Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Классификация, основные параметры и обзор конструкций выпускаемых соединителей 11
1.1 Классификация 11
1.2 Основные параметры 17
1.3 Обзор современных конструкции соединителей выпускаемых за рубежом и в России 19
ГЛАВА 2 Типы неоднородностеи коаксиальных линий передачи и методы их расчета 34
2.1 Основные типы неоднородностей коаксиальных линий передачи. 34
2.2 Обзор методов расчета ступенчатых неоднородностей КЛ 38
2.2.1 Скачки диаметров проводников КЛ расположенные в одной плоскости 39
2.2.2 Скачки диаметров проводников КЛ. расположенные в двух плоскостях 42
ГЛАВА 3 Электродинамический метод расчета ступенчатых неоднородностей коаксиальной линии с использованием функции грина 49
3.1 Задание сторонних токов в кольцевых отверстиях поперечного сечения КЛ 50
3.2 Эквивалентные параметры кольцевых отверстий 51
3.3 Определение функции Грина коаксиальной области 52
3.4 Электрические характеристики однопозиционных переходов 53
3.5 Электрические характеристики двухпозиционных переходов 56
ГЛАВА 4 Электродинамическое моделирование радиочастотных коаксиальных соединителей и ступенчатых неоднородностей коаксиальных линий 60
4.1 Расчет однопозиционных переходов 63
4.1.1 Скачок диаметра внутреннего проводника 63
4.1.2 Скачок диаметра наружного проводника 66
4.1.3 Соединение двух КЛ со скачком диаметров проводников в одном направлении 68
4.2 Расчет двухпозиционных переходов 71
4.2.1 Недостыковка по внутреннему проводнику 71
4.2.2 Диэлектрическая опорная шайба : 74
4.2.3 Компенсирующий переход соединения двух КЛ 81
4.3 Электродинамический анализ и оптимизация коаксиального канала герметичного коаксиально-полоскового перехода СРГ-50-751ФВ 86
4.4 Оптимальный синтез радиочастотных: соединителей. 92
4.4 Оптимизация размеров ступенчатого коаксиального режекторного фильтра 93
ГЛАВА 5 Особенности серийного производства радиочастотных соединителей на отечественных предприятиях 99
5.1 Основные детали и элементы конструкции соединителей 99
5.2 Последовательность технологических процессов при производстве соединителей 104
5.3 Основные технологические процессы 106
5.3.1 Механическая обработка деталей 106
5.3.2 Изготовление изоляторов и других неметаллических деталей 108
5.3.3 Виды и технология нанесения защитных покрытий 110
5.3.4 Изготовление герметичных соединителей 112
5.4 Контроль качества и испытания соединителей в процессе разработки и производства 115
5.4.1 Организация и виды контроля при производстве соединителей... 116
5.4.2 Измерение коэффициента стоячей волны по напряжению 118
Заключение 121
Список использованных источников 124
- Обзор современных конструкции соединителей выпускаемых за рубежом и в России
- Скачки диаметров проводников КЛ расположенные в одной плоскости
- Электрические характеристики однопозиционных переходов
- Электродинамический анализ и оптимизация коаксиального канала герметичного коаксиально-полоскового перехода СРГ-50-751ФВ
Введение к работе
Актуальность исследования
Одним из элементов, на которых реализуется радиоэлектронная и связная аппаратура, являются радиочастотные коаксиальные соединители. Совместно с коаксиальными кабелями они занимают монопольное положение в фидерных линиях передачи энергии малой и средней мощности в диапазоне частот до 20 ГГц, а также за последнее время ведущими иностранными фирмами разработаны конструкции соединителей работающих в диапазонах частот до 34 ГГц и даже доІІО ГГц [1].
Интенсивное развитие информатики, сотовой связи, кабельного и спутникового телевидения повысило интерес к коаксиальным линиям (КЛ) передачи и элементам тракта на их основе. Дополнительным стимулом послужили успехи в производстве новых СВЧ диэлектриков с малыми потерями и современные технологии изготовления коаксиальных устройств. По сравнению с вояноводными линиями передачи КЛ обладают существенными преимуществами; высокая граничная частота одномодового режима передачи СВЧ мощности, высокие экранирующие свойства и невосприимчивость к внешним электромагнитным воздействиям, передача СВЧ сигнала без дисперсии, высокая технологичность, малые размеры и масса, достаточная гибкость и другие.
