автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Моделирование и оптимизация мощных сверхширокополосных аттенюаторов с жидкостной проводящей средой

На правах рукописи

□□3456581 БЛИНОВ Владимир Вячеславович

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ МОЩНЫХ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ АТТЕНЮАТОРОВ С ЖИДКОСТНОЙ ПРОВОДЯЩЕЙ СРЕДОЙ

Специальности: 05.12.07- Антенны, СВЧ - устройства и их

технологии 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - ¿иио

003456581

Работа выполнена в ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Пастернак Юрий Геннадьевич

Научный консультант доктор технических наук

Ашихмин Александр Владимирович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор

Калинин Юрий Егорович

кандидат технических наук Шерстюк Олег Игоревич

Ведущая организация

Воронежский институт МВД РФ

Защита состоится 18 декабря 2008 г. в 11 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д212.037.10 ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан «17 » ноября 2008 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Макаров О.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТШСА РАБОТЫ

Актуальность темы. Мощные аттенюаторы и созданные на их основе согласованные нагрузки УКВ и СВЧ диапазонов волн находят широкое применение в различных радиотехнических системах. Подобные устройства чаще всего изготавливаются путем нанесения поглощающего слоя на керамическую подложку с достаточно высокой теплопроводностью, охлаждаемую с помощью циркуляции жидкого или воздушного хладагента. Достоинства данной технологии очевидны: высокая степень повторяемости устройств, возможность функционирования в сверхширокой полосе частот. Основной ее недостаток заключается в появлении микротрещин на поверхности резистивного слоя вследствие поглощения высокого уровня мощности в неоднородной структуре, состоящей го керамической подложки и полупроводникового покрытия, имеющих различные температурные коэффициенты линейного расширения. В результате гарантийный срок эксплуатации мощных твердотельных аттенюаторов весьма ограничен - чаще всего он не превышает 1 год (фирмы «Bird Electronics», «Anaren», «Hewlett-Packard», «Microwave Devices» и др.). При этом стоимость мощных аттенюаторов весьма велика - к примеру, при рассеиваемой мощности 3 кВт в полосе частот до 1.2 ГГц она колеблется в пределах от 2500 до 3000 евро.

Другой широко используемый способ построения мощных аттенюаторов заключается в реализации бинарной каскадной схемы деления мощности и использования нескольких пленочных резисторов на керамической подложке, предназначенных для рассеивания меньшего уровня мощности - как правило, не более 250 Вт. Недостатки данного способа очевидны: трудность согласования в широкой полосе частот, громоздкость устройства и сложность реализации эффективного теплоотвода.

Во многих случаях применение аттенюаторов осложняется быстро изменяющимся уровнем мощности входного сигнала, необходимостью контролирования параметров сигналов и цепей с прецизионной точностью, требованиями сохранения основных характеристик устройства в широком интервале температуры и других внешних дестабилизирующих воздействий.

Помимо затронутого технического и технологического аспектов данной проблемы, имеется ряд сложностей при строгом электродинамическом моделировании и оптимизации параметров мощных твердотельных сверхширокополосных аттенюаторов, построенных на основе нерегулярных неоднородных линий передачи с потерями, включающих тонкие полупроводниковые пленки со сложной микроструктурой.

Для преодоления вышеобозначенных трудностей в настоящей работе создана методика моделирования и оптимизации характеристик мощных сверхширокополосных аттенюаторов, построенных на основе двух- или многопроводных линий, погруженных в жидкостную проводящую среду с высокой диэлектрической проницаемостью, обладающей также высокой теплопроводностью, принудительная циркуляция которой обеспечивает эффективный отвод рассеиваемой мощности.

Работа выполнена в соответствии с основными научными направлениями ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»: «Разработка и исследование перспективных радиоэлектронных и лазерных устройств, систем передачи, приема, обработки и защиты информации», «Вычислительные системы и программно-аппаратные комплексы», в рамках НИР ГБ 2001.29 и в ряде отчетов по НИР и ОКР, выполняемых ФГУП «НКТБ «Феррит» (г. Воронеж)

Целью диссертации является разработка и апробация методики моделирования и оптимизации мощных сверхширокополосных аттенюаторов, построенных на основе двух- и многопроводных линий, погруженных в проводящую жидкостную среду с высокой диэлектрической проницаемостью и высокой теплопроводностью.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

- проведения аналитического обзора материалов, посвященных разработке, исследованию и оптимизации характеристик мощных сверхширокополосных аттенюаторов и построенных на их основе согласованных нагрузок, и выявления перспективных тенденций их моделирования и проектирования;

- разработки методики анализа электродинамических процессов, протекающих в двух- и многопроводных неоднородных линиях, погруженных в проводящую жидкостную среду, позволяющей оцешггь характеристики затухания и отражения электромагнитных волн в анализируемой структуре на разных уровнях строгости построения физико-математических моделей;

- разработки методики синтеза и оптимизации характеристик мощных жидкостных сверхширокополосных, аттенюаторов и построенных на их основе согласованных нагрузок, позволяющей выбрать близкие к оптимальным параметры поглощающей среды и геометрии двух- или многопроводной линии, по критерию обеспечения ослабления входного уровня мощности не менее чем на 10-20 дБ на выходе аттенюатора и уровня отраженного сигнала на входе не более чем 20 дБ относительно входного сигнала;

- оценки адекватности и верификации разработанной методики моделирования и оптимизации характеристик мощных жидкостных сверхширокополосных аттенюаторов на основе данных строгого электродинамического моделирования проектируемых устройств и результатов их натурных экспериментальных исследований.

