автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Преобразователи амплитудно-фазового распределения полей на многомодовом диэлектрическом волноводе для радиоинтерферометрической диагностики объектов

На правах рукописи

ГАИНУЛИНА Екатерина Юрьевна

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛЕЙ НА МНОГОМОДОВОМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ВОЛНОВОДЕ ДЛЯ РАДИОИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ОБЪЕКТОВ

Специальности: 05.12.04 - "Радиотехника, в том числе системы

и устройства телевидения",

05.12.07 - "Антенны, СВЧ устройства и их технологии"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005559060

Москва-2015

005559060

Работа выполнена на кафедре «Основы радиотехники» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» (ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»»).

Научный руководитель: Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Взятышев Виктор Феодосьевич кандидат технических наук, профессор Штыков Виталий Васильевич

Шевченко Виктор Васильевич,

доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник ФГБУН «Институт радиоэлектроники Российской академии наук»

Вакс Владимир Лейбович,

кандидат физико-математических наук, заведующий отделом Терагерцовой спектрометрии ФГБУН «Институт физики микростуктур Российской академии наук»

ФГБНУ «Научно-исследовательский радиофизический институт» (г. Н. Новгород)

Защита состоится 26 марта 2015 года в 13.00 на заседании диссертационного совета Д212.157.05 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 17, аудитория А-402.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» www.mpei.ru.

Автореферат разослан «22» января 2015 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.157.05 к.т.н., доцент

Y J?

Куликов Р.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Диапазон крайне высоких частот (КВЧ) находит все большее применение при решении задач радиолокации, диагностики различных процессов, определения физических параметров различных сред. При этом во многих применениях предполагается извлечение информации об объекте, находящемся в непосредственной близости от зондирующего облучателя. К таким задачам относятся задачи мониторинга различных сред, спектроскопии, диагностики плазмы, диагностики быстропротекающих газодинамических процессов и задачи экспериментальной баллистики.

Для их решения широко применяются системы радиовидения, основанные на методах пассивной и пассивно-активной радиометрии, и радиоинтерфе-рометрические системы для диагностики движения объектов. Реализация этих систем в КВЧ диапазоне обеспечивает бесконтактную регистрацию процессов, пространственную избирательность и непрерывность измерений.

Одной из актуальных задач является реконструкция формы объекта по результатам диагностики. Для быстропеременных процессов, длящихся не более нескольких миллисекунд, применение систем радиовидения затруднено. Это связано с невозможностью использования сканирования и создания матричных приемников с достаточным числом каналов.

Для задач диагностики изменения формы объектов при быстропротекающих процессах перспективны многоканальные радиоинтерферометры.

Принципиальным условием реализации многоканальных радиоинтерферометров (МРИ) является создание пространственно локализованных и частично перекрывающихся полей зондирующих волновых образований1 в виде волновых пучков, создаваемых разными каналами. Для МРИ, с одной стороны, требуется облучение относительно большого участка поверхности объекта диагностики (ОД), с другой стороны, предъявляются высокие требования к разрешающей способности системы по поперечным координатам. Для одновременного выполнения этих противоречивых требований необходима разработка специальных зондирующих устройств, формирующих волновые пучки.

1 Здесь и далее зондирующее волновое образование - это электромагнитное поле, созданное зондирующим устройством в исследуемой области пространства.

Волновые пучки широко применяются в линзовых линиях передачи, открытых резонаторах, системах радиовидения. Например, в последнем случае они формируются фокусирующими зеркальными антеннами в области фокуса.

Известны волноводные преобразователи (ВП) на сверхразмерных металлических волноводах, применяемые, в частности, в гиротронах. Такие ВП обеспечивают преобразование высших волноводных мод в волновой пучок.

Поэтому исследование и создание преобразователей зондирующих полей для радиоинтерферометров (РИ), которые обеспечивают эффективное взаимодействие формируемых зондирующих волновых пучков с движущимся и изменяющимся объектом, актуально и имеет большое практическое значение.

Для задач РИ в специфических условиях диагностики в качестве протяженных зондирующих устройств нашли применение диэлектрические волноводы (ДВ). Поэтому для этих задач необходимо провести всесторонние исследования волноводных преобразователей на базе ДВ.

Одним из эффективных технических решений для задач МРИ является преобразователь на базе широкоформатного прямоугольного диэлектрического волновода (ШПДВ). В плоскости, параллельной широким граням волновода, ширина поперечного сечения зондирующего волнового образования на требуемых расстояниях до ОД может быть значительно сужена, по сравнению с волновым образованием одноволновых ДВ.

При проектировании ВП и практическом использовании МРИ особенно остро ощущается необходимость аналитического описания зондирующего поля. Для обработки сигналов МРИ с необходимой точностью структура поля, создаваемого ВП, должна допускать простое математическое описание, например, в виде разложения по пучкам Гаусса-Эрмита. Поэтому в работе рассматривается волновой пучок Гаусса-Эрмита нулевого порядка (ПГЭо). В свою очередь, это определило требования к ВП, а, значит, цели и задачи исследования.