К настоящему времени отечественная и зарубежная промышленность выпускает большое количество различных типов радиочастотных соединителей (PC) обеспечивающих потребности разработчиков и изготовителей различной радиоэлектронной аппаратуры. Но постоянное развитие СВЧ техники и расширение частотного диапазона применения КЛ требует создания конструкций с улучшенными электрическими характеристиками, увеличения рабочей частоты, разработки миниатюрных и микроминиатюрных конструкций с различными вариантами сочленения, повышения эксплуатационных свойств и надежности PC. По этому перед разработчиками PC ставятся задачи создания новых конструкций соединителей и модернизации существующих для выполнения предъявляемых требований.
Для ускорения процесса разработки конкретных типоконструкций PC и повышения их качества, а также в связи с бурным развитием возможностей и повышением быстродействия современной вычислительной техники на первое место выходят задачи разработки и использования систем автоматизированного проектирования PC. Одной из самых главных задач является создание точной математической модели канала передачи СВЧ мощности в PC на основе электродинамических подходов для проведения анализа и оптимизации конструкции соединителя. Ранее применявшиеся методы анализа электрических параметров соединителей [2,3] основанные на статических и квазистатических подходах, особенно на частотах близких к критической частоте работы КЛ дают заметные ошибки.
Наиболее распространенными элементами канала передачи СВЧ мощности в PC, как и в других элементах КЛ, влияющих на электрические параметры являются ступенчатые неоднородности. Эти неоднородности представляют собой скачкообразное изменение диаметров наружного и внутреннего проводников в плоскости перпендикулярной оси симметрии КЛ. Задачам анализа и оптимизации неоднородностей в КЛ посвящены десятки работ отечественных и зарубежных авторов [4-56]. Анализируя указанные материалы видно, что имеется необходимость в разработке достаточно точной инженерной методики и программного обеспечения, как для анализа простых однопозиционных скачков диаметров КЛ, так и учета их взаимного расположения и взаимодействия на основе электродинамических подходов.
Так как производство коаксиальных соединителей имеет массовый характер, то актуальным также является рассмотрение, анализ и обобщение информации по выпускаемым перспективным конструкциям PC, их
7 параметрам, технологиям изготовления и основным проблемам при организации серийного производства на отечественных предприятиях.
Цель работы
Исследование, разработка электродинамического метода и решение задач анализа и оптимизации неоднородностей в коаксиальных радиочастотных соединителях и других элементах коаксиальных линий для улучшения электрических характеристик разрабатываемых и серийно выпускаемых изделий
Задачи исследования разработка методики электродинамического расчета ступенчатых неоднородностей КЛ передачи на основе решения задачи электромагнитного возбуждения волн в КЛ с применением функции Грина; создание пакета программ для проведения анализа ступенчатых неоднородностей КЛ в широких пределах изменения геометрических размеров в заданной области частот; проведение расчетов основных типов ступенчатых неоднородностей PC, сравнение полученных данных с ранее полученными расчетными и экспериментальными результатами; проведение электродинамического расчета и оптимизации по критерию минимального значения коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) в заданном диапазоне частот серийно выпускаемых PC, выдача рекомендаций по изменению конструкции соединителей; разработка алгоритма оптимального синтеза конструкции PC по критерию достижения минимального значения КСВН в заданном диапазоне частот; - исследование мирового рынка выпускаемых типов PC, технических вопросов серийного производства и разработки PC на отечественных предприятиях.
Методы исследования
Исследования основывались на методах математического моделирования, аналитическом аппарате электродинамики, численных методах расчета и анализа. Программирование и получение результатов расчетов производилось в среде «MathCAD».