Методы исследования. При выполнении работы использовались основные положения теории диссипативных линий передачи, методы вычислительной электродинамики, методы математического моделирования и параметрической оптимизации, стандартные методики измерения характеристик фидерных линий УКВ и СВЧ диапазонов волн.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- создана двухступенчатая методика параметрической оптимизации мощных сверхширокополосных аттенюаторов, построенных на основе двух-или многопроводных линий, погруженных в проводящую жидкостную среду с

высокой диэлектрической проницаемостью и высокой теплопроводностью, основанная на использовании генетического алгоритма для выбора геометрии и материальных свойств синтезируемого устройства, реализующего критерий минимизации уровня входных отражений при заданном минимальном ослаблении;

- предложена и апробирована методика оптимального параметрического синтеза сверхширокополосных согласующих полосковых трансформаторов, отличающаяся использованием модифицированного генетического алгоритма, позволяющая уменьшить коэффициент отражения на 5 дБ в полосе частот с восемнадцатикратным перекрытием диапазона;

- предложена методика проектирования мощных жидкостных сверхширокополосных аттенюаторов и согласованных нагрузок, отличающаяся возможностью рационального выбора степени строгости физико-математических моделей, описывающих распространение и затухание электромагнитных волн в проволочных линиях передачи, помещенных в полупроводящую жидкостную среду;

- разработаны математические модели проволочных линий передачи в проводящей жидкостной среде, позволяющие анализировать процессы распространения, затухания и отражения электромагнитных волн на различных уровнях их представления: от приближения отрезка однородной регулярной дисси-пативной линии; использования тонкопроволочного приближения проводников, позволяющего описать распределение токов с помощью системы уравнений Халленовского вида; использования векторных интегральных уравнений для объектов, состоящих из идеально проводящего (или конечно проводящего) металла и полупроводника, решаемых в пространственно-частотной области; использования итеративной схемы решения системы векторных интегро-дифференциальных уравнений, описывающих граничную задачу, в пространственно-временной области.

Практическая значимость работы заключается в разработке инженерной методики проектирования мощных жидкостных сверхширокополосных аттенюаторов и согласованных нагрузок УКВ и СВЧ диапазонов волн, характеризующихся уменьшенными габаритными размерами и массой, высокой надежностью и увеличенным сроком эксплуатации, а также - низкой себестоимостью. Созданы экспериментальные образцы аттенюаторов и согласованных нагрузок, характеризующиеся в полосе частот от 50 до 1000 МГц уровнем коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) не более 1.2 при минимальном ослаблении 20 дБ.

Реализация и внедрение результатов работы.

Основные теоретические и практические результаты работы использованы в ФГУП НКТБ «Феррит» (г. Воронеж); научно-производственном предприятии ЗАО «ИРКОС» (г. Москва). Ряд результатов внедрен в ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» при курсовом и дипломном проектировании студентов специальности «Радиотехника», а также

при выполнении лабораторных работ по дисциплине «Устройства СВЧ и антенны».

Основные положения, выносимые на защиту:

- двухступенчатая методика параметрической оптимизации мощных сверхширокополосных аттенюаторов, построенных на основе двух- или многопроводных линий, погруженных в проводящую жидкостную среду с высокой диэлектрической проницаемостью и высокой теплопроводностью, основанная на использовании генетического алгоритма для выбора геометрии и материальных свойств синтезируемого устройства, реализующего критерий минимизации уровня входных отражений при заданном минимальном ослаблении;

- методика оптимального параметрического синтеза сверхширокополосных согласующих полосковых трансформаторов, отличающаяся использованием модифицированного генетического алгоритма, позволяющая уменьшить коэффициент отражения на 5 дБ в полосе частот с восемнадцатикратным перекрытием диапазона;

- методика проектирования мощных жидкостных сверхширокополосных аттенюаторов и согласованных нагрузок, отличающаяся возможностью рационального выбора степени строгости физико-математических моделей, описывающих распространение и затухание электромагнитных волн в проволочных линиях передачи, помещенных в проводящую жидкостную среду;

- математические модели проволочных линий передачи в проводящей жидкостной среде, позволяющие анализировать процессы распространения, затухания и отражения электромагнитных волн на различных уровнях их представления.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международных научно-технических конференциях: VII Международной научно-технической конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (Воронеж, 2006); XIII Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация и связь» (Воронеж, 2007); VIII Международной научно-технической конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (Воронеж, 2007), а также на ежегодно проводимых научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, студентов и аспирантов ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» (2004-2008).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12 научных работах, в том числе 7 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1, 2, 3, б, 7, 9] - разработка методики проектирования мощных сверхширокополосных жидкостных аттенюаторов и согласованных нагрузок, изготовление макетов и проведение экспериментов; [4, 5, 8, 10] -созданы физико-математические модели мощных широкополосного аттенюатора и изодуктора, [11] - разработаны модели мощных широкополосных нагрузок и предложена методика их параметрического и структурного синтеза, [12] -

