Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Метод анализа и математическая модель азимутально-неоднородной спиральной замедляющей системы 13
1.1. Состояние и направления развития методов математического моделирования спиральных замедляющих систем ламп бегущей вол
1.1.1. Приоритетные направления СВЧ-техники и тенденции развития ламп бегущей волны 13
1.1.2. Обзор способов расширения полосы частот спиральной ЛБВ 15
1.1.3. Обзор методов расчета электродинамических характеристик спиральной замедляющей системы 18
1.1.3.1. Численные полевые методы 19
1.1.3.2. Численно-аналитические методы 22
1.1.3.3. Аналитические методы 30
1.2. Метод дискретизации 32
1.2.1. Эквивалентная схема азимутально-неоднородной спиральной ЗС 32
1.2.2. Определение параметров эквивалентной схемы длинной линий 34
1.3. Математические модели спиральной замедляющей системы в цилиндрическом экране и их применение в анализе азимутальнонеоднородной системы 37
1.3.1. Модель Paik 37
1.3.2. Модель Jain, Basu 40
1.3.3. Модель Basu, Sinha 41
1.4. Эффективный радиус спирали 43
1.5. Учет краевой емкости ребра экрана 44
1.6. Сопротивление связи азимутально-неоднородной спиральной ЗС 47
1.7. Сопротивление потерь в спирали и экране 50
1.8. Выходные электродинамические параметры азимутальнонеоднородной спиральной ЗС 52
1.9. Выводы 53
Глава 2. Разработка программы проектирования спиральной замедляющей системы с азимутально-неоднородным экраном 55
2.1. Принципы и преимущества объектно-ориентированного программирования 55
2.2. Visual C++ - характеристика и особенности языка 58
2.3. Общая характеристика программы проектирования спиральной замедляющей системы с азимутально-неоднородным экраном. Входные данные 60
2.4. Структура программы 70
2.5. Вычислительный модуль программы 72
2.6. Выводы 74
Глава 3. Исследование характеристик сверхширокополосных спиральных замедляющих систем с азимутально-неоднородным экраном 75
3.1. Исследование характеристик азимутально-неоднородной спиральной
замедляющей системы 75
3.2. Анализ влияния потерь на характеристики спиральной ЗС 80
3.3. Управление дисперсией в спиральной замедляющей системе с азимутально-неоднородным экраном 85
3.4. Анализ функций чувствительности электродинамических параметров спиральной ЗС 3.5. Выводы 92
Заключение 94
Список использованной литературы
- Приоритетные направления СВЧ-техники и тенденции развития ламп бегущей волны
- Математические модели спиральной замедляющей системы в цилиндрическом экране и их применение в анализе азимутальнонеоднородной системы
- Visual C++ - характеристика и особенности языка
- Управление дисперсией в спиральной замедляющей системе с азимутально-неоднородным экраном
Введение к работе
Лампы бегущей волны (ЛБВ) занимают доминирующее положение на рынке вакуумных приборов СВЧ. Они характеризуются непревзойденным сочетанием мощности, широкополосности и коэффициента усиления при высоком качестве усиления сигнала, поэтому находят широкое применение как усилители мощности в радиолокации, радиопротиводействии, связи и телекоммуникации.
С момента изобретения ЛБВ и по настоящее время постоянно идет процесс совершенствования прибора, стимулом к которому выступают все возрастающие требования со стороны радиотехнических систем, в которых она применяется, и конкуренция с твердотельными приборами и устройствами СВЧ.
Одним из важнейших направлений в этом процессе является создание мощных сверхширокополосных приборов для систем радиопротиводействия, полоса частот которых превышает октаву. Реализовать такую ширину полосы можно только в результате применения спиральной замедляющей системы (ЗС). Однако традиционные конструкции ЗС не позволяют получить близкую к нулевой или аномальную дисперсию фазовой скорости в широкой полосе частот, необходимую для сверхширокополосных ЛБВ. К тому же они имеют небольшую теплорассеивающую способность.
В последнее время предложены новые конструкции, которые характеризуются резко выраженной азимутальной неоднородностью экрана. На отдельных участках металлические элементы конструкции находятся вблизи спирали. В результате удалось обеспечить малую, в том числе аномальную, дисперсию и повысить теплопередачу от спирали к экрану.
В связи с практической необходимостью расчета и оптимизации подобных конструкций возникла потребность в теории, математических моделях и программных средствах автоматизированного проектирования азимутально-неоднородной спиральной замедляющей системы.
