. (12)

■ (13)

Чу =-ЛУ\~Уа+Уз ~Уг +У5)~2У2У5~2У4У5 ~2 у2у3 + 2у1у1+2у1у4+2у3у4 + + У4(У1У2У5 + У1У4У5 + УзУаУъ ~У2УзУ4 + У\УгУз)~

-)^у)у1уъУ1у5+Ъу2УгУА(у5 -у,). (н)

3у=31¥- ]у5 (Зп, +Ч1У) = = 1~Хз'1 +3'2 + Л+У4+ Уз)-2(У1У2 + У1У4, +- У2У3 + + У2У5 +У3У4 ±У4У5) + У4(У2УзУ4 +У1У2Уз +У1У2У5 +У1У4У5 +

+ У3У4У5) + 8у2у3у4(л ■+ у5)~№У\У2УзУ4Уь . (15)

Соотношение между обобщенными расстройками для многозвенных структур с характеристикой Баттерворта:

N = 2; Уг=У\,

N = 3; y2=2y¡; У3=Уь

N = 4; y2=y3= 2,414 y¡; y¡ = y4;

N = 5; y2=y4 =2,618034^1; Уб = Уй У4=Уз~ 3.73Л;

/V = 6; y2 = >'5 = 2,72>"3 = У4 = 3>73>'i.

Сопоставление полученных соотношений между обобщенными расстройками волновых структур с четвертьволновыми связями с аналогичными известными соотношениями между добротностями резонансных структур (контуров) с сосредоточе-ными параметрами с четвертьволновыми связями, определяемые по выражению

„ . 2т -1

ип, «sin-л,

2 N

и с параметрами низкочастотных структур с Чебышевской характеристикой обнаруживает формально полное совпадение. Отличие по существу состоит в отличии доб-ротностей звеньев СВЧ ППФ и контуров НЧ-прототипа вследствие неадекватности модели и устройства.

Это отличие может достигать 50 % и более.

Кроме того, различие в обобщенных частотных переменных приводит к неравенству числа звеньев прототипа и реального устройства.

В подразделе 1.2 разработаны (совместно с Е.А. Макарецким) основы аналитического синтеза многозвенных оптических структур (МОС) с частотно-угловой избирательностью, включающие: новый прототип (частотно-угловой фильтр полного внутреннего отражения), новую обобщенную частотную переменную, алгоритмы наращивания и редукции математических моделей МОС, математические модели МОС, алгоритмы анализа и синтеза МОС с заданными угловыми характеристиками: максимально плоской, Чебышевской, Золоторевской.

Во втором разделе проведена декомпозиция процесса измерения параметров СВЧ-диэлектриков и разработаны методы и средства повышения точности СВЧ-измерителей.

С точки зрения радиотехнической теории оценивания измерение параметров материалов осуществляется с помощью систем извлечения информации, причем измеряемый параметр материала может быть связан как с энергетическим, так и неэнергетическим параметром сигнала.

Поскольку температурные флуктуации s и igS можно считать медленными процессами по сравнению с процессом измерения, то сами параметры справедливо рассматривать как неизвестные неслучайные величины. Далее, если вибрационные воздействия на объект измерений не вызывают заметных изменений г и tgS, то в общем итоге измерение этих величин представляется задачей оценивания неизвестных неслучайных параметров, опосредованно отраженных в параметрах зондирующего сигнала.

В качестве зондирующего сигнала используется квазимонохроматическое колебание

А*(')=4,(')ехр(М') (16)

в котором нестабильными являются как амплитуда Лвх(/), так и несущая частота со,.

Однако, если погрешность измерения выше погрешности, вызванной нестабильностью параметров зондирующего сигнала, то задача измерения сводится к задаче оценивания параметра неизвестного неслучайного зондирующего сигнала, соответствующего некоторому состоянию исследуемого объекта.