проведен расчет, анализ и оптимизация основных характеристик мощного аттенюатора в жидкостной проводящей среде в сверхширокой полосе частот.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 100 наименований, и трех приложений. Основная часть работы изложена на 157 страницах, содержит 66 рисунков и 10 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, изложена научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

В первой главе проведен аналитический обзор современных методик проектирования и основных характеристик мощных аттенюаторов и согласованных нагрузок УКВ и СВЧ диапазонов волн, выпускаемых ведущими фир-мами-производигелями радиоэлектронного оборудования. Выяснено, что основными недостатками серийно выпускаемых мощных аттенюаторов и согласованных нагрузок УКВ и СВЧ диапазонов волн являются: большие габаритные размеры и масса; гарантийный срок эксплуатации, не превышающий 1 год; недостаточно высокая надежность вследствие появления микротрещин на поглощающем покрытии при часто изменяющемся уровне входной мощности.

Предложен способ построения мощных сверхширокополосных аттенюаторов и согласованных нагрузок, основанный на использовании двух- или многопроводных линий, погруженных в жидкостную проводящую среду с высокими диэлектрической проницаемостью, электрической проводимостью и теплопроводностью, позволяющий существенно уменьшить габаритные размеры и массу проектируемых устройств, характеризующихся низким уровнем входных отражений и вносимым затуханием не менее 20 дБ.

Проведен анализ возможностей эффективного использования методов математического моделирования и оптимизации при проектировании мощных сверхширокополосных аттенюаторов и согласованных нагрузок. Выяснена возможность использования физико-математических моделей, описывающих физические процессы в жидкостных аттенюаторах и согласованных нагрузках на различных уровнях строгости - от трактовки их как отрезков диссипативных длинных линий до строгого решения граничных задач электродинамики в пространственно-временной области.

Вторая глава посвящена разработке математических моделей проволочных линий передачи в проводящей жидкостной среде, позволяющего анализировать протекающие в них физические процессы на различных уровнях их представления: их трактовки как отрезков однородной регулярной диссипатив-ной линии; использования системы скалярных интегральных уравнений 1-го рода Халленовского вида для моделирования тонкопроволочных проводников, расстояние между которым" существенно пр-З—Ш-ет их диялт^^тп- прптения трехмерной граничной электродинамической

задачи в пространственно-частотной ооласти или в пространственно-временной области.

Простейшая модель регулярной двухпроводной линии передачи, размещенной в бесконечно протяженной во всех направлениях полупроводящей жидкой среде, иллюстрируется рис 1. Достоинством данной модели является возможность использования простых соотношений для нахождения ее комплексных волнового сопротивления 2 и постоянной распространения к (малое число вычислительных операций, необходимых для вычисления величин 2 и к, позволяет существенно сократить время, необходимое для реализации процедуры параметрического синтеза данной структуры с использованием генетического алгоритма):

276

к =

где Ъ - расстояние между центрами проводников и а - их радиус.

Частотная зависимость величины ег и а выражается с помощью формул Дебая:

б. =

04 - О®2"

^ _ , Рос -СГ,Нй>0

а - а -[----

1 + {(ОТ)2

\ + {ютУ 1 + {(отУ

где г - время релаксации, индекс ^ характеризует значения при очень низкой частоте, а индекс оо - при очень высоких частотах.

Входное сопротивление отрезка диссипативной линии передачи, нагруженной на сопротивление Zн (рис. 2), может быть вычислено как

2 _12н

где Ь - длина отрезка линии передачи.

X

я

: а;

5

Рис. 1. Модель регулярной двухпроводной линии в среде с потерями

Рис. 2. Модель отрезка линии передачи с комплексной нагрузкой

При выполнении условий Ь»2а, Ь»Ь, Л»2яа, л»Ь (где Я -длина волны в среде с параметрами ег, сг) для анализа распределения тока по проводникам /ь(.г") и 12х(х) = -1и(х) использовалось уравнение Халлена:

б

1 - 'А

Uu(x')Gd(x,x')dx' = /2)sm(A(L - x)) + ^(соз(/а-) - cos(/cL))],

i l cos(kL)

где g(x x1) = e*P(-'W(*-*')2 + _ exp{-ikj(x-x>)2+b2) \[(x-xf+a> . jx~x'f +V '

N

Gd{x,x')=G(x,x')-G{L,x% U^^-jlJx'piL^x',

4 7Г 0

U0 - напряжение запитки между торцами проводников.

Возможность использовагшя столь простых моделей аттенюатора и согласованной нагрузки (рис. 1, 2) обусловлена сосредоточением подавляющей доли мощности, переносимой через поперечное сечение линии передачи, в пространстве между проводниками и внешней областью, ограниченной радиусом порядка ъ относительно линии осевой симметрии рассматриваемых структур (рис. 3). При получении представленных зависимостей использовался метод конечного интегрирования (Finite Integration Method), Т. Weiland.