Аналитическую модель волнового пучка можно получить при решении задачи дифракции собственных волн ДВ на торце ШПДВ. Однако, такая задача в общей постановке сложна и к настоящему моменту решена только для идеализированной модели планарного ДВ. Таким образом, разработка процедуры синтеза заданного АФР поля волнового пучка и создание ВП, служащих для его формирования, является важной и приниипиально новой задачей для развития метода многоканальной КВЧ радиоинтерферометрии.

Как показано в ряде работ, возможность управления АФР зондирующего поля можно обеспечить в многомодовом режиме ШПДВ. Проблему синтеза АФР поля в зоне Френеля в виде суммы собственных волн многомодового ДВ с определенной точностью можно рассматривать как синтез АФР поверхностных токов на апертуре волноводного преобразователя.

Таким образом, создание волноводных преобразователей на базе много-модовых диэлектрических волноводов, обеспечивающих требуемые амплитудно-фазовые характеристики зондирующего поля, необходимо для решения принципиально новых задач многоканальной диагностики в различных применениях.

До настоящего времени задачи создания ВП с требуемыми характеристиками для МРИ не рассматривались. В силу открытого характера ДВ, их решение возможно только приближенными методами в сочетании с экспериментальными исследованиями и численным моделированием для обеспечения точности, достаточной для решения конкретных практических задач.

Целью работы является исследование возможности формирования полей волноводных преобразователей для многоканальных систем диагностики на многомодовом широкоформатном прямоугольном диэлектрическом волноводе и создание преобразователей, обеспечивающих эффективное взаимодействие зондирующего волнового пучка с объектом диагностики и надежное извлечение информации о характеристиках его движения и динамике изменения его формы.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• синтез АФР зондирующего поля, описываемого моделью пучка Гаусса-Эрмита нулевого порядка, в виде суммы собственных волн прямоугольного ДВ, то есть определение необходимого набора мод и соотношения их комплексных амплитуд, реализующих требуемое АФР зондирующего поля;

• формирование требуемого набора мод широкоформатного прямоугольного ДВ с заданными амплитудно-фазовыми соотношениями по п.1 на локальных неоднородностях широкоформатного прямоугольного ДВ;

• оценка влияния клиновидного перехода в проектируемых волноводных преобразователях на результаты синтеза АФР зондирующего поля и коррекция результатов синтеза;

• конструирование, на основе решения вышеперечисленных задач, преобразователей для применения в многоканальных РИ.

Методы исследования. В силу прикладного характера работы, использованы проверенные приближенные методы аналитического описания волн ПДВ, Фурье-преобразование, теория связанных волн, экспериментальные методы исследования ЛФР и численное моделирование.

Научная новизна диссертационной работы

1) Обоснована возможность формирования зондирующего волнового образования с различной разрешающей способностью по поперечным координатам и независимым управлением АФР поля в двух ортогональных направлениях широкоформатным прямоугольным ДВ в многомодовом режиме.

2) Впервые предложена процедура синтеза АФР зондирующего поля в виде пучка Гаусса-Эрмита нулевого порядка на основе мод НЕ1Ь НЕ13 и НЕ]5 ШПДВ, обеспечивающая достаточную для прикладных целей точность.

3) Впервые предложен и практически реализован способ возбуждения требуемого набора высших мод с заданными амплитудно-фазовыми соотношениями на локальных неоднородностях ШПДВ.

4) Исследовано влияние физических процессов в клиновидном участке предложенной структуры ВП, с учетом этого уточнены математическая модель и процедура синтеза АФР зондирующего поля преобразователя.

5) Созданы конструкции преобразователей для применения в многоканальной радиоинтерферометрии. Это позволило коллективу авторов защитить их варианты патентами РФ.

Обоснованность и достоверность полученных в работе результатов подтверждается использованием известных методов приближенного решения электродинамических задач при корректно поставленных ограничениях. Результаты расчетов согласуются с результатами экспериментов и численным моделированием в программе СБТ М\¥8, подтверждены тестированием разработанных ВП, в том числе в составе МРИ на аттестованных стендах.

Практическая значимость результатов работы состоит в том, что предложенная процедура синтеза АФР зондирующего поля и разработанные программы позволяют проектировать волноводные преобразователи, обеспечивающие требуемые АФР поля для конкретных условий диагностики. Созданы новые конструкции преобразователей, в частности, для многоканальной радиоинтерферометрии быстропротекающих газодинамических процессов.

Реализация и внедрение. Полученные в работе результаты и рекомендации внедрены в ФНПЦ НИИИС при проведении ОКР по разработке радиоинтерферометров для различных задач диагностики. Разработанные конструкции волноводных преобразователей в составе одноканальных и многоканальных РИ внедрены в Институте физики взрыва РФЯЦ ВНИИЭФ.