Научная новизна создана методика электродинамического расчета ступенчатых неоднородностей КЛ передачи на основе решения задачи электромагнитного возбуждения волн в КЛ с применением функции Грина, учитывающая возбуждение и распространение волн основного и высших типов колебаний, позволяющая провести сквозное проектирование многоступенчатого коаксиального устройства в широкой полосе частот и широких пределах изменения геометрических размеров; разработано программное обеспечение для определения оптимальных геометрические размеров основных типов неоднородностей PC на основе решения задачи оптимизации по критерию достижения минимальных отражений от ступенчатых неоднородностей в рабочем диапазоне частот; - проведен электродинамический расчет и оптимизация конструкций герметичного коаксиально-полоскового перехода и полосового режекторного фильтра; -разработан алгоритм оптимального синтеза конструкции PC по критерию достижения минимального значения КСВН в заданном диапазоне частот на основе математического моделирования на ПЭВМ; - проведено исследование технического уровня серийного производства радиочастотных соединителей на отечественных предприятиях и современного уровня развития рынка выпускаемых типоконструкций радиочастотных соединителей в России и за рубежом.
Основные результаты, выносимые на защиту
Методика электродинамического анализа электрических характеристик ступенчатых неоднородностеи коаксиальной линии путем решения задачи возбуждения основного и высших типов волн в месте скачка диаметров наружного и внутреннего проводников с использованием функции Грина.
Результаты электродинамического моделирования основных типов ступенчатых неоднородностеи коаксиальных соединителей в широкой полосе частот.
Алгоритм оптимального синтеза конструкции коаксиального канала радиочастотных соединителей на ПЭВМ по критерию минимального КСВН в рабочей полосе частот.
Практическая ценность работы и внедрение ее результатов
Создана инженерная методика электродинамического расчета ступенчатых неоднородностеи коаксиальных линий передачи, позволяющая производить моделирование и оптимизацию конструкций радиочастотных соединителей для достижения минимального значения КСВН в рабочем диапазоне частот.
Проведен анализ и выданы рекомендации по изменению конструкций серийно выпускаемых соединителей для улучшения электрических характеристик и повышения рабочего диапазона частот.
Проведена оптимизация амплитудно-частотной характеристики коаксиального режекторного фильтра.
10 Разработанное программное обеспечение позволяет сократить время разработки новых конструкций соединителей и улучшить их электрические характеристики.
Полученные результаты исследований и разработанное программное обеспечение используются на ФГУП «ПО»Октябрь» и ОАО «Завод «Исеть» для разработки и модернизации радиочастотных коаксиальных соединителей, а также других коаксиальных СВЧ устройств. Имеются соответствующие акты внедрения.
Апробация работы
Основные положения и результаты работы докладывались на конференциях: II международной научно-технической конференции РУО АИН РФ (г. Екатеринбург, 2000 г.), II научно-технической конференции молодых специалистов НПОА (г. Екатеринбург, 2004 г.), международной научной конференции ИРЭМВ-2005 (г.Таганрог, 2005г.), международной конференции «Связь-Пром 2006» (г. Екатеринбург, 2006 г.), III научно- технической конференции молодых специалистов НПОА (г. Екатеринбург, 2006 г.)
Публикации
Основное содержание диссертации опубликовано в 7 печатных работах.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и девяти приложений. Работа изложена на 172 страницах машинописного текста, содержит 8 таблиц, 55 рисунков и 9 приложений. Список использованных источников содержит 88 наименований.
Обзор современных конструкции соединителей выпускаемых за рубежом и в России
В настоящий момент в мире существует более сотни фирм занимающихся разработкой и производством радиочастотных коаксиальных соединителей, среди которых не более десяти на которые приходится до 70 % от общего мирового рынка. В приложении 1 приведены данные о 62 основных зарубежных производителях радиочастотных соединителей по данньтм [60]. Как видно из таблицы 43 компании представляют США, 5 - Германию, 4 - Великобританию, по - 2 Японию, Тайвань и Корею, по - 1 Францию, Швейцарию, Австрию и Италию. Таким образом 70 % компаний представляют США, 20 % Европу и 10 % Азию. Соединители, выпускаемые ведущими зарубежными фирмами, имеют широкий спектр номенклатуры, высокие технические характеристики, качественное исполнение и красивый вид. Эти фирмы вкладывают большие средства в разработку новых соединителей, улучшение характеристик и качества серийно-выпускаемых изделий. По данным каталогов фирм производителей и Приложения 1 наиболее популярными соединителями, выпускаемыми за рубежом, являются соединители следующих типов: SMA, N, BNC, 7/16, SSMA, TNC, UHF, SMB. Эти типы присутствуют в каталогах почти всех фирм производителей. Помимо стандартных типов большинство фирм выпускают соединители специальных конструкций, выполняют разработку и поставку конструкций по заказу потребителя, выпускают оптические и комбинированные (с низкочастотными, радиочастотными и оптическими контактами) соединители, триаксиальные и соединители с двумя центральными контактами. Представленные компании помимо соединителей выпускают коаксиальные кабели, кабельные сборки с установленными радиочастотными соединителями, инструменты для монтажа соединителей в изделиях и на кабель.