При численном моделировании устройств с помощью метода конечного интегрирования (Вейланда), проводимого в пространственно-временной области, использовались соотношения, подобные приведенным ниже:

= еп~ш+ы-м,

-1

с-■ в" +ма ■ (еп+,п +е"'и2)/2

- At-С-Е"*1'2,

где Еп* и Е"~ 2 - векторы напряженности электрического поля, верхними индексами обозначены временные шаги (при этом разности электрических потенциалов е, определяемые на ребрах ячеек сетки с учетом направления пространственной ориентации силовых линий напряженности электрического поля, и магнитные потоки Ь, протекающие через их грани, расположены на первичной сетке С, а электрические потоки с! граней и магнитные ЭДС ребер

и -на дуальной сетке й (рис. 4); Д/ - интервал временной дискретизации; ме, Мм, Ма - тензоры диэлектрической проницаемости, магнитной проницаемости и проводимости среды; в" и вп+х - векторы индукции

магнитного поля; матричные операторы С и С, составленные из величин «О», «1» и (-1), однозначно описывают топологию анализируемого объекта. Соотношения для численного моделирования (верхними индексами обозначены временные шаги).

«Сеточная» система уравнений Максвелла:

C■H = —D+J, С -Е = -—В, 5-0 = <2, 5-5 = 0.

ог от

Рис. 4. Ячейки первичной й и дуальной й сеток Вейланда Правило выбора временных индексов показано на рис. 5.

а) - силовые линии Е- компоненты б) - силовые линии Н- компоненты

Рис. 3. Распределение поля в пространстве вокруг проводников (6 = 4.5 мм, 2а = 1 мм, ег =28, ст=0.3 См/м)

-®-<®-@-©—

Рис. 5. Правило выбора временных индексов при численном решении электродинамической задачи в пространственно-временной области

Для анализа входных характеристик неоднородных диссипативных линий передачи в сверхпшрокой полосе частот использовалась модель, основанная на их представлении в виде каскадного соединения четырехполюсников (рис. 6). Коэффициент отражения ЭМВ от структуры (рис. 6) определялся как

" " + ин^{кыы)' ' г,. + /г;:-, • 11

8

7 -7"

ген.

1 +7®

геи. ^

Рис. 6. Модель в виде последовательного соединения четырехполюсников

В третьей главе разработана методика синтеза и оптимизации характеристик мощных жидкостных сверхширокополосных аттенюаторов и построенных на их основе согласованных нагрузок, позволяющая выбрать близкие к оптимальным параметры поглощающей среды и геометрии двух- или многопроводной линии, по критерию минимизации уровня отраженного сигнала на входе при заданном минимальном ослаблении.

Простейшим методом оптимизации проектируемых устройств является выбор расстояния между проводниками Ь (постоянного на всей длине линии ¿), их радиуса а, величины сопротивления оконечной маломощной нагрузки 2и (не обязательно равной 50 Ом), длины линии Ь и параметров среды ег и а с помощью какой-либо процедуры поиска локальных экстремумов, например, -построенной на основе метода наискорейшего спуска (рис. 7). Поэтому более эффективной является двухэтапная методика, на первом шаге которой ищется положение одного из наиболее глубоких локальных минимумов целевой функции с помощью генетического алгоритма (рис. 8,9), а затем значения величин а, Ь, Ь, ег, а, 2н уточняются с помощью процедуры локальной оптимизации (рис. 7). Последний вариант набора генов в хромосоме представляется автору наиболее рациональным, т.к. от величины параметра а зависит предельный уровень входной мощности, а параметры Ь, ег, а достаточно легко выбрать проектировщику исходя из условия необходимости обеспечения выполнения условия тш(аг)>ат1п.

При вариации параметров (Ь, ег, и) необходимо использовать процедуру оптимизации, реализующую два критерия: минимизации входного уровня КСВН и обеспечения необходимого минимального ослабления - тт(й)> ат:п При этом удобно выражать в децибелах величину уровня мощности электромагнитной волны, дошедшей до оконечной нагрузки с номиналом 2Н, измеряемую относительно уровня входной мощности адБ =10^(Ря/Рвх), а также -уровень отраженного от входа сигнала рдБ = 101оз(Р 1Ра)'-

Уа-^бБ+Ур-

где уи и УР ~ весовые коэффициенты значимости параметров адЕ и рдБ.

^Ввод данных технического задания: fmm> Ушах " границы диапазона рабочих частот; «mm - минимальное ослабление в рабочей полосе; Ртах - максимальная мощность на входе; КСВНтт максимальный уровень коэффициента стоячей волны по напряжению на входе; Lmax - максимальная длина устройства; а0, b0, er0, а0, Z„0. L0 - выбор начальных значений

параметров вариации, для которых min (от) > а^ -—р-

п = 1

276

е -I-

а

\,/(2a)+^\ + (b/(2a))2]

Z" =Z

as0

Z„+iZ -igjkL) Z + iZHtg(kL)'

H =

7 -7

ген

а а f а

Ъ b Ъ

Ег а = а —> - rj0 ■ grad KCBH Sr а

z„ Z. Z.

L L _ п \ L

, 2 x I To7"

k = — \er -1-

Л0 у cos0

KCBH

ни "1-й*

f e[fnm:fmJ, mzx(KCBH)

Завершение

Рис. 7. Структурная схема алгоритма параметрического синтеза согласованной нагрузки, основанного на использовании метода наискорейшего спуска

Ввод данных ТЗ и параметров генетического алгоритма

Вывод лучшей хромосомы. Окончание

1. Количество сменившихся поколений меньше или равно максимально допустимого их числа Р. (щ«(РГ.-.Т)|р., -шш^«.....ягу ч

где £е[иг5; КГ1]

-й д,

Нет

Да

Рис. 8. Структурная схема генетического алгоритма (начало)

в

Рис. 9. Структурная схема генетического алгоритма (окончание)

Геометрия синтезируемой двухпроводной линии с помощью генетического алгоритма представлена на рис. 10.