На защиту выносятся:

1) Процедура синтеза АФР зондирующего поля в виде пучка Гаусса-Эрмита нулевого порядка на основе мод НЕП> НЕ|3, НЕ,5 ШПДВ, обеспечивающая достаточную для прикладных целей точность.

2) Способ управления АФР с помощью возбуждения на локальных неод-нородностях широкоформатного прямоугольного ДВ требуемого набора высших мод с заданными амплитудами и фазами.

3) Физические принципы работы предложенных волноводных преобразователей на основе многомодовых широкоформатных прямоугольных ДВ с локальными неоднородностями при возбуждении клиновидным участком ДВ.

4) Уточненные математическая модель и процедура синтеза АФР зондирующего поля с учетом влияния клиновидного участка ДВ в предложенной конструкции волноводного преобразователя на физические процессы в нем.

5) Новые патентоспособные конструкции волноводных преобразователей для прикладных задач одноканальной и многоканальной радиоинтерферометрии.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях: «Актуальные проблемы радиофизики» (г. Томск, 2010 и 2012 г.); Междунар. конферен. «Харитоновские тематические научные чтения» (г. Саров, 2009 и 2011 г.); XX Междунар. научно-техн. конферен. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г.Москва, 2014 г.); 24ой Междунар. конфер. «КрыМиКо' 2014» (г. Севастополь, 2014 г.); III Всероссийской научно-техн. конфер. «Радиолокация и связь», ИРЭ РАН РФ (г. Москва, 2009 г.); 65ой Научной сессии НТОРЭС им. A.C. Попова (г. Москва, 2010 г.); конференции ГК Росатом «Молодежь в науке» (РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2009 г.) и «Молодежь в инновационном процессе» (НИИИС, 2010 г.). Результаты работы отмечены в 2012 г. Премией ГК «Росатом» молодым ученым, ряд докладов удостоены дипломов I степени.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 22 работах. В их числе: 7 статей в научно — технических журналах, входя-

щих в перечень ВАК, раздел в монографии, 4 патента РФ на изобретения и одна авторская заявка на изобретение.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников и четырех приложений. Работа изложена на 165 страницах машинописного текста, включая приложения (25 стр.), проиллюстрирована 70 рисунками (в т.ч. 10 в приложениях). Список литературы включает 85 наименований, в том числе 22 авторские работы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, дано краткое описание проблемы, проведен анализ современного состояния вопроса, сформулированы цель работы и задачи исследований, научная новизна, практическая значимость полученных результатов, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены принципы формирования такого поля на апертуре преобразователя, которое обеспечивает решение задач диагностики перемещений объектов. Без потери общности, эти принципы рассмотрены применительно к прикладной задаче - реконструкции, с помощью многоканальных РИ, формы газодинамического объекта и диагностики динамики ее изменения.

Специфическим условием является расположение приемо-передатчика РИ на расстояниях до 10 м от объекта диагностики, и в то же время необходимость формирования зондирующего поля в непосредственной близости от объекта диагностики. Для решения поставленной задачи применяются ДВ. Они обеспечивают связь РИ с объектом диагностики в труднодоступных местах, гарантируют сохранность РИ при диагностике опасных процессов.

С использованием численного моделирования и экспериментально изначально нами исследовался конусовидный ВП, а затем была предложена и исследована конструкция клиновидного ВП. Было установлено, что клиновидные ВП имеют преимущества перед конусовидными по уровню боковых лепестков. Однако, эксперимент показал, что формируемые клиновидными ВП зондирующие поля не могут быть аналитически представлены в форме ПГЭ0 с требуемой точностью, а значит их применение в многоканальной радиоинтерферометрии приведет к ошибкам измерения перемещений. Тем не менее, они могут быть использованы в одноканальных РИ при условии, что размеры области облучения ОД не превышают ширины АФР поля по уровню -30 дБ.

По результатам экспериментальных исследований определены зависимости ширины АФР полей от размеров поперечных сечений торцов конусовидных и клиновидных ВП, оптимизированы углы при их вершинах. Это позволило коллективу авторов, включая автора диссертации, защитить преобразователи этих типов патентами РФ.

В работе сформулированы требования к ВП, предназначенным для многоканальной диагностики. Отмечена необходимость формирования поля, имеющего малые боковые лепестки в диагностируемой области объекта, по уровню, определяемому чувствительностью радиоинтерферометра.

Рассмотрена система из трех ВП, в которой центральный канал - приемопередающий, а боковые - приемные. Сформулированы дополнительные требования — необходимость облучения практически всего участка поверхности диагностируемого объекта передающим каналом РИ и особые требования к разрешающей способности системы по поперечным координатам. Показана целесообразность создания преобразователей с гауссовым распределением поля на апертуре, т.к. это исключает существование нулей амплитуды и скачков фазы АФР в пределах поперечного сечения объекта диагностики.

