Библиотечный каталог авторефератов Украины

Севастопольський державний технічний університет

Лащенко Ірина Вікторівна

УДК621.372.852.5:  621.317.74

ШИРОКОСМУЖНI МАЛОГАБАРИТНІ мiкрохвильовi

  ПЕРЕТВОРЮВАЧІ ДЛЯ  ВИМІРЮВАННЯ ПАРАМЕТРІВ

АНТЕННО-хвильовiдних ТРАКТІВ

05.12.07 - Антени та пристрої мiкрохвильової технiки

А в т о р е ф е р а т

дисертації на здобуття вченому ступені

кандидата технічних наук

Севастополь - 1999

Дисертацiєю є рукопис.

Робота виконана в Севастопольському державному технічному університеті (департамент радіотехніки)

Науковий керівник -   доктор  технічних  наук, професор

                                       Бондаренко Іван Кирилович

(Севастопольський державний технічний університет)

Офіційні опоненти:

        - доктор фізико-математичних наук, професор

        Яцук Клара Прокофьевна

             (Харківський державний університет)

         - кандидат технічних наук, головний конструктор

        Єрмолов Павло Петрович

      (Пiдприємство «Вебер»)        

Провiдна установа - Нацiональний технiчний унiверситет України «Київський полiтехнiчний iнститут», м. Київ

Захист відбудеться   «_24_» ____06______ 1999 року о 10 годинi на засіданні спеціалізованої вченої Ради К50.052.03 при Севастопольському державному технічному університеті (335053, м. Севастополь, Стрілецька бухта, студмiстечко, 4-й учбовий корпус).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Севастопольського державного технічного університету.

Автореферат розісланий      “_20_ “ _____05_______  1999 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої Ради

кандидат технічних наук                                 Проценко М.Б.

АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ

Вдосконалення вимірників параметрів антенно-хвильовiдних трактів радiотехнічних систем вимагає постійного поліпшення технічних характеристик мiкрохвильових перетворювачів,  що є основною структурною ланкою таких вимірників. Особливий інтерес представляє розробка широкосмужніх малогабаритних, конструктивно простих і недорогих мiкрохвильових перетворювачів, які дозволяють не тільки підвищити точність вимірювання, але і використати їх  як датчики вбудованого контролю параметрів антенно-хвильовiдних трактів.

Існуючі методи побудови мiкрохвильових перетворювачів відрізняються або складністю конструкторської реалізації, що має місце при використанні направлених вiдгалужувачей і подвійних хвильовiдних трійників, або недостатньою широкосмужностю у разі застосування аналізаторів розподілу електромагнітного поля в дискретних точках вздовж хвилевода.

Основна проблема при побудові широкосмужних багатодетекторних аналізаторiв поля пов'язана з необхідністю отримання малозалежних від частоти фазовий зсувів між сигналами, що відгалужуються в хвилеводи детекторних головок перетворювача.

У відомих багатодетекторних перетворювачах отримати такі фазовi зсуви між всіма сигналами не представляється можливим, що приводить до істотних частотних погрішностей.

Крім того, в існуючих багатодетекторних перетворювачах не врахований вплив розмірів щілин зв'язку на модулі і фази комплексних амплітуд хвиль, що відгалужуються в детекторні головки, що приводить до значних погрішностей у визначенні фазових зсувів між сигналами і, зрештою,  до зменшення точності вимірювання параметрів антен і елементів хвильовiдних трактів. Вирішити задачу визначення оптимального поєднання всіх впливаючих чинників можна тільки за допомогою багатопараметричной оптимізації параметрів перетворювача.

Таким чином, проблема розробки методів побудови широкосмужних, малогабаритних мiкрохвильових перетворювачів для вимірювання комплексних параметрів антен і хвильовiдних пристроїв, є актуальною, що має велике наукове і прикладне значення.

