Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современных методик проектирования и основных характеристик мощных аттенюаторов и согласованных нагрузок 13
1.1. Аналитический обзор перспективных тенденций проектирования широкополосных мощных аттенюаторов и согласованных нагрузок 13
1.2. Критический анализ тенденций развития современных программных средств, предназначенных для моделирования антенно-фидерных устройств 20
1.3. Обзор и анализ перспективных методов электродинамического моделирования антенн и устройств СВЧ 31
1.4. Выводы по первой главе 45
2. Разработка математических моделей мощных твердотельных и жидкостных аттенюаторов и согласованных нагрузок 47
2.1. Выбор и анализ схем включения резистивной сборки в аттенюаторах, рассеивающих мощность до 250 Вт 47
2.2. Разработка и исследование комплекса эвристических физико-математических моделей мощных жидкостных аттенюаторов 59
2.3. Модель жидкостного аттенюатора, основанная на использовании векторных интегральных уравнений, записанных в пространственно-частотной области 77
2.4. Пространственно-временная форма представления физико математической модели жидкостного аттенюатора 81
2.5. Использование метода конечных интегралов Вейланда для анализа характеристик мощных жидкостных аттенюаторов и согласованных нагрузок 89
2.6. Выводы по второй главе 96
3. Разработка методики синтеза и оптимизации характеристик мощных жидкостных сверхширокополосных аттенюаторов и построенных на их основе согласованных нагрузок з
3.1. Разработка методики синтеза согласующего симметрирующего полоскового трансформатора для согласования сверхширокополосных аттенюаторов и нагрузок СВЧ диапазона на основе использования генетического алгоритма 97
3.2. Разработка двухэтапной методики параметрического синтеза сверхширокополосных жидкостных аттенюаторов и согласованных нагрузок 116
3.3. Выводы по третьей главе 124
4. Разработка и апробация методики проектирования мощных жидкостных сверхширокополосных аттенюаторов и согласованных нагрузок 125
4.1. Функционирование подсистем программно-методического комплекса проектирования мощных жидкостных аттенюаторов и согласованных нагрузок 125
4.2. Исследование характеристик мощных жидкостных аттенюаторов, и согласованных нагрузок разработанных в соответствии с предложенной методикой 133
4.3. Выводы по результатам четвертой главы 143
Заключение 145
Список цитируемых источников
- Критический анализ тенденций развития современных программных средств, предназначенных для моделирования антенно-фидерных устройств
- Разработка и исследование комплекса эвристических физико-математических моделей мощных жидкостных аттенюаторов
- Использование метода конечных интегралов Вейланда для анализа характеристик мощных жидкостных аттенюаторов и согласованных нагрузок
- Исследование характеристик мощных жидкостных аттенюаторов, и согласованных нагрузок разработанных в соответствии с предложенной методикой
Введение к работе
Актуальность темы. Мощные аттенюаторы и созданные на их основе согласованные нагрузки УКВ и СВЧ диапазонов волн находят широкое применение в различных радиотехнических системах. Подобные устройства чаще всего изготавливаются путем нанесения поглощающего слоя на керамическую подложку с достаточно высокой теплопроводностью, охлаждаемую с помощью циркуляции жидкого или воздушного хладагента. Достоинства данной технологии очевидны: высокая степень повторяемости устройств, возможность функционирования в сверхширокой полосе частот. Основной ее недостаток заключается в появлении микротрещин на поверхности резистивного слоя вследствие поглощения высокого уровня мощности в неоднородной структуре, состоящей го керамической подложки и полупроводникового покрытия, имеющих различные температурные коэффициенты линейного расширения. В результате гарантийный срок эксплуатации мощных твердотельных аттенюаторов весьма ограничен - чаще всего он не превышает 1 год (фирмы «Bird Electronics», «Anaren», «Hewlett-Packard», «Microwave Devices» и др.). При этом стоимость мощных аттенюаторов весьма велика - к примеру, при рассеиваемой мощности 3 кВт в полосе частот до 1.2 ГГц она колеблется в пределах от 2500 до 3000 евро.