Перечисленным условиям удовлетворяет модель пучка Гаусса-Эрмита нулевого порядка. Для определения связи размеров сечения прямоугольного ДВ с параметрами синтезируемого пучка введено понятие практического сечения пучка на апертуре ВП 2йан(г ~0). Показано, что по уровню мощности —40дБ ширина пучка 2£>с//(0) фактически должна быть равна большему размеру 2Ъ сечения ДВ, а ширина горловины ПГЭ0 2аан на торце прямоугольного ДВ определяется из соотношения асн = 0,336.

Показано, что синтез АФР ПГЭо может быть обеспечен в многомодовом режиме ДВ. Предложена базовая структура ВП на основе отрезка широкоформатного прямоугольного ДВ с клиновидным переходом от одномодового прямоугольного ДВ. Сформулированы методы решения поставленных задач.

Во второй главе приведены результаты разработки процедуры синтеза зондирующего поля в виде ПГЭо на базе волн широкоформатного прямоугольного ДВ. Рассмотрена задача синтеза АФР вида

О)

Для решения практических задач обоснована возможность аппроксимации функции (1) только модами дискретного спектра ПДВ Ч'п пу):

М^Ел^Я (2)

/1=0

Усеченная функция Фм (у) не будет в точности воспроизводить заданную функцию Ф(^). При выборе параметров ПГЭо и их соотношений с размерами сечения ПДВ для минимизации СКО функции от Ф(_у) использованы

приведенные в главе 1 соотношения эффективного сечения ДВ и ширины пучка по заданному уровню мощности.

В силу близости свойств ШПДВ и планарного ДВ, для аналитического описания мод ШПДВ предложена модель на основе волн планарного ДВ (модель Ъ). Для проверки ее пригодности при решении задач МРИ проведено численное моделирование. Результаты расчетов АФР мод ДВ по модели Ъ совпадают с результатами моделирования, а дисперсионные зависимости даже при формате прямоугольного ДВ, равном двум, совпадают с известными и отличаются от экспериментальных не более, чем на 2-3%.

Процедура синтеза АФР ПГЭ0 проводилась с оптимизацией размера горловины синтезируемого пучка в зависимости от ширины ШПДВ 2Ъ по критерию минимума СКО функции Фд, (>>) от ПГЭ0. Было получено численное решение для диапазона 2Ъ = (4-8)>„ при толщине ДВ 2а=0,ЗХ. Такие размеры сечений ШПДВ, как показано в главе 1, обеспечивают требуемую ширину АФР зондирующего поля по уровню -30 дБ.

В рассматриваемых ШПДВ могут распространяться от двух до четырех четных типов волн. Толщина 2а выбрана из условия обеспечения одномодового режима по узкой стороне ДВ. Расчеты показывают, что при минимуме СКО в сумме доминируют моды НЕП, НЕ]3, НЕ,5. Амплитуды остальных мод - на порядок меньше.

оо

где Ал = | Ф^уУИп^„у)с1у- комплексные амплитуды мод ПДВ.

-ОО

С учетом соотношения (1),

«V / ч \

(3)

На рисунке 1 показана зависимость СКО суммы трех мод от размера полугорловины ПГЭо авн для ширины широкоформатного ПДВ - 4А,(1), 5Л,(2),

6ЦЗ), 7А,(4), 8Х,(5).

При указанных размерах ШПДВ

ч и ж V

0 002 з'

Рисунок 1

минимум СКО слабо зависит от аон и изменяется от «4,5-Ю-3 до «3,5 -1СГ3 при изменении ширины ПДВ вдвое.

При указанных размерах ШПДВ минимум СКО слабо зависит от аон и

изменяется в пределах от «4,5-10"3 до «3,5-10"3 при изменении ширины ПДВ вдвое. Это означает, что выбор сечения ШПДВ в рассматриваемых пределах не критичен. На рисунке 2 показаны спектр мод ШПДВ, частичная сумма ФЛг(>') (сплошная линия) для сечения ШПДВ 4^x 0, ЗА, полученная суммированием трех четных мод, распределение Гаусса (штрих) и ошибка 5 в процентах (точки). л„

3

<

, о „

Рисунок 2

Амплитуды мод, размеры сечения волновода и СКО приведены в таблице 1.

Таблица 1

Сечение Амплитуда моды аан СКО

НЕ,, НЕ,3 не15

0,31Хх4Х, 0,947 0,317 0,041 0,33 3,42-10"3

о.захбх. 0,937 0,343 0,049 0,34 3,39-10"3

. о,зах8х 0,935 0,340 0,050 0,36 4,58-КГ3

В разделе сделан вывод о том, что синтез АФР ПГЭ0 по трем модам с высокой точностью может быть обеспечен в широкоформатном прямоугольном ДВ, допускающем существование большего количества мод. Однако, управление большим числом мод затруднительно для практической реализации. По-

этому целесообразно ограничить ширину ШПДВ интервалом от 2,8?, до 4,2^., при котором реализуется режим существования только трех четных мод.