В качестве критерия оптимальности при измерении в этом случае может быть использован критерий максимального правдоподобия, а оптимальным алгоритмом оценивания как неэнергетического, так и энергетического параметров на фоне белого шума является алгоритм, обеспечивающий максимум корреляционного интеграла.

При фильтровой обработке зондирующего сигнала в качестве анализатора должен быть использован частотный фильтр, согласованный с зондирующим сигналом.

Таким образом, основным элементом при оптимальном измерении параметров

с и посредством зондирующего сигнала должен быть резонаторный измеритель, что и подтверждается практикой СВЧ-измерений.

С целью установления точностных характеристик измерителей и их оптимизации по критерию точности целесообразно провести декомпозицию процесса измерения, выделив четыре этапа: фиксация состояния объекта; расчет обобщенных параметров объекта, несущих информацию об измеряемом параметре, на основе обобщенной математической модели; расчет измеряемого параметра по обобщенным параметрам на основе конкретной модели объекта; расчет погрешностей измерения (оценивания).

Анализ выделенных этапов процесса измерения показывает, что основным источником погрешности является этап фиксации рабочего состояния измерительного резонатора. Следовательно, основные пути повышения точности измерений - оптимизация самого измерительного резонатора, а также методов идентификации рабочих (фиксируемых) состояний.

В соответствии с радиотехнической теорией оценивания неизвестного неслучайного энергетического параметра монохроматического СВЧ зондирующего сигнала на фоне белого гауссовского шума (на входе) оптимальным измерителем является со-гласовашгый фильтр — СВЧ резонатор с максимально высокой нагруженной добротностью, а оптимальным состоянием - точный резонанс.

Однако при учете шумов в цепях индикатора после согласованного фильтра,

наибольшая точность измерения £ и достигается при фиксации про м ежуто < п го го состояния у0 на некотором уровне.

Действительно, если входной сигнал имеет вид

Л¡¡Y (/) = lim [/10 (l - ехр(- ctf))]exp(jü>0/), то частотная характеристика согласовано

ного фильтра: hc(со) = lira ifi0/{1 - j(co - щ)сг~1 j).

Реальные СВЧ-фильтры имеют потери и их частотную характеристику по погао в резонаторе или по проходящей волне можно записать следующим образом:

fin,y)=kj[(i+i)+jy]

В результате, при наличии шумов на входе дго и в цепях индикатора q2о и учете погрешности индихатора (Лßj ßa ) и параметра потерь т| погрешность (Ду\ в случае индикации состояния точного резонанса у0 —0 и погрешность (Ду}2 при фиксации промежуточного состояния У° равны

л/?0у , (1 + ;;)4

, 1/4

кРо) (гчгЛУ.

(17)

Го+чУ + >0 ГО+^Г+Уо2"

_ 2<7|<>(1 + чТ 2</;Л2

(18)

где Ч — параметр потерь, И{) - начальное пропускание.

Как видно из анализа выражений (1) и (2), наибольшую погрешность имеет погрешность при фиксации точного резонанса. Так, в частности, при обеспечении 4,о Чш из (1) получаем

>о=0; + (19)

При тех же условиях минимизация (2) дает

(*)„„ = 0 + ч). (4>')г_ = 0 + ч )(дд/д) (20)

Таким образом, при (Д/?//?о)=0.01 фиксация оптимального состояния по сравнению с фиксацией точного резонанса обеспечивает выигрыш в точности почти на порядок.

Для реализации измерительных резонаторов с минимальной погрешностью измерения получены точные математические модели с учетом потерь во всех элементах резонатора.

В третьем разделе проведена разработка высокоинформативных моделей многозвенных СВЧ-структур и разработаны модели и алгоритмы лазерной подгонки частоты диэлектрических резонаторов в запредельном волноводе.

