Улучшение параметров сверхвысокочастотных устройств с протяженными кольцевыми резонаторами

Размещено на http://allbest.ru

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Улучшение параметров сверхвысокочастотных устройств с протяженными кольцевыми резонаторами

05.12.07 - Антенны, СВЧ - устройства и их технологии

Слаповская Юлия Петровна

Саратов 2010

Диссертация выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Сивяков Борис Константинович

Официальные оппоненты - Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Коломейцев Вячеслав Александрович

- Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Мещанов Валерий Петрович

Ведущая организация Саратовский филиал

Учреждения Российской академии наук Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН

Защита состоится 22 декабря 2010 г. в 13 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.242.01 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, корп. 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» (410054, Саратов, ул. Политехническая, 77).

Автореферат разослан « 19 » ноября 2010 г.

Автореферат размещен на сайте Саратовского государственного технического университета www.sstu.ru « 19 » ноября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета А.А. Димитрюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Известны и применяются на практике различные приборы и устройства, одной из основных частей 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 отнести 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 энергоэффективности установок и увеличению уровней напряженности электрического и магнитного полей для модификации материалов выдвигают резонаторные камеры в 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.А. 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 путей повышения чувствительности СВЧ 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 параметров технологических устройств на основе протяженных кольцевых резонаторов. Разработка математических моделей и 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 MathCAD. Разработанные алгоритмы программ и пользовательский интерфейс были реализованы на объектно-ориентированном языке Тurbo Delphi в среде Borland Delphi 7.

Научная новизна. 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 № 201104119/07(005849) от 10.02.2010 г.).

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

2. 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.

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

4. 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.

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 резонаторов 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 проектировании СВЧ-устройств (свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2010615567 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). гироскоп резонатор сверхвысокочастотный магнитный

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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении проведен краткий обзор областей применения протяженных кольцевых резонаторов и дан анализ современного состояния теории и результатов исследований процессов в кольцевых сверхвысокочастотных резонаторах, обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, изложены новые научные результаты, полученные в диссертации, ее практическая ценность, приведены положения, выносимые на защиту, и сведения об апробации и применении результатов работы.

В первой главе описаны принципы работы и конструкции приборов и устройств, основанных на протяженных кольцевых резонаторах.

В кольцевых сверхвысокочастотных гироскопах кольцевой резонатор выполнен в виде волновода, свернутого в кольцо (рис. 1а). Анализ известных конструктивных решений СВЧ-гироскопов показал, что 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 интегральном исполнении кольцевые резонаторы могут быть образованы на различных видах линий передачи.

В технике и приборах СВЧ кольцевые объемные резонаторы применяются главным образом в многолучевых клистронах (рис. 1б) и приборах магнетронного типа.

Особенно актуальным становится применение кольцевых резонаторов в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах. Также известна конструкция вихревого электромагнитного реактора плазменного преобразователя энергии (рис. 1в).

Проведен обзор известных типов резонаторных рабочих камер технологических устройств, который показал, что камеры на кольцевых резонаторах не рассматривались и особенности электромагнитных процессов в них не исследовались.



Рис. 1. Приборы и устройства СВЧ, в состав которых входит кольцевой резонатор

Проведенный анализ показал, что математические модели переходного и установившегося процессов в сверхвысокочастотных кольцевых резонаторах и его свойства, связанные с учетом эффекта Саньяка, а также в случае произвольного числа генераторов с вводами энергии в резонатор остаются недостаточно изученными.

В связи с этим становятся актуальными поиск путей повышения чувствительности СВЧ-гироскопов и улучшения параметров СВЧ-технологических установок, а также разработка математических моделей, позволяющих провести моделирование переходного и установившегося процессов в кольцевых резонаторах.

Во второй главе построены математические модели переходного и установившегося процессов в протяженном кольцевом СВЧ-резонаторе с учетом эффекта Саньяка при произвольном числе генераторов, разработаны программы моделирования.

В работе А.С. Логинова и А.Ш. Майорова Логинов А.С., Майоров А.Ш. Моделирование характеристик селективных оптических элементов на основе кольцевого резонатора с использованием решения волнового уравнения // Радиотехника. 2005. № 1. - С. 24 - 29. показано, что решение уравнений Максвелла в кольцевом резонаторе может быть представлено в виде волнового уравнения, решением которого являются бегущие волны.

