Введение к работе
Актуальность работы.
Закрепившиеся на большинстве предприятий традиционные циклы разработки изделий включают в себя этапы настройки и макетирования. В частности к таким изделиям относятся Е плоскостные волноводные устройства (многоканальные делителе мощности ФАР наземных РЛС, прие-мо-передающие тракты диплексеров и поляризационных селекторов, ре-жекторные фильтры). Использование данных этапов в разработке существенно увеличивает стоимость и время производства.
Диссертационная работа посвящена проблеме создания математических моделей и методов машинного проектирования волноводных Е плоскостных устройств и систем, позволяющих проводить их разработку исключая этапы макетирования и настройки.
Конечно, в настоящее время существует программное обеспечение для машинного проектирования волноводных структур.
Но среди научно-технических проблемы и задач, которые приводят к необходимости исследования процессов распространения и рассеяния электромагнитных волн Е-поляризации одной из актуальных задач является осуществление рефлектометрической диагностики плазмы в проектируемой установке ITER и исследование плазмы в установках типа ТОКАМАК. Пример подобной структуры представлен на рис. 1. Следует так же отметить, что задача о распространении и рассеянии электромагнитных волн от неоднородных плазменных образований является актуальной темой научных исследований, которые стимулируются и естественным развитием разделов фундаментальной физики (физика плазмы, распространение радиоволн в ионосфере, космической плазме и др.), и разнообразными техническими приложениями. Существующие ранее разработанные решения подобных задач во временной области не проработаны. В
связи с этим и возникла необходимость разработки методики формирования эффективных алгоритмов двумерного электродинамического анализа во временной области для неоднородной подмагниченной плазмы и Е-плоскостных волноводных систем.
Рис. 1. Пример структуры, анализ которой может быть сведен к планарной
задаче.
На рисунке показано сечение тора, внутри которого диэлектрическую проницаемость будем считать функцией координат х и у. Система возбуждается волноводными рупорами. Стрелками показано возможное вращение вещества.
При электродинамическом анализе плазмы существует два типа задач: 1) обыкновенная волна (o-mode) или задача для //-поляризации -электрическая компонента при этом направлена вдоль внешнего магнитного поля, поэтому в данном случае внешнее магнитное поле не оказывает влияния на электромагнитную волну; 2) необыкновенная волна (x-mode) или задача Е поляризации - напряженность магнитного поля электромагнитной волны совпадает с направлением внешнего магнитного поля, а вектор напряженности электрического поля лежит в плоскости перпендикулярной внешнему магнитному полю.
Методика анализа для волн Н-поляризации была разработана, и в настоящее время требуется развитие методики анализа распространения и рассеяния электромагнитных волн Е-поляризации.
В проектируемой установке ITER размер области плазменного шнура гораздо больше - и приходится анализировать область 100 на 150 длин волн.
Кроме этого изменяется характер распределения концентрации электронов - плазменный шнур становится менее размытым - его границы более крутые. В результате чего при работе на обыкновенной моде получается достаточно плохое разрешение между различными частотами и турбулентности становятся практически не различимыми. Поэтому в установке ITER возникает необходимость проводить диагностику на необыкновенной волне или х-моде.
Возбуждающий рупор представляет из себя Е-плоскостную волно-водную систему т.к. изменение его геометрии происходит в плоскости вектора напряженности электрического поля. Следовательно, для решения прямой электродинамической задачи анализа заданной системы необходимо решить две задачи:
анализ Е-плоскостных волноводных устройств;
анализ рассеяния необыкновенной волны от неоднородной под-магниченной плазмы.
Необходимо, чтобы методика анализа Е-плоскостных волноводных трактов и методика анализа рассеяния необыкновенной волны от подмаг-ниченной плазмы решались в едином комплексе, что требуется при реф-лектометрической диагностике термоядерных установок.
Цель работы и задачи исследований.
Целью диссертационной работы является создание эффективных алгоритмов, позволяющих создавать программы анализа исследуемых пла-нарных структур (рис. 1).
Для достижения поставленной в диссертационной работе цели поставлены и решены следующие задачи и исследования:
Создана методики анализа и синтеза Е-плоскостных волноводных структур во временной области на основе метода RLC и Rt-сеток при использовании эффективных процедур ранее разработанных для решения Н систем.
Развита методика рефлектометрической диагностики подмагниченной плазмы необыкновенной волной.
Основные методы исследований.
При решении поставленных задач использовались принципы системного подхода, электродинамика, теория цепей, методы математического моделирования, численные методы и экспериментальные исследования.
Научная новизна работы.
В работе выдвинуты и теоретически обоснованы следующие принципиально новые научные положения:
Обоснована методика анализа Е-плоскостных волноводных устройств во временной области на основе решения Н-плоскостных задач при равенстве критической частоты волновода для волн Ню и плазменной частоты.
Разработан и обоснован алгоритм 20-электродинамического анализа неоднородной подмагниченной плазмы для волн Е-поляризации во временной области.