При проектировании и производстве высококачественных многозвенных структур особую значимость приобретают алгоритмы построения таких математических моделей, которые обеспечивают идентификацию состояния каждого из элементов структуры и позволяют оценить вклад каждого из элементов в общую характеристику системы, что, в свою очередь, позволяет разработать оптимальную по быстродействию и точности стратегию юстировки (настройки) структуры, внося тем самым существенный вклад в повышение качества и рост производительности труда при их проектировании и производстве.

Из известных в настоящее время математических моделей многозвенных вол-новодно-диэлектрических структур с запредельными связями (ВДСЗС) прежде всего, необходимо выделить модели и алгоритмы, полученные Ильченко, а также Капиле-вичем и Трубехиным.

В работах Ильченко установлены математические модели многорезонаторных полосовых фильтров на твердотельных резонаторах, в которых использованы обобщенные параметры: коэффициенты связи резонаторов с питающей линией К(, коэффициенты связи соседних резонаторов-^ р, а также обобщенные расстройки определенные через собственные добротности О0, и добротности связи крайних резонаторов с питающей линией и с соседними резонаторами ОсВа р ■

к, = & Шсп,; ка.Р = <2о/(2сва,е; 4 = 2(АО>/щ

Особенность рассмотренных моделей состоит в том, что собственные добротности всех резонаторов приняты одинаковыми, а коэффициенты Ка р связи резонатора а с резонатором Р неявно учитывают влияние на резонатор ¡5 всех других резонаторов, расположенных в цепи а -> р —> питающая линия, а также влияние самой линии.

Достоинство рассматриваемых моделей состоит в возможности их обобщения на резонансные структуры независимо от элементной базы.

Однако, как справедливо отмечает и сам автор, практическое применение результатов расчета в обобщенных терминах требует использования или дополнительного электродинамического расчета, или дополнительных экспериментальных исследований. Кроме того, как представляется нам, существует и ряд иных трудностей.

Во-первых, в указанных моделях утрачены индивидуальные свойства каждого из резонаторов, поскольку собственные добротности всех резонаторов, как и их расстройки приняты одинаковыми, что не позволяет использовать полученные модели для идентификации состояния каждого элемента и установления критичности всей структуры к состоянию каждого из элементов, выявлению наиболее существенных связей и разработки оптимальной технологии юстировки.

Во-вторых, использование коэффициентов связи которые неявно учи-

тывают нагрузку данного резонатора Р всеми другими резонаторами в цепи а —> р —> питающая линия и самой питающей линией, существенно затрудняет расчет реальной структуры, поскольку этот коэффициент не является однозначной величиной, определяемой электродинамическими параметрами только резонаторов а и Р, но зависит также и от количества и электродинамических свойств всех других элементов в цепи Р^ питающая линия. В конечном итоге, в данном методе необходимо проводить дополнительные расчеты по определению локальных коэффициентов взаимной связи отдельных резонаторов, что по сложности на порядок выше расчетов по приведенным моделям.

Подход и математические модели, предложенные Капилевичем и Трубехиным представляют существенный интерес в связи с возможностью прямого аналитического синтеза многозвенных резонансных структур. Однако, как указывают и сами авторы данной работы, развитый подход и полученные математические модели справедливы для частного случая, что затрудняет подбор диэлектрических материалов, используемых для выполнения резонансных вкладышей и участков ЗВ.

Таким образом, в настоящее время существует настоятельная необходимость разработки как новых алгоритмов построения математических моделей, так и самих моделей, обладающих более широкой областью применения и освещающих технологические аспекты многозвенных ВДРЗС.

Кроме того, такие алгоритмы должны обеспечивать существенный рост "производительности труда" как при ручном, так и машинном анализе и синтезе многозвенных ВДСЗС.

В значительной степени указашп.гм требованиям отвечают алгоритмы, основанные на методе модифицированных рекуррентных формул, модернизация которых проведена ниже.