Таким образом, для анализа процессов в протяженном кольцевом резонаторе можно использовать теорию электрических цепей с распределенными параметрами.

Эффект Саньяка состоит в том, что на вращающемся объекте расстояние, проходимое прямой электромагнитной волной в направлении вращения по замкнутому волноводу, отличается от расстояния, проходимого встречной волной по тому же контуру, что лежит в основе работы СВЧ и оптических гироскопов.

Рассмотрим волновод, свернутый в виде кольца и замкнутый сам на себя (рис. 2).

В резонатор подается импульс напряжения длиной ф_и с амплитудой U_m . При этом в нем возбуждаются две волны (прямая и встречная), распространяющиеся в противоположных направлениях от точки возбуждения.

Платформа, на которой установлен резонатор, вращается с угловой скоростью щ_z. При вращении платформы появляется разность времен хода волн ?t, так как волны будут проходить разные расстояния. Следовательно, они будут обладать различными фазовыми скоростями , фазовыми постоянными и коэффициентами затухания относительно резонатора, зависящими от абсолютной угловой скорости щ_z (все обозначения, относящиеся к прямой волне, имеют индекс «+», к встречной волне - индекс «-»). В силу цикличности распространения происходит сложение как прямых, так и встречных волн. Выражение, описывающее процесс распространения волны, имеет вид для прямой волны:

, (1)

для встречной волны:

, (2)

где - амплитуда напряжения прямой (встречной) волны на входе резонатора =0 в момент времени , когда волны поступают в резонатор; N - число циклов сложения волн; n - число полных оборотов волны; n_t - число оборотов (n_t= N), совершаемых волной за время t_n; - угол на текущем n+1 обороте; R - радиус кольца резонатора; - начальная фаза волн при t=0.

Сложение волн происходит в сечении резонатора с координатой n, ^/ в данный момент времени t. Волны поступают в резонатор в разные моменты времени , которые определяются следующими выражениями:

, (3)

где - время, затрачиваемое прямой и встречной волнами для достижения рассматриваемого сечения (n, ^/). Соответственно,

; . (4)

Граничные условия для амплитуды напряжения:

(5)

Суммарная (стоячая) волна является результатом сложения прямых и встречных волн:

. (6)

При вращении платформы со скоростью щ_z фазовые скорости электромагнитных волн относительно резонатора равны:

. (7)

Фазовые постоянные волн:

. (8)

Постоянные затухания прямой и встречной волн:

. (9)

В случае K генераторов распределения напряжения и тока вдоль резонатора представляют собой в соответствии с принципом наложения сумму частичных напряжений, создаваемых каждым из источников в отдельности:

(10)

Положение каждого k-го генератора определяется углом ш_k.

На основе разработанной математической модели была написана «Программа математического моделирования переходных процессов в кольцевом резонаторе СВЧ-резонансного гироскопа «ERRG» с помощью методов объектно-ориентированного программирования в среде DELPHI, позволяющая провести исследование характеристик протяженного кольцевого резонатора в импульсном режиме с учетом эффекта Саньяка (свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2010615567 от 30.08.2010 г.).

Моделирование процессов при непрерывном режиме работы генератора СВЧ-энергии возможно по математической модели переходного процесса, если считать длительность импульса достаточно большой. При этом через определенный промежуток времени переходный процесс в кольцевом резонаторе практически завершится, и резонатор будет находиться в установившемся режиме.

Однако исследование установившегося процесса в этом случае будет занимать много времени. Поэтому целесообразно построить математическую модель установившихся процессов в протяженном кольцевом резонаторе с учетом эффекта Саньяка.

Рассмотрим резонатор с одним вводом энергии. Кольцевой резонатор с двумя распространяющимися в противоположные стороны волнами можно представить в виде двух полубесконечных волноводов, направленных в противоположные стороны от плоскости возбуждения. На достаточно большом расстоянии от плоскости отсчета в волноводах будет наблюдаться установившийся режим, когда энергия, поступающая от возбуждающего элемента, полностью рассеивается в волноводе с потерями к концу периода L.