Другой широко используемый способ построения мощных аттенюаторов заключается в реализации бинарной каскадной схемы деления мощности и использования нескольких пленочных резисторов на керамической подложке, предназначенных для рассеивания меньшего уровня мощности - как правило, не более 250 Вт. Недостатки данного способа очевидны: трудность согласования в широкой полосе частот, громоздкость устройства и сложность реализации эффективного теплоотвода.
Во многих случаях применение аттенюаторов осложняется быстро изменяющимся уровнем мощности входного сигнала, необходимостью контролирования параметров сигналов и цепей с прецизионной точностью, требованиями сохранения основных характеристик устройства в широком интервале температуры и других внешних дестабилизирующих воздействий.
Помимо затронутого технического и технологического аспектов данной проблемы, имеется ряд сложностей при строгом электродинамическом моделировании и оптимизации параметров мощных твердотельных сверхширокополосных аттенюаторов, построенных на основе нерегулярных неоднородных линий передачи с потерями, включающих тонкие полупроводниковые пленки со сложной микроструктурой.
Для преодоления вышеобозначенных трудностей в настоящей работе создана методика моделирования и оптимизации характеристик мощных сверхширокополосных аттенюаторов, построенных на основе двух- или много-проводных линий, погруженных в жидкостную проводящую среду с высокой диэлектрической проницаемостью, обладающей также высокой теплопроводностью, принудительная циркуляция которой обеспечивает эффективный отвод рассеиваемой мощности.
Работа выполнена в соответствии с основными научными направлениями ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»: «Разработка и исследование перспективных радиоэлектронных и лазерных устройств, систем передачи, приема, обработки и защиты информации», «Вычислительные системы и программно-аппаратные комплексы», в рамках НИР ГБ 2001.29 и в ряде отчетов по НИР и ОКР, выполняемых ФГУП «НКТБ «Феррит» (г. Воронеж)
Целью диссертации является разработка и апробация методики моделирования и оптимизации мощных сверхширокополосных аттенюаторов, построенных на основе двух- и многопроводных линий, погруженных в проводящую жидкостную среду с высокой диэлектрической проницаемостью и высокой теплопроводностью.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
проведения аналитического обзора материалов, посвященных разработке, исследованию и оптимизации характеристик мощных сверхширокополосных аттенюаторов и построенных на их основе согласованных нагрузок, и выявления перспективных тенденций их моделирования и проектирования;
разработки методики анализа электродинамических процессов, протекающих в двух- и многопроводных неоднородных линиях, погруженных в проводящую жидкостную среду, позволяющей оценить характеристики затухания и отражения электромагнитных волн в анализируемой структуре на разных уровнях строгости построения физико-математических моделей;
разработки методики синтеза и оптимизации характеристик мощных жидкостных сверхширокополосных аттенюаторов и построенных на их основе согласованных нагрузок, позволяющей выбрать близкие к оптимальным параметры поглощающей среды и геометрии двух- или многопроводной линии, по критерию обеспечения ослабления входного уровня мощности не менее чем на 10-20 дБ на выходе аттенюатора и уровня отраженного сигнала на входе не более чем 20 дБ относительно входного сигнала;
оценки адекватности и верификации разработанной методики моделирования и оптимизации характеристик мощных жидкостных сверхширокополосных аттенюаторов на основе данных строгого электродинамического моделирования проектируемых устройств и результатов их натурных экспериментальных исследований.
