Улучшение параметров сверхвысокочастотных устройств с протяженными кольцевыми резонаторами

Актуальность темы

Известны и применяются на практике различные приборы и устройстваодной из основных частей1 которых являются протяженные кольцевые резонаторы с периметром, многократно превышающим^ длину электромагнитной^ волны в резонаторе. Это лазерные гироскопы, волоконно-оптические гироскопы, устройства интегральной микроэлектроники, многолучевые электровакуумные приборы СВЧ миллиметрового диапазона длин волн, антенные устройства и другие. Развитие СВЧ-техники: продвижение в область миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн, появление эффективных генераторов и технологий изготовления схем открывает новые возможности^ по применению протяженных кольцевых^ резонаторов в сверхвысокочастотных устройствах различного назначения.

К числу таких устройств следует отнести5 сверхвысокочастотные гироскопы, предложенные Harry D. Felsenthal, П. К. Плотниковым и другими исследователями, электронные приборы и устройства миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов, а также технологические установки по обработке и модификации свойств материалов.

Анализ известных конструктивных решений СВЧ-гироскопов, показал, что, несмотря на предложенные усовершенствования и повышение рабочей частоты, они обладают недостаточной чувствительностью. Поэтому задача повышения чувствительности является актуальной для данного вида гироскопов.

Одним из перспективных направлений повышения чувствительности представляется использование переходного процесса в< кольцевом резонаторе после окончания импульса возбуждения. В результате многократно увеличивается^ путь, пробегаемый электромагнитной* волной до её полного затухания и, соответственно, растет чувствительность гироскопа. Однако математические модели переходного и установившегося процессов в сверхвысокочастотном кольцевом резонаторе и особенности его свойств, связанные с учетом эффекта Саньяка, остаются недостаточно изученными.

СВЧ-технологии обработки и модификации свойств материалов все шире применяются в различных отраслях промышленности и научных исследованиях. Возрастающие требования по повышению энергоэффективностиустановок и увеличению уровней напряженности электрического и магнитного полей для модификации материалов выдвигают резонаторные камерыв число наиболее перспективных. Протяженные кольцевые резонаторы^ позволяют использовать — несколько генераторов^ что повышает мощность установки, и увеличить длительность обработки, в том числе .за счет многократности перемещения материала в резонаторе без выхода из зоны обработки: В фундаментальных работах Э. Окресса, Н. Д. Девяткина, Ю.С. Архангельского^ В. Л. Коломейцева и других отечественных и зарубежных ученых камеры на кольцевых резонаторах не рассматривались и особенности электромагнитных процессов в них не исследовались.

В связи с этим становятся актуальными поиск путейповышения чувствительности €ВЧ-гироскопов и улучшения параметров СВЧ-технологических, установок в результате применения протяженных кольцевых резонаторов в качестве рабочих камер, а также разработка математических моделей, позволяющих провести моделирование переходного и установившегося процессов в кольцевых резонаторах.

Цель диссертационной работы.

Поиск, возможностей повышения чувствительности сверхвысокочастотных гироскопов и улучшения параметров1 технологических устройств на основе протяженных кольцевых резонаторов. Разработка математических моделейи исследование переходного и установившегося процессов в протяженных кольцевых сверхвысокочастотных резонаторах с учетом эффекта Саньяка при произвольном числе генераторов СВЧ-энергии.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

1. Разработка математических моделей переходного и установившегося процессов в протяженном кольцевом резонаторе с учетом эффекта Саньяка в импульсном и непрерывном режимах работы генераторов СВЧ-энергии.

2. Разработка программы компьютерного моделирования переходного процесса в кольцевом* резонаторе с учетом эффекта Саньяка при произвольном числе генераторов.

3. Исследование характеристик и оценка чувствительности СВЧ-гироскопа в импульсном режиме работы.

4. Разработка конструкции рабочей камеры со стоячей волной технологической установки на основе кольцевого сверхвысокочастотного резонатора.

5. Разработка программы компьютерного' моделирования процессов в кольцевом* резонаторе технологической установки при произвольном числе генераторов:

6. Исследование характеристик кольцевой рабочей камеры СВЧ-установки с несколькими генераторами.

Методы и средства исследований.

