автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.14, диссертация на тему:Моделирование устройств согласования высокочастотных генераторов с газоразрядными нагрузками

Г I о ^ ^ л - Г>::1

и ¡и*-"

На правах рукописи

САМОЙЛОВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ СОГЛАСОВАНИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ С ГАЗОРАЗРЯДНЫМИ НАГРУЗКАМИ

Специальность: 05.13.14 - системы обработки информации и управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир 1998

Работа выполнена во Владимирском государственном университете.

Научные руководители : доктор технических наук, доцент

Никитин О.Р.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кулешов В.Н.

Защита состоится ' 29 ' сентября 1998 г. в 14.30 часов на заседании диссертационного совета Д.063.65.02 в ауд.211 корп.1, Владимирского государственного университета по адресу: 600026, г. Владимир, ул. Горького, д. 87.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВлГУ.

кандидат физ.-мат. наук, ст. научный сотрудник Минеев А.П.

кандидат технических наук, доцент Талицкий Е.Н.

Ведущая организация: Отделение оптики Физического института

им. П.Н. Лебедева РАН, г. Москва

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических

МАКАРОВ Р.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одна из важных проблем современной квантовой техники - согласование мощных генераторов и нагрузки с импедансом, который либо неизвестен заранее, либо изменяется со временем, как - например, при работе генераторов накачки газоразрядных устройств. Эта задача отличается от согласования блоков мощных радиопередающих устройств тем, что импеданс газоразрядных нагрузок может изменяться в широком диапазоне при различных режимах работы.

Улучшение качества согласования, т.е. снижение коэффициента отражения полезной высокочастотной (ВЧ) мощности, снижение потерь в цепях согласования (ЦС), правильный выбор схемы подключения цепей согласования к нагрузке приводят к увеличению энерговклада в нагрузку и к увеличению КПД систем, что, в свою очередь дает экономический выигрыш для многих радиотехнических систем, в частности, систем, имеющих ВЧ накачку.

Опыт исследований волноводных газовых СО2 лазеров и других газоразрядных нагрузок с высокочастотной накачкой, а также опыт эксплуатации мощных высокочастотных радиотехнических систем показал негативное влияние рассогласования на качество работы таких систем. Источником рассогласования является изменение импеданса нагрузки, вызываемое сменой режимов работы (изменение мощности накачки, изменение давления и смеси газов в газоразрядных нагрузках, изменение окружающей среды для радиотехнических систем), процессами старения нагрузки при длительной эксплуатации, разбросом параметров нагрузок различных типов (например, для газовых волноводных С02 лазеров применение лазерных излучателей различной длины вызывает значительное рассогласование системы).

Попытки избавиться от рассогласования путем совершенствования ЦС, а также путем подстройки частоты генератора высокой частоты (ГВЧ) для определения той, на которой наблюдается наилучшее согласование, не дают желаемого результата.

Очень показателен в этом отношении пример американской системы автоматического согласования генератора накачки и лазерного излучателя, основанного на подстройке частоты генератора. Предложенное устройство требует значительных аппаратурных затрат, но не позволяет полностью избавиться от рассогласования в системе, и увеличение энерговклада носит незначительный характер, поскольку импеданс нагрузки имеет комплексный характер и, как следствие, подстройка частоты ГВЧ не обеспечивает глобального согласования в системе.

Наличие рассогласования, вызванного изменением импеданса нагрузки, приводит к снижению эффективности работы радиотехнических высокочастотных систем, а именно:

- уменьшается значение полезной ВЧ мощности, вкладываемой в нагрузку;

- за счет возникновения отражения части полезной ВЧ мощности нарушается работа ГВЧ, т.е. возможен выход из строя активных элементов, либо снижение величины генерируемой ВЧ мощности;

- при вводе в эксплуатацию нагрузок необходима подстройка цепи согласования для каждой нагрузки индивидуально.

Необходимое улучшение качества согласования и увеличение энерговклада в нагрузку вступают в противоречие с явлением изменения импеданса нагрузки. Известные способы согласования не могут эффективно разрешить это противоречие, и в результате возникает актуальная техническая и научная проблема обеспечения высокого качества согласования и повышения энерговклада в нагрузку в условиях изменения величины ее импеданса.

Имеющиеся на сегодняшний день решения в рамках сформулированной проблемы не эффективны, поскольку не могут обеспечить:

- минимума отраженной мощности во всем диапазоне возможных им-педансов нагрузки;

- адаптивное согласование с минимальным уровнем отраженной мощности и максимально возможным энерговкладом в нагрузку;

- эффективную защиту активных элементов ГВЧ в случае аварии нагрузки.

Наиболее целесообразный путь повышения энерговклада в нагрузку заключается в последовательном решении следующих задач:

- разработки кибернетических систем, позволяющих адаптивно перестраивать элементы ЦС, осуществляя тем самым согласование импедансов;

- разработки математических моделей, позволяющих определять характеристики адаптивных устройств согласования импедансов;

- разработки схем защиты ГВЧ.

При решении этих задач необходимо учитывать, что импеданс газоразрядных нагрузок имеет активную и реактивную составляющие, которые при различных режимах работы изменяются по разным законам, причем измерение величины импеданса затруднительно. Это означает, что пути увеличения энерговклада в нагрузку должны быть рассчитаны на адаптивное управление процессом согласования и предполагать, как минимум, два канала регулировки ЦС - для действительной и реактивной составляющих импеданса.

Цели работы, вытекающие из характера проблемы: разработка устройств адаптивного согласования импедансов и цепей защиты ГВЧ, их реализация и апробирование в реальных условиях эксплуатации.

Исходя из целей работы задачами исследования являются:

1. Разработка схем подключения генераторов накачки к волноводным газоразрядным нагрузкам с целью равномерного распределения ВЧ поля вдоль разрядного пространства.

2. Разработка адаптивных устройств согласования импедансов и определение наилучшего из них.

3. Синтез алгоритмов адаптивного управления цепями согласования различных типов.

4. Разработка программного обеспечения, позволяющего осуществлять моделирование адаптивного устройства согласования с различными типами ЦС.

5. Разработка схем защиты активных элементов ГВЧ.

6. Внедрение результатов работы в институтах Российской Академии Наук, организациях радиотехнического профиля и в учебный процесс высших учебных заведений.

Методы исследования. В работе использовались методы теории автоматического управления, теории электрических цепей, теории устройств СВЧ, методы моделирования, методы экспериментальных исследований.

Научная новизна работы состоит в разработке новых путей и устройств повышения энерговклада в нагрузку, а именно:

1. Предложена математическая модель распределения ВЧ поля вдоль лазерного излучателя, определены и конкретизированы условия увеличения энерговклада.

2. Разработано четыре устройства адаптивного согласования импедан-сов и определен наилучший из них по критерию увеличения энерговклада в нагрузку.

3. Разработаны алгоритмы адаптивного управления для различных типов цепей согласования.

4. Разработано программное обеспечение для моделирования адаптивных устройств согласования.

5. Определены наилучшие параметры устройства адаптивного согласования для цепей согласования различных типов.

6. Разработаны схемы многоуровневой защиты мощных активных элементов ГВЧ.

Практическая ценность работы. Включенные в диссертацию результаты получены автором при выполнении работ в соответствии с планами госбюджетных НИР Владимирского государственного университета. Основные теоретические результаты получены автором в ходе работ по выполнению проекта Российского фонда фундаментальных исследований.

Перечень результатов, имеющих практическую ценность:

1. Разработаны программные средства для моделирования различных типов адаптивных цепей согласования, позволяющие:

- прогнозировать поведение адаптивного устройства согласования при изменениях импеданса нагрузки в том числе и при авариях нагрузки;

- оценивать качество и скорость адаптивного согласования;

- определять параметры адаптивных устройств согласования.

2. Разработано и создано три генератора накачки высокой частоты с несколькими независимыми уровнями зашиты, позволяющими повысить надежность эксплуатации;

3. Разработано и создано устройство адаптивного согласования импе-дансов переменной нагрузки и мощного генератора высокой частоты.