МЕТА  І ОСНОВНІ ЗАДАЧІ ДОСЛІДЖЕННЯ

Метою справжньої роботи з'явилася розробка методів побудови широкосмужних малогабаритних мiкрохвильових перетворювачів і створення на їх основі високоточних автоматизованих вимірників комплексних параметрів антен і НВЧ пристроїв.

Основні задачі дослідження включали наступне:

1. Розробку методів побудови первинних перетворювачів з малозалежнимi від частоти фазовий зсувами між сигналами, що відгалуджуються в хвилеводи детекторних головок.

2. Теоретичне і експериментальне дослідження впливу розмірів щілин зв'язку на модулі і фази комплексних амплітуд хвиль, що відгалуджуються в хвилеводи детекторів, а також дослідження впливу варіації геометричних параметрів щілин зв'язку двох детекторних головок на частотну залежність зсуву фаз сигналів, що поступають на НВЧ діоди.
3. Оптимізацію геометричних параметрів щілевих елементів зв'язку з метою стабілізації фазового зсуву між сигналами в діапазоні частот хвилевода і забезпечення мінімальної частотної погрішності.
4. Оцінку і мінімізацію погрішностей вимірювання, зумовлених неідентичністю амплітудно-фазових характеристик детекторів, перевідображеннем від виходу генератора, нестабільністю НВЧ потужності в діапазоні частот.
5. Експериментальне дослідження характеристик мiкрохвильових перетворювачів і побудованого на їх основі автоматизованого вимірника комплексних параметрів антен і хвильовiдних пристроїв.

МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ

Для отримання основних теоретичних результатів були використані: метод пробної хвилі - визначення нормованої комплексної амплітуди хвилі в хвилеводі детектора; методи інтегрування трансцендентних функцій - дослідження впливу довжини щілини на модуль і фазу комплексної амплітуди хвилі; метод багатопараметричної оптимізації Хука-Джівса - визначення нормованих геометричних параметрів хвильовiдних щілевих елементів зв'язку; топологiчнi методи - визначення залежності параметрів вимірників від характеристик складаючих елементів; їімовірністно-статистичний метод - оцінка погрішностей вимірників; комп'ютерне моделювання і натурний експеримент.

НАУКОВА НОВИЗНА

При виконанні дисертації вперше отримані наступні результати:

• запропоновані методи побудови  широкосмужних малогабаритних мiкрохвильових перетворювачів з малозалежними від частоти фазовими зсувами між сигналами, що поступають на детектори;
• отримана аналітична залежність для комплексної амплітуди хвилі, збуджуючої хвилевод детектора, і для  фазового зсуву сигналів в двох щілевих хвильовiдних вiдгалужувачей, що  є функціями  довжини   хвилі   і геометричних параметрів щілин: довжини, ширини, кутів нахилу, координат центрів;
• визначені оптимальні нормовані значення геометричних параметрів щілин зв'язку, що забезпечують квазипостійність фазового зсуву в діапазоні частот хвилевода і мінімізацію частотної погрішності мiкрохвильових перетворювачів;
• запропоновані способи корекції погрішностей, зумовлених неідентичністю амплiтудно-частотних характеристик детекторів, віддзеркаленням від генератора, нерівномірністю НВЧ потужності в діапазоні частот;
• експериментально досліджені основні характеристики мiкрохвильових перетворювачів і автоматизованого вимірника параметрів НВЧ пристроїв.

ПРАКТИЧНА ЦІННІСТЬ

Розроблені чотири варіанти широкосмужних малогабаритних конструктивно простих мiкрохвильових перетворювачів  і автоматизований вимірник параметрів антенно-хвильовiдного тракту на їх основі.

Розроблена iнженерна методика розрахунку геометричних параметрів щілевих елементів зв'язку детекторних головок з первинним хвилеводом на будь-який перетин.

