Введение к работе
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:
-
Разработка математических моделей переходного и установившегося процессов в протяженном кольцевом резонаторе с учетом эффекта Саньяка в импульсном и непрерывном режимах работы генераторов СВЧ-энергии.
-
Разработка программы компьютерного моделирования переходного процесса в кольцевом резонаторе с учетом эффекта Саньяка при произвольном числе генераторов.
-
Исследование характеристик и оценка чувствительности СВЧ-гироскопа в импульсном режиме работы.
-
Разработка конструкции рабочей камеры со стоячей волной технологической установки на основе кольцевого сверхвысокочастотного резонатора.
-
Разработка программы компьютерного моделирования процессов в кольцевом резонаторе технологической установки при произвольном числе генераторов.
-
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.).
-
Показана эффективность использования переходного процесса после окончания импульса возбуждения протяженного кольцевого резонатора для повышения чувствительности СВЧ-гироскопа.
-
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.
-
Методом математического моделирования исследованы особенности переходного процесса при импульсном возбуждении резонатора.
-
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:
-
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.
-
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.
-
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).
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.
Похожие диссертации на Улучшение параметров сверхвысокочастотных устройств с протяженными кольцевыми резонаторами