4. Разработана математическая модель распределения ВЧ поля вдоль лазерного излучателя, позволяющая выбирать оптимальные параметры излучателей волно водных газоразрядных ССЬ лазеров.

Предложенные и внедренные технические решения обеспечивают повышение эксплуатационной надежности ГВЧ и увеличивают значение энерговклада в нагрузку. Поэтому решенные в работе научные задачи имеют важное техническое значение.

Реализация и внедрение. Основные теоретические и практические результаты были получены автором в рамках проекта Российского фонда фундаментальных исследований. Новые теоретические и практические результаты диссертационной работы, а также патент на изобретение нашли применение как в институтах РАН, так и в учебном процессе при подготовке инженеров радиотехнической и радиофизической специальностей. В учебных вузах и в институтах РАН внедрены: мощные высокочастотные генераторы и устройства адаптивного согласования импедансов.

На защиту выносится совокупность новых научно-обоснованных технических решений в рамках проблемы повышения" энерговклада ВЧ мощности в переменную нагрузку:

1. Математическая модель распределения высокочастотного поля накачки вдоль волноводных газоразрядных нагрузок.

2. Устройства адаптивного согласования импедансов высокочастотных генераторов и переменных нагрузок.

3. Алгоритмы адаптивного согласования устройства непрерывной подстройки для различных типов цепей согласования.

4. Разработанное программное обеспечение, позволяющее моделировать поведение адаптивного устройства согласования с непрерывной подстройкой и определять его характеристики.

Апробация работы. По материалам, изложенным в работе, сделаны доклады на трех международных, одной всероссийской и четырех научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Владимирского государственного университета.

Публикации по работе. По материалам, изложенным в диссертации, опубликовано 16 работ, включая патент на изобретение, три статьи в центральных изданиях и методические указания.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы, имеющего 74 наименования отечественных и зарубежных источников, в том числе 16 работ автора. Общий объем диссертации 186 е., в том числе 123 с. основного текста, 24 с. рисунков, 8 с. списка литературы ,31с. приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована научная проблема, дана общая постановка решаемых задач и аннотация диссер тационной работы.

В первой главе рассмотрены известные устройства и системы согласования импедансов и особенности их функционирования. Показано, что величина энерговклада зависит от качества согласования импедансов, что приводит к снижению энерговклада в условиях изменяющегося импеданса нагрузки и понижению эффективности системы.

На основании проведенного анализа поставлена цель исследования, а именно разработка адаптивных систем согласования импедансов, повышающих энерговклад в нагрузку. В рамках поставленной цели сформулированы основные задачи исследования:

- разработка устройств адаптивного согласования импедансов при различных типах цепей согласования;

- разработка алгоритмов управления процессом согласования для каждого типа ЦС при различных условиях функционирования;

- модельные и натурные испытания разработанных систем и подтверждение их позитивного влияния на увеличение энерговклада.

Кроме того, в рамках задачи увеличения энерговклада в волноводные газоразрядные нагрузки, решена задача распределения ВЧ поля вдоль лазерного излучателя для различных способов подключения генераторов накачки. Схематично излучатель изображен на рис.1.

В А С

СО-

//'/// / ///// /

<- / -►

Рис. 1

При подключении генератора накачки в точке А лазерного излучателя получено выражение для распределение поля ВЧ вдоль излучателя в виде

^общгМ" ^'пал

V ]ф ■

че е е

1

у! ]<р -г е

(О

где и„

■ комплексная амплитуда на входе лазерного излучателя; у -

коэффициент распространения; / - длина лазерного излучателя; ф - фазовый сдвиг, обусловленный реактивностями на концах лазерного излучателя, х изменяется в пределах [0 ... 1/2]. Импеданс лазерного излучателя составил

7 -ЛГьеУ*"

где ¿л - волновое сопротивление лазерного излучателя.

При подключении ВЧ мощности к точке В или С лазерного излучателя распределение ВЧ поля составит

п ( \-1, \ е'!Х + е'*1 е~ух

I 1 + в

где х изменяется в пределах [0, /]. Полученные соотношения позволяют добиваться равномерного распределения ВЧ поля вдоль лазерного излучателя,

что позитивно сказывается на эффективности плазменного разряда, и приблизительно определять импеданс лазерного излучателя, что облегчает построение адаптивных устройств согласования.

Во второй главе проведен анализ возможных путей построения адаптивных цепей согласования и предложено четыре устройства адаптивного согласования. За критерий качества согласования можно принять уровень отраженного от нагрузки сигнала иотр. В зависимости от уровня отраженного сигнала производится регулировка перестраиваемых элементов адаптивной цепи согласования (АЦС ).

Генератор вырабатывает мощность Рпад, которая через направленный ответвитель (НО) и фидер (Щ попадает в цепь согласования (ЦС), трансформирующую волновое сопротивление фидера в импеданс нагрузки, состоящий из действительной Яи и мнимой Хн, составляющих

гн - Д„

Отраженная от ЦС мощность через НО поступает в анализатор, который измеряет уровень отраженного сигнала 007р. В зависимости от структуры адаптивного устройства согласования анализатор может сравнивать отраженный от ЦС сигнал 6готр и сигнал генератора ¿/пад. На основе анализа вырабатываются управляющие сигналы, регулирующие перестраиваемые элементы ЦС в сторону уменьшения величины отраженной мощности.

Предложенные устройства по методам согласования можно разделить на две группы: градиентные и аналитические. При градиентных методах алгоритм работы устройства согласования представляется в виде

а а,1>' и ах,

где X,- номинал /-го перестраиваемого элемента; а,- коэффициент , определяющий скорость регулировки; [Хк} - совокупность номиналов перестраиваемых элементов ЦС . При аналитических методах алгоритм работы сводится к определению по значениям £/отр, £/пад , номиналов перестраиваемых элементов X], ... , Х„, где п - число перестраиваемых элементов.

В ходе анализа возможных путей адаптивного согласования импедан-сов определен общий подход к построению адаптивных устройств согласования, а именно создание цепей согласования, состоящих из двух частей: с перестраиваемыми и неперестраиваемыми элементами. Неперестраиваемое звено позволит уменьшить величину напряжения на регулируемых элементах и трансформировать импеданс нагрузки в более удобный для согласования.

С целью определения коэффициента трансформации импеданса нагрузки проведен анализ Г-, Т- и П-образных неперестраиваемых звеньев и предложена методика определения диапазона входных импедансов ¿вх не-

перестраиваемого звена, как функции диапазона импеданса нагрузки и коэффициента трансформации К

¿зх ~ Л^, '/.„),

где ¿н Китах''х МП,.~,Хнтах\- диапазон импедансов нагрузки;

¿и =[яттш'-'Кяхтах'Хвхтш>-'ХВхтах\- диапазон импедансов на входе неперестраиваемых звеньев; К\Кк,Кх}- коэффициент трансформации активной и реактивной составляющих импеданса нагрузки.

Предложенные во второй главе устройства с градиентными методами различаются способом вычисления величины / и разделяются на пошаговые и непрерывные. В пошаговых устройствах вместо величины ¿Я70Т р/г^Г;, измеряется величина Д£/отр/ДЛ'/.

Предложенное пошаговое устройство последовательной подстройки основано на поочередной регулировке значений перестраиваемых элементов. Значение каждого перестраиваемого элемента изменяется по закону меандра. В результате уровень отраженной мощности изменяется также по закону меандра. В зависимости от фазовых соотношений меандра отраженной мощности и меандра регулировки определяется направление перестройки регулируемого элемента. Когда регулировка г'-го перестраиваемого элемента исчерпана, анализатор переходит к регулировке ¿+1 элемента.

Устройство с параллельной подстройкой отличается тем, что регулировка всех перестраиваемых элементов происходит одновременно. Чтобы избежать влияния регулировки перестраиваемых элементов друг на друга, применяются ортогональные сигналы, управляющие значениями перестраиваемых элементов. В качестве ортогональных сигналов можно использовать синусоидальные сигналы некратных частот или специально сконструированные дискретные базисы (например функции Уолша), легко реализуемые на современной элементной базе.