В установившемся режиме электромагнитное поле кольцевого резонатора и возбуждающие его токи удовлетворяют условию периодичности с периодом L, равным длине средней линии резонатора. Для анализа применяются теории длинных линий и периодических структур. Возбуждающий элемент представляется генератором тока j с внутренним сопротивлением Z. Поскольку оба направления в линии равноправны, то ток, возбуждающий прямую волну, равен j/2. На основании теоремы Флоке для волн в периодических структурах напряжения и токи в поперечных сечениях, отстоящих друг от друга на период, отличаются только фазовыми множителями . Эквивалентная схема кольцевого резонатора в виде длинной линии представлена на рис. 3.

Рис. 3. Эквивалентная схема кольцевого резонатора

Уравнения длинной линии для прямой и встречной волн на периоде L можно записать в виде:

, (11)

, (12)

где , - комплексные значения амплитуд напряжения и тока в линии; Z_в - волновое сопротивление; - постоянная распространения. В уравнении для встречной волны осуществлен переход от координаты x^- к координате x⁺, то есть x⁺ + x- = L и x- = L - x⁺.

Суммируя прямую и встречную волны, получим распределение напряжения и тока в резонаторе:

, (13)

токи вычитаются, поскольку они направлены в разные стороны.

Граничные условия для напряжения и тока находятся из решения уравнений для прямой (x⁺ = L):

, (14)

и встречной волны (x- = L):

, (15)

где ц^± = в^±L.

В случае нескольких вводов энергии от генераторов распределения напряжения и тока вдоль резонатора представляют собой в соответствии с принципом наложения сумму частичных напряжений и токов, создаваемых каждым из источников в отдельности:

, (16)

где i - номер ввода энергии; - его координата; , - напряжения и токи прямой и встречной волн i-го источника.

Таким образом, построены математические модели переходных процессов в протяженных кольцевых резонаторах при возбуждении импульсным сигналом и установившихся процессов в непрерывном режиме работы генераторов с учетом эффекта Саньяка при произвольном числе генераторов. Разработаны программы в среде объектно-ориентированного программирования DELPHI, позволяющие осуществлять математическое моделирование переходных и установившихся процессов при различных параметрах резонатора.

В третьей главе с помощью программы «ERRG» исследованы переходные и резонансные характеристики кольцевого резонатора на различных частотах. Получены оценки чувствительности СВЧ-гироскопа по напряжению, а также смещению узла стоячей волны к угловой скорости вращения резонатора.

На рис. 4а приведены графики переходного процесса в кольцевом резонаторе при различной длительности возбуждающего импульса. Процесс накопления энергии завершается при длительности импульса 3000 оборотов волны, при дальнейшем увеличении длительности импульса энергия, поступающая в резонатор, будет рассеиваться в нем.

На рис. 4б приведены графики переходного процесса в резонаторе при его возбуждении на различных частотах. На резонансной частоте происходит синфазное сложение прямых и встречных волн. При изменении частоты наблюдается сдвиг фаз между волнами и переходный процесс начинает приобретать колебательный характер.

Рис. 4. Переходный процесс в кольцевом резонаторе СВЧ-гироскопа: а) t₁ ? t₂ ? t₃; б) 1 - 30 ГГц; 2 - 29.999975 ГГц; 3 - 29.999950 ГГц; 4 - 29.999900 ГГц; в) щ₁= 0 рад/с; щ₁< щ₂< щ₃

На рис. 4в приведены графики переходного процесса при различных угловых скоростях вращения резонатора. При появлении вращения изменяются фазовые скорости прямой и встречной волн, соответственно сложение волн происходит с разными фазами.

На резонансной характеристике (рис. 5а) отображены мгновенные значения напряжения в точке кольцевого резонатора в фиксированный момент времени. При уходе от резонансной частоты на периметре резонатора укладывается нецелое число длин волн и тем самым нарушается условие резонанса, соответственно снижается амплитуда колебаний. В широкой полосе (рис. 5б) наблюдается последовательность резонансов, соответствующих целому числу длин волн.

Чувствительность СВЧ-гироскопа оценивалась по изменению напряжения в точке минимума стоячей волны в резонаторе (рис. 6) и смещению этого минимума вдоль периметра резонатора (рис. 7) при появлении абсолютной угловой скорости вращения.