Рис. 10. Геометрия синтезируемой двухпроводной линии в среде с потерями

Проведенное численное моделирование показало, что использование генетического алгоритма позволяет существенно улучшить частотные зависимости КС.ВН (/) в диапазоне от 50 до 300 МГц (рис. 11).

КСВН

те же параметры . (после использования генетического алгоритма)

75 100 125 150 175 200 225 250 275 300

Рис. 11. Частотные зависимости КСВН аттенюатора до и после оптимизации

Экспериментальные зависимости КСВН(f) и ослабления a№{f~) согласованного аттенюатора с параметрами (а= 0,5 мм,6= 4,5 мм, L= 200 мм, ег= 28, ег= 0,4 См/м, ZH = 50 Ом) приведены на (рис. 12).

О 100 200 300 «0

rao 900 ыо3

/.МГц

Рис. 12. Экспериментальные зависимости КСВН и ослабления а

дБ

В четвертой главе разработана и апробирована методика проектирования мощных жидкостных сверхширокополосных аттенюаторов и согласованных нагрузок, отличающаяся возможностью рационального выбора степени строгости физико-математических моделей, описывающих распространение и затухание электромагнитных волн в проволочных линиях передачи, помещенных в проводящую жидкостную среду (рис. 13).

Рис. 13. Структура методики проектирования мощных сверхширокополосных жидкостных аттенюаторов и согласованных нагрузок 14

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертации разработана и апробирована методика моделирования и оптимизации мощных сверхширокополосных аттенюаторов и согласованных нагрузок, построенных па основе двух- и многопроводных линий, погруженных в проводящую жидкостную среду с высокой диэлектрической проницаемостью и высокой теплопроводностью, позволившая создать ряд малогабаритных надежных устройств, функционирующих в полосе частот с двадцатикратным перекрытием и более.

Основные результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Проведен критический анализ перспективных направлений и методов моделирования, оптимизации и проектирования мощных сверхширокополосных аттенюаторов и согласованных нагрузок.

2. Разработаны математические модели проволочных линий передачи в проводящей жидкостной среде, в которых протекающие физические процессы описываются на различных уровнях строгости и использование которых позволяет рационально реализовать процедуру параметрической оптимизации устройств в сверхширокой полосе частот и проанализировать синтезированные устройства на строгом электродинамическом уровне.

3. Разработана методика параметрической оптимизации мощных сверхширокополосных жидкостных аттенюаторов и согласованных нагрузок, позволяющая существенно улучшить качество согласования синтезируемых устройств и сократить время их проектирования за счет использования генетического алгоритма для отыскания глубокого минимума целевой функции, описывающей уровень отражения и затухания электромагнитных волн в структурах.

4. Разработана методика оптимального параметрического синтеза сверхширокополосных согласующих полосковых трансформаторов, отличающаяся использованием модифицированного генетического алгоритма, позволяющая уменьшить коэффициент отражения на 5 дБ в полосе частот с восемнадцатикратным перекрытием диапазона

5. Разработана методика проектирования мощных жидкостных аттенюаторов и согласованных нагрузок, позволяющая создавать устройства с габаритными размерами и массой, существенно меньшими, чем их твердотельные аналоги, функционирующие в полосе частот с коэффициентом перекрытия до 20 и более.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Блинов В.В., Негробов В.М., Пастернак ЮГ. Исследование влияния параметров поглощающей жидкости на щирокополосность мощной СВЧ - нагрузки // Вестник Воронежского государственного технического университета. Т. 1.№ 8. 2005. С. 33-38.

1 УГ) Г) П М _______

водности Пельтье-модуля II Вестник Воронежского государственного технического университета Т 1,№ 8 2005. С. 58-60.

3. Блинов В В., Негробов В М., Репников В.Д. Разработка и исследование мощного аттенюатора с ослаблением 10 дБ и волновым сопротивлением 50 Ом // Вестник Воронежского государственного технического университета Т. 1. № 8. 2005. С. 72-74.

4. Блинов В.В., Негробов В.М., Репников В.Д. Теория инженерного расчета рамочной структуры изодуктора и его применение на практике // Вестник Воронежского государственного технического университета. Т. 1.№ 8. 2005. С. 48-50.

5. Блинов В.В., Негробов В.М., Репников В.Д. Исследование методов улучшения согласования циркуляторов в широкой полосе рабочих частот // Вестник Воронежского государственного технического университета. Т. 1.№ 8. 2005. С. 65-68.

6. Блинов В.В., Негробов A.B. Мощный аттенюатор // Антенны. 2007. № 8 (123). С. 52-55.

7. Блинов В.В., Негробов A.B. К реализации аттенюатора в жидкостной проводящей среде // Антенны. 2007. № 9 (124). С. 41-45.

Статьи и материалы конференций

8. Блинов В.В., Негробов A.B. Компьютерное моделирование феррито-вого циркулятора с сосредоточенными элементами метрового диапазона волн // Кибернетика и высокие технологии XXI века: сб. докл. VII Междунар. науч.-техн. конф. Воронеж, 2006. Т. 2. С. 888-894.