Большой вклад в развитие теории спиральной замедляющей системы и создание математических моделей внесли J. R. Pierce, Л. Н. Лошаков, J. Е. Rowe, S. F. Paik, Л. А. Вайнштейн, Р. К. Tien, I. J. Chu, В. П. Сазонов, Р. А. Силин, Ю. Н. Пчельников, В. А. Солнцев, Н. М. Советов, В. N. Basu, Т. Onodera, Г. А. Азов, И. А. Бушуев и другие.
Все известные математические модели, позволяющие рассчитывать электродинамические характеристики замедляющих систем, можно разделить на три группы:
численные полевые модели, основанные на численном решении уравнений электромагнитного поля;
численно-аналитические модели, использующие численные методы и ЭВМ для решения уравнений и вычисления электродинамических параметров ЗС, таких как постоянная распространения и сопротивление связи замедленной электромагнитной волны;
аналитические, представляющие собой явные аналитические выражения параметров ЗС и характеризующиеся, как правило, низкой точностью и малой областью адекватности.
Для азимутально-неоднородной спиральной ЗС наибольший практический интерес представляют первые две группы. Численные полевые модели обладают высокой универсальностью моделирования различных электродинамических систем. На их основе разработаны коммерческие программы, такие как MAFIA, HFSS, Christine и другие. Однако они требуют очень высоких ресурсов ЭВМ и затрат машинного времени для расчета азимутально-неоднородной спиральной ЗС. В связи с этим могут быть применены для решения задачи анализа только на конечном этапе проектирования и не могут быть встроены в программы проектирования пространства взаимодействия ЛБВ.
Известные численно-аналитические модели, реализующие методы дисперсионного уравнения, эквивалентной длинной линии и многопроводной линии, в настоящее время развиты в основном для случая азимутально-
7
однородного экрана, а в случае азимутально-неоднородного экрана находятся в
стадии развития (например, модель Т. Onodera и W. Raub на основе многопро
водной линии). Численно-аналитические модели в отличие от полевых характе
ризуются малыми требованиями к ресурсам ЭВМ, высокой скоростью модели
рования, поэтому могут быть использованы для решения задачи оптимизации и
встроены в программы проектирования пространства взаимодействия.
/ В связи с этим актуальной является задача создания численно-
аналитической математической модели и разработки компьютерной програм-
i мы, которые удовлетворяли бы требованиям проектирования сверхширокопо-
лосных ЛБВ, а также анализа свойств азимутально-неоднородной спиральной
ЗС.
Целью диссертационной работы является разработка системы оперативного математического моделирования азимутально-неоднородной спиральной замедляющей системы лампы бегущей волны, включающей метод анализа, численно-аналитическую модель и программу проектирования, а также исследование влияния параметров конструкции ЗС на её электродинамические характеристики.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:
^ - анализ существующих методов расчета и математических моделей спираль-
ных ЗС с целью определения возможности их применения для моделирования азимутально-неоднородной ЗС;
V» - разработка метода анализа и численно-аналитической математической модели
азимутально-неоднородной спиральной ЗС сверхширокополосной ЛБВ;
разработка программы проектирования азимутально-неоднородной спиральной ЗС;
проверка адекватности предложенных модели и программы на примере ряда конструкций с азимутально-неоднородным экраном;
- анализ влияния различных видов потерь в поглотителе на частотные характе
ристики замедления и затухания;
- исследование возможностей управления дисперсией в ЗС с азимутально-
неоднородным экраном.
При разработке математической модели азимутально-неоднородной спиральной ЗС применены методы и результаты теории замедляющих систем, математического моделирования, численного решения алгебраических уравнений. Разработка программы проектирования осуществлена на алгоритмическом языке объектно-ориентированного программирования Visual C++ 6.0. Для исследования адекватности модели и программы использовались результаты, полученные с помощью современных хметодов экспериментального исследования характеристик спиральных ЗС и стандартной измерительной аппаратуры.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Предложен метод анализа азимутально-неоднородной спиральной замедляющей системы, основанный на использовании дискретизации системы в азимутальной плоскости на однородные участки, физически обоснованной эквивалентной схемы ЗС, эквивалентной длиной линии и модели спирально-проводящего цилиндра в слоистом диэлектрике с экраном для вычисления параметров эквивалентной схемы однородных участков, позволивший разработать математическую модель азимутально-неоднородной спиральной замедляющей системы.