Рассмотренный алгоритм обеспечивает синтез АФР ПГЭ0 на торце широкоформатного прямоугольного ДВ с приемлемой точностью.

В третьей главе рассмотрены методы реализации требуемого для синтеза ПГЭо модового состава полей ШПДВ. Для возбуждения высших мод и управления ими предложено использовать локальные неоднородности (ЛН), вводимые в тело ШПДВ. В математической модели первоначально предполагалось, что на входе ШПДВ существует только основная мода типа НЕп, а отражения от ЛН отсутствуют. Рассмотрены ЛН в виде возмущения диэлектрических свойств волновода. Влияние этого возмущения на поля в ШПДВ учитывалось

з

введением эквивалентного тока )е = —(ДР), где ДР = е0Д8Е - изменение поля-

о?

ризации, обусловленное изменением диэлектрической проницаемости Де. Решалась система дифференциальных уравнений связанных мод (УСМ)

^ = хи^], (4)

в которой - погонные коэффициенты связи (КС), равные

=тео №х,у,х)Цх,у)Ъ{х,у)_^сЕ, (5)

и^, - разность коэффициентов замедления связанных мод, г = — -

А,

нормированная координата, Е(х,у)^ - собственные функции ШПДВ. Ради простоты принято, что в (5) Де не зависит от координат.

Рассмотрены технологически реализуемые варианты: возмущения в виде

Численное решение УСМ методом Рунге-Кутты проведено для б = 2,08 и

ш

ШПДВ сечением 4А.х0,ЗЛ,, в котором существуют три четные моды. При решении УСМ использовано описание полей широкоформатного прямоугольного ДВ в модели Ъ. Найдены зависимости КС от параметров неоднородностей. Установлено, что КС щелей превышают КС накладок.

Разработана процедура подбора необходимых значений амплитуд мод | Ац |. На рисунке 4 представлены зависимости | Аи | от продольной координаты

щели для мод НЕц, НЕ13, НЕ|5. Точками отмечены значения амплитуд в сечении, примыкающем к концам щелей. Амплитуды мод взаимосвязаны, что делает процедуру их определения сложной многофакторной задачей. Поэтому нет возможности подобрать все требуемые для синтеза величины. Варьируя положение щелей и их длину, удается получить значения амплитуд, близкие к расчетным.

Для приведенных размеров ШПДВ при ¿ = 1.33Л. (рис. 4) амплитуды указанных мод равны 0,94; 0,33 и 0,05, что близко к требуемым (см. табл. 1).

Фаза моды НЕ]3 на конце щели отстает от фазы НЕц на 90°.

: Коэффициенты замедления мод не

Рисунок 4 находятся в кратных соотношениях друг с

другом, поэтому при выборе длины участка ШПДВ от концов щелей до торца -фазового корректора (ФК) - используем условие синфазности мод НЕ,, и НЕ13, которые дают основной вклад в результирующее АФР.

Окончательная оптимизации проводилась изменением длины ФК вблизи рассчитанной величины. Минимальная ошибка достигается при длине корректора около 5,ЗЗА,.

На рисунке 5 показано распределе-Рисунок 5 ние модуля [ А | синтезированной функ-

ции Фд;(^) в сечении на расстоянии 5,ЗЗЛ. от концов щелей (сплошная линия), распределение Гаусса (штрих) и ошибка в процентах (точки). Отклонение синтезированной АФР от ПГЭо не превышает 0,2%, а СКО составляет «10~3.

I

НЕ,, ^

г \

НЕ,, 1 I ^

ИВЙ X

,.4—

В главе рассмотрена также возможность реализации модового режима, требуемого для синтеза ПГЭ0, в предложенной структуре ВП со щелями. На рисунке 6 приведен эскиз разработанного ВП. Отрезок клиновидного ДВ (КДВ) (2) выполняет роль плавного перехода от одномодового ЦЦВ (1) к многомодо-вому ШПДВ (3). Для снижения потерь на излучение на его стыках с ПДВ на основании предыдущего опыта угол а выбран из условия 2а<15°.

I п

Рисунок 6

В этом случае, параметры волновода изменяются вдоль оси медленно, обеспечивается условие адиабатичности. Поэтому на переходе 1-П происходит только деформация структуры поля моды НЕи.

Рассмотрена модель собственных волн КДВ. Показано что, их дисперсионные зависимости практически совпадают с характеристиками мод ШПДВ, фазовый фронт которых трансформируется из плоского в цилиндрический. ' ' . ) Разложение поля моды КДВ НЕц

Рисунок 7 по модам НЕ^ ШПДВ показало, что ам-

плитуды мод НЕ1Ь НЕ)3 и НЕ15 на входе ШПДВ (сечение II рис. 6) имеют значения: Аи=0,996; А,з=0,089; А15=0,025. Результаты решения УСМ (4)-(5) с учетом этих условий приведены на рисунке 7. Наличие высших мод в указанном сечении потребовало уточнения выбора конструктивных параметров волновод-ного преобразователя при процедуре синтеза.