Поскольку устройства с пошаговым согласованием имеют ряд недостатков, наилучшим, с точки зрения точности согласования, является предложенное во второй главе устройство с градиентным методом непрерывной подстройки. Суть работы устройства заключается в анализе амплитудно-фазовых соотношений отраженного от нагрузки сигнала.

Мощность, вырабатываемая ГВЧ, через двунаправленный ответвитель (ДНО) и фидер поступает в нагрузку, а часть падающей и отраженной мощности, ответвленная ДНО, поступает в блок подстройки. Блок подстройки состоит из двух каналов, различающихся сдвигом фазы комплексной амплитуды падающей волны С/пад(0) на 90°. Сигнал отраженной мощности поступает на два перемножителя - XI и Х2, на другие входы перемножителей поступает сигнал с ГВЧ, непосредственно на XI и через фазовращатель на 90° на Х2.

Сигналы перемножителей интегрируются в интеграторах, выступающих в роли элементов памяти. Выходные сигналы интеграторов управляют перестраиваемыми элементами Л7, ... ^Хп. Устройство с непрерывной под-, стройкой основано на измерении квадратурных составляющих коэффициен-

та отражения Г . В зависимости от квадратурных составляющих коэффициента отражения регулируются номиналы перестраиваемых элементов XI,..., Хп.

Если входы перемножителей принимать за начало координат, то 1/отр(0) = д(/пад(0) = <)С/г, где С/г - комплексная амплитуда сигнала генератора на выходе направленного ответвителя.

Сигнал после первого перемножителя

ип1 = Яе [£/отр(0Х)*„ад(0)]= Яе [¿]|[/г2| ~ пе.

После второго перемножителя

Мп2 = Ые [Уотр(0Х/'Пад(0)е^/2]= 1ш [д]]уг2| ~ п,.

Так как данное устройство позволяет измерять , то оно явля-

ется более точным чем пошаговые устройства, в которых измерялись величины АР0Тр/Дх,..

Разработанное устройство с аналитическим методом адаптивного согласования предусматривает использование в качестве анализатора микропроцессора. Суть работы устройства - в анализе амплитудно-фазовых соотношений прямой и отраженной волн и вычислении значений перестраиваемых элементов с помощью программ, выполняющихся микропроцессором. Значения перестраиваемых элементов устанавливаются с выходов микропроцессора через цифро-аналоговые преобразователи.

Точность системы с аналитическим методом подстройки определяется разрядностью АЦП и ЦАП. Но поскольку номиналы реальных перестраиваемых элементов имеют разброс параметров до 20% и температурные зависимости, аналитическое устройство имеет погрешность согласования. Поэтому для качественного адаптивного согласования необходимо предусматривать дополнительные меры, что значительно усложнит реализацию аппаратно-программных средств.

Проведенное сравнение предложенных устройств позволяет считать устройство с непрерывной подстройкой наилучшим с точки зрения скорости и точности. Кроме того, это устройство является наиболее простым при практической реализации.

В третьей главе разработан базовый алгоритм работы устройства согласования с непрерывной адаптацией, а также алгоритмы функционирования для Г-, Т- и П - образных типов перестраиваемых ЦС. Закон регулировки ¿-го ПЭ записывается в виде

где а, - коэффициент передачи /-го интегратора, обратно пропорциональный постоянной времени интегратора т,; ф, - фазовый сдвиг /-го фазовращателя ( в частности 0° или 90°); Г (?) - зависимость коэффициента отражения по напряжению от времени.

Для разработки алгоритма регулировки перестраиваемых элементов необходимо найти коэффициенты передачи интеграторов а, и фазовые сдвиги фазовращателей <р,. Как известно, коэффициент отражения по напряжению Г

■ ДвУ-^2+Ха2х [ , 21УХвх

¿вх+Г +Ю2 +У(Л8Х + + Ха2х ' где ¿вк - входной импеданс ЦС; Лвх и Л'м - действительная и мнимая составляющие входного импеданса ЦС соответственно.

Раскладывая коэффициент отражения Г на мнимую п5 и действительную пс составляющие, получим

21¥Хйх

п ----—. (3)

(Лвх +Ж)2 +Хв2х

Алгоритмы работы Г-, П- и Т-образных устройств сводятся к уменьшению мнимой и действительной составляющих коэффициента отражения.

Так как мнимая составляющая «5 в выражении (3) прямо пропорциональна мнимой составляющей входного импеданса Х„, то для уменьшения «5 необходимо уменьшать Х„л, а для увеличения - увеличивать Х,х. При «5=0, Хвх=0. Если перестройку элементов, от которых зависит осуществлять достаточно быстро, то можно считать, что пы и Хм всегда равны нулю. Тогда действительная составляющая коэффициента отражения из выражения (2) будет

пс=0 при /?„*= следовательно, задача сводится к равенству Лвх = IV, а действительная составляющая коэффициента отражения пс пропорциональна разности Явх - IV. В случае п,: < О, < ¡V, то есть необходимо увеличить Ню, а при «с > 0, /?вх > IV, следовательно необходимо уменьшить /?„.

Таким образом, для успешного согласования необходимо быстро регулировать такие ПЭ, от которых зависит Хвх, и медленно регулировать те ПЭ, от которых зависит Причем скорость регулировки обусловлена постоянными времени интеграторов т/,..., т„.

Входной импеданс Г-образной ЦС

яя + ЛХ2 + хн)

о -]

X +Х

2 Я~+(Х2+ХН)2

^ И~+(Х,+ХН)2

2 =--+ у

Действительная и мнимая составляющие входного импеданса ЦС:

Х„=Х,+Х2 к\+х1+хгх» (5)

вх 1 2и2ннх2+хн?

Из выражения ( 4) и (5) видно, что от Хл зависит только мнимая составляющая входного импеданса и Хех прямо пропорциональна X/, поэтому согласно базовому алгоритму закон регулировки первого перестраиваемого элемента

аад дt

Так как зависимость от Х2 нелинейная, то для определения закона регулировки второго перестраиваемого элемента исследована функция

^ \__Х2Яц_

вх Ягн+(Х2 + Хн)2'

В результате исследования функции Явх(Х2) в соответствии с базовым алгоритмом определен закон регулировки второго перестраиваемого элемента —!—1 = ~а2пс и наложено ограничение на возможность адаптивного

согласования №<Я„.

Входной импеданс Т-образной ЦС

± I тк+кх» + хг)) 1 Я+ЛХ3+Х2+ХИ)'

2 I

вх Я2Н+(Х3^Х2 + ХН)2 7

х £ЧХЗ + ХН)(Х3+Х2+ХН) 1 2 Я2+(Х,+Х2+ХН)2

Действительная Яах и мнимая Хех составляющие входного импеданса

^-^- ; (6)

Я2я+(Хз + Х2 + Хн)2

X =Х +Х + хц)(х3 + Х2 +ХН)

вх ' 2 Л2н+(Х,+Х2+Хн)2 Так как в выражении (6) значение перестраиваемого элемента X) пропорционально мнимой составляющей входного импеданса ЦС Х,х> а действительная составляющая Явх не зависит от X/, то согласно базовому алго-

дХ,

ритму закон регулировки первого элемента —- =ахп5.

ся

Рассмотрим регулировку перестраиваемых элементов Х2 и Х3. Однозначная регулировка этих элементов возможна при условии, что знаменатель в выражении

Я

7 К2н+(Х,+Х2+Хн)2 не зависит от Х2 и Х3, т.е. Я„~ + (Хн + Хг + Х3)~ #/(Х2,Х3)- Это возможно при условии Х2 = - Х}. Кроме того, законы регулировки элементов Х:, и Х3 должны быть тождественны

5ХЛ дХ->

dt dt

В этом случае действительная составляющая входного импеданса

x;Ru

Rtx=-

Rti+Xti

теперь действительная составляющая Ra пропорциональна ! ..V;! следова-

ЗХ

тельно, закон регулировки Xj и Х3 согласно базовому алгоритму —=а2пс,

dt

дХ3 dt 3 с

Поскольку принципиальных ограничений на диапазон возможных им-педансов нагрузки ZH не наложено, то теоретически Т-образную ЦС можно применять для согласования в любом диапазоне импедансов нагрузки. Входной импеданс П-образной ЦС

"■^М X

ЛВ-Х+(АВХ+А,)-х (9)

+Кх)~

где - (10)

R;+(X3+XH)2

Rl+{X, + Xj

Результатом анализа выражений (8-11) явилось определение законов регулировки перестраиваемых элементов

ciX I dX2 dX~ v v

—L=a<n,,—--¿- = -ainc, X-, =-X3.

dt 1 1 dt dt 3 c ' 3 Кроме того, адаптивное согласование П-образным звеном возможно в случае Хц>0, приХ,<()\ Х<0, при Х{>0.