Разработана численно-аналитическая математическая модель азимутально-неоднородной спиральной ЗС, позволяющая адекватно моделировать частотные характеристики замедления, затухания и сопротивления связи в широкой полосе частот для конструкций ЗС с резко выраженной азимутальной неоднородностью экрана.
Разработаны алгоритм и программа проектирования азимутально-неоднородной спиральной ЗС, которая позволяет осуществлять анализ и оптимизацию в интерактивном режиме конструкции ЗС, характеризуется малыми
9 затратами ресурсов ЭВМ и машинного времени, имеет современный удобный для пользователя интерфейс.
4. Проанализирован с помощью предложенной модели ЗС характер
влияния различных видов потерь, в том числе обусловленных применением по
глотителя, на замедление и затухание электромагнитной волны в ЗС. Установ
лено, что увеличение последовательно соединенного с эквивалентной индук-
'/ тивностью сопротивления или параллельной эквивалентной емкости проводи-
мости вызывает рост замедления и затухания, в то время как с увеличением по-
.ч следовательно соединенной с емкостью сопротивления или параллельной ин-
дуктивности проводимости наблюдается снижение замедления, а затухание имеет максимум. При фиксированной величине одного из диссипативных параметров и нулевых значениях остальных с увеличением частоты наблюдается снижение замедления и рост затухания.
5. Сформулировано условие достижения аномальной дисперсии в
азимутально-неоднородной ЗС. Показано, что увеличение емкости ребер за счет
их приближения к спирали или введения диэлектрика над ребром приводит к
увеличению аномальной дисперсии.
Практическая значимость работы состоит в создании программы проек
тирования азимутально-неоднородной спиральной ЗС, позволяющей осуществ-
»? лять анализ и оптимизацию конструкции системы, в результате чего повышает-
ся качество, сокращаются сроки и стоимость проектирования. Результаты ана
лиза различных видов потерь в замедляющей системе на ее характеристики и
>» сформулированное условие достижения аномальной дисперсии расширяют
представления о свойствах спиральной ЗС, что позволяет целенаправленно использовать их в практике проектирования.
Достоверность теоретических результатов обеспечивается фундаментальностью исходных уравнений и законов, корректностью используемых методов и результатов теории замедляющих систем и лампы бегущей волны, обоснованностью упрощающих допущений и соответствием результатов расчетов по
10 предложенной модели эксперименту, а там, где это возможно, данным, полученным другими теоретическими методами. Достоверность экспериментальных результатов обеспечена применением современных методик и измерительной аппаратуры.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Метод анализа азимутально-неоднородной спиральной замедляю-
17 щей системы, основанный на использовании дискретизации системы в азиму
тальной плоскости на однородные участки, нахождении с помощью модели
fs спирально-проводящего „„линдра в диэлеорике с экраном параметров эквива-
лентной схемы отдельных участков, с последующим переходом к эквивалентной длинной линии, позволяет разработать численно-аналитическую модель азимутально-неоднородной спиральной замедляющей системы.
Численно-аналитическая математическая модель азимутально-неоднородной спиральной замедляющей системы, учитывающая основные геометрические и физические параметры конструкции, позволяет адекватно моделировать частотные характеристики замедления, затухания и сопротивления связи в широкой полосе частот.
Программа проектирования азимутально-неоднородной спиральной замедляющей системы, в которой реализована разработанная численно-
> аналитическая модель, позволяет при малых затратах ресурсов ЭВМ и машин-
ного времени осуществлять в интерактивном режиме анализ и оптимизацию
конструкции замедляющей системы с точностью, достаточной для проектиро-
>} вания.
4. Увеличение последовательно соединенного с эквивалентной индук
тивностью сопротивления или параллельной эквивалентной емкости проводи
мости вызывает рост замедления и затухания, в то время как с увеличением по
следовательно соединенной с емкостью сопротивления или параллельной ин
дуктивности проводимости происходит уменьшение замедления, а затухание
имеет максимум. При фиксированной величине одного из диссипативных па-
раметров и нулевых значениях остальных с увеличением частоты происходит снижение замедления и рост затухания.
5. Увеличение емкости ребер азимутально-неоднородной спиральной замедляющей системы за счет их приближения к спирали или введения диэлектрика над ребром приводит к увеличению аномальной дисперсии.