В работе использованы методы и результаты электродинамики и техники СВЧ, теории цепей с распределенными параметрами, теории периодических структур, методы, математического моделирования и построения алгоритмов. Для апробации моделей применялся пакет прикладных программ МаШСАО. Разработанные алгоритмы, программ и пользовательский интерфейс были реализованы на объектно-ориентированном языке Turbo Delphi в среде Borland Delphi 7.

Научная новизна.

1. Предложена конструкция^СВЧ-установки для обработки диэлектрических материалов, с камерой стоячей-волны на%кольцевом резонаторе с несколькими генераторами, позволяющая* обеспечить равномерность электромагнитного поля вдоль резонатора! (решение о выдаче патента на изобретение от 28.09.2010 по заявке № 201 104 119/07(5 849) от 10.02.2010 г.).

2. Показана эффективность использования переходного процесса после окончания импульса возбуждения протяженного кольцевого резонатора для повышения чувствительности СВЧ-гироскопа.

3. Разработаны математические модели переходного и установившегося процессов в сверхвысокочастотном протяженном кольцевом резонаторе в импульсном и непрерывном режимах работы генераторов СВЧ-энергии, отличающиеся от известных учетом эффекта Саньяка.

4. Методом математического моделирования исследованы особенности переходного процесса при импульсном возбуждении резонатора:

5. Проведено теоретическое исследование характеристик электромагнитного' поля в кольцевой камере в случае двух несинхронизированных генераторов, при вводах энергии расположенных друг относительно друга1 на расстоянии нечетного числа четвертей длины волны в резонаторе. Показана возможность обеспечения в этом случае равномерности обработки материала в резонаторе.

Научные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Конструкция СВЧ-установки для обработки диэлектрических материалов с камерой стоячей волны на" кольцевом резонаторе с несколькими генераторами, вводы энергии, которых в резонатор расположены друг относительно друга на расстоянии нечетного числа четвертей длины, волны в резонаторе, позволяет обеспечить равномерность обработки материала:

2. Результаты, исследования переходного процесса в кольцевом резонаторе после окончания импульса возбуждения, обосновывающие возможность повышения чувствительности сверхвысокочастотных гироскопов? за счет многократного увеличения пути, пробегающего электромагнитной волной до её полного затухания.

3. Математические модели переходного и" установившегося процессов в сверхвысокочастотных протяженных кольцевых резонаторах с учетом эффекта Саньяка, позволяющие исследовать характеристики резонаторов1 при импульсном и непрерывном режимах работы, генераторов СВЧ-энергии.

Практическая значимость.

Разработанные программы позволяют адекватно' моделировать переходный и установившийся процессы в протяженных кольцевых сверхвысокочастотных резонаторах и могут быть, использованы, при проектированииСВЧ-устройств (свидетельство об официальнойрегистрации программы для ЭВМ № 2 010 615 567 от 30.08.2010 г.). Предложенная конструкция СВЧ-установки-. для обработки диэлектрических материалов обеспечивает равномерность и повышенный уровень электромагнитного поля в камере, что позволит повысить эффективность обработки материалов. Конструкция СВЧ-гироскопа с импульсным возбуждением резонатора обладает более высокой чувствительностью по сравнению с известными СВЧ-гироскопами, работающими в режиме непрерывного возбуждения.

Ряд результатов диссертации используется в учебном процессе на кафедре «Электронные приборы и устройства» Саратовского государственного технического университета в курсах «Электродинамика и микроволновая техника» и «Математические модели и САПР ЭПУ СВЧ».

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах: Санкт-Петербургской Международной конференции по интегрированным навигационным системам, (Санкт-Петербург, 2007 г., 2008 г.), Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Ярославль, 2007 г.), Международной научно-практической конференции «Логистика и экономика ресурсосбережения, и энергосбережения в промышленности» (Саратов, 2007 г.), Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 2006 г.,. 2008 г., 2010 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий"* (Саратов, 2009 г.). Актуальность работы-. подтверждается* выполнением НИОКР по программе «У.М.Н.И'.К.» (грант Слаповской Ю. П. Фонда содействия развитию малым предприятиям в научно-технической сфере).