По результатам разработки алгоритмов функционирования адаптивных цепей различного типа определены их достоинства и недостатки. К достоинствам Г-образной ЦС можно отнести то, что она является наиболее простой из рассмотренных типов цепей согласования и имеет два перестраи-

ваемых элемента, что упрощает ее конструкцию и снижает паразитные потери полезной мощности в перестраиваемых элементах. Диапазон возможных импедансов нагрузок имеет ограничение Ян>1¥, что является недостатком и ограничивает практическое применение Г-образной ЦС.

Т-образная ЦС позволяет осуществлять адаптивное согласование в широком диапазоне импедансов нагрузки. Следовательно, каких-либо ограничений на применение Т-образной ЦС не существует. К недостаткам П-образной ЦС следует отнести то, что она имеет ограничение на возможные импедансы нагрузки. В зависимости от знаков элементов П-образной ЦС возможно адаптивное согласование либо в случае Х„<0, либо в случае Х„20. Достоинство П-образной ЦС в том, что даже при высоких значениях мнимой составляющей импеданса нагрузки Х„, перестраиваемые элементы имеют значения, которые возможно реализовать на практике. В частности, П-образная ЦС наиболее приемлема для согласования генераторов накачки и газоразрядных нагрузок.

В четвертой главе проведены модельные эксперименты адаптивного устройства согласования с цепями различного типа. Модельные эксперименты проводились на ЭВМ с целью определения ряда характеристик, а именно:

- диапазона возможных импедансов нагрузки ..., Яитах ; Хкт(т -^нтахЗ»

- скорости согласования при скачкообразном изменении импеданса нагрузки гн;

- характера кривой, показывающей зависимость коэффициента отражения по мощности |рот времени;

- диапазона изменений значений перестраиваемых элементов, косвенно указывающего на возможность технической реализации конкретного типа ЦС;

- возможности согласования при динамически изменяющемся импедансе нагрузки 2Н\

- критичности процесса согласования к начальным значениям перестраиваемых элементовЛл ..., Х„\

- относительных значений коэффициентов передачи интеграторов ан ...,

а„.

Исходя из перечисленных выше характеристик адаптивных ЦС, план экспериментов состоял из двух частей: статической, когда импеданс нагрузки 7. „ изменялся скачкообразно и за время, равное 1 секунде, оставался неизменным, и динамической, когда импеданс нагрузки ¿„ изменялся с течением времени по различным законам.

Основываясь на проведенных экспериментах и полученных характеристиках Г-, Т- и П-образных типов адаптивных цепей согласования сделаны следующие выводы:

- наиболее широкий диапазон возможных импедансов нагрузки имеет' Т-образная ЦС;

- наибольшую скорость согласования имеет П-образная ЦС, как при скачкообразном изменении импеданса нагрузки, так и при динамически плавном изменении импеданса нагрузки;

- зависимость коэффициента отражения по мощности от времени при согласовании носит экспоненциальный характер и, как видно из рис.2, в соответствии с базовым алгорктмом быстро компенсируется реактивная составляющая импеданса нагрузки и медленно - действительная составляющая;

- значения перестраиваемых емкостей в составе перестраиваемых элементов изменяются от единиц до десятков пикофарад, что допустимо при реализации адаптивных цепей согласования на практике;

- цепи согласования Г-, Т- и П-образных типов в процессе согласования не критичны к начальным значениям перестраиваемых элементов.

В пятой главе предложены реализационные основы адаптивного устройства согласования и рассмотрены результаты натурных испытаний и схемы защиты генераторов высокой частоты. Разработанное устройство согласования состоит из двух частей: перестраиваемой цепи согласования (ВЧ тракт) и тракта управления.

Наиболее важными вопросами при построении ВЧ - тракта являются: реализация перестраиваемых элементов и обеспечение требуемого коэффициента трансформации перестраиваемой части цепи согласования. Кроме того, ВЧ - тракт должен иметь минимальные потери полезной ВЧ мощности, т.е. высокую добротность и низкое излучение в окружающее пространство.

При реализации перестраиваемых элементов использованы варикапы. Простота схемной реализации перестраиваемых элементов на варикапах позволяет объединять их по различным схемам, что снижает значения напряжений на перестраиваемых элементах с помощью последовательно-параллельных схем включения.

Поскольку при накачке газовых лазеров значения канализируемой ВЧ мощности достигает сотен ватт, то потери в варикапах составляют несколько ватт, поэтому при проектировании ВЧ - тракта были выбраны варикапы с

«м

Иге

-о.

Рис. 2

наибольшим значением рассеиваемой мощности (варакторы), а также применено естественное охлаждение с помощью радиаторов для отвода тепла с перестраиваемых элементов.

При реализации тракта управления можно столкнуться с некоторыми трудностями. Одной из проблем является погрешность измерения функций соз(ф) или зт(ф) вследствие разброса параметров элементов, входящих в схему включения микросхемы перемножителя и внутреннего фазового сдвига между различными входами микросхемы перемножителя. Поскольку такая погрешность может привести к неустойчивому режиму работы устройства адаптивного согласования или низкому качеству согласования (большой коэффициент отражения), то этот вопрос рассмотрен подробно.

При погрешности измерения фазы 0 канала регулировки мнимой составляющей импеданса нагрузки согласование либо невозможно, либо коэффициент отражения составит Гр =зт"(0), в случае выполнения условия -

ЛН<Ж--1-1 . Погрешность измерения фазы ц/ канала регулировал^)

ки действительной составляющей импеданса нагрузки вызывает остаточный коэффициент отражения Гр = эт*(у). Приведенные выражения нашли подтверждения в модельных экспериментах, описанных в пятой главе, которые позволили сделать вывод, что при погрешности перемножителей не более 5° коэффициент отражения составит менее 1,5%.

Еще одной проблемой построения тракта управления могут являться высокочастотные наводки на каскады перемножителей, в результате чего возникают дополнительные погрешности при адаптивном согласовании. Поэтому при реализации тракта управления он был экранирован.

При натурных испытаниях разработанного устройства согласования коэффициент отражения полезной ВЧ мощности составил не более 2% при согласовании генератора высокой частоты и лазерного излучателя газоразрядного СО2 лазера мощностью до 15 Вт по световому потоку при различных режимах работы лазера.

В рамках задачи адаптивного согласования импедансов для случая аварии нагрузки предложены схемы защиты активных элементов ГВЧ. Метод защиты по уровню отражённой от нагрузки энергии заключается в защите транзисторов от перегрузок, вызываемых изменением импеданса нагрузки и появлением опасного напряжения отражённой от нагрузки волны ВЧ сигнала. Алгоритм заключается в непрерывном измерении уровня отраженной волны, сопоставлении этого уровня с опорным напряжением и подаче запирающего напряжения на вход усилительного каскада, в случае превышения сигналом отраженной волны величины опорного напряжения.

Еще одна схема защиты заключается в непрерывном контроле постоянной составляющей коллекторного тока мощного усилителя и в запирании каскада отрицательным смещением в случае увеличения постоянной составляющей коллекторного тока и в приоткрывании каскада при уменьшении коллекторного тока.

Разработанные и созданные генераторы высокой частоты и адаптивное устройство согласования апробированы и внедрены в МГУ им. М.В. Ломоносова и в Институте общей физики РАН, г. Москва. Устройства использованы при разработке новых технологий, основанных на применении лазеров и ионных струй.

В заключении сформулированы основные научные и практические результаты проведенных исследований.