Методы исследования. При выполнении работы использовались основные положения теории диссипативных линий передачи, методы вычислительной электродинамики, методы математического моделирования и параметрической оптимизации, стандартные методики измерения характеристик фидерных линий УКВ и СВЧ диапазонов волн.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- создана двухступенчатая методика параметрической оптимизации
мощных сверхширокополосных аттенюаторов, построенных на основе двух-
или многопроводных линий, погруженных в проводящую жидкостную среду с
высокой диэлектрической проницаемостью и высокой теплопроводностью, основанная на использовании генетического алгоритма для выбора геометрии и материальных свойств синтезируемого устройства, реализующего критерий минимизации уровня входных отражений при заданном минимальном ослаблении;
предложена и апробирована методика оптимального параметрического синтеза сверхширокополосных согласующих полосковых трансформаторов, отличающаяся использованием модифицированного генетического алгоритма, позволяющая уменьшить коэффициент отражения на 5 дБ в полосе частот с восемнадцатикратным перекрытием диапазона;
предложена методика проектирования мощных жидкостных сверхши-рокополосных аттенюаторов и согласованных нагрузок, отличающаяся возможностью рационального выбора степени строгости физико-математических моделей, описывающих распространение и затухание электромагнитных волн в проволочных линиях передачи, помещенных в полупроводящую жидкостную среду;
разработаны математические модели проволочных линий передачи в проводящей жидкостной среде, позволяющие анализировать процессы распространения, затухания и отражения электромагнитных волн на различных уровнях их представления: от приближения отрезка однородной регулярной дисси-пативной линии; использования тонкопроволочного приближения проводников, позволяющего описать распределение токов с помощью системы уравнений Халленовского вида; использования векторных интегральных уравнений для объектов, состоящих из идеально проводящего (или конечно проводящего) металла и полупроводника, решаемых в пространственно-частотной области; использования итеративной схемы решения системы векторных интегро-дифференциальных уравнений, описывающих граничную задачу, в пространственно-временной области.
Практическая значимость работы заключается в разработке инженерной методики проектирования мощных жидкостных сверхширокополосньгх аттенюаторов и согласованных нагрузок УКВ и СВЧ диапазонов волн, характеризующихся уменьшенными габаритными размерами и массой, высокой надежностью и увеличенным сроком эксплуатации, а также - низкой себестоимостью. Созданы экспериментальные образцы аттенюаторов и согласованных нагрузок, характеризующиеся в полосе частот от 50 до 1000 МГц уровнем коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) не более 1.2 при минимальном ослаблении 20 дБ.
Реализация и внедрение результатов работы.
Основные теоретические и практические результаты работы использованы в ФГУП НКТБ «Феррит» (г. Воронеж); научно-производственном предприятии ЗАО «ИРКОС» (г. Москва). Ряд результатов внедрен в ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» при курсовом и дипломном проектировании студентов специальности «Радиотехника», а также
при выполнении лабораторных работ по дисциплине «Устройства СВЧ и антенны».
Основные положения, выносимые на защиту:
- двухступенчатая методика параметрической оптимизации мощных
сверхширокополосных аттенюаторов, построенных на основе двух- или много
проводных линий, погруженных в проводящую жидкостную среду с высокой
диэлектрической проницаемостью и высокой теплопроводностью, основанная
на использовании генетического алгоритма для выбора геометрии и материаль
ных свойств синтезируемого устройства, реализующего критерий минимизации
уровня входных отражений при заданном минимальном ослаблении;
методика оптимального параметрического синтеза сверхширокополос-ных согласующих полосковых трансформаторов, отличающаяся использованием модифицированного генетического алгоритма, позволяющая уменьшить коэффициент отражения на 5 дБ в полосе частот с восемнадцатикратным перекрытием диапазона;
методика проектирования мощных жидкостных сверхширокополосных аттенюаторов и согласованных нагрузок, отличающаяся возможностью рационального выбора степени строгости физико-математических моделей, описывающих распространение и затухание электромагнитных волн в проволочных линиях передачи, помещенных в проводящую жидкостную среду;
математические модели проволочных линий передачи в проводящей жидкостной среде, позволяющие анализировать процессы распространения, затухания и отражения электромагнитных волн на различных уровнях их представления.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международных научно-технических конференциях: VII Международной научно-технической конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (Воронеж, 2006); XIII Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация и связь» (Воронеж, 2007); VIII Международной научно-технической конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (Воронеж, 2007), а также на ежегодно проводимых научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, студентов и аспирантов ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» (2004-2008).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12 научных работах, в том числе 7 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1, 2, 3, б, 7, 9] - разработка методики проектирования мощных сверхширокополосньгх жидкостных аттенюаторов и согласованных нагрузок, изготовление макетов и проведение экспериментов; [4, 5, 8, 10] -созданы физико-математические модели мощных широкополосного аттенюатора и изодуктора, [11] - разработаны модели мощных широкополосных нагрузок и предложена методика их параметрического и структурного синтеза, [12] -
проведен расчет, анализ и оптимизация основных характеристик мощного атте-шоатора в жидкостной проводящей среде в сверхширокой полосе частот.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 100 наименований, и трех приложений. Основная часть работы изложена на 157 страницах, содержит 66 рисунков и 10 таблиц.