Эффективность использования алгоритмов, вытекающих из метода модифицированных рекуррентных формул, определяется во многом рациональностью записи

основного соотношения между коэффициентами отражения п, Йп1 и коэффициентами прохождения Е)Х п, 1)п1 многозвенной структуры:

гЯ1,АгАА, (21)

На основе рекуррентных формул Покровского получено следующее общее выражение:

¿VI =(НК ехр(/г13 +;/•„,л-2)ехр^Х22Ф^вЦв1п , (22)

где: „ -знаменатель коэффициента отражения от структуры 1-п. Установление явной формы функции Йх я1 открывает широкие возможности построения высокоинформативных .моделей многозвенных структур.

Так, алгоритм построения математических моделей многозвенных ВДСЗС при блочном наращивании имеет вид:

Л exp(-j2Aa) Лл /.. ч

= , ,ч ,ч -( ч ехр(у2г13) (2з)

ехр(-у2Ли) В^

Ап = Л^Зт п + 31„ ехр[/(2Ф3 + 2Ф, +... +■ 2Ф,„)], (24)

В и, = ^м + Лм ехр[у2Фт ], (25)

где ^ - соответственно числитель и знаменатель коэффициента отражения

, Дт = К/т(1т - фазовый сдвиг в линии передачи, (1т - толщина резонатора т. Например, для двузвенного ВДРЗС с учетом поглощения:

Л|-7=ехр ОпзКт/^т! (26)

Ал -1 + 7з (27)

й1,7 =,Рсл +1 + % -j£3N3(l+775)-js5N5{l+T]J)-£3£5N3^í5, (28)

где А',- - усиление резонатора, - коэффициент связи, ?7, - параметр потерь

7/ = СЛ, /бо/ = [1 - ехР(~ 2М Ж, (29)

причем среды »- 2 и / + 2 считаются согласованными.

Усиление резонатора Л^ определяет степень развязки резонатора / от сред

»±2.

Ч = (| - 2/А,ч2Д,-2 • (3°)

Коэффициент связи Ч'(-й характеризует относительную связь резонаторов 3 и 5 по сравнению с их связью с питающими лшиями 1 и 7

Ус„ = 2^35^53 /^0130з1057015 . (31)

Анализ данной модели дает основание заключить, что она обладает следующими достоинствами:

- наличием информации о каждом элементе связи многозвенной структуры,

- наличием информации о каждом резонаторе, включая индивидуальные расстройки

£' и параметры потерь ,

возможностью идентификации состояния каждого из резонансных или нерезонансных элементов,

возможностью расчета всех видов добротностей без дополнительного электродинамического расчета,

возможностью ручного расчета допусков на все параметры элементов,

возможностью уяснения технологических аспектов юстировки многозвенных ВДСЗС,

возможностью прямого аналитического синтеза структуры с требуемым видом характеристики,

использованием обобщенных параметров т],М,у = ¿ЛГ,

отсутствием ограничений, свойственных другим моделям, сутцествешго меньшим порядком расчетных величин.

Одним из недостатков СВЧ-устройств на основе ДР является необходимость юдстройкн частоты резонаторов, а также подавление нежелательных типов колеба-шй, возникающих в многоволновых ДР. Кроме того, при формировании требуемой [астотной характеристики СВЧ-фильтров на основе ДР необходимо регулировать Юбротности отдельных резонаторов.

Таким образом при лазерном воздействии на торец ВДР можно выделить сле-(ующие способы изменения резонансной частоты:

) увеличение резонансной частоты путем удаления части материала резонатора;

2) уменьшение резонансной частоты путем нанесения диэлектрического порытая на участок торца резонатора.

Для количественной оценки процесса лазерной подгонки частоты ВДР путем даления материала с его торца или нанесения на торец диэлектрика установлены ин-егральные и локальные коэффициенты влияния.

Интегральные коэффициент влияния по длине ВДР для волн ТЕ и ТН:

„ Ч"1

К.