В приложении приведены протоколы лабораторных исследований и акты внедрения разработанных устройств.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложена математическая модель распределения ВЧ поля вдоль волноводного газоразрядного лазерного излучателя. Разработаны схемы подвода ВЧ энергии к нагрузкам с распределенными параметрами. Выведены математические соотношения, позволяющие получать равномерное распределение ВЧ поля вдоль нагрузок типа длинной линии с поглощением.

2. Разработаны три градиентных и одно аналитическое устройство адаптивного согласования импедансов генераторов высокой частоты и вол-новодных газоразрядных нагрузок.

3. Проведен сравнительный анализ разработанных устройств согласования импедансов и определено наиболее эффективное устройство с градиентной непрерывной подстройкой.

4. Разработаны алгоритмы управления перестраиваемыми элементами для цепей согласования Г-, Т- и П-типов устройства с непрерывной подстройкой.

5. Разработано программное обеспечение, позволяющее моделировать адаптивное согласование импедансов. Проведены модельные эксперименты для цепей согласования различных типов. Определены наилучшие режимы работы и разработаны практические рекомендации по использованию каждого конкретного типа цепи согласования.

6. Разработаны и созданы три генератора высокой частоты с несколькими независимыми уровнями зашиты активных элементов и возможностью работы на переменную нагрузку.

7. Разработано и создано адаптивное устройство согласования с непрерывной подстройкой и цепью согласования Г-образного типа. Коэффициент отражения полезной ВЧ мощности при натурных испытаниях составил менее 2%.

Публикации по теме диссертации

1. Крючков A.B., Минеев А.П., Самойлов А.Г., Самойлов С.А. Защита генераторов ВЧ накачки, работающих на газоразрядную нагрузку // Препринт ИОФАН.--1991. №47.--28с.

2. Самойлов С.А., Самойлов А.Г. Исследование волноводного устройства СOi лазера // Проектирование и применение радиотехнических устройств. Тезисы докладов молодых специалистов и студентов, Владимирский государственный технический университет, Владимир, 1993 .—С24.

3. Минеев А.П., Полушин ПЛ., Самойлов А.Г., Самойлов С.А. Сложение мощностей генераторов ВЧ накачки газоразрядных лазеров // Препринт ИОФ РАН .-1993. №2.--18с.

4. Самойлов С.А. Схемы питания газовых С02 лазеров // Проектирование и применение радиотехнических устройств. Тезисы докладов молодых специалистов и студентов, Владимирский государственный технический университет, Владимир, 1993 .-С.16.

5. Самойлов С.А. Устройство согласования// Перспективные технологии в средствах передачи информации: Тез. докл. МНТК, г. Владимир,

1995.-- С.88-92.

6. Полушин П.А., Самойлов А.Г., Самойлов С.А. Мощные транзисторные генераторы // Приборы и техника эксперимента.--1996. N5.--C.159.

,7.Samoilov A.G., Samoilov S.A., Polushin P.A. High-Power High-Frequency Transistor Generators//JET.--1996. v.39. №6.--p.46-50.

8. Самойлов А.Г., Самойлов C.A., Полушин П.А. Мощные высокочастотные транзисторные генераторы // Приборы и техника эксперимента.-

1996. N6.- С. 53-57.

9. Полушин П.А., Самойлов А.Г., Самойлов С.А. Высокочастотные генераторы для медико-биологических исследований // Физика и радиоэлектроника в медицине и биотехнологии: Материалы МНТК, г. Владимир, 1996.-С. 116-119.

10. Патент №2056683 // Газовый лазер.- Б.И. 1996. №8,- С.52./Соавт.: Минеев А.П., Полушин П.А., Самойлов А.Г., Самойлов С.А.

11. Самойлов С.А. Адаптивное устройство согласования ВЧ генераторов накачки и газоразрядных лазеров. Проектирование и применение радиотехнических устройств и систем // Сборник научных трудов. Владимир. 1996 .-С.96-102.

12. Полушин П.А., Самойлов А.Г., Самойлов С.А. Кибернетическая система согласования волноводного газоразрядного пространства // Конверсия, приборостроение, рынок: Тез. докл. МНТК, Суздаль-Владимир, 1997. -С. 209-212.

13. Минеев А.П., Пашинин П.П., Полушин П. А., Самойлов А.Г., Самойлов С.А. Эффективность энерговклада в волноводно-разрядную структуру газовых лазеров // Перспективные технологии в средствах передачи информации : Материалы 2-й МНТК, Владимир. 1997.—С. 177-180.

14. Минеев А.П., Пашинин П.П., Самойлов С.А. и др. Исследование проблем энерговклада в активную среду СОг лазеров с ВЧ накачкой // Перспективные технологии в средствах передачи информации: Материалы 2-й МНТК, Владимир. 1997.—С. 180-183.

15. Никитин О.Р., Самойлов С.А. Моделирование процессов адаптивного согласования генераторов ВЧ с нестационарными нагрузками // Перспективные технологии в средствах передачи информации: Материалы 2-й МНТК, Владимир. 1997.-С.183-187.

16. Модуляторы: Методические указания / Владим. гос. ун-т; Сост.: А. Г. Самойлов, С. А. Самойлов. Владимир. 1997.-24с.

Введение.

Глава 1. Задача согласования ВЧ генераторов с переменной нагрузкой.

1.1. Постановка задачи.

1.2. Обзор известных методов согласования импедансов.

1.3. Согласование волноводного газоразрядного пространства.

1.4. Возможные пути согласования генераторов с переменными нагрузками.

1.5. Выводы.

Глава 2. Разработка устройств адаптивного согласования импедансов.

2.1. Анализ возможных путей построения устройств адаптивного согласования.

2.2. Устройство с последовательной подстройкой.

2.3. Устройство с параллельной подстройкой.

2.4. Устройство с непрерывной подстройкой.

2.5. Другие возможности адаптивного согласования.

2.6. Выводы.

Глава 3. Разработка алгоритмов работы устройств согласования с непрерывной адаптацией.

3.1. Базовый алгоритм работы устройств согласования с непрерывной адаптацией.

3.2. Разработка алгоритма работы устройств согласования Г-типов.

3.3. Разработка алгоритма работы устройств согласования Т-типов.

3.4. Разработка алгоритма работы устройств согласования П-типов.

3.5. Выводы.

Глава 4. Экспериментальное исследование адаптивных устройств согласования импедансов.

4.1. План экспериментов.

4.2. Исследование устройств согласования Г-типов.

4.3. Исследование устройств согласования Т-типов.

4.4. Исследование устройств согласования П-типов.

4.5. Выводы.

Глава 5. Реализационные основы адаптивных устройств согласования.!

5.1. Реализационные основы ВЧ тракта.

5.2. Реализационные основы тракта управления.

5.3. Схемы защиты активных элементов РПДУ.

5.4. Выводы.

Актуальность проблемы. Одна из важных проблем современной квантовой техники - согласование мощных генераторов и нагрузки с импедансом, который либо неизвестен заранее, либо изменяется со временем, как например, при работе генераторов накачки газоразрядных устройств. Эта задача отличается от согласования блоков мощных радиопередающих устройств тем, что импеданс газоразрядных нагрузок может изменяться в широком диапазоне при различных режимах работы.

Улучшение качества согласования, т.е. снижение коэффициента отражения полезной высокочастотной (ВЧ) мощности, снижение потерь в цепях согласования (ЦС), правильный выбор схемы подключения цепей согласования к нагрузке приводят к увеличению энерговклада в нагрузку и к увеличению КПД систем, что в свою очередь дает экономический выигрыш для многих радиотехнических систем или систем, имеющих ВЧ накачку.

Опыт исследований волноводных газовых СО2 лазеров, либо других газоразрядных нагрузок с высокочастотной накачкой, а также опыт эксплуатации мощных высокочастотных радиотехнических систем показал негативное влияние рассогласования на качество работы таких систем. Источником рассогласования является изменение импеданса нагрузки (т.е. нестационарность нагрузки), вызываемое сменой режимов работы (изменение мощности накачки, изменение давления и смеси газов в газоразрядных нагрузках, изменение окружающей среды для радиотехнических систем), процессами старения нагрузки при длительной эксплуатации, разбросом параметров нагрузок различных типов (например, для газовых волноводных СО2 лазеров применение лазерных излучателей различной длины вызывает значительное рассогласование системы).

