Введение к работе
Актуальность работы. Диссертационная работа включает в себя научные и технические результаты, полученные автором лично и под его руководством в течение ряда лет при выполнении НИР и ОКР, проводившихся в ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова», в том числе в соответствии с Федеральными целевыми Программами «Развитие ядерного оружейного комплекса на 1998-2005 гг.», «Развитие ядерного оружейного комплекса на 2007-2010 и на период до 2015 гг.», утвержденными Постановлениями Правительства РФ, и «Государственной программой вооружения на период до 2010 года», утвержденной Указом Президента РФ.
Разработчиками современных бортовых радиолокационных систем (РЛС) большое внимание уделяется освоению КВЧ диапазона радиоволн с целью создания малогабаритных радиолокаторов, имеющих высокие точностные характеристики [Л.1 -Л.4]. Особенно актуально это направление исследований в плане создания бортовых радиолокационных комплексов, предназначенных для измерения расстояния от летательного аппарата до поверхности Земли и определения радиояркостных характеристик подстилающей поверхности [Л.З, Л.5,]. Определяющее значение при создании приборов этого класса имеет разработка малогабаритных приемопередающих устройств (ППУ), обеспечивающих требуемые электрические характеристики. В составе высокочастотных блоков ППУ традиционно широко используются развязывающие устройства. В КВЧ диапазоне радиоволн существенно возрастает роль отключающих и переключающих ферритовых устройств (ФУ) [Л.6 -Л.8], поскольку их габариты сравнимы с габаритами полупроводниковых устройств аналогичного назначения. По допустимым уровням мощности, и устойчивости к радиационным воздействиям переключающие ФУ имеют преимущества перед полупроводниковыми устройствами. Эти качества переключающих ФУ делают их использование предпочтительным, особенно в составе антенно-фидерных систем (АФС) с управляемыми диаграммами направленности [Л.6-Л.7]. Следует отметить, что использование переключающих ФУ в бортовых РЛС КВЧ диапазона обусловлено не только устойчивостью самих ферритов к воздействию радиационных облучений и СВЧ сигналов высокого уровня мощности, но еще и возможностью создания устройств с «магнитной памятью» [Л.8], в которых энергопотребление необходимо только в моменты переключения.
В КВЧ диапазоне радиоволн возможности расширения номенклатуры ФУ ограничены, поскольку ограничен сам выбор ферритовых материалов по намагниченности насыщения (не более 5000 Гс), а для намагничивания ферритов требуются достаточно большие магнитные поля (более 1000 Эрстед). Однако пути повышения эффективности использования ФУ в составе высокочастотных блоков ППУ бортовых РЛС есть. Один из таких путей - улучшение основных технических характеристик базовых ФУ (в том числе цир-куляторов, вентилей, переключающих устройств), а именно, уменьшение габаритов и массы, расширение полосы рабочих частот, повышение допусти-
мых уровней мощности и т.д. Данные возможности опираются на совершенствование методик проектирования базовых ФУ и создание новых технологических процессов, позволяющих выполнять обработку с высокой степенью точности ферритовых элементов и феррит-диэлектрических элементов (далее в тексте - ФЭ), являющихся неотъемлемой частью ФУ.
Таким образом, потенциальные возможности использования ФУ в составе бортовых РЛС, пути повышения эффективности их разработки и применения в составе высокочастотных блоков и АФС известны. Однако их практическая реализация до настоящего времени остается ограниченной. Существенными сдерживающими факторами являются отсутствие методик инженерного расчета конфигурации и технологических процессов изготовления основного компонента устройств - ФЭ.
Целью исследований, результаты которых приведены в диссертации, является создание научно обоснованных методик расчета геометрической конфигурации ФЭ, входящих в состав ФУ КВЧ диапазона радиоволн, и разработка технологических процессов их изготовления.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
На основе строгого электродинамического расчета характеристик собственных волн для базовой электродинамической структуры, используемой при проектировании ФЭ - круглого открытого продольно-намагниченного ферритового волновода, составлено дисперсионное уравнение (ДУ) и разработан алгоритм его численного решения;
Разработана методика инженерного расчета конфигурации ФЭ КВЧ развязывающих ФУ на металлических волноводах на основе численного решения ДУ для круглого открытого продольно-намагниченного ферритового волновода;
Разработана методика инженерного расчета конфигурации ФЭ переключающих ФУ на металлических волноводах на основе выделения в нем рабочей части и вспомогательного магнитопровода;
Разработаны технологические процессы размерной обработки ФЭ развязывающих и переключающих ФУ для реализации их изготовления с необходимой точностью в условиях производства;
Определен станочный парк и разработан комплект средств технологического оснащения, необходимых для изготовления ФЭ.
Проведено экспериментальное исследование технических характеристик опытных образцов ФЭ в составе ФУ, созданных на основе разработанных методик инженерного расчета и технологических процессов.