9. Блинов В.В., Негробов A.B., Перов Ю.Н. Проектирование и исследование мощного аттенюатора в жидкостной проводящей среде // Радиолокация, навигация и связь: сб. докл XIII Междунар. науч.-техн. конф. Воронеж, 2007. Т. 1. С. 721-730.

10. Блинов В.В, Негробов A.B., Перов Ю.Н. Математическая модель мощного аттенюатора в жидкостной проводящей среде // Кибернетика и высокие технологии XXI века: сб. докл. VIII Междунар. науч.-техн. конф. Воронеж, 2007. Т. 1. С. 949-960.

11. Ашихмин A.B., Блинов В.В., Власкин А.Н. Исследование влияния параметров и конфигурации подложек на широкополосность мощных нагрузок // Проектирование радиоэлектронных устройств и систем: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2007. С. 37-46.

12. Ашихмин A.B., Блинов В.В., Власкин А.Н. Использование интегрального уравнения Халлена для создания математической модели мощного аттенюатора // Проектирование радиоэлектронных устройств и систем: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2007. С. 4-13.

Подписано в печать 12.11.2008. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 90 экз. Заказ № оВу

ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

Введение Л.

1. Анализ современных методик проектирования и основных характеристик мощных аттенюаторов и согласованных нагрузок.

1.1. Аналитический обзор перспективных тенденций проектирования широкополосных мощных аттенюаторов и согласованных нагрузок.

1.2. Критический анализ тенденций развития современных программных средств, предназначенных для моделирования антенно-фидерных устройств

1.3. Обзор и анализ перспективных методов электродинамического моделирования антенн и устройств СВЧ

1.4. Выводы по первой главе.

2. Разработка математических моделей мощных твердотельных и жидкостных аттенюаторов и согласованных нагрузок

2.1. Выбор и анализ схем включения резистивной сборки в аттенюаторах, рассеивающих мощность до 250 Вт.

2.2. Разработка и исследование комплекса эвристических физико-математических моделей мощных жидкостных аттенюаторов.

2.3. Модель жидкостного аттенюатора, основанная на использовании векторных интегральных уравнений, записанных в пространственно-частотной области

2.4. Пространственно-временная форма представления физико-математической модели жидкостного аттенюатора.

2.5. Использование метода конечных интегралов Вейланда для анализа характеристик мощных жидкостных аттенюаторов и согласованных нагрузок.

2.6. Выводы по второй главе.

3. Разработка методики синтеза и оптимизации характеристик мощных жидкостных сверхширокополосных аттенюаторов и построенных на их основе согласованных нагрузок.

3.1. Разработка методики синтеза согласующего симметрирующего полоскового трансформатора для согласования сверхширокополосных аттенюаторов и нагрузок СВЧ диапазона на основе использования генетического алгоритма.

3.2. Разработка двухэтапной методики параметрического синтеза сверхширокополосных жидкостных аттенюаторов и согласованных нагрузок

3.3. Выводы по третьей главе.

4. Разработка и апробация методики проектирования мощных жидкостных сверхширокополосных аттенюаторов и согласованных нагрузок.

4.1. Функционирование подсистем программно-методического комплекса проектирования мощных жидкостных аттенюаторов и согласованных нагрузок.

4.2. Исследование характеристик мощных жидкостных аттенюаторов, и согласованных нагрузок разработанных в соответствии с предложенной методикой.

4.3. Выводы по результатам четвертой главы.

Актуальность темы. Мощные аттенюаторы и созданные на их основе согласованные нагрузки УКВ и СВЧ диапазонов волн находят широкое применение в различных радиотехнических системах. Подобные устройства чаще всего изготавливаются путем нанесения поглощающего слоя на керамическую подложку с достаточно высокой теплопроводностью, охлаждаемую с помощью циркуляции жидкого или воздушного хладагента. Достоинства данной технологии очевидны: высокая степень повторяемости устройств, возможность функционирования в сверхширокой полосе частот. Основной ее недостаток заключается в появлении микротрещин на поверхности резистивного слоя вследствие поглощения высокого уровня мощности в неоднородной структуре, состоящей из керамической подложки и полупроводникового покрытия, имеющих различные температурные коэффициенты линейного расширения. В результате гарантийный срок эксплуатации мощных твердотельных аттенюаторов весьма ограничен — чаще всего он не превышает 1 год (фирмы «Bird Electronics», «Anaren», «Hewlett-Packard», «Microwave Devices» и др.). При этом стоимость мощных аттенюаторов весьма велика - к примеру, при рассеиваемой мощности 3 кВт в полосе частот до 1.2 ГГц она колеблется в пределах от 1500 до 3000 евро.

Другой широко используемый способ построения мощных аттенюаторов заключается в реализации бинарной каскадной схемы деления мощности и использования нескольких пленочных резисторов на керамической подложке, предназначенных для рассеивания меньшего уровня мощности — как правило, не более 250 Вт. Недостатки данного способа очевидны: трудность согласования в широкой полосе частот, громоздкость устройства и сложность реализации эффективного теплоотвода.

Во многих случаях применение аттенюаторов осложняется быстро изменяющимся уровнем мощности входного сигнала, необходимостью контролирования параметров сигналов и цепей с прецизионной точностью, требованиями сохранения основных характеристик устройства в широком интервале температуры и других внешних дестабилизирующих воздействий.