В связи с бурным развитием технологий в сотовой и цифровой связи потребовались соединители с лучшими характеристиками, чем соединители, которые были разработаны и использовались в военных высокочастотных системах и системах правительственной связи. Требования рынка сделали необходимой модернизацию или разработку новых конструкций соединителей для использования в сотовой связи, частных коммуникационных системах и радиоаппаратуре связи, контроля, промышленном оборудовании, компьютерах и их периферийных устройствах. Все больше и больше соединителей устанавливаются на печатные платы и по этому должны иметь малый вес и размеры. Пользователи предъявляют к соединителям требования малого усилия сочленения, быстрого соединения-рассоединения, варианты конструкций для поверхностного и обжимного монтажа. Соединители для монтажа на печатную плату используются в мультимедийной электронике, высоко-четком цифровом телевидении и устройствах Интернет.
Для использования в базовых станциях сотовой связи были модернизированы старые конструкции соединителей с резьбовым сочленением в конструкции поверхностно-монтажного типа с литыми, штампованными и формованными корпусами нетипичными для радиочастотных соединителей. Это было обусловлено необходимостью в большом объеме соединителей по приемлемым ценам. Еще одной тенденцией в базовых станциях радиосвязи стало использование модульных соединителей. Эти конструкции потребовали разработки модулей врубного типа с самоцентрирующим механизмом. Основные усилия разработчиков соединителей направлены на создание конструкций разъемов печатного монтажа для работы на частотах до 6 ГГц с обеспечением минимально возможного КСВН. Далее приведем примеры конкретных разработок соединителей иностранных фирм за последнее время [61]. Фирма М/А Com Inc. разработала специальную серию соединителей OSP.com с КСВН 1.22 на частоте до 6 ГГц с минимальным числом циклов сочленений-расчленений 100. Соединители изготовлены из немагнитных материалов с использованием низкопористого покрытия из белой бронзы для обеспечения низкого уровня интермодуляции при применении их в базовых станциях и антеннах сотовой связи. При заказе 100 штук стоимость пары соединителей составляет 12,5 долларов. Фирма Kings Electronics Inc. представила на рынок соединители типа TNC для монтажа на панель используемые в усилителях базовых станций. Соединители имеют обжимной контакт и КСВН 1.06 на частоте 3 ГГц. Стоимость соединителя при заказе 1000 штук 3.6 долларов. Семейство 50-ти оммных соединителей типа N были разработаны фирмой Trompeter Electronics Inc., которые предназначены для использования в кабельных сборках на антенных мачтах базовых станций. Эти соединители устанавливаются на кабель 7/8 дюйма. Для уменьшения интермодуляции они имеют серебреное покрытие и максимальный КСВН 1.2 в рабочем диапазоне частот. Соединители могут пропускать мощность 30 кВт на частоте 30МГц. Цена вилки устанавливаемой на кабель 7/8 дюйма 39 долларов при заказе 1000 штук. Фирма М/А Com Inc. предлагает на рынок тип соединителей SSMT поверхностного монтажа для базовых радиостанций, пейджеров, двухволновых радиоприемников и сотовых телефонов. Соединители имеют пластиковый корпус размером 0.2 дюйма с каждой стороны, в который вставлен центральный металлический проводник и 3 заземляющих вывода. Соединители предназначены для использования с фторопластовым кабелем диаметром 0.05 дюйма. Соединители в сочлененном виде выступают над платой на высоту 3 мм. Соединители SSMT серии используются на частотах до 6 ГГц с КСВН 1.2 на частоте 2 ГГц. Цена кабельной сборки соединителей 3 доллара при заказе 100 штук. Семейство соединителей ММСХ разработанных фирмой Berg Electronics1 RF/Coaxial Division имеет размеры на 45% меньше соединителей типа SMB. Соединители имеют КСВН 1.2 на частоте 4 ГГц, сочленяются со стандартными соединителями ММСХ и выпускаются в версиях поверхностного монтажа, а также для монтажа пайкой или обжимкой. Цена пары соединителей 4.5 доллара при заказе 1000 штук. Малогабаритные соединители фирмы Radiall Inc. типа ММТ для поверхностного монтажа работают на частотах до 8 ГГц, имея КСВН 1,2 и затухание 0.2 дБ на частотах выше 2 ГГц. Минимальная наработка соединителей 500 циклов сочленений-расчленений. Стоимость пары соединителей 2 доллара при заказе 1000 штук. Требования к скорости передачи сигнала и широкой полосе пропускания предъявляют к соединителям телевизионного оборудования. Коаксиальные линии передачи в больших количествах используются в центральных офисах телевизионных компаний и должны обеспечивать стандартную скорость передачи 45 Мбит/с. Одним из основных требований к коаксиальным сборкам является минимальное время установки коаксиального соединения.