Розроблені методи розрахунку фазочастотних характеристик перетворювачів, мінімізуючі відхилення фазового зсуву від номінального значення в діапазоні частот хвилевода. Розроблена методика експериментального дослідження мiкрохвильових перетворювачів і вимірювального приладу.

Розроблене програмне забезпечення, що дозволяє реалізувати процедуру вимірювання і калібрування, графiчну і числову індикації результатів, діалоговий режим і інші сервісні можливості.

Результати дисертацiйної роботи впроваджені в Севастопольському державному технічному університеті, в Севастопольському КБ радіозв'язку, в Севастопольському  військово-морському інституті.

ВИПРОБУВАННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ РОБОТИ

Основні положення дисертацiйної роботи докладалися і обговорювалися на 7 міжнародних і 2 республіканських конференціях:

1. 5-й Міжнароднiй Кримськiй конференції ''НВЧ техніка і супутниковi телекомунікаційнi технології'', Криміко-95. - м. Севастополь, 1995;
2. Міжнароднiй  науково-технічної конференції ''Вимірювання'', м. Каунас, 1996;
3. 3-й Українськiй конференції ''Автоматика-96'', м. Севастополь, 1996;
4. 6-й Міжнароднiй  Кримськiй конференції ''НВЧ   техніка і телекомунікаційнi технології'', м. Севастополь, 1996;
5. Міжнароднiй  конференції ''Актуальні проблеми електронного приладобудування (АПЕП   96)'',  м. Новосибірськ, 1996;
6. 7-й Міжнароднiй  Кримськiй мікрохвильовiй конференції,м. Севастополь, 1997;
7. Міжнароднiй  науково-технічнiй конференції '' Електроніки   97'',             м. Каунас, 1997;
8. 8-й  Міжнароднiй   Кримськiй    мікрохвильовiй    конференції,                 м. Севастополь, 1998;
9. 1-й науково-технічнiй конференції ВМС України «Проблемні питання будівництва ВМС, розвиток озброєння і військової техніки», м. Севастополь, 1998.

ПУБЛІКАЦІЇ

По матеріалах досліджень опубліковано 23 роботи: 5 наукових статей, 5 патентів, 1 депонований рукопис, 9 матеріалів доповідей, 2 інформаційних листка і 1 зареєстрований звіт  про НДР.

СТРУКТУРА І ОБ'ЄМ ДИСЕРТАЦІЇ

Дисертація складається з введення, чотирьох розділів і висновку, списку використаних джерел і  додатків.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ, що ВИНОСЯТЬСЯ НА ЗАХИСТ

1. Методи побудови широкосмужних малогабаритних мiкрохвильових перетворювачів з малозалежними від частоти фазовими зсувами між всіма поступаючими на детектори сигналами, що забезпечують мінімально можливу частотну погрішність.
2. Результати теоретичного дослідження впливу геометричних параметрів щілин зв'язку на  комплексні амплітуди хвиль і на фазовий зсув між сигналами, що відгалуджуються в детектори.
3. Результати багатопараметричної оптимізації нормованих розмірів щілин і координат їх центрів, а також кутів їх нахилу, що забезпечують мінімізацію відхилення фазового зсуву від необхідного значення в діапазоні частот хвилевода.
4. Результати розробки вимірювального комплексу на основі запропонованих мiкрохвильових перетворювачів і методи корекції домінуючих погрішностей.
5. Результати експериментального дослідження параметрів мiкрохвильових перетворювачів і вимірювального комплексу.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

       У введенні обгрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі досліджень, визначені наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, виділені положення, що  виносяться на захист,  анотується  зміст дисертацiйної роботи.

       У першому розділі дисертації виконаний аналітичний огляд методів побудови первинних перетворювачів, вимірників комплексних параметрів мiкрохвильових  пристроїв  з  точки  зору  використання  їх  як  в стаціонарних заводських і лабораторних умовах, так і в приладах вбудованого контролю.