Результаты работы использованы на кафедре «Электротехника и электро-
)f ника» СГТУ при выполнении госбюджетной НИР по проблеме 05В.02Н1. Про-
грамма проектирования внедрена в учебном процессе на кафедре «Электрон-
,\ ные приборы и устройства» при изучении спецкурса «Компьютерное модели-
рование ЭВП с длительным взаимодействием». Результаты работы используются в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах, проводимых в НПЦ «Электронные системы» ФГУП «НПП «Алмаз».
Основные научные результаты работы обсуждались и докладывались на следующих конференциях: научно-технической конференции "Перспективы развития электроники и вакуумной техники на период 2001-2006 гг." (ФГУП "НПП "Контакт", Саратов, 2001), научно-технической конференции "Электронные приборы и устройства СВЧ " (ФГУП "НПП "Алмаз", Саратов, 2001), Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения (АЛЭП)" (Саратов, 2002, 2004), Международ-
^ ной научно-технической конференции "Перспективные направления развития
электронного приборостроения" (Саратов, 2003), на семинаре по проблеме "Качество дополнительного профессионального образования научно-
">) педагогических работников ВУЗов" (Саратов, 2003), научно-технической кон-
ференции молодых специалистов (Саратов, 2004), Международной научно-технической конференции "Радиотехника и связь" (Саратов, 2004), III межвузовской студенческой научно-практической конференции (Саратов, 2004), а также на научных семинарах кафедры "Электротехника и электроника" СГТУ. Диссертация состоит из трех глав с выводами, заключения и приложения.
В первой главе проведен анализ известных методов расчета и математических моделей спиральной замедляющей системы с точки зрения возможности их использования для анализа азимутально-неоднородной ЗС и осуществлен выбор направления исследования. Предложен метод построения и получена математическая модель азимутально-неоднородной ЗС.
Во второй главе описаны разработанные на основании вышеизложенной численно-аналитической модели алгоритм и программа проектирования спиральной ЗС с азимутально-неоднородным экраном. В результате расчета по программе определяются частотные характеристики коэффициентов замедления и затухания электромагнитной волны, усредненного по сечению электронного потока сопротивления связи, модуля и фазы волнового сопротивления, приведенного радиуса спирали, а также функций чувствительности замедления, затухания и сопротивления связи по среднему радиусу спирали и шагу спирали.
В третьей главе приводятся результаты анализа свойств азимутально-неоднородной спиральной замедляющей системы.
В заключении формулируются основные выводы и результаты диссертационной работы.
В приложении приведены текст программы проектирования азимутально-неоднородной ЗС SWSI, акт внедрения результатов диссертации в учебный процесс и акт об использовании результатов диссертации в НПЦ "Электронные системы" ФГУП "НПП "Алмаз".
Приоритетные направления СВЧ-техники и тенденции развития ламп бегущей волны
За последние 10-15 лет в мировой радиоэлектронике значительно расширились области применения СВЧ-техники. Наряду с традиционными применениями, связанными с радиолокационными станциями (РЛС) военного и гражданского назначения, системами радиоэлектронного противодействия (РЭП), ракетами с активными головками самонаведения, аналоговыми системами связи, появились цифровые системы связи, локальные (LDMS) и распределительные системы связи, аппаратура с кодовым разделением каналов (CDMA), мобильные телефоны, разнообразные локационные датчики для транспортных средств и многое другое.
Выполнение комплекса современных требований возможно лишь при условии создания новых поколений электронной СВЧ-техники и, в первую очередь, в области мощных электровакуумных приборов. Это фундаментальное направление СВЧ-техники остается определяющим в дальнейшем развитии современной радиоэлектроники [1].
Наследие техники электровакуумных приборов бесценно, и она продолжает развиваться с появлением стремительно прогрессирующего современного программного обеспечения, новых материалов, оригинальных электромагнит ных систем, новых конструктивных решений, обеспечивающих рекордные уровни параметров и надежности.
Продолжается динамичное совершенствование спиральных ламп бегущей волны. Они служат основой для построения аппаратуры широкополосных сис тем связи и радиоэлектронной борьбы. Спиральная ЛБВ стала ключевым СВЧ компонентом для быстро развивающихся коммерческих телекоммуникацион Р ных применений и бортовых спутниковых передатчиков.
Современная пакетированная ЛБВ с массой около 1 кг имеет средние л мощности от десятков до сотен ватт при усилении 50-60 дБ и общем КПД более 70%. ЛБВ доминируют на современном рынке СВЧ техники не только из-за уникальности уже достигнутых на сегодня характеристик, но и из-за постоянного совершенствования.