Критический анализ тенденций развития современных программных средств, предназначенных для моделирования антенно-фидерных устройств
Среди пакетов, предназначенных для этих целей, одним из наиболее известных является PCAD. Возможности последней его версии, получившей название ACCEL EDA, подробно описаны в работе [32]. Практически важный вопрос адаптации PCAD к отечественному технологическому оборудованию освещен в работе [33].
Разработка программных продуктов и средств СВЧ-устройств началась еще в 60-е годы, и степень ее интенсивности возрастала по мере развития теории СВЧ и совершенствования вычислительной техники.
За рубежом разработкой систем и программ по расчету и проектированию антенн и устройств СВЧ занималось много фирм, результаты опубликованы в статьях, обзорах и рекламах журналов Microwaves, Microwave Journal, выпусках MTT, CAD Transaction IEEE и др. К настоящему времени наибольший вклад внесли фирмы HP-EEsof., Compact Software (Ansoft Inc.), Applied Wave Research в США и CADENCE Design System в Европе.
Современные программные продукты СВЧ являются дорогостоящими. Цена,зарубежных программных продуктов составляет в среднем несколько десятков тысяч долларов. В то же время они являются многофункциональными, состоящими из отдельных блоков, управляемых в основном через единый интерфейс. Путем разумного ограничения функциональных возможностей, часто оказывается достаточным значительное упрощение системы, а значит и ее удешевление.
Разработанная фирмой Hewlett Packard система MDS (Microwave Design System) [34] предназначена для моделирования, анализа и выдачи топологии большого числа СВЧ-устройств. В частности, ее можно использовать при разработке монолитных СВЧ интегральных схем, а также СВЧ гибридных и радиочастотных схем.
Система MDS включает в себя блок ввода исходных данных, блоки моделирования линейных и нелинейных схем, а также блок создания (генератор) топологических чертежей. Имеется возможность выпуска различной документации (инженерных замеров, отчетов, предложений, описаний выпускаемых изделий и т.д.). Переход от одного режима работы к другому во времени определяется быстродействием устройства ввода ("мыши"). Ввод схемы прост. Он аналогичен изображению схемы на листе обычной бумаги. Обеспечена возможность последовательного усложнения исходной схемы.
Фирмой Hewlett Packard разработана относительно небольшая, но практически удобная система AppCAD [35], с помощью которой можно, в частности, рассчитывать: - усилительные каскады на СВЧ- транзисторах; - смесители, включая определение спектра гармоник - ошибки рассогласования в схемах с направленным ответвителем; - параметры передающих линий (микрополосковых, полосковых, копланарных, коаксиальных); -характеристики разного рода двухполюсников, состоящих из параллельно и последовательно включенных элементов R, L, С; - спиральные индуктивности; - параметры L-, Т- и П-образных цепей согласования; - некоторые типы р-і-п-аттенюаторов и переключателей; - цепи смещения транзистора; - шумовые характеристики цепи, состоящей из четырехполюсников; - тепловые характеристики некоторых тел.
Эта система позволяет также получать справку о характеристиках, выпускаемых фирмой и используемых при расчетах СВЧ-транзисторов и диодов (в том числе о [S]- матрицах).