Научные положения, выносимые на защиту:
Алгоритмы электродинамического анализа Е-плоскостных волно-водных устройств во временной области.
Алгоритмы электродинамического анализа рассеяния волн Е поляризации (необыкновенной волны) от неоднородной подмагниченной плазмы во временной области.
Обоснованность и достоверность результатов.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, подтверждается:
использованием теоретически обоснованного и достаточно широко ранее апробированного метода импедансных сеток,
соответствием полученных результатов фундаментальным физическим принципам (таким как закон сохранения энергии, не превышение групповой скоростью волнового пакета скорости света в вакууме),
совпадением экспериментальных данных с теоретическими.
Практическая ценность.
Предложенный алгоритм анализа рассеяния необыкновенной волны от неоднородной подмагниченной плазмы во временной области необходим при решении задач двумерного электродинамического анализа подмагниченной плазмы, которые возникают при решении вопросов связанных с проведением рефлектометрической диагностики в термоядерных установках типа ТОКАМАК и ITER.
Рассмотренная в диссертации методика решения Е-плоскостных волноводных задач во временной области, позволяет создавать эффективные программы для анализа планарных структур, которые позволили снизить требования к оперативной памяти, повысить быстродействие и увеличить точность расчета.
Апробация работы.
Результаты работы, изложенные в настоящей диссертации, были доложены на следующих конференциях:
Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов, 19-28 февраля 2001 г., Московский Государственный Институт Электроники и Математики, Москва, Россия;
Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов, Московский Государственный Институт Электроники и Математики, Москва, Россия - 2002;
Всероссийская научно-техническая конференция "Излучение и рассеяние электромагнитных волн", Россия, Таганрог - 2003;
International Conference on Antenna Theory and Techniques, Sevastopol, Ukraine, September 9-12, 2003;
Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов, Московский Государственный Институт Электроники и Математики, Москва, Россия - 2003;
XIV Международная Крымская Микроволновая конференция "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии", Севастополь, Украина, 13-16 сентября 2004 г.;
Всероссийская научно-техническая конференция "Излучение и рассеяние электромагнитных волн", Россия, Таганрог - 2005;
International conference Mathematical Methods in Electromagnetic Theory, Sept. 10-13 2002, Kiev, Ukraine;
12th International Conference on Microwave & Telecommunication Technology, Sevastopol, Ukraine, on September, 9-13, 2002;
10.International Conference on Antenna Theory and Techniques, Sevastopol, Ukraine, September 9-12, 2003;
11.10-th International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory, Dnepropetrovsk, Ukraine, September 14-17, 2004;
12.Семинар-круглый стол Европейского Космического Агентства на выставке МАКС-2005, 16.08-21.08 2005, Жуковский, ЛИИ им. М.М.Громова;
13.XXIX академические чтения по космонавтике «Актуальные проблемы развития отечественной космонавтики», Москва январь 2005г. Содержание диссертации было представлено также на следующих конференциях:
10th Conference on Complex Media and Metamaterials, Gent, Belgium, June, 2004;
28th ESA Antenna Workshop on Space Antenna Systems and Technologies, ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, 31 May-3 June 2005;
XXX академические чтения по космонавтике «Актуальные проблемы российской космонавтики», Москва январь 2006г.
Реализация и внедрение результатов работы.
Результаты диссертационной работы были использованы при проектировании Е-плоскостных режекторных фильтров и вспомогательных устройств диплексера антенно-в о лнов одного СВЧ тракта станций «Индия».
Рассмотренные в диссертации методики топологического синтеза балансных Е-делителей и 96 канальной системы деления мощности для ФАР применялись при модернизации перспективной РЛС.
Рассмотренная в работе методика анализа Е-плоскостных волновод-ных устройств во временной области внедрена в учебный процесс (лабораторные работы) на кафедре РТУиС Московского Государственного института электроники и математики.
Предложенный 4-х параметрический алгоритм анализа необыкновенной волной в 2D Е-системе используется при разработке программного обеспечения для исследования неоднородной подмагниченной плазмы в устройствах ТОКАМАКи ITER.
Публикации.
Научные и практические результаты диссертационной работы отражены в 16 опубликованных основных печатных работах, в том числе: в журналах «Радиотехника и электроника» и «Радиотехнические тетради», в главе монографии «Электродинамический анализ двумерных неоднородных сред и плазмы», в сборнике научных трудов НПО им. С.А. Лавочкина, в методических указаниях к лабораторным работам, выпущенных на кафедре РТУиС Московского Государственного Института Электроники и Математики.
Объем и структура диссертации.
Работа состоит из 8 глав (первая глава - введение, восьмая глава -заключение), содержит 149 страниц основного текста, 7 страниц списка литературы (69 наименований), 102 рисунка, 5 таблиц, 97 страниц приложений, содержащих 4 акта внедрения результатов диссертационной работы.