На рис. 6а приведен график зависимости напряжения в резонаторе от угловой координаты при n_t = 6000 для различных скоростей вращения резонатора.

Рис. 5. Резонансные характеристики кольцевого резонатора СВЧ-гироскопа

Информационным параметром здесь является смещение минимума стоячей волны вдоль периметра резонатора. На рис. 6б,в приведены значения смещения минимума и относительного изменения напряжения в месте расположения зонда при угловой скорости _0z с увеличением числа оборотов волны n_t. Как видно из графика, эти зависимости носят практически линейный характер.

Рис. 6. Смещение минимума стоячей волны в зависимости от угловой скорости вращения (а), числа оборотов волны (б), график относительного изменения напряжения в месте расположения зонда (в) : а) 1 - _z = 0; 2 - _z = _0z; 3 - _z = 10_0z; б) 1 - график переходного процесса, 2 - смещение минимума стоячей волны

Таким образом, исследованы переходные и резонансные характеристики кольцевого резонатора, показано повышение чувствительностей по напряжению, а также смещению узла стоячей волны при использовании переходного процесса.

В четвертой главе предложена конструкция СВЧ-установки обработки диэлектрических материалов и проведен анализ переходных процессов в протяженном кольцевом резонаторе технологических установок с учетом произвольного числа источников СВЧ-энергии..

Предложена конструкция СВЧ-установки для обработки диэлектрических материалов (рис. 7), содержащая камеру со стоячей волной, выполненную из волновода, свернутого в кольцо, или из линейных отрезков волновода, соединенных между собой с образованием замкнутого многогранника, систему загрузки-выгрузки обрабатываемого материала и транспортер для перемещения его внутри камеры, два генератора СВЧ-энергии (решение о выдаче патента на изобретение от 28.09.2010 по заявке № 201104119/07(005849) от 10.02.2010 г.).

Рис. 7. Конструкция КСВ на кольцевом резонаторе из волновода прямоугольного сечения:

1 -кольцевой резонатор; 2 - СВЧ-генераторы; 3 - транспортер; 4 - щель; 5 - обрабатываемые объекты; 6 - система загрузки-выгрузки

Вводы энергии расположены друг от друга на расстоянии, величина которого равна нечетному числу четвертей длины волны. В вертикальной стенке камеры выполнена щель для вращения транспортера, перемещающего обрабатываемый материал внутри камеры. Транспортер может быть выполнен из диэлектрического материала с малыми потерями в виде вращающегося диска.

В результате обеспечивается равномерность обработки материала в камере. Изменение длительности процесса обработки возможно с помощью изменения скорости вращения транспортера или в результате непрерывного прохождения двух и более циклов обработки без выемки обрабатываемого материала.

В случае применения кольцевого резонатора в качестве рабочей камеры установки СВЧ-обработки материалов используются несинхронизированные генераторы. Тогда в каждой точке пространства резонатора эффект от суммарного действия полей, создаваемых каждым из К генераторов, будет характеризоваться действующим значением напряжения:

. (17)

На рис. 8а приведен график переходного процесса в резонаторе при подаче СВЧ-энергии от двух генераторов, расположенных в точках ш₁=0 и ш₂=5° (на расстоянии четверти длины волны).

Рис. 8. Переходный процесс (а) и графики стоячих волн и действующего значения напряжения (б) в резонаторе: 1 - картина стоячей волны от первого генератора; 2 - картина стоячей волны от второго генератора; 3 - действующее значение напряжения в резонаторе

На рис. 8б приведены графики стоячих волн в резонаторе от генераторов 1 и 2, а также график суммарного действующего значения напряжения вдоль периметра резонатора в установившемся режиме на обороте волны n = 1000.

Рис. 9. Переходный процесс (а) и графики стоячих волн и действующего значения напряжения (б, в) в резонаторе при различных потерях. На рис. а): 1 - б=б₀; 2 - б=10б₀; 3 - б=100б₀; На рис. б), в): 1 - картина стоячей волны от первого генератора; 2 - картина стоячей волны от второго генератора; 3 - действующее значение напряжения в резонаторе

На рис. 9а приведены графики переходного процесса в кольцевом резонаторе при изменении потерь в резонаторе в результате помещения в резонатор материала для обработки.