Одной из фирм-лидеров, в течение значительного времени занимавшихся разработкой программных продуктов СВЧ, являлась фирма Compact Software Inc. Разработанная этой фирмой и получившая широкое распространение система Super-Compact [36] обеспечивает возможность общего анализа и оптимизации линейных устройств СВЧ и радиочастот. Осуществляется анализ и оптимизация четырехполюсников, а также моделирование импедансов транзисторов и синтез согласующих цепей. Имеется библиотека характеристик выпускаемых промышленностью транзисторов. Предусмотрена возможность разработки одиночных и связанных линий передачи. Для получения временных характеристик применяется быстрое преобразование Фурье (БПФ). Оптимизация осуществляется градиентным и вероятностным методами. Для расчета параметрической чувствительности используется алгоритм Монте-Карло.
Система Super-Compact в дальнейшем была включена в систему Microwave Harmonica [37], обеспечивающую расчет нелинейных СВЧ" устройств.
Программа Microwave Harmonica обеспечивает анализ нелинейных целей (умножители и делители частоты, усилители мощности и т.д.). Ей также присущи все основные возможности программы Super Compact. При расчетах используются ряды Вольтерра (РВ). Библиотека содержит модели: для биполярных транзисторов - Гуммеля-Пуна, для полевых транзисторов -Куртиса, а также модифицированные модели Materka, Statz-Raytheon, Triquint ТОМ.
Значительный интерес представляет программа MMTCAD (Monolithic and Microwave Integrated Circuit Analysis and Design) канадской фирмы Optotec [38]. Это программа имеет собственный графический редактор, позволяет переводить схемное представление в топологическое и наоборот и оптимизировать топологические схемы по заданным требованиям на электрические характеристики. Она позволяет также осуществлять синтез большого числа типов ВЧ- и СВЧ-фильтров, моделирование S-параметров, являясь совершенным инструментом проектирования широкого класса линейных СВЧ-устройств. Отсутствие нелинейного анализа и анализа во временной области компенсируется возможностью экспорта схемных файлов в форматах PSpice, Harmonica и Libra.
Разработка и исследование комплекса эвристических физико-математических моделей мощных жидкостных аттенюаторов
Согласно [71-80], современная вычислительная электродинамика является двухступенчатой, вначале на основе гладких уравнений Максвелла для непрерывного вакуума, непрерывного времени, непрерывных Е и Н компонент полей намечается методика решения внутренней и внешней краевых задач в частотной и временной областях, далее предполагаемое решение для полей переносится на конечное множество точек и с некоторыми упрощениями находится алгебраическая форма ожидаемого приближенного решения. В работе [81] показано, что промежуточный этап гладкой математики может быть исключен и исследование электродинамических процессов может производиться сразу методами конечной алгебры, если будет определен некоторый оператор в дискретном пространстве-времени, эквивалентный в вычислительном отношении уравнениям Максвелла. Сестрорецким были впервые предложены два типа подобных операторов (12-входовых дескрипторов) роторного и потокового типов. Роторный оператор широко используется в известных процедурах вычислительной электродинамики в методе конечных разностей и методе матриц линий передачи. Объем объекта разбивается на элементарные «кубики» (дескрипторы, размер которых, как правило, не более (Я0 / 20) - (Л0 / 32)), каждая грань дескриптора представляется в виде RLC схемы. Схемы роторного типа менее удобны и менее точны для формирования вычислительных алгоритмов, чем потоковые схемы. В частности, так как в роторном подходе электрическая и магнитная компоненты поля определяются в соответствии с конечно-разностным подходом в различных точках дескриптора (Е- на ребрах, Я- в центре граней), то учет граничных условий, например, на поверхности металла производится с точностью до половины высоты кубиков. Возникает также неопределенность при описании малоразмерных электродов и при учете поглощения энергии металлом. В потоковой же схеме каждая грань дескриптора эквивалентна площадке Гюйгенса и компоненты полей Е и Я, формируя плоскую волну, определяются в одном сечении. Сестрорецким предложен простой алгоритм учета взаимодействия полей всех дескрипторов, позволяющий анализировать электродинамические объекты объемом до (10x10x10) Л3, что делает его методику уникальной, не имеющей аналогов в мире с точки зрения использования в процессе математического моделирования антенн и СВЧ устройств персональных компьютеров - ни один из имеющихся на современный момент электродинамических симуляторов не приближается даже к 10% возможностей программных продуктов, разработанных под руководством Сестрорецкого.