       Критеріями для порівняльного аналізу були точність вимірювання, смуга робочих частот, конструктивні особливості і вартість, габарити і можливість автоматизації процесу вимірювання, функціональні можливості приладу. Проведений аналіз дозволив зробити висновок про перспективність вимірювальних комплексів, побудованих на базі багатоелементних (багатодетекторних) первинних перетворювачів, що поєднують простоту конструкції з малими габаритами, невисокою вартістю, можливістю використання як при вимірюванні коефіцієнта віддзеркалення, так і коефіцієнта передачі.

Розглянуті різні варіанти щілевих зв'язків детекторних головок з первинним хвилеводом. Для зменшення частотної погрішності вимірника в діапазоні робочих частот необхідно, щоб електрична відстань між всіма детекторами була квазипостійна в діапазоні частот. Однак, у відомих багатодетекторних  перетворювачах ця умова виконується в неповному об'ємі   - між деякими детекторними головками електрична відстань залежить від частоти, тому погрішність недопустимо зростає при розширенні робочої смуги частот. На фазовий зсув між сигналами на входах діодів НВЧ істотно впливають розміри щілин зв'язку (довжина і ширина). У існуючих типах перетворювачів це не враховане. Виходячи з вищевикладеного, в заключній частині розділу сформульовані задачі, направлені на досягнення основної мети роботи: знайти метод побудови мiкрохвильового первинного перетворювача з малозалежнимi від частоти фазовими зсувами між всіма сигналами;  дослідити вплив на фазовий зсув між двома відгалуженими сигналами довжини і ширини щілин і визначити умови, при яких фазовий зсув буде квазипостійним в діапазоні частот хвилевода і, отже, добитися зменшення частотної погрішності; розробити алгоритм обробки вимірювальної інформації, що виключає інші складаючі погрішності; розробити і дослідити  вимірювально-обчислювальний комплекс.

У другому розділі проведене теоретичне дослідження щілевих елементів зв'язку, внаслідок якого отримані співвідношення для комплексних амплітуд хвиль, що  розповсюджуються  в  хвилеводах  детекторних  головок, встановлених торцем на широку стінку первинного хвилевода, і аналітична залежність фазового зсуву між цими хвилями від довжини хвилі і всіх геометричних параметрів щілин, в тому числі їх довжини і ширини. Зроблена багатопараметрична оптимізація фазового зсуву,  що залежить  від  довжини і ширини щілин, відстані між їх центрами, кутами нахилу, зміщенням центрів щілин відносно вузької стінки, з метою досягнення мінімальних відхилень фазового зсуву від номінального значення в діапазоні частот хвилевода.

Нормована комплексна амплітуда хвиля типа Н10, збуджена в хвилеводi  В, який встановлений торцем на широкiй стінцi основного хвилевода А (мал. 1), виражається через розподіл магнітних сторонніх струмів

,                                      (1)

де  jмст - щільність стороннього магнітного струму;

(Jмстl) - момент стороннього магнітного струму випромінювача;

Vм - магнітна поляризуємiсть отвору;

Рн - одинична потужність нормованої хвилі, що розповсюджується в хвилеводі А;

НВ - усереднене значення напруженності магнітного поля щілини для хвилевода В

,                              (2)

НА - усереднене значення напруженності магнітного поля щілини для хвилевода А

= e-inrdr  + i e-inr dr ,                                    (3)

K1 = (Vм1 sin2a+Vм2cos2a)2a1/lвA;          K2 = sin a cos a (Vм2 - Vм1);

m =  ( p sin a)/a1;     n = (2p/lвА)cosa.;

lвА  - довжина хвилі в хвилеводі А;

Vм1 і Vм2 - подовжня і поперечна магнітні поляризуємiстi щілин.

Підставляя (2) i (3) в рівняння (1) і вирішуючи його,  отримаєм значення нормованої комплексної амплітуди хвилi . Аналогічно визначається амплітуда хвилі, що збуджується другою щілиною, розташованою дзеркально першiй і виддаленiй вздовж хвилевода на відстань Z0.