Новые QT соединители сопротивлением 75 Ом являются новой конструкцией BNC соединителей от фирмы ITT Cannon RF Products. Особенностью соединителей является то, что они состоят из двух частей -центральный соединитель с объединенным центральным контактом и задняя муфта. Одна операция обжимки устанавливает как внутренний, так и наружный проводники. Время установки соединителя 20 секунд в отличие от 120 секунд на установку обычного BNC соединителя. Задний колпачок соединителя имеет цветной код для идентификации кабеля. Стоимость обжимного приспособления 300 долларов. Стоимость соединителя от 1.5 долларов до 2 долларов в зависимости от количества.
Скачки диаметров проводников КЛ расположенные в одной плоскости
По-видимому, одной из первых публикаций по КЛ, доказывающих необходимость их исследования и экспериментальной проверки, явилась работа [4], опубликованная в 1932 г. Авторы рассмотрели отдельные элементы конструкции КЛ соединители и изоляторы в метровом диапазоне длин волн. Статья [5], посвященная проблемам передачи сигналов на сверхдлинные расстояния в КЛ, содержит всесторонний анализ проведенных до того времени исследований и дает рекомендации по использованию математического аппарата для инженерных расчетов. Впервые приближенный аналитический расчет некоторых типов одиночных скачкообразных нерегулярностей в коаксиальных линиях передачи, был проведен в 1944 году в [6,7]. Авторы [6,7] исследовали физическую картину явлений, имеющих место на "ступеньке" проводников, и доказали необходимость введения на соответствующих эквивалентных схемах линий передачи шунтирующей емкости, локализованной в плоскости скачка. В раннем сообщении [6] приведена упрощенная формула для расчета эквивалентной емкости однопозиционного скачка в КЛ:
Так в [9] приведены аналитические выражения для эквивалентной проводимости однопозиционного перехода в случае скачка одного (внутреннего либо внешнего) проводника КЛ в приближении малости зазора между проводниками КЛ. Работа [9] и в настоящее время не потеряла своей значимости и часто служит предметом ссылок авторов. Начало развитию машинно ориентированных методов в задачах анализа ступенчатых переходов в КЛ положила работа [10]. Расчет эквивалентной емкости скачка был основан на результатах [9]. Позже было показано [28, 36], что приведенная в [10] формула воспроизвела неточности [9] (погрешность приведенных диаграмм 5%). Дальнейшее развитие методы расчета однопозиционных переходов в КЛ получили в работах [12-15,20-24,27,28,30,32,37,39,50].
Отметим, что основной недостаток изложенных выше подходов к решению задач расчета ступенчатых неоднородностей связан с ограничением по частоте. При увеличении частоты погрешность расчета существенно возрастает, что объясняется рядом причин: медленной сходимостью рядов по собственным функциям линий передачи; недостаточно точной аппроксимацией поля в плоскости стыка КЛ, не учитывающей особенности распределения электромагнитного поля вблизи ребра граничной поверхности; плохой обусловленностью полученной системы уравнений и т.д.
В связи с этим был разработан ряд модификаций рассмотренных методов, позволяющих учесть особенность поля. Один из известных подходов в задачах расчета ступенчатых переходов основан на выборе соответствующих функций, аппроксимирующих распределение поля на линии перехода. Так, например, решена задача анализа диафрагмированного стыка двух круглых (прямоугольных) волноводов в [53]. Авторы [53] воспользовались методом Галеркина, и поле в плоскости стыка волноводов искали в виде системы полиномов Гегенбауэра.