В четвертой главе приведены результаты разработки преобразователей для многоканального РИ. В процессе проектирования экспериментального образца при его численном моделировании обнаружено, что щели выбранной формы вносят локальные искажения амплитудного распределения поля в сечении II ВП (рис. 6), что, по-видимому, вызвано отражением от их торцов. При

замене резких границ щелей на клиновидные достигнуто практическое совпадение АФР поля в сечении II с АФР ВП без щелей. При этом, ширина щелей 2В (рис. 6) и площадь щелей выбираются из соотношений

В**™ , 0,зф2^0,5ф2.

-«/Е уе V Е

Длина фазового корректора выбирается из эмпирически подобранного

19 7Х 22 2Х

условия —'ч=- < Ь^ < —, обеспечивающего синфазность всех трех мод.

Ыг %/б

Разложение функции Еу(у) суммарного поля в спектр по модам НЕ]^ ШПДВ показало, что соотношение амплитуд мод на апертуре ВП составляет Ап:Ап:А15= 0,949:0,306:0,072, что близко к соотношению (табл. 1), необходимому для формирования гауссова пучка с параметром асн = 0,38А.

Измерения АФР зондирующих полей ВП проводились в ФНПЦ НИИИС на автоматизированном измерительном комплексе. Он состоял из когерентного приемо-передатчика, измерительного зонда и позиционирующего устройства, обеспечивающего независимое перемещение по трем координатам с точностью 10"4 мм. Амплитуда и фаза информационного сигнала определяются по сигналам квадратурных выходов приемника2.

Тестовые измерения трехканальных РИ с разработанными ВП проводились с помощью аттестованного стенда в РФЯЦ-ВНИИЭФ. Погрешность стенда не превышает ±3 мкм в диапазоне перемещений эталонного объекта 200 мм.

Эксперименты подтвердили, что на торце рассмотренного в главе 1 клиновидного ДВ не реализуется требуемый для синтеза ПГЭо набор мод. Синтез АФР зондирующего поля, аппроксимируемого ПГЭо с достаточной для прикладных задач точностью, реализован в структуре преобразователя (рис. 6). Для применений в МРИ были спроектированы и изготовлены преобразователи в соответствии с приведенными расчетами и результатами численного моделирования. Параметры ВП с двумя клиновидными щелями, расположенными симметрично относительно оси ВП, таковы: сечение ПДВ на входе ВП - 1x2,2 мм2; угол при вершине клина - 10°; сечение ШПДВ - 1 х 12,8 мм2; длина ШПДВ - 50 мм; ширина щели - 0,5 мм; полная длина щели - (2+2,32+2) мм (ее площадь равна площади прямоугольной щели); расстояние от оси щели до оси ШПДВ -

2 Результатом измерения является комплексное число (элемент матрицы рассеяния Бц), свя-

занное с волновыми характеристиками интегралом свертки с апертурной функцией зонда.

1,53 мм; диэлектрическая проницаемость материала ВП - 2,1. Измеренные АФР с точностью до погрешности измерений совпадают с распределением ПГЭ0 на расстояниях от 20 мм до 100 мм.

Синтезированное АФР ПГЭ0 практически совпадает с результатами численного моделирования во всем рассмотренном диапазоне расстояний.

По результатам экспериментального исследования образцов ВП даны рекомендации по выбору технологии их изготовления. В связи с полным разрушением ВП в условиях газодинамического эксперимента необходимо обеспечить точность размеров, повторяемость характеристик и взаимозаменяемость ВП. Установлено, что с учетом свойств фторопласта только технология вырубки из листовой заготовки материала с помощью штампов под ударный пресс (250 кН) удовлетворяет предъявляемым требованиям.

Для трехканальной системы разработанных ВП на рисунке 8 представлены экспериментальные распределения поля ¡¿(.у)^ на расстоянии 20 мм от

апертуры (сплошная кривая - центральный канал, пунктир и штрих пунктир -боковые каналы). Видно, что каналы идентичны и совпадают с ПГЭ0 с ошибкой

Рисунок 8

На аттестованном стенде перемещений получены также интерферограммы 3-канального МРИ с разработанными ВП. Ошибки измерения перемещений отражателя для центрального и боковых каналов не превышают ±0,1 мм.

По результатам синтеза АФР поля вида ПГЭ0, численного моделирования и экспериментальных исследований на предложенное техническое решение ВП с локальными неоднородностями подана заявка на изобретение. Разработанные преобразователи вошли в состав одноканального радиоинтерферометра ПРИ-03 и многоканального радиоинтерферометра МРИ-03 и применяются при диагностике газодинамических процессов.