Одним из основополагающих направлений в базовых микроволновых технологиях, обеспечивающих быстрый прогресс СВЧ-приборов и создание принципиально новых конструкций, является стремительно прогрессирующее математическое моделирование на ЭВМ, используемое для исследования и проектирования приборов.
Улучшение параметров любого СВЧ прибора, в том числе ЛБВ, в значи тельной степени связано с развитием его теории, и в частности, с совершенст у вованием методов математического моделирования всего комплекса физиче ских процессов, протекающих в приборе [2]. Лампа бегущей волны является наукоемким прибором, в котором происходят сложные физические процессы.
При современном уровне развития вычислительной техники невозможно ис следовать эти процессы в их полной взаимосвязи, что заставляет применить принцип декомпозиции прибора на основные функциональные узлы, такие как: замедляющая система с вводом и выводом энергии, пространство взаимодействия электромагнитной волны с электронным потоком, электронно-оптическая система (ЭОС), магнитная фокусирующая система (МФС), многоступенчатый коллектор и система охлаждения, и проводить их поэтапное проектирование
Даже при отдельном рассмотрении каждого из этих узлов моделирование физических процессов в них представляет сложную математическую задачу.
Одним из направлений совершенствования параметров ЛБВ является расширение полосы усиливаемых частот. Как известно, полоса усиления ЛБВ «v ограничивается следующими основными факторами: рабочим диапазоном час тот устройств ввода и вывода усиливаемого сигнала, неодинаковой эффективностью взаимодействия пучка с полем волны на различных частотах и зависимостью фазовой скорости волны в замедляющей системе от частоты - дисперсией, приводящей к нарушению условия фазового синхронизма. В значительной степени полоса определяется наклоном дисперсионной характеристики ЗС: чем меньше наклон, тем большая полоса может быть получена без изменения скорости электронов, т.е. без перестройки режима. Различают нормальную дисперсию, при которой фазовая скорость уменьшается с ростом частоты, и аномальную - при которой она увеличивается.
Спиральная замедляющая система классической конструкции, исполь зуемая в ЛБВ, обычно имеет нормальную дисперсию в рабочей полосе частот. Vх В работе [4] проанализированы несколько способов расширения полосы частот ЛБВ:
1) применение тонкого кольцевого пучка, близко проходящего к поверх ности спирали, однако сложность формирования и фокусировки таких пучков, а также резкое увеличение уровня второй гармоники ограничили возможность их применения.
2) Экранировка путем приближения к спирали металлического экрана, которая сопровождается существенным уменьшением усиления и коэффициента полезного действия. Чем ближе экран к спирали, тем больше оттягивают на водимые на экране заряды и токи поле каждого витка к экрану, уменьшая тем самым продольное поле между ними. В этом случае снижается сопротивление связи в диапазоне частот и, соответственно, падает эффективность взаимодействия замедленной электромагнитной волны с электронным потоком.
3) Коррекция дисперсионной характеристики с помощью диэлектрика. При определенной конфигурации диэлектрических опор в поперечном сечении дисперсионная характеристика может быть практически горизонтальной в широком диапазоне частот. Однако, их сложно реализовать на практике.
4) Применение продольно-проводящего экрана, который может быть выполнен в виде продольных полосок, размещенных снаружи спирали. Необходимая коррекция при .меньшем влиянии на абсолютное значение замедления может быть получена в случае более узких полосок, удаленных на большее расстояние от спирали [5]. Уменьшение сопротивления связи в случае продольно-проводящего экрана почти такое же, как и в случае изотропно-проводящего, а коррекция - гораздо больше. Однако наличие дополнительных проводников делает возможным распространение быстрых волн и, следовательно, увеличивает опасность паразитной генерации.
Математические модели спиральной замедляющей системы в цилиндрическом экране и их применение в анализе азимутальнонеоднородной системы
Эквивалентная погонная ёмкость С„ [26] возмущается ребром. Для учета этого возмущения введен коэффициент экранировки электрического поля кэп. Он уменьшает фактический радиус экрана для электрического поля.
Распространение электрического поля в спиральной ЗС с металлокерами-ческими опорами наглядно демонстрирует картина эквипотенциальных линий, построенная для квазистатического электрического поля, представленная на
Картина эквипотенциальных линий квазистатического электрического поля спиральной ЗС с металлокерамическими опорами
Коэффициент кэп характеризует уменьшение глубины проникновения электрического поля в паз между металлическими рёбрами, которое вызывает смещение дисперсионной характеристики в сторону больших замедлений и увеличение аномальной дисперсии.