Подобный подход был использован и для случая КЛ. В работе [54] построена система цилиндрических функций с фиксированным индексом, имеющих заданное (одинаковое) поведение у концов интервала и в то же время допускающих аналитическое вычисление соответствующих интегралов. На основе этих функций предложен эффективный метод расчета физических параметров, являющихся линейными функционалами распределений поверхностных зарядов электрических и магнитных токов в плоскости перехода. Использование таких базисных функций обеспечивает высокую точность, т.к. наличие у базисных функций требуемого поведения на ребре ускоряет сходимость метода Галеркина. Приведены результаты расчета стыка КЛ в сравнении с [10].
Следующий метод решения задачи анализа однопозиционных переходов в КЛ, позволяющий учесть особенность поля вблизи ребра, описан в [50]. Рассматриваемая краевая задача сводится к системе уравнений. Предложен алгоритм решения этой системы методом интерполяционной факторизации. Авторами проведено сравнение с решением из [51].
Будет уместным вспомнить, что однопозиционные переходы имеют, наряду с теоретическим, еще и огромный практический интерес. Обращение к первоисточникам подтверждает это. Так, в [43,44] нашли отражение вопросы по разработке коаксиальных мер КСВН. В [43] отмечается, что приближенные формулы могут не удовлетворить практическим требованиям, а точные методы [28,36] для инженерных расчетов чрезвычайно сложны. Авторы [43] использовали скорректированную формулу [7]:
Однако в [44] указывается на недопустимость применения этой формулы и предлагается приближенная формула из [10]. Как видим, даже в определении параметров одиночных переходов у разработчиков нет единого мнения. Отметим также, что круг задач, с которыми приходится сталкиваться разработчикам, далеко не исчерпывается приведенньш примером. В связи с изложенным представляется актуальной проблема создания универсального вычислительного алгоритма, позволяющего с достаточной точностью определять электрические параметры переходов различных типов. Практическое значение алгоритма состоит и в возможности создания на его основе систем машинного проектирования СВЧ-устройств.
Один из возможных подходов представлен в [55], где решена задача анализа сложных АСПН. Рассматриваемая нерегулярность преобразуется к эквивалентной двумерной структуре с помощью метода конечных разностей. Для расчета нерегулярностей такого вида при использовании персонального компьютера IBM PC AT требуется от 10 до 30 минут машинного времени [55], что существенно снижает его практическую значимость.
Конечно, ограничения методов должны рассматриваться в каждом конкретном случае. Кроме упоминавшихся выше, существует еще ряд работ в отечественной и зарубежной литературе, в которых квазистатическое приближение успешно использовалось ([51,52] и др.). Тем не менее, в настоящее время, в связи с тенденцией в технике СВЧ к расширению рабочих диапазонов устройств в сторону верхних частот, возникает необходимость создания уточненной математической модели ступенчатой неоднородности в КЛ.
Представляются перспективными электродинамические подходы к созданию уточненной математической модели однопозиционной неоднородности. Как например в [42,56] (а также главе 3 настоящей диссертации) в которых предлагаются универсальные математические модели, отличающиеся эффективностью и простотой численной реализации.
Электрические характеристики однопозиционных переходов
Анализ выпускаемых конструкций PC показывает, что в подавляющем большинстве случаев коаксиальный канал соединителя состоит из отрезков КЛ, отличающихся диаметрами внутреннего и/или внешнего проводников и диэлектрическим заполнением. Наиболее часто встречающимися; неодыородностями являются ступенчатые изменения диаметров (рис. 4.1.). Как было сказано ранее, одной из основных задач конструктора PC является достижение минимально возможного значения КСВН в рабочей полосе частот и, по этому, правильный анализ и расчет конструкции по электрическим параметрам является актуальной проблемой.
Предметом исследования данной главы является математическое моделирование конструктивных элементов PC и конструкций серийно выпускаемых соединителей на основе метода электродинамического расчета ступенчатых неоднородностей изложенного в главе 3 настоящей работы.