Фазовий зсув між сигналами, що відгалужуються двома похилими щілинами, визначається наступною аналітичною залежністю

,                                                          (4)

де - нормована довжина хвилi;

      а - розмір широкої стінки первинного хвилевода А;

25. коефіцієнт, що враховує відношення ширини щілини до її довжини

;                                                      (5)

М - коефіцієнт, що враховує довжину щілини

                                     (6)

;

LН=L/2a - нормована довжина щілини.

При підстановці (6) і (5) в (4) видно, що фазовий зсув двох сигналів є функцією шести змінних

Ф = f(λвН, b, ZoH, хоН, LH, S/L).                                                             (7)

Тут – нормованi значення зміщення  центрiв щілин і поперечна координата центрiв щілин, відповідно.

Метою проведеної багатопараметричної оптимізації функції Ф  було визначення таких значень геометричних параметрів щілин (b, ZoH, хоН, LH, S/L),  при яких відхилення фазового зсуву від номінального  значення  (наприклад, Фном=90О,  або Фном =45О ) було б мінімальним при зміні довжини хвилі lв в діапазоні частот хвилевода.

Функція, що характеризує відхилення залежності фазового зсуву від довжини хвилі від прямої, запишеться вираженням:

                                                    lвдлН

F = ∫ {p/2-[pZ0Н/lвН  + 2⋅arctg( lвН⋅Y⋅М )]}2dlвН.               

                                                  lвкН

Тут lвкН, lвдлН - задані кордони діапазону оптимізації характеристики, lвН - поточна координата, ZoH и b, хоН, LH, S/L -  параметри, що оптимізуються.  Максимальне число параметрів, що визначаються - п'ять, але воно може бути зменшене у разі задання певного значення  деяких параметрів з конструктивних або інших міркувань, для параметрів, що залишилися, конструкцією визначаються межі зміни. Відповідно, розроблені декілька варіантів процедури оптимізації.

Програма оптимізації розроблена на основі методу Хука-Джівса. Пошук мінімуму функції складається з послідовності кроків досліджуючого пошуку навколо базисної точки,   за якою,   у разі   успіху,   слідує   пошук   за зразком. При пошуку за зразком використовується інформація, отримана в процесі дослідження і що визначає оптимальний напрям мінімізації функції.

Внаслідок оптимізації функції   в 37%-нiй смузі частот при Фном=90О отримані наступні значення нормованих геометричних параметрів:

βopt=28.8393О, ZHopt=0.2189, хН=0.25,  LH=0.2,  SH=0.02.

Залежність Ф=fopt(λвН) зоображена на мал. 2. Максимальні відхилення фазовий зсуву Δϕmax від Фном=90О не перевищують  ±1.6О, аналогічні розрахунки для Фном=45О дозволяють досягнути значення Δϕmax, що не перевищує ±0.8О. Така стабілізація фазового зсуву в смузі частот сприяє зменшенню частотної погрішності вимірника.

Малюнок 2 - Залежність Ф=fopt(λвН)

У третьому розділі розроблена математична модель первинного мiкрохвильового перетворювача з малозалежними від частоти фазовими зсувами між всіма сигналами і вимірювально-обчислювальний комплекс для визначення параметрів мiкрохвильових пристроїв; проаналізована погрішність вимірювання і запропоновані способи  корекції домінуючих складових цієї погрішності.

Аналіз розподілу електромагнітного поля вздовж лінії і визначення комплексного коефіцієнта віддзеркалення (ККВ) здійснюється за допомогою трохсигнального первинного перетворювача, для якого послідовні фазовi  зсуви  між  сигналами рівні  45О.  У  цьому  випадку    для   НВЧ   ланцюга, що складається з первинного перетворювача, НВЧ генератора і навантаження, що досліджується,  сигнали, отримані з детекторів, мають вигляд