ТЕ _

К™

,2 (

1 +

V

2/ г

1 +

ЧгЪ1 з Ча^з)

где 1)

ЧгЪЬ <74 ¿Уз

з й _ £з_ . -2 2 ' ~ ' 1 ^ ■

Къ +9,41

(32)

(33)

(34)

(35)

Локальный коэффициент влияния, учитывающий относительное изменение бъема,

К а =(л/р//р\Аи/иУ] ^ (36)

южет быть выражен через интегральный коэффициент влияния по длине К1 (9) или 10) и коэффициент (р, /г), учитывающий неравномерность распределения по-

я по радиусу г, азимуту (р и длине ВДР на глубине И: ,

Кг(г0,<р0,Н) = К,А(г0,р0гИ). (37)'

£

3

Используя ортогональность составляющих поля, получаем:

Дг0, <р, И) = рг (г0,р, И) + (г0,<р, К) + р2 (г0, (р, И), (38

где Рг, Ру, Р2 - парциальные коэффициенты, учитывающие соответственно вкла;

радиальной, азимутальной и продольной составляющих электрического поля.

Для волн типа ТЕ в круглом волноводе радиусом Я коэффициенты влияния:

п24(Апт %

рг/(г0,<р1ЬЬ)=2\

Рр' (го-><Ро>Ь)~2

Я

пт(Лпт „)

яп П<ро

К

С1Ь{Апт) 2

2 сое2п <ра

С■ГК{Апт) 2

8т =

2 /С,А

(39;

(40; (41)

С',Ъ(Лпт) =

* ,2

■П(Апп,)а -~г) + —^пп.УМп.УК (42)

где ./„ - функция Бесселя первого рода п-го порядка; </л - ее производная;

- корень уравнения /„(Апт) = 0. Для волн типа ТН в круглом волноводе радиусом Я коэффициенты влияния:

го

рТга{Го,<РйМ-2

к1я2

В„

Вп„

р

к

соб П <р0

Ст[ВтУ 2

бш2 п <р0 1 ±8И

Ста{ВтУ 2

рг (гО,<Ро,") ~ 1>п\апт „г» -г(-^-)-

Кан 1 В^, от

где Впт - корень уравнения ./„ (В„т ) = 0.

В частности для воли ТЕц н ТНП описьшаются следующим образом: Для волны ТЕ п

(43)

(44)

(45)

(46)

#й"(г0>р0,й) = *395

^(1,841-^) К

0,8411) ^

^¡(1841% К

&тг<р0ргЩ\ соэ2 р0Др(К);

Для волны Т11 п

0™" =10,7

р!'гК,: =10,7

¿(3,832—) Л .

/,(3,832 Ь _К

(3,832 г0/Я)

со8>0/£''(Й);

= 1,694

/,(3,832% Л

соэ2 (р{ф2 (Л);

(47)

(48)

(49)

(50)

(51)

(52)

р'г"(И) = р1" {},)-■

: 0,5(1 т«Ул); (53)

/?ДЙ) = 0Д1±5й) (54)

В четвертом разделе диссертации установлена возможность осуществления тространственно шгвариантных операций пространственного интегрирования и дифференцирования п-ого порядка на основе многослойных оптических структур как без обратной связи, так и с обратной связью; разработаны математические модели про-пранственного интегрирования, дифференцирования и свертки на основе многотонных оптических структур (МОС); разработаны принципы построения простран-:твенно инвариантных устройств обработки оптических сигналов, обеспечивающих ювышение эффективности лазерных информационно-измерительных систем.

МОС, работающие в режиме резонанса, обладают пространственной памятью и :пособны осуществлять различного рода операции над пространственной формой :игнала или изображения. К числу таких операций относятся операции дифференци-ювания, интегрирования и свертки пространственных сигналов.

На основе МОС можно создавать различные типы устройств пространствешго-о дифференцирования (УПД): одномерные и двумерные, правосторонние и левосто-юнние, УПД первого , второго и более высоких порядков. При обеспечении условия - йас «1, где - коэффициентом передачи по амплитуде волны, УПД с обрат-:ой связью становятся практически идеальными дифференцирующими устройствами.