В качестве средства машинного проектирования выбран математический прикладной пакет MathCAD, который предлагает применительно к решаемой задаче несколько интегрированных между собой компонентов: - мощный текстовый редактор, позволяющий вводить, редактировать и форматировать как текст, так и математические выражения; - вычислительный процессор, умеющий проводить расчеты по введенным формулам, используя встроенные численные методы; - символьный процессор, являющийся, фактически, системой искусственного интеллекта; - огромное хранилище справочной информации, как математической, таки инженерной, оформленной в качестве интерактивной электронной книги. Сочетание этих компонентов создает удобную вычислительную среду для разнообразных математических расчетов и, одновременно, документирования результатов работы. MathCAD позволяет: - вводить на компьютере разнообразные математические выражения (для дальнейших расчетов или создания документов, презентаций) с помощью формульного редактора MathCAD, который по возможностям и простоте использования не уступает, к примеру, редактору формул, встроенному в Microsoft Word; - проведение математических расчетов немедленно, в соответствии с введенными формулами; - подготовка графиков с результатами расчетов различных типов (по выбору пользователя) с богатыми возможностями форматирования которые вставляются непосредственно в документы; - ввод исходных данных и вывод результатов в текстовые файлы или файлы с базами данных в других форматах; - подготовка отчетов работы в виде печатных документов. Одной из главных задач перед началом написания программного обеспечения (ПО) это оценка точности и установление степени необходимого приближения для практического применения результатов и разработки ПО с минимальным временем вычислений. Одним из параметров влияющих на точность определения электрических характеристик ступенчатых неоднородностей КЛ является степень приближения при вычислении корней уравнения (3.12). Как видно из формулы для первого приближения (3.14) значение корней уравнения зависит от отношения диаметров наружного и внутреннего проводников. Исходя из реальных размеров коаксиального канала соединителей имеющих волновое сопротивление 50 или 75 Ом, а также диэлектрической проницаемости материалов заполнения от 1 (для воздуха) до 5.2 (для электровакуумного стекла) оценку погрешности проведем для следующих значений а/Ь: - 2.3 воздушный канал с є-l и волновым сопротивлением 50 Ом, - 3.3 фторопластовый канал е-2.05 и волновым сопротивлением 50 Ом, - 6.7 канал с электровакуумным стеклом є-5.2 и волновым сопротивлением 50 Ом, - 17.5 канал с электровакуумным стеклом г-5.2 и волновым сопротивлением 75 Ом. Оценку погрешности проведем, рассчитав значение первого корня уравнения (3.12) по формулам (3.13) и (3.14) в первом, втором, третьем и четвертом приближении. Точность полученных результатов А ( где г-порядок приближения) оценим путем сравнения результатов вычисления значения уравнения (3.12) при подстановке вычисленного корня в і-ом приближении.
В таблице 4.1 приведены результаты расчета первого корня уравнения (3.12) и погрешность его определения с точностью до 10"17. Анализируя результаты расчета видно, что погрешность определения корней увеличивается при увеличении значения отношения диаметров проводников. Первое приближение является довольно грубым и не пригодно для практических расчетов, второе приближение допустимо для применения в КЛ с отношением диаметров меньше 3.3, а третье приближение допустимо для всех реально встречающихся размеров коаксиального канала при этом максимальная абсолютная ошибка менее 6-Ю 5 при отношении радиусов проводников а/Ь=17.5
В дальнейшем для оптимальной точности и времени вычислений в ПО расчета и оптимизации конструкции герметичного перехода и полосового фильтра будет использовано третье приближение при вычислении корней уравнения (3.12). В программах расчета однопозиционных и двухпозиционных неоднородностей реализован алгоритм вычисления корня с заданной точностью с изменением при необходимости степени приближения.
Электродинамический анализ и оптимизация коаксиального канала герметичного коаксиально-полоскового перехода СРГ-50-751ФВ
В серийном и массовом производстве однотипных деталей экономически выгодно применение специализированного оборудования для изготовления деталей. Оно позволяет за одну настройку станка выполнять несколько операций с высокой скоростью и необходимой точностью.
Для изготовления корпусов, гаек и различных втулок в производстве соединителей применяются шестишпиндельные токарно-фрезерные автоматы. На автоматах выполняются все токарные операции, фрезерование лысок под ключ на корпусах, гайках и втулках, нарезание внутренней резьбы, пробивка отверстий на накидных гайках.