1. Высокая сложность проектирования элементов СВЧ диапазона приводит к необходимости интенсивного освоения компьютерных методов анализа и синтеза СВЧ устройств, для их последующего успешного проектирования при минимальных временных и трудовых затратах.
2. Выяснено, что основными недостатками серийно выпускаемых мощных аттенюаторов и согласованных нагрузок УКВ и СВЧ диапазонов волн являются: большие габаритные размеры и масса; гарантийный срок эксплуатации, не превышающий 1 год; недостаточно высокая надежность вследствие появления микротрещин на поглощающем покрытии при часто изменяющемся уровне входной мощности.
3. Предложен принцип построения мощных сверхширокополосных аттенюаторов и согласованных нагрузок, основанный на использовании двух- или многопроводных линий, погруженных в жидкостную полупроводящую среду с высокими диэлектрической проницаемостью, электрической проводимостью и теплопроводностью, позволяющий существенно уменьшить габаритные размеры и массу проектируемых устройств, характеризующихся низким уровнем входных отражений и вносимым затуханием не менее 20 дБ. 4. Проведен анализ возможностей эффективного использования методов математического моделирования и оптимизации при проектировании мощных сверхширокополосных аттенюаторов и согласованных нагрузок. Выяснена возможность использования физико математических моделей, описывающих физические процессы в жидкостных аттенюаторах и согласованных нагрузках на различных уровнях строгости от трактовки их как отрезков диссипативных длинных линий до строгого решения граничных задач электродинамики в пространственно-временной области.
Использование метода конечных интегралов Вейланда для анализа характеристик мощных жидкостных аттенюаторов и согласованных нагрузок
Алгоритм нахождения дискретной пространственно-временных зависимостей плотности тока J\xt:,t- и заряда р xt,t представляет собой следующую последовательность действий:
1. Определение значений индексов узлов пространственной сетки на объекте рассеяния, которых в текущий момент времени достигла возбуждающая волна. При этом учитываются только те значения напряженности магнитной компоненты падающей волны, величина которых является энергетически значимой по выбранному критерию точности (возбуждающая волна является импульсным колебанием в пространственно-временной области). В процессе моделирования был выбран критерий, в соответствии с которым обеспечивалось выполнение закона сохранения энергии с точностью 99.9% (при этом игнорировались значения амплитуд возбуждающей волны, суммарная энергия которых не превышала уровень -30 дБ относительно энергии всей падающей волны).
2. Во временной момент «первого касания» фронта возбуждающей электромагнитной волны металлических поверхностей объекта, значения тока в «освещенных» ячейках сетки определяются в соответствии с - \ — приближением физической оптики: J\х0 _,tx \ = 2-п0 хЯ" v / освещ. Аналогичным образом оценивается величина плотности электрических зарядов р\ xoceeui,tx
3. Во все последующие моменты времени, пока возбуждающая волна не поглотилась в жидкостной проводящей среде аттенюатора (по выбранному критерию энергетической значимости ее пространственно-временных составляющих), плотность тока и заряда в каждой точке поверхности объекта определяется в виде суммы компоненты падающей волны в текущий момент времени и дифракционного интПоп.З DD и ее quation.3 Ідифр, под знаком которого стоят значения плотности тока и ее временной производной в предыдущие моменты времени (вычисленные на предыдущем временном этапе): J По аналогии находится и плотность электрических зарядов.