Попытки избавиться от рассогласования путем совершенствования ЦС, а также путем подстройки частоты генератора высокой частоты (ГВЧ) для определения той, на которой наблюдается наилучшее согласование, не дают желаемого результата. Очень показателен в этом отношении пример американской системы автоматического согласования генератора накачки и лазерного излучателя, основанного на подстройке частоты генератора. Предложенное устройство [4] требует значительных аппаратурных затрат, но не позволяет полностью избавиться от рассогласования в системе и увеличение энерговклада носит незначительный характер, поскольку импеданс нагрузки имеет комплексный характеру и, как следствие, подстройка частоты ГВЧ не обеспечивает глобального согласования в системе.

Наличие рассогласования, вызванного изменением импеданса нагрузки, приводит к ухудшению эффективности работы радиотехнических высокочастотных систем, а именно:

- уменьшается значение полезной ВЧ мощности, вкладываемой в нагрузку;

- за счет возникновения отражения части полезной ВЧ мощности нарушается работа ГВЧ, т.е. возможен выход из строя активных элементов ГВЧ, либо снижение величины генерируемой ВЧ мощности;

- при вводе в эксплуатацию новых нагрузок необходима подстройка цепи согласования для каждой нагрузки индивидуально.

Необходимое улучшение качества согласования и увеличение энерговклада в нагрузку вступа/рг в противоречие с явлением изменения импеданса нагрузки.

Возникает актуальная техническая и научная проблема обеспечения высокого качества согласования и повышения энерговклада в нагрузку в условиях изменения ее импеданса.

Имеющиеся на сегодняшний день решения в рамках сформулированной проблемы не могут обеспечить:

- минимум отраженной мощности во всем диапазоне возможных импедансов нагрузки;

- адаптивное согласование с минимальным уровнем отраженной мощности и максимально возможным энерговкладом в нагрузку;

- эффективную защиту активных элементов ГВЧ в случае аварии нагрузки.

Наиболее целесообразный путь повышения энерговклада в нагрузку заключается в последовательном решении следующих задач: разработки кибернетических систем, позволяющих адаптивно перестраивать элементы ЦС, осуществляя тем самым согласование импедансов; разработки математических моделей, позволяющих определять характеристики адаптивных устройств согласования импедансов; разработки схем защиты ГВЧ.

При решении этих задач необходимо учитывать, что импеданс современных газоразрядных нагрузок имеет активную и реактивную составляющие, которые при различных режимах работы изменяются по разным законам, причем определение величины импеданса затруднительно. Это означает, что пути увеличения энерговклада в нагрузку должны быть рассчитаны на адаптивное управление процессом согласования и предполагать, как минимум, два канала регулировки ЦС.

Цели работы, вытекающие из характера проблемы: разработка устройств адаптивного согласования импедансов и схем защиты ГВЧ^их реализация и апробирование в реальных условиях эксплуатации.

Исходя из целей работы задачами исследования являются:

1. Разработка схем подключения генераторов накачки к волноводным газоразрядным нагрузкам с целью равномерного распределения ВЧ поля вдоль лазерного излучателя.

2. Разработка адаптивных устройств согласования импедансов и определение наилучшего из них.

3. Синтез алгоритмов адаптивного управления цепями согласования различных типов.

4. Разработка программного обеспечения, позволяющего осуществлять моделирование адаптивного устройства согласования с различными типами ЦС.

5. Разработка схем защиты активных элементов ГВЧ.

6. Внедрение результатов работы в институтах Российской Академии Наук, организациях радиотехнического профиля и в учебный процесс высших учебных заведений.

Методы исследования. В работе использовались методы теории автоматического управления, теории электрических цепей, теории устройств СВЧ, методы моделирования, методы экспериментальных исследований.

Научная новизна работы состоит в разработке новых путей и устройств повышения энерговклада в нагрузку, а именно:

1. Предложена математическая модель распределения ВЧ поля вдоль лазерного излучателя, определены и конкретизированы условия увеличения энерговклада.

2. Разработано 4 устройства адаптивного согласования импедансов и определен наилучший из них по критерию увеличения энерговклада в нагрузку.

3. Разработаны алгоритмы адаптивного управления для различных типов цепей согласования.

4. Разработано программное обеспечение для моделирования адаптивных устройств согласования.

5. Определены наилучшие параметры устройства адаптивного согласования для цепей согласования различных типов.

6. Разработаны схемы многоуровневой защиты ГВЧ.

Практическая ценность работы. Включенные в диссертацию результаты получены автором при выполнении работ, проводившихся по постановлениям правительственных органов в интересах МОиПО РФ и РАН в период с 1992 по 1997 г.г., а также в соответствии с планами госбюджетных работ Владимирского государственного университета. Окончательные теоретические результаты получены автором в ходе выполнения проекта Российского фонда фундаментальных исследований.

Перечень результатов имеющих практическую ценность:

1. Разработаны программные средства для моделирования различных типов адаптивных цепей согласования, позволяющие:

- прогнозировать поведение адаптивного устройства согласования при изменениях импеданса нагрузки, в том числе и аварии нагрузки;

- оценивать качество и скорость адаптивного согласования;

- определять параметры адаптивных устройств согласования.

2. Разработано и создано три генератора накачки высокой частоты с несколькими уровнями защиты, позволяющими повысить надежность эксплуатации;

3. Разработано и создано устройство адаптивного согласования импеданса нестационарной нагрузки и мощного генератора высокой частоты.

4. Разработана математическая модель распределения ВЧ поля вдоль лазерного излучателя, позволяющая выбирать оптимальные параметры волноводных газоразрядных С02 лазеров.

Предложенные и внедренные технические решения обеспечивают повышение эксплуатационной надежности ГВЧ и увеличивают значение энерговклада в нагрузку. Поэтому решенные в работе научные задачи имеют важное техническое значение.

Реализация и внедрение. Основные теоретические и практические результаты были получены автором в рамках проекта Российского фонда фундаментальных исследований. Новые теоретические и практические результаты диссертационной работы, а также один патент на изобретение нашли применение как в институтах РАН, так и в учебном процессе при подготовке инженеров радиотехнической и радиофизической специальностей. В учебных вузах и в институтах РАН внедрены: мощные высокочастотные генераторы и устройства адаптивного согласования импедансов.

На защиту выносится совокупность новых научно-обоснованных технических решений в рамках проблемы повышения энерговклада ВЧ мощности в переменную нагрузку:

1. Математическая модель распределения высокочастотного поля накачки вдоль волноводных газоразрядных нагрузок.

2. Устройства адаптивного согласования импедансов высокочастотных генераторов и нестационарных нагрузок.

3. Алгоритмы адаптивного согласования устройства с непрерывной подстройкой для различных типов цепей согласования.

4. Разработано программное обеспечение, позволяющее моделировать поведение адаптивного устройства согласования с непрерывной подстройкой и определять его характеристики.

Апробация работы. По материалам, изложенным в работе, сделаны доклады на трех международных, одной всероссийской и четырех научнотехнических конференциях профессорско-преподавательского состава Владимирского государственного университета.

Публикации по работе. По материалам, изложенным в диссертации, опубликовано 16 работ, включая один патент на изобретение, три статьи в центральных изданиях и методические указания.

Структура работы. Диссертация, состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения, списка литературы, имеющего 74 наименования отечественных и зарубежных источников, в том числе 16 работ автора. Общий объем диссертации в том числе 123с. основного текста, 2Те.

5.4. Выводы

1.При построении адаптивного устройства согласования в схемах перестраиваемых элементов целесообразно использовать мощные варикапы - варакторы.

2. Для снижения падения напряжений на варакторах необходимо использовать последовательно-параллельные схемы включения, но применяя при этом минимально возможное число варикапов.

3. При разработке перестраиваемых элементов необходимо так проектировать перестраиваемую цепь согласования, чтобы реактивные значения сопротивлений перестраиваемых элементов были минимальны, что при конечной добротности варакторов минимизирует сопротивление потерь в ВЧ тракте.