Методы исследования. Представленные в диссертационной работе результаты были получены с использованием метода частичных областей, метода укороченных уравнений, численных методов решения трансцендентных уравнений в комплексной плоскости, а также технологических методов постоянства и совмещения технологических баз при разработке технологических процессов изготовления ФЭ.
Научная новизна работы состоит в следующем:
На основе строгой постановки краевой задачи для круглого открытого продольно намагниченного ферритового волновода выведено дисперсионное уравнение и разработан алгоритм его решения;
Созданы новые методики расчета геометрической конфигурации ФЭ для развязывающих и переключающих устройств КВЧ диапазона радиоволн с использованием решения краевой задачи для круглого открытого продольно намагниченного ферритового волновода в строгой электродинамической постановке;
Создан новый комплекс технологических процессов прецизионной обработки малоразмерных ФЭ, позволяющий обеспечить получение ФЭ цилиндрической формы для развязывающих КВЧ ФУ;
Создан новый комплекс технологических процессов прецизионной обработки малоразмерных ФЭ, позволяющий обеспечить получение требуемой геометрической конфигурации ФЭ призматической формы с отверстиями для управляющего витка провода для переключающих КВЧ ФУ с магнитной «памятью».
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов, рекомендаций, сформулированных в диссертации подтверждается:
использованием при составлении дисперсионного уравнения направляющей структуры теоретически обоснованных методов;
использованием строгой электродинамической модели, отражающей особенности рассматриваемой резонансной структуры;
применением практически обоснованных технологических методов и способов при изготовлении ФЭ
достаточно точным совпадением результатов расчета с экспериментальными данными.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
Созданы методики инженерного расчета геометрических размеров ФЭ, реализуемые при проектировании ферритовых КВЧ развязывающих и переключающих устройств для бортовых РЛС;
Разработаны и внедрены в производство технологии размерной обработки деталей цилиндрической и призматической формы из ферритовых заготовок, обеспечивающих заданную точность изготовления;
Сформулированы требования к парку технологического оборудования и технологическому оснащению для изготовления ФЭ в соответствии с разработанными и внедренными в производство технологическими процессами.
Реализация и внедрение результатов. Полученные в процессе выполнения диссертационной работы результаты нашли применение при создании (в части расчета и изготовления ФЭ) КВЧ развязывающих и переключающих ФУ для различных типов ППУ бортовых РЛС в рамках НИР и ОКР, выполненных и выполняемых ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова».
Положения, выносимые на защиту:
Полученное на основе строгой постановки краевой задачи дисперсионное уравнение для круглого открытого продольно-намагниченного ферри-тового волновода и предложенный алгоритм его численного решения, позволяют рассчитывать характеристики собственных волн данной структуры, необходимые для расчета геометрической конфигурации ФЭ развязывающих и переключающих КВЧ устройств бортовых РЛС.
Созданные на основе результатов решения дисперсионного уравнения для открытого ферритового волновода методики расчета геометрических размеров ФЭ дают возможность практической реализации развязывающих и переключающих ФУ высокочастотных блоков ППУ бортовых РЛС с использованием разработанных технологических процессов прецизионной обработки ФЭ.
Созданный сквозной технологический процесс размерной обработки деталей в форме цилиндра позволяет получать малоразмерные ФЭ для развязывающих ФУ КВЧ диапазона длин волн с необходимой точностью изготовления.
Созданные технологические процессы размерной обработки деталей из ферритов позволяют получать малоразмерные ФЭ в форме призмы с отверстиями для витка провода перемагничивания для переключающих ФУ КВЧ диапазона длин волн с необходимой точностью изготовления.
Основные результаты диссертации позволяют разрабатывать и выпускать ФЭ для ФУ высокочастотных блоков современных бортовых РЛС.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и получили положительную оценку на следующих научно-технических конференциях:
IV Международная научно-техническая конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Нижний Новгород, 2005 г.;
Международная научно-техническая конференции «Информационные системы и технологии», ИСТ-2007, Нижний Новгород, НГТУ, 2007 г.;
XV координационный семинар по СВЧ технике, Нижний Новгород, 2007 г.;
VI Международная научно-техническая конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Казань, 2007 г.;
- Научно-техническая конференция «Радиолокация. Теория и практика»,
Нижний Новгород, ННИИРТ, 2008 г.
Международная научно-техническая конференции «Информационные системы и технологии», ИСТ-2009, Нижний Новгород, НГТУ, 2009 г.;
VIII Международная научно-техническая конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Санкт-Петербург, 2009 г.;
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 19 работ, в том числе 6 статей в изданиях рекомендованных ВАК для опубликования основных результатов диссертационных работ на соискание ученой степени доктора и кандидата наук.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложения. Объем диссертации составляет 177 страниц основ-
ного текста, в том числе 51 рисунок и 20 таблиц, 15 страниц списка литературы (105 наименований), 6 страниц приложения, содержащего акт внедрения результатов диссертации.