4. После окончания взаимодействия возбуждающей электромагнитной волны с объектом (в соответствии с выбранным критерием), для всех дискретных временных зависимостей проекций вектора плотности тока и скалярной плотности заряда, определенных в каждом узле пространственной сетки на объекте рассеяния i = l,2,...,Ns, осуществляется процедура быстрого преобразования Фурье с целью нахождения их пространственно-частотного распределений.
При осуществлении данного алгоритма значение поверхностного интеграла заменяется конечной суммой по ячейкам сетки металлических поверхностей объекта. При этом плотность тока представляется в виде: \\ для t в интервале времени с серединой tn О в остальные моменты времени
Согласно [83], интервалы между временными узлами AT и расстояния между узлами на поверхности рассеивателя AR должны быть связаны соотношением с AT AR для того, чтобы токи в узлах поверхности объекта зависели бы от наведенных токов, определенных исключительно в прошедшие моменты времени (в противном случае взаимодействия токов различных ячеек в течение одного интервала времени при дискретизации интегрального уравнения компонента тока, входящая в уравнение в виде свободного члена, присутствовала бы под знаком дифракционного интеграла, что требовало бы выполнения обращения матрицы большого порядка).
В соответствии с рекомендациями [83], была выбрана гауссовская форма пространственно-временной зависимости импульса падающей электромагнитной волны: 7 Я где для достижения приемлемой точности численных результатов расстояния между узлами сетки на поверхности объекта АЛ и интервалы между временными узлами AT выбирались равными 0.1 ширины импульса в пространстве Ws=2-c/g и времени WT = 2/g соответственно. При этом пространственный шаг сетки на поверхности объекта рассеяния был выбран равным одной десятой доле минимальной длины волны. При нахождении производной поверхностного тока по времени временная зависимость тока аппроксимировалась полиномом, коэффициенты которого определялись по значениям тока во временных узлах сетки.
Недостатком данного метода является сложность непосредственного вычисления распределения тепла, выделяемого в каждой рассматриваемой ячейке общего объема. От данного недостатка свободен метод конечных интегралов Вейланда, основанный на непосредственном решении уравнений Максвелла с заданными граничными условиями в электродинамических объектах произвольной геометрии и характеризующихся произвольными материальными свойствами.
Исследование характеристик мощных жидкостных аттенюаторов, и согласованных нагрузок разработанных в соответствии с предложенной методикой
При работе предметных программ, осуществляющих расчет необходимых характеристик создаваемых структур, задействуются соответствующие математические модели, которые находятся в отдельной библиотеке. Ее структура отображена на рис. 4.5. При этом выбор той или иной математической модели осуществляется во первых исходя из ее функционального предназначения, а во вторых имеется возможность ускорения расчета характеристик поглощающих структур путем их ступенчатой аппроксимации координатной функцией, для чего в библиотеке моделей выделен соответствующий блок. В этом случае управление выбором нужной математической модели осуществляется на этапе формирования директивы управления.
В информационное обеспечение функционирования ПМК входят, во-первых, сведения о типовых элементах проектируемых устройств и их параметрах, типовых материалах, типовых фрагментах конструкций, и во вторых, способы, алгоритмы и программы, предназначенные для упорядоченной записи, хранения, перемещения и извлечения этих данных. Вторая часть представляет собой базу данных находящейся под управлением СУБД (система управления базой данных). Для данного ПМК наиболее подходящим является структурирование базы данных реляционным способом.
Как видно из рис. 4.5, банк данных является системным, что позволяет обеспечить его независимость от прикладных программ, а также применять стандартные методы упаковки в случае больших объемов информации. В начале работы ПМК блок специализированных программ управления, исходя из полученного задания, формирует команды для СУБД, благодаря чему происходит загрузка необходимой информации в память ЭВМ (оперативный банк данных). Это позволяет занимать ее оптимальный объем, что приводит к более рациональному использованию ресурсов ЭВМ, и как следствие к повышению скорости расчетов.