4. При реализации перестраиваемых элементов варакторы можно использовать с открытым переходом на произвольную часть периода, но только в определенном паспортными данными диапазоне частот.

5. Для снижения потерь полезной ВЧ мощности в адаптивном устройстве согласования необходимо разрабатывать ВЧ тракт так, чтобы максимальная регулировка перестраиваемых элементов производилась не более^чем в 3^-4 раза.

6. При проектировании адаптивного устройства согласования необходимо предусматривать системы охлаждения перестраиваемых элементов и экранирование ВЧ тракта и тракта управления.

7. Для снижения погрешности согласования необходимо добиваться наиболее точной работы перемножителей, для чего регулировать тракт управления вручную или применять дополнительные схемотехнические решения.

8. При разработке адаптивных систем согласования импедансов необходимо использовать рекомендации и методы, изложенные в §5.3, для защиты активных элементов генераторов высокой частоты в случае аварии нагрузки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Предложена математическая модель распределения ВЧ поля вдоль волноводного газоразрядного лазерного излучателя. Разработаны схемы подвода ВЧ энергии к нагрузкам с распределенными параметрами. Выведены математические соотношения, позволяющие получать равномерное распределение ВЧ поля вдоль нагрузок типа длинной линии с поглощением.

2. Разработаны три градиентных и одно аналитическое устройство адаптивного согласования импедансов генераторов высокой частоты и волноводных газоразрядных устройств.

3. Проведен сравнительный анализ разработанных устройств согласования импедансов и определено наиболее эффективное с градиентным методом непрерывной подстройки.

4. Разработаны алгоритмы управления перестраиваемыми элементами для цепей согласования Г, Т и П-типов устройства с непрерывной подстройкой.

5. Разработано программное обеспечение, позволяющее моделировать адаптивное согласование импедансов. Проведены модельные эксперименты для цепей согласования различных типов. Определены наилучшие режимы работы и разработаны практические рекомендации по использованию каждого конкретного типа цепи согласования.

6. Разработаны и созданы три генератора высокой частоты с несколькими независимыми уровнями защиты активных элементов и возможностью работы на переменную нагрузку.

7. Разработано и создано адаптивное устройство согласования с непрерывной подстройкой с цепью согласования Г-образного типа.

Коэффициент отражения полезной ВЧ мощности при натурных испытаниях составил менее 2%.

Результаты теоретических исследований и испытаний разработанных систем управления величиной энерговклада в переменные нагрузки дают основание заключить, что применение устройств адаптивного согласования импедансов позволяет:

- увеличить энерговклад в нагрузки с изменяющимся импедансом на 15-20%,

- увеличить КПД систем с изменяющейся нагрузкой на 15-20% за счет значительного снижения отражения полезной ВЧ мощности,

- снизить материальные затраты за счет отсутствия необходимости ручной регулировки цепей согласования и за счет повышения надежности генераторов высокой частоты.

Полученные в диссертации теоретические и прикладные результаты внедрены в учреждениях и институтах Российской Академии Наук (РФФИ, ИОФ РАН) и в учебных заведениях ( МГУ, ВлГУ ) при научных исследованиях и подготовке радиоинженеров.

Основной итог диссертационной работы заключается в теоретическом обобщении совокупности новых научно обоснованных технических решений в рамках сформулированной задачи и разработке методов и средств управления энерговкладом высокочастотной мощности в нагрузки с изменяющимся импедансом.

1. Минеев А.П., Полушин П.А., Самойлов А.Г. Согласование генератора ВЧ-накачки с газоразрядной нагрузкой. // Препринт ИОФАН-1991. N47. 28с.

2. D. Не, D.R. Hall. Longitudinal voltage distribution in transverse RF discharge waveguide lasers. I.Appl. Phys. 54(8), august,1983,pp.4367-4373.

3. Радиопередающие устройства. / Под ред. М.В. Благовещенского, Г.М. Уткина. М.: Радио и связь. 1982.-408 с.

4. Р.Е. Jackson, К.М. Abramsky, D. К. Hall. Automatic Impedance Matching and Opto-Hertzian effect in RF Excited CO2 Waveguide Lasers. Applied Physics В 47, 149-157,1988.

5. Проектирование радиопередающих устройств. / Под ред. В.В. Шахгильдяна.- М.: Радио и связь. 1993.-512 с.

6. Фуско В. СВЧ цепи. Анализ и автоматизированное проектирование: Пер. с англ.- М.: Радио и связь. 1990.-288с.

7. Г. В. Зевеке, П. А. Ионкин, А. В. Нетушил, С. В. Страхов. Основы теории цепей М: Энергия. 1965.-444с.

8. Минеев А.П., Полушин П.А., Самойлов А.Г. Адаптивное устройство согласования генератора ВЧ накачки и газоразрядного лазера // Препринт ИОФ РАН.—1993. №19.--17с.

9. Минеев А.П., Полушин П.А., Самойлов А.Г. Автоматическое согласование СОГ лазера с генератором ВЧ накачки // Препринт ИОФ РАН.- 1993. №38,- 18 с.

10. Минеев А.П., Полушин П.А., Самойлов А.Г., Самойлов С.А. Патент №2056683 // Газовый лазер.- Б.И. 1996. №8.- с.52.

11. Проектирование радиопередающих устройств СВЧ / Под ред. Г.М. Уткина.- М.: Сов. радио. 1979.- 320 с.

12. Радиопередающие устройства. / Под ред. В.В. Шахгильдяна.- М.: Радио и связь. 1990.-432с.

13. Радиопередающие устройства / Под ред. В.В. Шахгильдяна.- М.: Радио и связь.- 560с.

14. Минеев А.П., Полушин П.А., Самойлов А.Г. Автоматическое согласование импеданса ВЧ генератора с газоразрядным лазером // Радиотехника и электроника РАН. 1995. т.40. №2.-с.325-332.

15. Устройства сложения и распределения мощностей высокочастотных колебаний. / Под ред. Э.И. Моделя.- М.: Сов. радио, 1980.-295 с.

16. Самойлов А.Г., Самойлов С.А., Полушин П.А. Мощные высокочастотные генераторы // Приборы и техника эксперимента .- 1996. №6. с. 53-57.

17. Полушин П.А., Самойлов А.Г. Измеритель импеданса газоразрядных лазеров, возбуждаемых высокочастотным сигналом // Приборы и техника эксперимента.- 1993. №5. с.90-93.

18. Липатов Н.И., Минеев А.П., Пашинин П.П. и др. Влияние частоты возбуждающего поля на работу волноводного СО2 лазера с ВЧ накачкой // Квантовая электроника. 1989. т. 16. №5.- с. 938-944

19. Vidand P., Ке D., Hall D.R. Higt efficiency RF excited C02 lasers / Opt.Commun., 1985. v. 56, №3, p. 185 - 190.

20. Липатов H.H., Минеев А.П., Мышенков В.И. т др. Нелинейные -структуры в газовом разряде и возбуждение активной среды в мощных газоразрядных молекулярных лазерах // Труды ИОФАН, т. 17. М.: Наука, 1989.-с. 3-52.

21. Петухов В.М. Полупроводниковые приборы. Транзисторы. Дополнение второе: Справочник,- М.: Рикел, Радио и связь. 1995. -288 с.

22. Техника электросвязи за рубежом: Справоник / Л.И. Яковлев, В.Д. Федоров, Г.В. Дедюкин и др.- М.: Радио и связь. 1990. -256 с.

23. Радиопередающие устройства (проектирование радиоэлетронной аппаратуры СВЧ на интегральных схемах)/ Под ред. О.А. Челнокова .- М.: Радио и связь. 1982 .- 256 с.

24. Минеев А.П., Полушин П.А., Самойлов А.Г., Самойлов С.А. Сложение мощностей генераторов ВЧ накачки газоразрядных лазеров // Препринт ИОФРАН №2. 1993.-18 с.

25. Каганов В.И. Транзисторные радиопередатчики.- М.: Энергия, 1976.-448 с.

26. Устройства сложения и распределения мощностей высокочастотных колебаний. / Под ред. Э.И. Моделя.- М.: Сов. радио, 1980.-295 с.