Помимо затронутого технического и технологического аспектов данной проблемы, имеется ряд сложностей при строгом электродинамическом моделировании и оптимизации параметров мощных твердотельных сверхширокополосных аттенюаторов, построенных на основе нерегулярных неоднородных линий передачи с потерями, включающих тонкие полупроводниковые пленки со сложной микроструктурой.

Для преодоления вышеобозначенных трудностей' в настоящей работе создана методика моделирования и оптимизации характеристик мощных сверхширокополосных аттенюаторов, построенных на основе двух- или многопроводных линий, погруженных в жидкостную полупроводящую среду с высокой диэлектрической проницаемостью, обладающей также высокой теплопроводностью, принудительная циркуляция которой обеспечивает эффективный отвод рассеиваемой мощности.

Работа выполнена в рамках следующих научных направлений ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»: «Разработка и исследование перспективных радиоэлектронных и лазерных устройств, систем передачи, приема, обработки и защиты информации», «Вычислительные системы и программно-аппаратные комплексы». Тематика диссертации связана с приоритетным направлением развития науки, технологий и техники Российской Федерации «Опто-, радио- и акустоэлектроника, оптическая и сверхвысокочастотная связь». Результаты работы отражены в отчете по госбюджетной НИР ГБ 2001.29 (регистрационный номер 01.200.208898), проводимой ГОУВПО «ВГТУ» (г. Воронеж) и в ряде отчетов по НИР и ОКР, выполняемых ФГУП «НКТБ «Феррит» (г. Воронеж).

Целью диссертационной работы является разработка и апробация методики моделирования и оптимизации мощных сверхширокополосных аттенюаторов, построенных на основе двух- и многопроводных линий, погруженных в полупроводящую жидкостную среду с высокой диэлектрической проницаемостью и высокой теплопроводностью.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

- проведения аналитического обзора материалов, посвященных разработке, исследованию и оптимизации характеристик мощных сверхширокополосных аттенюаторов и построенных на их основе согласованных нагрузок, и выявления перспективных тенденций их моделирования и проектирования;

- разработки методики анализа электродинамических процессов, протекающих в двух- и многопроводных неоднородных линиях, погруженных в полупроводящую жидкостную среду, позволяющей оценить характеристики затухания и отражения электромагнитных волн в анализируемой структуре на разных уровнях строгости построения физико-математических моделей;

- разработки методики синтеза и оптимизации характеристик мощных жидкостных сверхширокополосных аттенюаторов и построенных на их основе согласованных нагрузок, позволяющей выбрать близкие к оптимальным параметры поглощающей среды и геометрии двух- или многопроводной линии, по критерию обеспечения ослабления входного уровня мощности не менее, чем на 10-20 дБ на выходе аттенюатора, и уровня отраженного сигнала на входе не более, чем -20 дБ относительно входного сигнала;

- оценки адекватности и верификации разработанной методики моделирования и оптимизации характеристик мощных жидкостных сверхширокополосных аттенюаторов и построенных на их основе согласованных нагрузок на основе данных строгого электродинамического моделирования проектируемых устройств и результатов их натурных экспериментальных исследований.

Методы исследования. При выполнении работы использовались основные положения теории диссипативных линий передачи, методы вычислительной электродинамики, методы математического моделирования и параметрической оптимизации, стандартные методики измерения характеристик фидерных линий УКВ и СВЧ диапазонов волн.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- предложен принцип построения мощных сверхширокополосных аттенюаторов и согласованных нагрузок на основе двух- или многопроводных линий, расположенных в жидкостной полупроводящей среде, являющейся одновременно поглощающей и теплопроводящей средой, позволяющий проектировать и создавать устройства с существенно уменьшенными габаритными размерами и массой (за счет высокого значения диэлектрической проницаемости электролита), обладающие высокой надежностью и повышенным сроком эксплуатации, а также - низкой себестоимостью;

- разработан комплекс математических моделей проволочных линий передачи в полупроводящей жидкостной среде, позволяющий анализировать процессы распространения, затухания и отражения электромагнитных волн на различных уровнях их представления: от самого грубого приближения отрезка однородной регулярной диссипативной линии; использования тонкопроволочного приближения проводников, позволяющего описать распределение токов с помощью системы уравнений Халленовского вида; использования векторных интегральных уравнений для объектов, состоящих из идеально проводящего (или конечно проводящего) металла и полупроводника, решаемых в пространственно-частотной области; использования итеративной схемы решения системы векторных интегро-дифференциальных уравнений, описывающих граничную задачу, в пространственно-временной области;

- разработана методика параметрической оптимизации мощных сверхширокополосных аттенюаторов, построенных на основе двух- или многопроводных линий, погруженных в полупроводящую жидкостную среду с с высокой диэлектрической проницаемостью и высокой теплопроводностью, основанная на использовании генетического алгоритма для выбора геометрии и материальных свойств синтезируемого устройства, реализующего критерий минимизации уровня входных отражений при заданном минимальном ослаблении;

- разработана и апробирована методика проектирования мощных жидкостных сверхширокополосных аттенюаторов и согласованных нагрузок, отличающаяся возможностью рационального выбора степени строгости физико-математических моделей, описывающих распространение и затухание электромагнитных волн в проволочных линиях передачи, помещенных в полупроводящую жидкостную среду.