Достоверность и обоснованность результатов.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов обеспечиваются’корректным’применением методов электродинамики, теории СВЧ-цепей, теории цепей с распределенными параметрами, математического моделирования и современных программных средств, а также обоснованностью упрощающих допущений и соответствием результатов расчетов по предложенным моделям, там, где это возможно, данным, полученным другими теоретическими методами и авторами.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 19 работ, из них две статьи в журналах, входящих в перечень ВАК РФ, получены свидетельство о регистрации программы и решение о выдаче патента на изобретение.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация общим объемом 143 страницы состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 78 наименований, и двух приложений, содержит 57 рисунков. ,.

4.4 Выводы.

1. Предложена конструкция камеры СВЧ-обработки диэлектрического материала с камерой* стоячей волны на кольцевом резонаторе с произвольным числом генераторов.

2. Разработана математическая модель протяженного сверхвысокочастотного кольцевого резонатора, позволяющая анализировать процессы накопления энергии и установления стоячих волн для случая произвольного числа генераторов и их взаимного расположения в резонаторе.

3. Исследовано влияние потерь и взаимного расположения вводов энергии от генераторов на переходный процесс и картину стоячих волн и действующего значения напряжения в резонаторе.

4. Исследовано влияние положения генераторов на уровень напряжения в резонаторе.

5. Показана эффективность применения сверхвысокочастотного кольцевого резонатора при возбуждении его от двух генераторов, расположенных на расстоянии четверти длины волны, т. к. действующее значение электрического поля становится практически постоянным и близким к максимальному вдоль периметра резонатора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе построена теория переходных процессов в протяженных кольцевых резонаторах при возбуждении импульсным сигналом с учетом эффекта Саньяка. Показана возможность применения1 аппарата теории электрических цепей с распределенными параметрами (длинных линий) для моделированияэлектромагнитных волновых процессов в протяженных кольцевых резонаторах.

Разработана математическая модель переходного процесса в кольцевом резонаторе с учетом эффекта Саньяка при произвольном числе генераторов СВЧ-энергии, позволяющая анализировать процессы накопления энергии и установления стоячих волн для случая произвольного числа генераторов и их взаимного расположения в резонаторе. Разработана программа математического моделирования* переходных процессов в кольцевом резонаторе СВЧ-гироскопа «ERRG» в среде объектно-ориентированного программирования BORLAND DELPHI 7, позволяющая осуществлять математическое моделирование переходных процессовпри различных параметрах резонатора и импульсного сигнала, а также исследовать характеристики импульсного СВЧ-гироскопа.

Разработана математическаямодель установившегося процесса в протяженном кольцевом резонаторе с учетом эффекта Саньяка при произвольном числе генераторов СВЧ-энергии. Получено выражение для добротности протяженного кольцевого резонатора.

Исследованы переходные и резонансные характеристики кольцевого резонатора на основе волновода с круглым поперечным сечением на различных частотах. Определены зависимости переходной характеристики от частоты и скорости вращения резонатора. Рассчитаны резонансные характеристики в узкой (один резонанс) и широкой (несколько резонансов) полосе частот.

Получены оценки чувствительности импульсного СВЧ-гироскопа по напряжению, а также смещению узла стоячей волны к угловой скорости вращения резонатора. Установлено, что чувствительность растет с увеличением временипосле окончания импульса: Таким образом, показана эффективность использования переходного процесса после окончания? импульса возбуждения протяженного кольцевого резонатора для повышения чувствительности СВЧ-гироскопа.

Предложена методикаизмерения абсолютной? угловой скорости объекта, методом двух зондов и определено оптимальное расположение зондов.

Предложена: конструкция ' камеры СВЧ-обработки диэлектрического материала с камерой стоячеш волны на кольцевом резонаторе с произвольным числом генераторов СВЧ.

Исследовано: влияние потерь ивзаимного расположения вводов энергии от генераторов на переходный процесс и картину стоячих-волн и действующего значения напряжения в резонаторе СВЧ-установки для обработки диэлектрических: материалов. Исследовано влияние положения генераторов на уровень напряжения в резонаторе. '.

Проведено теоретическое исследование характеристик электромагнитного' поля в: кольцевой камере в случае: двух несинхронизированных генераторов, при вводах энергии расположенных друг относительно друга на расстоянии нечетного числа четвертей длины волны в резонаторе. Показана возможность обеспечения в этом случае равномерности обработки материала в резонаторе.