В заключении приводятся основные выводы и результаты работы,

В приложениях приведены описания полей ПДВ в предложенной модели Ъ, решение уравнения связанных мод ШПДВ с локальными неоднородно-стями, описание экспериментального измерительного комплекса, акты внедрения и дипломы за результаты изложенных в работе исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Обоснована возможность формирования зондирующего волнового образования преобразователем на базе широкоформатного прямоугольного ДВ в многомодовом режиме. Благодаря этому, обеспечивается эффективное взаимодействие с близкорасположенным объектом диагностики и надежное извлечение информации о характеристиках движения и динамике изменения формы диагностируемых объектов или процессов.

2. Предложена и реализована процедура синтеза АФР поля на апертуре ВП, с достаточной для прикладных задач точностью описываемого пучком Гаусса-Эрмита нулевого порядка, на основе мод ШПДВ НЕП, НЕ]3, НЕ]5. Определены требования к поперечным размерам ШПДВ и к соотношению амплитуд этих мод, обеспечивающих синтез АФР ПГЭ0 с СКО не более 10~3,

3. Предложен и реализован способ возбуждения требуемых для формирования ПГЭо мод ШПДВ с помощью локальных неоднородностей в виде двух щелей в теле ШПДВ, расположенных симметрично относительно плоскости симметрии ШПДВ по его ширине. Сформулировано условие выбора длины фазового корректора ШПДВ для обеспечения синфазности мод на апертуре ВП.

4. Уточнены математическая модель и процедура синтеза АФР зондирующего поля на апертуре ВП с учетом преобразования структуры поля на отрезке клиновидного ДВ. Предложенная процедура и результаты ее применения подтверждены экспериментальными исследованиями.

5. Созданы патентоспособные варианты конструкций ВП на основе клиновидного ДВ и участка ШПДВ. Технология их изготовления, основанная на вырубке преобразователей с помощью штампов под пресс, обеспечивает воспроизводство требуемых размеров преобразователя при их серийном изготовлении.

6. Проведено тестирование трехканальных сборок преобразователей на метрологически аттестованном стенде, подтвердившее возможность их применения в системах многоканальной диагностики. Разработанные преобразовате-

17

ли вошли в состав серийно выпускаемых РИ и применяются на ряде предприятий.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях из перечня ВАК министерства образования и науки РФ:

1. Белов Ю.Г. Расчет поля излучения открытого конца круглого двухслойного экранированного волновода / Ю.Г. Белов, Е.Ю. Гайнулина, Д.Н. Кравцов, В.В. Щербаков. // Антенны. - 2010. -№7. - С. 44-49.

2. Орехов Ю.И. Автоматизированный комплекс для измерения амплитудно-фазовых распределений диэлектрических излучателей в ближней зоне / Ю.И. Орехов, H.A. Макарычев, Е.Ю. Гайнулина, А.Б. Тихонов, Д.Н. Кравцов. // Антенны. - 2010. -№7. - С. 38-44

3. Гайнулина Е.Ю. Методы исследования дифракционного поля волноводно-пучковых преобразователей мм диапазона / Е.Ю. Гайнулина, В.В. Штыков, [и др.]. // Изв. Вузов. Физика. - 2010. - №9. - С. 128-130.

4. Гайнулина Е.Ю. Многомодовый режим диэлектрических пленарных волноводно-пучковых преобразователей. / Е.Ю. Гайнулина, В.В. Штыков. // Изв. Вузов. Физика. - 2012. - №8/3. - С. 5-10.

5. Каценеленбаум Б.З. Дифракционные волновые явления в волноводно-пучковых преобразователях на многомодовых диэлектрических волноводах / Б.З. Каценеленбаум, В.Ф. Взятышев, Е.Ю. Гайнулина. // Изв. Вузов. Физика. - 2010. - №9. - С. 125-127.

6. Гайнулина Е.Ю. Волноводно-пучковые преобразователи на многомодовых планарных диэлектрических структурах / Е.Ю. Гайнулина. // Изв. Вузов. Физика. - 2010. - №9. - С. 137-144.

7. Реализация многомодового режима волн для синтеза АФР диэлектрических планарных облучателей / В.В. Штыков, Е.Ю. Гайнулина, A.B. Назаров. // СВЧ техника и телекоммуникационные технологии: 24-я междунар. конфер. «КрыМиКо 2014». Материалы конференции -Севастополь, т. 2,2014, с. 623-624.

Патенты и авторские заявки:

8. Патент на полезную модель №118799 РФ Диэлектрический конический излучатель. МКП H01Q 13/02 / авторы Панкратов А.Г., Родионов A.B., Гайнулина Б.Ю., Хворостин В.Н., Взятышев В.Ф. - Заявка №2012/04037/08, приоритет от 06.02.2012, опубл. 27.07.2012 в Бюлл. изобр. № 21.