27. Крючков А.В., Минеев А.П., Самойлов А.Г., Самойлов С.А. Защита генераторов ВЧ накачки, работающих на газоразрядную нагрузку // Препринт ИОФАН.- 1991. №47.-28с.

28. Самойлов С.А., Самойлов А.Г. Исследование волноводного устройства С02 лазера // Проектирование и применение радиотехнических устройств. Тезисы докладов молодых специалистов и студентов, г. Владимир, ВлГТУ. 1993г.~с24.

29. Самойлов С.А. Схемы питания газовых С02 лазеров // Проектирование и применение радиотехнических устройств. Тезисы докладов молодых специалистов и студентов, г. Владимир, ВлГТУ. 1993г.-с.16.

30. О.Самойлов С. А. Устройство согласования// Перспективные технологии в средствах передачи информации: тез. докл. МНТК, г. Владимир, 1995.-- с.88-92.

31. Полушин П. А., Самойлов А.Г., Самойлов С.А. Мощные транзисторные генераторы // Приборы и техника эксперимента.--1996. N5.-c.159.

32. Samoilov A.G., Samoilov S.A., Polushin Р.А. High-Power High-Frequency Transistor Generators // JET.—1996. v.39. №6.~ pp.46-50.

33. Полушин П.А., Самойлов А.Г., Самойлов С.А. Высокочастотные генераторы для медико-биологических исследований // Физика и радиоэлектроника в медицине и биотехнологии: тез. докл. МНТК, г. Владимир, 1996.—с. 116-119.

34. Самойлов С.А. Адаптивное устройство согласования ВЧ генераторов накачки и газоразрядных лазеров. Проектирование и применение радиотехнических устройств и систем // Сборник научных трудов. Владимир. 1996г.-с.96-102.

35. Полушин П.А., Самойлов А.Г., Самойлов С.А. Кибернетическая система согласования волноводного газоразрядного пространства // Конверсия, приборостроение, рынок: тез. докл. МНТК, г. Суздаль-Владимир, 1997. с. 209-212.

36. Минеев А.П., Пашинин П.П., Самойлов С.А. и др. Исследование проблем энерговклада в актйвную среду С02 лазеров с ВЧ накачкой // Перспективные технологии в средствах передачи информации: Материалы 2-ой МНТК, г. Владимир. 1997.—с. 180-183.

37. Никитин О.Р., Самойлов С.А. Моделирование процессов адаптивного согласования генераторов ВЧ с нестационарными нагрузками

38. Перспективные технологии в средствах передачи информации: Материалы 2-ой МНТК, г. Владимир. 1997.-е. 183-187.

39. Модуляторы: Методические указания / Владим. гос. ун-т; Сост. А. Г. Самойлов, С. А. Самойлов. Владимир. 1997.-24с.

40. Полляк Ю.Г. Вероятное моделирование на электронных вычислительных машинах. М.: Сов. радио, 1971. - 399 с.

41. Бусленко В.Н. Автоматизация имитационного моделирования сложных систем. М.: Наука, 1977ю - 240 с.

42. Ермаков С.М., Бродский В.З., Жиглевский А.А. Математическая теория планирования эксперимента. М.: Наука, 1983. - 397 с.

43. Рэд Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике.- М.: Мир. 1990.-256с.

44. Проектирование радиопередающих устройств. / Под ред. В.В. Шахгильдяна.- М.: Радио и связь. 1993.-512 с.

45. Полушин П.А., Самойлов А.Г. Мощный генератор накачки газоразрядных лазеров // Приборы и техника эксперимента,- 1994. №4-с.209-210.

46. Полушин П.А., Самойлов А.Г. Адаптивный генератор накачки волноводных лазеров // Приборы и техника эксперимента.- 1995. №2. 99-106с.

47. Полушин П.А., Самойлов А.Г. Универсальный мощный генератор высокой частоты // Приборы и техника эксперимента.- 1995. №5. с. 197.

48. Полушин П.А., Самойлов А.Г. Транзисторный генератор накачки волноводных СО2 лазеров // Приборы и техника эксперимента.- 1993. №5.-с.242-243.

49. Полушин П.А., Самойлов А.Г. Измеритель импеданса газоразрядных лазеров, возбуждаемых высокочастотным сигналом // Приборы и техника эксперимента.- 1993. №5. с.90-93.

50. Атабеков Г.И. Основы теории цепей.М.:Энергия, 1969, 424с.

51. Полушин П.А., Самойлов А.Г. Транзисторный генератор накачки волноводных С02 лазеров // Приборы и техника эксперимента.- 1993. №5.-с.242-243.

52. Полушин П.А., Самойлов А.Г. Измеритель импеданса газоразрядных лазеров, возбуждаемых высокочастотным сигналом // Приборы и техника эксперимента.- 1993. №5. с.90-93.

53. Липатов Н.И., Минеев А.П., Пашинин П.П. и др. Влияние частоты возбуждающего поля на работу волноводного СОг лазера с ВЧ накачкой // Квантовая электроника. 1989. т. 16. №5.- с. 938-944

54. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств. / Под ред. В.Н. Вольмана.- М.: Радио и связь. 1982.-328 с.

55. Радиопередающие устройства (проектирование радиоэлектронной аппаратуры СВЧ на интегральных схемах)/ Под ред. О.А. Челнокова .- М.: Радио и связь. 1982 .- 256 с.

56. Полушин П.А., Самойлов А.Г. Измеритель мощности накачки волноводных СО2 лазеров // Приборы и техника эксперимента. -1993, N5. -с. 243 244.

57. Самойлов А.Г. Проблемы построения ВЧ генераторов накачки волноводных С02 лазеров // Перспективные технологии в средствах передачи информации: Материалы МНТК, г. Владимир, 1995.— с.32-35.

58. Розов В.М. Моделирование на ЭВМ каскадов мощных передатчиков. М.:МИС, 1990.-56с.

59. Ильина Н.Н. Радиовещательные передающие устройства. М.: Радио и связь, 1980.-184с.

60. Проектирование и технология производства мощных СВЧ транзисторов / В.Н. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. М.-.Радио и связь, 1989-144с.

61. Акулюшин JI.А. Варикап со сверхрезкой зависимостью емкости от напряжения для частотно модулированных генераторов // Электронная техника. Сер.2.- 1984.- N4.-C.10-15.

62. Александров А.Г. Справочник по теории автоматического управления/ Под ред. А.А. Красовского.-М.:Наука, 1987.-712с.

63. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности/ А.А. Зайцев, А.И. Миркин, В.В. Мокряков и др.; под ред. А.В. Голомедова.- М.: Радио и связь, 1989.-640с.

64. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров: Пер. с англ. / Под. ред. А.С. Ларионова.-М.:Энергия, 1985.-920с.

65. Конструирование и расчет полосковых устройств. Под ред. И.С. Ковалева. М.: Сов. Радио, 1974, 296 с.

66. Проектирование радиопередающих устройств с применением ЭВМ. Под ред. О.В. Алексеева. М., радио и связь, 1987, 392с.

67. Первачев С.В. Радиоавтоматика: Учебник для вузов.-М.:радио и связь, 1982.-296с.

68. Теория автоматического управления. Под ред. А.А. Воронова. М.: Высш. школа, 1977, 303с.

69. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов.-М.: Наука, 1986. 544с.

70. Воробьев Н.Н. Теория рядов.-М.:Наука, 1971, 152с.

71. Выдро Ю. Ф. Некоторые вопросы автономности регулировки двухсвязных систем автонастройки антенных устройств // Вопросы радиоэлектроники, серия ТРС, вып.7, 1991.

72. Красновский А.А. Динамика непрерывных самонастраивающихся систем.-М. :Физматгиз, 1963 .-468с.

73. Волков В.П. Об устойчивости системы автоматической настройки антенно-согласующего устройства// Вопросы радиоэлектроники, 1968, серия ТРС, вып.З.

74. Выдро Ю.Ф. Структурная устойчивость двухсвязных систем автонастройки антенных согласующих устройств. Материалы шестой межрегиональной конференции, Пушкинские горы, 1996,18-20с.