На рис. 9б показано изменение амплитуд стоячих волн от каждого генератора 1 и 2 и действующего напряжения 3 вдоль периметра резонатора при ш₁=0 и ш₂= р/36 (генераторы расположены на расстоянии четверти длины волны), потери б = 100б₀.

На рис. 9в показано изменение картин стоячих волн от каждого генератора 1 и 2 и действующего значения напряжения 3 вдоль периметра резонатора при ш₁=0 и ш₂=р+р/36 (генераторы расположены напротив друг друга по кольцу резонатора), потери б = 100б₀.

Соответственно изменяется график действующего значения напряжения вдоль периметра резонатора (рис. 10в, кривая 3), на котором наблюдаются пульсации, вызванные различием амплитуд стоячих волн от первого и второго генераторов.

Таким образом, показана эффективность применения сверхвысокочастотного кольцевого резонатора при возбуждении его от двух генераторов, расположенных на расстоянии, кратном нечетному числу четвертей длины волны, т. к. действующее значение электрического поля становится практически постоянным и близким к максимальному вдоль периметра резонатора.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Предложена конструкция камеры СВЧ-обработки диэлектрического материала на основе кольцевого резонатора, отличающаяся равномерностью обработки материала. Показана эффективность использования переходного процесса после окончания импульса возбуждения протяженного кольцевого резонатора для повышения чувствительности СВЧ-гироскопа.

Построены математические модели, описывающие переходные и установившиеся процессы в кольцевом резонаторе СВЧ-гироскопа при работе СВЧ-генератора в импульсном и непрерывном режимах.

Разработаны программы математического моделирования переходных и установившихся процессов в кольцевом резонаторе, написанные в среде объектно-ориентированного программирования BORLAND DELPHI 7, позволяющие осуществлять математическое моделирование переходных и установившихся процессов при различных параметрах резонатора.

Исследованы переходные и резонансные характеристики кольцевого резонатора на различных частотах. Получены оценки чувствительности СВЧ-гироскопа по напряжению, а также смещению узла стоячей волны к угловой скорости вращения резонатора.

Исследовано влияние потерь на переходный процесс и картину стоячих волн в резонаторе, а также положения генераторов на уровень напряжения в резонаторе.

Показана эффективность применения сверхвысокочастотного кольцевого резонатора при возбуждении его от двух генераторов, расположенных на расстоянии, кратном нечетному числу четвертей длины волны, при этом действующее значение электрического поля становится практически постоянным и близким к максимальному вдоль резонатора.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях из перечня ВАК РФ:

1. Слаповская Ю.П. Математическая модель микроволнового гироскопа при возбуждении импульсным сигналом / Б.К. Сивяков, Ю.П. Слаповская // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2010. №2(43). - С. 162 - 170.

2. Слаповская Ю.П. Математическое моделирование сверхвысокочастотных кольцевых резонаторов электротехнологических установок / Б.К. Сивяков, Ю.П. Слаповская // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2010. №3(46). - С. 116 - 122.

Авторские свидетельства, патенты

3. Решение о выдаче патента на изобретение от 28.09.2010 по заявке № 201104119/07(005849) от 10.02.2010 г. СВЧ-установка для обработки диэлектрических материалов / Б.К. Сивяков, Ю.П. Слаповская.

4. Слаповская Ю.П. Программа математического моделирования переходных процессов в кольцевом резонаторе СВЧ-резонансного гироскопа / Б.К. Сивяков, Ю.П. Слаповская // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2010615567 от 30.08.2010 г.

В других изданиях:

5. Слаповская Ю.П. Математическое моделирование СВЧ-резонансного гироскопа / П.К. Плотников, Б.К. Сивяков, Ю.П. Слаповская, И.Б. Яковлева // Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП-2006): материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Саратов: СГТУ, 2006. - С.128 - 133.

6. Слаповская Ю.П. Математическое моделирование работы СВЧ-резонансного гироскопа / П.К. Плотников, Б.К. Сивяков, Ю.П. Слаповская, И.Б. Яковлева // Сб. материалов XIV Санкт-Петербургской Междунар. конф. по интегрированным навигационным системам. - СПб: ФГУП ЦНИИ «Электроприбор», 2007. - С. 44 - 46.