Структура информационного обеспечения САПР представлена на рис. 4.7. Интерфейс модернизации и управления базой данных служит для диалогового режима пополнения системной базы данных, а так же позволяет следить за состоянием записей в ходе работы. Файлы пользователя имеют расширения trd и rez. Первые представляют собой исходные данные для проектирования, а в последних хранятся результаты проектирования.. Временные файлы, которые создаются в ходе проектирования, имеют расширение tmp, после завершения работы САПР они автоматически удаляются.
Обобщенная структура созданной методики проектирования мощных сверхширокополосных жидкостных аттенюаторов и согласованных нагрузок представлена на рис. 4.6.
Ее отличительной чертой является возможность комбинирования функций, как разработанных простых эвристических моделей жидкостных аттенюаторов и согласованных нагрузок, так и опций мощных стандартных пакетов численного электродинамического моделирования.
Ниже, в подразделе 4.2 представлены результаты апробации данной методики, полученные в ходе разработки реальных лабораторных макетов жидкостных аттенюаторов и согласованных нагрузок.
Исследование характеристик мощных жидкостных аттенюаторов, и согласованных нагрузок разработанных в соответствии с предложенной методикой
Было предложено изготовить мощный аттенюатор и в качестве поглощающей жидкости в нем использовать дистиллированную воду в различных сочетаниях с поваренной солью NaCl. Для того чтобы получить требуемые значения КСВНи. поглощения (аттенюацию) в нем. Но для начала необходимо рассмотреть некоторые свойства воды. Подобно льду, вода имеет две широкие полосы поглощения и дисперсии в инфракрасном диапазоне частот [84]. Относительная проницаемость в длинноволновом инфракрасном диапазоне близка к ЕГ« 4.0, а в микроволновом диапазоне zro0« 5.0 ± 0.5 при 25С. Релаксационные свойства воды хорошо описываются формулой Дебая (2.76, 2.77), содержащей одно значение времени релаксации. Максимальное поглощение в воде осуществляется в области микроволновых радиочастот. Время релаксации для воды и критическая длина волны Яс для различных температур графически представлено на рис. 4.7. Проводимость дистиллированной воды по постоянному току значительно выше проводимости чистого льда, но, тем не менее, очень мала. Она рассчитывается, исходя из эквивалентной ионной проводимости, 134 плотности и ионизационной способности табл.4.1. Измерения были проведены со специально очищенной водой, проводимость которой очень близка к теоретической. Однако при малейшем загрязнении воды эти предельно низкие значения проводимости сразу переходят в значительные. Проводимость дистиллированной воды по постоянному току составляет около 2-10" См/м, тогда как вода в озерах имеет проводимость порядка т 10-3-10-2См/м. Л7 20 JO ff S& № 0 Рис. 4.7. Время релаксации г и критическая длина волны Хс = 2пстдля воды в зависимости от температуры Когда соли растворяются и ионизируются в воде, образуя электролит, появляется много достаточно подвижных ионов и устанавливается значительный ток свободных зарядов с объемной плотностью Jj = Е т= (а -ja) Е. Ионы, носители тока в электролите, конечно, очень велики и тяжелы по сравнению с электронами в металле; поэтому при возрастании частоты происходит отставание тока ионной проводимости во времени. В общем 135 случае комплексное волновое число равно к = /3 —ja определяются главным образом проводимостью а = сг — ja; и основную часть а составляет проводимость по постоянному току (j0. В табл. 4.2 представлена проводимость морской воды по постоянному току. Весьма часто в моделях в качестве поглощающей среды применяется обычная водопроводная вода благодаря ее доступности в любых количествах. Проводимость воды доводится до требуемой величины добавлением хлористого натрия (NaCl) или хлористого калия (КС1). На рис. 4.10 приведены графики зависимости низкочастотной ионной проводимости сг&сґи относительной статической проницаемости srs соленой воды от концентрации с соли. (Величина с численно равна выраженному в граммах количеству растворенного вещества NaCl на 1 литр растворителя Н20 при температуре 25С.