Для изготовления штырей и гнезд используются автоматы продольного точения и фрезеровально-сверлильные агрегатные станки. Точность размеров штырей и гнезд, получаемых на автоматах в первую очередь зависит от качества прутков (проволоки). Поверхность прутков должна быть с чистотой не ниже 3-го класса, без забоин, заусенцев и следов коррозии. Неточность геометрической формы поставляемой проволоки (волнистость, конусность, овальность, граненость) не должна превышать предельных отклонений по диаметрам в партии. Исправление неточности формы проволоки достигается посредством калибровки, волочения или шлифования на бесцентрово-шлифовальном станке. Применяемые в производстве автоматы продольного точения позволяют получить контакты с точностью по диаметру до 0,01-0,015 мм и длине до 0,02 мм. При этом автоматы должны настраиваться на среднюю величину допуска (по среднему диаметру прутков в партии). Автоматы выполняют до пяти последовательных переходов и каждый отдельным резцом.
После выполнения токарных операций дальнейшая обработка контактов осуществляется на фрезеровально-сверлильных агрегатных станках. Агрегатные станки представляют собой шести позиционные автоматы, выполняющие с одной установки центрирование, сверление, фрезеровку, зачистку и другие операции в условиях серийного и массового производства.
Фрезерование ламелей гнезд производится на фрезерных станках с ручной или автоматической подачей инструмента. Для обеспечения стабильного и надежного контакта при фрезеровании ламелей необходимо производить точную настройку станка для исключения несимметричности ламелей и исключения появления трещин в месте концентраций напряжения у основания ламелей.
Основные затраты при изготовлении штырей и гнезд складываются из трудоемкости изготовления, стоимости проволоки и инструмента, а также заработной платы вспомогательных рабочих и ИТР цеха. При этом трудоемкость изготовления гнезд в два и более раза выше, чем при изготовлении штырей. Наиболее трудоемкой операцией при изготовлении гнезд и штырей является сверление отверстий в рабочей или хвостовой части детали.
Одним из наиболее производительным и эффективным является изготовление гнезд методом последовательного протягивания. При таком изготовлении сначала вырубается заготовка в виде полоски из листа бронзы марки БрБ, затем осуществляется ее подрезка для обеспечения точного размера по ширине. Далее лента загибается на всю длину вокруг калиброванного по диаметру отрезка проволоки. Следующей операцией является протягивание проволоки с загнутой вокруг нее лентой через несколько калиброванных отверстий с разными диаметрами. После этой операции получается свернутая трубка с точным наружным и внутренним диаметром. Далее трубка поступает на покрытие серебром. После покрытия производится разрезание трубки в размер для получения гнезд, которые затем поступают на термообработку до необходимой по чертежу твердости. Такой метод изготовления позволяет максимально снизить потери дорогостоящего цветного металла, избежать операций, требующих токарную и фрезерную обработку, получить стабильное контактное усилие гнезда без необходимости изготовления ламелей и их обжимки. Описанным методом изготавливают гнезда миниатюрных соединителей.
Изготовление деталей крепежа соединителей к панелям приборов и плоских деталей заделки кабеля осуществляется методом холодной штамповки из листа или ленты.
Как правило, конструкция изолятора имеет форму цилиндрической шайбы с отверстием для установки центрального контакта или жилы кабеля. Для изготовления изоляторов, как было отмечено ранее, в основном используют полиэтилен и фторопласт-4, а в конструкциях герметичных PC -стекло. Основные физико-механические и диэлектрические свойства полиэтилена и фторопласта приведены в таблице 5.1
Фторопласт-4 обладает отличной механической обрабатываемостью и по этому его изготовление производится методом точения из стержней, изготавливаемых на предприятиях производителях материала. В настоящее время отечественной промышленностью выпускается ряд диаметров стержней позволяющий перекрыть потребности изготовления изоляторов с минимальным отходом материала, что особенно важно из-за высокой стоимости фторопласта. Токарная обработка производится на универсальном токарном оборудовании, которое позволяет с наименьшими затратами получать изоляторы необходимой точности и в нужном объеме. Ранее применявшейся технологией изготовления изоляторов из фторопласта была технология прямого прессования из порошка, но из-за повышенной вредности и взрывоопасности фторопластовой пыли эта технология не нашла применения.