При использовании многорезонаторных МОС или комбинации однорезонатор-ых МОС можно полу»птгь УПД второго и более высоких порядков. Так," например, а основе комбинации двух режекторных МОС с обратной связью можно получить 'ПД второго порядка:

К(Р) = КР^Х [I - /Г/4(1 - /С)]4; К. (р)=-КР2Ы[\ -Рг1\ (1 - )Г (55)

Устройства пространственного интегрирования должны обладать угловой избирательностью, причем наибольшую эффективность следует ожидать от резонансных устройств с угловой избирательностью. Именно таковыми являются резонансные угловые фильтры (РУФ), представляющие собой многослойные диэлектрические оптические структуры, в которых хотя бы один из слоев работает при углах, близких к углу полного внутреннего отражения.

В общем случае справедливы следующие модели:

± р*^ ±Нр,,Ру)=[1 + РЛ-Лу^У1'; (56) КРх,Ру)=[| - РЛ<х + Ру1<УУ; КРх,аА - />.А] ' • (5?)

Значительный практический интерес представляет задача создания интегрирующих устройств со сколь угодно большей постоянной длины (с бесконечной пространственной памятью).

Интегрирующие устройства порядка N с бесконечной памятью осуществляют операции интегрирования по следующим алгоритмам

На основе различного рода комбинаций аналоговых интегрирующих устройств могут быть созданы аналоговые устройства обработки и распознавания образов. Достоинства таких устройств - пространственная инвариантность, практически полная безынерционность. Недостатки - ограниченный набор функциональных преобразований.

Как и в УПД для создания УГТИ более высокого порядка целесообразно использовать или многорезонаторные МОС, или комбинации МОС с различным числом резонаторов.

На основе совокупного использования различных типов УПИ возможно создания целого спектра когерентных оптических процессоров.

Свертка пространственных сигналов может осуществляться как в положительном, так и в отрицательном направлениях по каждой из осей координат.

Математической моделью свертки на конечном промежутке пространственных сигналов А^х) и Ь(х) является интегральное уравнение типа свертки на конечном промежутке, описывающее формально прохождение сигнала А1 (х) через систему с импульсной характеристикой Ь(х) и образование выходного сигнала А2(х). Так, если выходной сигнал задан на промежутке х, < х < х2, то возможны следующие варианты свертки: правосторонняя свертка с текущим верхним пределом; правосторонняя свертка на конечном промежутке; левосторонние свертки с текущим нижним пределом и на конечном промежутке.

Реализация пространственных сверток аналоговых сигналов возможна на основе применения резонансных устройств с угловой избирательностью, представляющих собой многослойные электродинамические структуры с поверхностными волнами.

Пятый раздел посвящен анализу результатов экспериментов - натурного, при котором экспериме1ггалыю определялись частотные характеристики многорезонатор-ных СВЧ-фильтров, спроектированных по разработанным и традиционно применяемым алгоритмам, коэффициенты влияния при лазерной подгонке частоты различных типов ВДР и МОС, и вычислительного, в ходе которого с помощью разработанного пакета программ выполнены расчеты амплитудно-частотных характеристик много-

звеннмх структур и сопоставлены с эталонными, а также результатами исследования

мое.

Результаты эксперимента хорошо согласуются с выводами теории.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы и указаны перспективы дальнейшего развития и внедрения разработанных методов, моделей и алгоритмов в высокоточные технологические системы производства техники СВЧ и оптического диапазонов.

В приложениях на основе разработанных моделей и алгоритмов установлены условия реализуемости НПФ с четвертьволновыми связями с Чебьплевской характеристикой при четном числе звеньев без введения идеальных трансформаторов, а также зависимость приращения добротности АО резонаторов за счет дисперсии участков с четвертьволновыми связями. Показано, что величина приращения может отличаться от общеизвестных значений на 100 и более (до 400) %.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

В результате выполнения диссертационной работы решена задача существенного повышения точности и производительности процессов проектирования и производства многорезонаторных устройств техники СВЧ, что позволяет повысить эффективность технологии производства техники СВЧ путем значительного сокращения доводочных и котировочных работ.