7. Слаповская Ю.П. Математическое моделирование импульсного сверхвысокочастотного резонансного гироскопа / Ю.П. Слаповская // Матем. методы в технике и технологиях - ММТТ - 20: сб. трудов XX Междунар. науч. конф.: в 10 т. - Ярославль: ЯГТУ, 2007. - Т.7. - С. 23 - 25.

8. Слаповская Ю.П. Анализ работы кольцевого СВЧ-резонансного гироскопа методами математического моделирования / Ю.П. Слаповская // Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности (ЛЭРЭП-2007): сб. науч. трудов по материалам Междунар. науч.-практич. конф.: в 2 т. - Саратов: СГТУ, 2007. - Т.2. - С. 319 - 322.

9. Слаповская Ю.П. Исслед-е кольцевого СВЧ-резонансного гироскопа волноводного типа / Ю.П. Слаповская // Радиотехника и связь: матер. 4-й Междунар. науч.-техн. конф. - Саратов: СГТУ, 2007. - С. 160 - 165.

10. Слаповская Ю.П. Математическое моделирование микроволнового резонансного гироскопа с активным кольцевым резонатором / Ю.П. Слаповская // Сб. материалов Юбилейной XV Санкт-Петербургской Междунар. конф. по интегрированным навигационным системам. - СПб: ФГУП ЦНИИ «Электроприбор», 2008. - С. 57 - 59.

11. Слаповская Ю.П. Микроволновый резонансный гироскоп с активным кольцевым резонатором / Б.К. Сивяков, Ю.П. Слаповская // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-21: сб. трудов XXI Междунар. науч. конф.: в 10 т. - Саратов: СГТУ, 2008. - Т.7. - С. 101 - 103.

12. Слаповская Ю.П. Анализ микроволнового резонансного гироскопа с активным кольцевым резонатором / Б.К. Сивяков, Ю.П. Слаповская // Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП-2008): матер. Междунар. науч.-техн. конф. - Саратов: СГТУ, 2008. - С. 423 - 428.

13. Слаповская Ю.П. Исследование переходных процессов и резонансных характеристик кольцевого резонатора СВЧ-гироскопа / Б.К. Сивяков, Ю.П. Слаповская // Техническая электродинамика и электроника: сб. науч. трудов. - Саратов: СГТУ, 2008. - С. 77 - 83.

14. Слаповская Ю.П. Анализ переходного процесса в протяженном кольцевом резонаторе СВЧ-гироскопа / Ю.П. Слаповская // Электроника и вакуумная техника: приборы и устр. Технология, материалы: материалы науч.-техн. конф. - Саратов: ОАО «НПП «Контакт», 2009. - С. 112 - 116.

15. Слаповская Ю.П. Математическое моделирование переходных процессов в кольцевом резонаторе микроволнового гироскопа / Ю.П. Слаповская // Инновации и актуальные проблемы техники и технологий : материалы Всерос. науч.-практ. конф. - Саратов: СГТУ, 2009. - С. 138 - 143.

16. Слаповская Ю.П. Оценка чувствительности СВЧ-гироскопа по напряжению / Б.К. Сивяков, Ю.П. Слаповская // Техн. электродинамика и электроника: сб. науч. трудов. - Саратов: СГТУ, 2009. - С. 20 - 22.

17. Слаповская Ю.П. Кольцевые камеры резонаторного типа на отрезках линии передач / Б.К. Сивяков, Ю.П. Слаповская // Техн. электродинамика и электроника: сб. науч. трудов. - Саратов: СГТУ, 2009. - С. 22 - 26.

18. Слаповская Ю.П. Разработка методов математического моделирования переходных волновых процессов в протяженных кольцевых резонаторах СВЧ-устройств / Б.К. Сивяков, Ю.П. Слаповская // Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП-2010): материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Саратов: СГТУ, 2010. - С. 262 - 268.

19. Слаповская Ю.П. Математическая модель установившихся процессов в протяженных кольцевых резонаторах СВЧ-устройств / Б.К. Сивяков, Ю.П. Слаповская // Техническая электродинамика и электроника: сб. науч. трудов. - Саратов: СГТУ, 2010. - С. 4 - 7.

Размещено на Allbest.ru

...