9. Патент №2485644 РФ. Диэлектрический конический излучатель. МКП H01Q 13/00 / авторы Панкратов А.Г., Родионов A.B., Гайнулина Е.Ю., Хворостин В.Н., Взятышев В.Ф. - Заявка №2012/03204/08, приоритет от 30.01.2012, опубл. 20.06.2013 в Бюлл. изобр. №17.

10. Патент №2447552 РФ. Планарный излучатель. МКП H01Q 21/00 / авторы Взятышев В.Ф., Гайнулина Е.Ю., Макарычев H.A., Орехов Ю.И. -Заявка №2010/4242590/07, приоритет от 18.10.2010, опубл. 10.04.2012 в Бюлл. изобр. №10.

11. Патент №2515700 РФ. Диэлектрический планарный излучатель. МКП H01Q 13/00 / авторы Взятышев В.Ф., Гайнулина Е.Ю., Орехов Ю.И., Родионов A.B. - Заявка №2012/37353/08, приоритет от 21.11.2013, опубл. 20.05.14 в Бюлл. изобр. №14.

12. Гайнулина Е.Ю., Назаров A.B., Седов A.A., Хворостин В.Н., Штыков В.В. Планарный диэлектрический излучатель. Заявка на изобретение от 22.09.2014.

Публикации в прочих научных журналах и изданиях: 13. Зондирующие устройства радиоинтерферометров для связи с объектом диагностики на значительных расстояниях / В.Ф. Взятышев, Е.Ю. Гайнулина, Ю.И. Орехов, [и др.]. // Тезисы докл. Междунар. конференция «XI Харито-новские научные чтения». - Саров, 2009. - С. 350-351.

14. Проектирование зондирующих волноводно-пучковых преобразователей на диэлектрических структурах для многоканальной радиоинтерферометрии газодинамических процессов / Е.Ю. Гайнулина. // VIII научно-технич. конференция ГК Росатом «Молодежь в науке»: труды конф. РФЯЦ-ВНИИЭФ. - Саров, 2009,-С. 326-331.

15. Проектирование зондирующих устройств для диагностики газодинамических процессов / Е.Ю. Гайнулина. // V Научно-технич. конференция ГК «Росатом» - «Высокие технологии атомной отрасли. Молодежь в инновационном процессе»: НИИИС, Н. Новгород, ноябрь 2010.

16. Дифракционные КВЧ волноводно-пучковые преобразователи на многомодовых диэлектрических волноводах: физика явлений в ближней зоне и актуальные применения / В.Ф. Взятышев, С.А. Клячин, Е.Ю. Гайнулина. // III Всероссийская научно-технич. конференция «Радиолокация и радиосвязь»: труды ИРЭ РАН РФ - М.: 2009. - С. 186-187.

17. Программно-аппаратный комплекс для измерения амплитудно-фазовых распределений поля волноводно-пучковых преобразователей / В.В. Штыков, Е.Ю. Гайнулина, H.A. Макарычев. // 65-ая Научная сессия НТОРЭС им. А.С.Попова: труды -М.: 2010 - С. 332-334

18. Дифракция зондирующих и информационных волновых пучков в процессе распространения и взаимодействия / В.В. Штыков, Е.Ю. Гайнулина, H.A. Макарычев, Д.В. Николаенко. // Труды междунар. конференции «XI Хари-тоновские научные чтения». - Саров, 2011. - С. 694-698.

19. Антенны и функциональные узлы СВЧ и КВЧ диапазонов. Методы расчета и технология изготовления / A.B. Кашин, А.Ю. Седаков, Е.Ю. Гайнулина, [и др.] -М.: Радиотехника. -2011. -112 с.

20. Синтез АФР планарных многомодовых диэлектрических облучателей для диагностики быстропротекающих процессов в ближней зоне / Е.Ю. Гайнулина. // XX междунар. научно-технич. конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» - М.:, МЭИ, 2014. - С. 8

21. Формирование волновых пучков многоканальной радиоинтерферометрии в волноводно-пучковых преобразователях на основе нерегулярных многомодовых диэлектрических волноводов / В.Ф. Взятышев, Д.В. Николаенко, Е.Ю. Гайнулина. // Труды междунар. конференции «XI Харитоновские научные чтения». - Саров, 2011. - С. 705-709.

22. Испытания зондирующих устройств для многоканальной радиоинтер-ферометрической диагностики газодинамических процессов: результаты и перспективы /С.В. Катин, Ю.И. Орехов, Е.Ю. Гайнулина, В.Н. Хворостин, [и др.] // Труды междунар. конференции «XI Харитоновские научные чтения». — Саров, 2011.-С. 723-726.

Подписано в печать ЦОЬ ШЬ зак. ХО Тир. Ю П.л. Полиграфический центр МЭИ, Красноказарменная ул., д.13.

20