В работе получены следующие основные результаты:

1. Разработаны модели и алгоритмы анализа и синтеза многозвенных полосно* пропускающих фильтров с четвертьволновыми связями на основе более информативной переменной.

2. Разработаны модели и алгоритмы анализа и синтеза многозвенных МОС на основе.

3. Разработаны методы, модели и алгоритмы измерения е и tg5 материалов на СВЧ, обеспечивающие повьппигае точности измерения.

4. Разработаны модели и алгоритмы лазерной подгонки СВЧ-резонаторов и элементов связи волноводно-диэлекгрических структур, обеспечивающие сокращение сроков и стоимости операций подгонки.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Методы аналитического синтеза СВЧ и оптических четырехполюсников с запредельными связями: Монография. Ю.А. Покровский, A.B. Черешнев, Е.А. Мака-рецкий, В.И. Бондаренко/ Под ред. Ю.А. Покровского, Тул. гос. ун-т., Тула, 1999.203 с.

2. Покровский Ю.А., Паринский А.Я., Макарецкий Е.А., Бондаренко В.И. Основы построения и проектирования радиооптическнх пеленгаторов: Учеб. пособие / Под ред. Ю.А. Покровского. - Тула: ТулГУ, 1999.

3. Е.А. Макарецкий, В.И. Бондаренко. Алгоритмы расчета нормирующих коэффициентов в математических моделях многослойных оптических структур. Известия ТулГУ, серия "Радиооптика и радиотехника сверх высоких частот", Том' 2, выпуск 1, Тула, 1999, с. 7-9.

4. Бондаренко В.И. Алгоритмы редукции математических моделей многослойных оптических структур. Известия ТулГУ, серия "Радиооптика и радиотехника сверх высоких частот", Том 2, выпуск 1, Тула, 1999, с. 10-12.

5. Бондаренко В.И. Алгоритм построения математических моделей виртуальных многослойных оптических структур. Известия ТулГУ, серия "Радиооптика и радиотехника сверх высоких частот", Том 2, выпуск 2, Тула, 1999, с. 24-26.

6. Черешнев А.В., Бондаренко В.И. Повышение эффективности математического обеспечения САПР фильтрующих и согласующих СВЧ-устройств на основе новой частотной переменной // Тезисы докладов Всероссийской НТК "Новые информационные технологии в научных исследованиях радиоэлектроники". - Рязань 1997. -С. 61-62.

7. Макарецкий Е.А., Бондаренко В.И. Метод решения интегральных уравнений теории синтеза линейных оптимальных систем с конечной памятью. Известия ТулГУ, серия "Радиооптика и радиотехника сверх высоких частот", Том 1, выпуск 1, Тула, 1998, с. 12-17.

8. Покровский Ю.А., Макарецкий Е.А,, Бондаренко В.И. Методы и средства измерения разностенности листовых и трубных изделий. Всероссийская НТК «Методы и средства измерений физических величиго> - Н.Новгород, 1997. -

9. Покровский Ю.А., Макарецкий Е.А„ Бондаренко В.И. Лазерный измеритель непрямолинейности ос сверхглубоких каналов. Всероссийская НТК «Методы и средства измерений физических величин» - Н.Новгород, 1997. -

10. Макарецкий Е.А., Покровская Л.Ю., Бондаренко В.И. Лазерный дистанционный датчик угловых отклонений. Всероссийская НТК«Методы и средства измерений физических величин» - Н. Новгород, 1997. -

11. Разработка методов и средств измерения углового рассогласования осей сверхглуюоких каналов. Всероссийская НТК «Методы и средства измерений физических величин» - Н.Новгород, 1997. -