Практическая значимость работы заключается в разработке инженерной методики проектирования мощных жидкостных сверхширокополосных аттенюаторов и согласованных нагрузок УКВ и СВЧ диапазонов волн, характеризующихся уменьшенными габаритными размерами и массой, высокой надежностью и увеличенным сроком эксплуатации, а также - низкой себестоимостью. Созданы экспериментальные образцы аттенюаторов и согласованных нагрузок, характеризующиеся в полосе частот от 50 до 1000 МГц уровнем коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) не более 1.2 при минимальном ослаблении 20 дБ (максимальные габаритные размеры созданных устройств не превышают 500x150x150 мм3).

Реализация и внедрение результатов работы.

Основные теоретические и практические результаты работы использованы в ФГУП НКТБ «Феррит» (г. Воронеж); научно-производственном предприятии ЗАО «ИРКОС» (г. Москва). Ряд результатов внедрен в ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» (г. Воронеж) при курсовом и дипломном проектировании студентов специальности «Радиотехника», а также в лабораторных работах по дисциплине «Устройства СВЧ и антенны». Ряд результатов внедрен в учебный процесс ВВТУ ФСО РФ (г. Воронеж).

Основные положения, выносимые на защиту:

- принцип построения мощных сверхширокополосных аттенюаторов и согласованных нагрузок, заключающийся в использовании двух- или многопроводных линий передачи, погруженных в емкость с электролитом, состоящим из солевого раствора ЫаС1 в смеси дистиллированной воды и изопропилового спирта, позволяющий, благодаря высоким диэлектрической проницаемости, электропроводности и теплопроводности жидкости, создавать высоконадежные устройства, с уменьшенными габаритами и массой;

- комплекс математических моделей проволочных линий передачи в полупроводящей жидкостной среде, в котором протекающие физические процессы описываются на различных уровнях строгости, использование которого позволяет рационально реализовать процедуру параметрической оптимизации устройств в сверхширокой полосе частот и проанализировать синтезированные устройства на строгом электродинамическом уровне; методика параметрической оптимизации мощных сверхширокополосных жидкостных аттенюаторов и согласованных нагрузок, позволяющая существенно улучшить качество согласования синтезируемых устройств и сократить время их проектирования за счет использования генетического алгоритма для отыскания глубокого минимума целевой функции, описывающей уровень отражения и затухания электромагнитных волн в структурах;

- методика проектирования мощных жидкостных аттенюаторов и согласованных нагрузок, позволяющая создавать устройства с габаритными размерами и массой, существенно меньшими, чем их твердотельные аналоги, функционирующие в полосе частот с коэффициентом перекрытия до 20 и более и характеризующиеся уровнем коэффициента отражения не более -20 дБ при уровне входной мощности до 10 кВт и более.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международных научно-технических конференциях: 7-й международной научно-технической конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (С&Т 2006 г.), г. Воронеж; 13-й международной научно-технической конференций «Радиолокация, навигация и связь» (ИЛЛЯС 2007 г.), г. Воронеж; 8-й международной научно-технической конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (С&Т 2007 г.), г. Воронеж, а также на ежегодно проводимых научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, студентов и аспирантов ГОУВПО «ВГТУ» (Воронеж, 2004-2008).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12 научных работах, в том числе 7 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1, 2, 3, 5, 6] - разработка методики проектирования мощных сверхширокополосных жидкостных аттенюаторов и согласованных нагрузок, изготовление макетов и проведение экспериментов; [4, 9] — созданы физико-математические модели мощных широкополосного аттенюатора и изодуктора; [8] - разработаны модели мощных широкополосных нагрузок и предложена методика их параметрического и структурного синтеза; [7, 10] - аналитический обзор мощных широкополосных аттенюаторов и нагрузок; [11, 12] - проведен расчет, анализ и оптимизация основных характеристик мощного аттенюатора в жидкостной проводящей среде в сверхширокой полосе частот.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего наименования, и шести приложений. Работа содержит страниц, рисунков и таблиц.

4.3 Выводы по результатам четвертой главы

1. В четвертой главе разработана и апробирована методика проектирования мощных жидкостных сверхширокополосных аттенюаторов и согласованных нагрузок, отличающаяся возможностью рационального выбора степени строгости физико-математических моделей, описывающих распространение и затухание электромагнитных волн в проволочных линиях передачи, помещенных в полупроводящую жидкостную среду.

2. Апробирована методика моделирования и оптимизации мощных сверхширокополосных аттенюаторов и согласованных нагрузок, построенных на основе двух- и многопроводных линий, погруженных в полупроводящую жидкостную среду с высокой диэлектрической проницаемостью и высокой теплопроводностью, позволившая создать ряд малогабаритных надежных устройств, функционирующих в полосе частот с двадцатикратным перекрытием и более.

3. Разработанная методика проектирования мощных жидкостных аттенюаторов и согласованных нагрузок позволяет создавать устройства с габаритными размерами и массой, существенно меньшими, чем их твердотельные аналоги, функционирующие в полосе частот с коэффициентом перекрытия до 20 и более и характеризующиеся уровнем коэффициента отражения не более -20 дБ при уровне входной мощности до 10 кВт и более.