12. Макарецкий Е.А., Бондаренко В.И. Согласованная угловая фильтрация простых аналоговых сигналов на фоне белого гауссовского шума. XIV Научная сессия, посвященная Дюо Радио - ТулаДулГУ, 1997 -

13. Макарецкий Е.А., Бондаренко В.И. Методы решения интегральных уравнений типа свертки первого рода на основе метода физического моделирования. XIV Научная сессия, посвященная Дню Радио - Тула,ТулГУ, 1997 -

14. Pokrovsky Y.A., Makaretsky Е.А., Titov S.N., Bondarenko V.I. Spatial folding of analog optical signals in multilayer electrodynamic structures. /Yakovkin Memorial 4th international symposium on Surface waves in Solid and Layered Structures (ISSWAS-4) and 1998 International Symposium on Acoustoelectronic, Frequency Control and Signal Generation and International Conference for Young Researches on Acoustoelectronic and Acoustic Information Processing: Preliminary Program and Abstracts / St.Peterburgs State University of Aerospace Instrumentation. - StPeterburg, 1998. - p. 72-73.

15. Pokrovsky Y.A., Makaretsky Е.А.,-Titov S.N., Bondarenko V.I. Devices of spatial differentiation on base of optical multilayer structures with surface waves. /Yakovkin Memorial 4th international symposium on Surface waves in Solid and Layered Structures (ISSWAS-4) and 1998 International Symposium on Acoustoelectronic, Frequency Control and Signal Generation and International Conference for Young Researches on Acoustoelectronic and Acoustic Information Processing: Preliminary

Program and Abstracts / St.Peterburgs State University of Aerospace Instrumentation. -St.Peterburg, 1998. - p. 77-78.

16.Pokrovsky Y.A., Makaretsky E.A., Titov S.N., Bondarenko V.I. Mathematical models optical analog spatial integral-operation devices on the base of multilayer optical structures with angular selectivity. /Yakovkin Memorial 4th international symposium on Surface waves in Solid and Layered Structures (ISSWAS-4) and 1998 International Symposium on Acoustoelectronic, Frequency Control and Signal Generation and International Conference for Young Researches on Acoustoelectronic and Acoustic Information Processing: Preliminary Program and Abstracts / St.Peterburgs State University of Aerospace Instrumentation.-St.Peterburg, 1998.-p. 140-141.

17. Pokrovsky Y.A., Makaretsky E.A., Titov S.fl., Bondarenko V.I. Angular filters Karhunen-Loeve on base of structures with surface waves. /Yakovkin Memorial 4th international symposium on Surface waves in Solid and Layered Structures (ISSWAS-4) and 1998 International Symposium on Acoustoelectronic, Frequency Control and Signal Generation and International Conference for Young Researches on Acoustoelectronic and Acoustic Information Processing: Preliminary Program and Abstracts / St.Peterburgs State University of Aerospace Instrumentation. - St.Peterburg, 1998. - p. 148-149.

¡8.Покровский Ю.А., Бондаренко В.И., Хромушии B.A., Полынкин А.В. Приближенная модель подгонки резонансной частоты диэлектрического резонатора в запредельном волноводе. В печати.

9. Покровский Ю.А., Бондаренко В.И., Хромушин В.А., Полынкин А.В. Коэффициенты влияния при лазерной подгонке частоты волноводно-диэлектрическнх резонаторов в круглом волноводе. В печати.

Подписано в печать А&1-гОО. Формат бумага 60x84 1/16. Бумага типографская М 2 Офсетная печать. Усл. печ. л. ^ 4 . Усл. кр.-отг. 4/ / . Уч. изд. л. У> р Тираж экз. Заказ £ #3 .

Тульский государственный университет. 300600, г. Тула, пр. Ленина, 92. Редакцнонно- издательский центр Тульского государственного университета. 300(500, г. Тула, ул. Болдина, 151