С целью расширения возможностей анализа различных конструкций ЗС, в которых используются диэлектрические поддерживающие стержни с попереч 40 ными сечениями, отличающимися от секторов, были рассмотрены еще две математические модели. В отличие от модели Paik в них спираль окружена кольцеобразными слоями диэлектрика с различной диэлектрической проницаемостью. Это позволяет, используя метод усреднения, анализировать диэлектрические опоры различной формы в поперечном сечении и учесть отсутствие диэлектрика между витками спирали.
В модели Jain, Basu [33] в отличие от модели Paik учтена конечная толщина проволоки спирали в виде свободного пространства между спирально-проводящим цилиндром и диэлектрическими опорными стержнями (рис. 1.7). средний радиус спирали, b — внешний радиус спирали, который соответствует радиусу внутренней поверхности диэлектрической трубки, гп - радиус наружной металлической оболочки.
Поскольку диэлектрик не влияет на магнитное поле, значение погонной индуктивности остается неизменным и определяется приведенной выше формулой (1.9).
Модель Basu, Sinha Модель Basu, Sinha [31] с многослойным диэлектриком (рис. 1.8) позволяет лучше учитывать влияние неоднородной нагрузки, вносимой диэлектрическими стержнями. Она основана на однородном "размазывании" материала реального диэлектрика опор по цилиндрическим слоям. Расчет эквивалентной погонной ёмкости происходит по рекуррентным формулам от последнего слоя к первому.
В этом случае выражение для вычисления частичной ёмкости сектора имеет следующий вид: Приведенные выше формулы были получены для модели спирально-проводящего цилиндра. 1.4. Эффективный радиус спирали
Точность вычислений может быть повышена путём перехода от среднего к эффективному радиусу спирально-проводящего цилиндра [35], что позволяет учесть влияние толщины ленточной спирали и близости к ней экрана, не учитываемых в обычной модели СПІД [37].
Результаты проведенных расчетов дисперсионной характеристики для широкополосных ЛБВ сантиметрового диапазона показали, что точность существенно зависит от выбора расположения поверхности спирально-проводящего цилиндра. Расположение СПЦ на среднем радиусе спирального проводника не всегда дает адекватные результаты, особенно при приближении поверхности металлического экрана к спирали, что имеет место при металлокерамических опорах. Поэтому для определения оптимального места расположения поверхности СПІД в предлагаемой численно-аналитической модели используется понятие эффективного радиуса спирали.
Visual C++ - характеристика и особенности языка
Visual C++ - один из наиболее полных и совершенных продуктов, предна значенных для разработки программного обеспечения. Это высокоскоростная и удобная для программирования система, предлагающая широкий набор разно образных инструментов проектирования для любого стиля программирования [44].
Visual C++ представляет собой мощный и сложный инструмент для создания 32 - разрядных приложений Windows [47]. Эти приложения намного превосходят как по объему, так и по сложности своих предшественников для 16-разрядных версий Windows и еще более старые программы, которые обходились без графического интерфейса. Но, несмотря на то, что объем и сложность программ увеличиваются, для их создания требуется не больше, а меньше усилий, если правильно выбирать инструментальные средства.
Именно таким инструментом является Visual C++. Оснащенный набором различных инструментов, формирующих программный код, этот продукт по зволяет в считанные минуты создавать вполне работоспособные приложения Windows. Включенная в состав Visual C++ библиотека классов Microsoft Foun / ч dation Classes (MFC) уже стала фактически стандартом для разработчиков ком пиляторов на языке C++ [47]. Визуальные средства разработки интерфейса значительно упрощают процесс компоновки разнообразных меню и диалоговых окон.
Microsoft Visual C++ является одним из компонентов Microsoft Visual Studio и предоставляет интегрированную среду разработки, в которой можно писать и запускать программы. Возможности этого программного продукта широки, что позволяет решать целый комплекс задач, не выходя за рамки этой среды: - формировать заготовки приложений без написания текстов программ; - просматривать проект несколькими различными способами; - редактировать файлы заголовков и текстов программ; - наличие многочисленных вспомогательных инструментов, таких как редактор меню, или специального редактора для графического проектирования диалоговых окон позволяет формировать визуальный графический интерфейс приложения; - компилировать и компоновать программы; - отлаживать приложение в процессе его выполнения; - использовать библиотеки классов MFC - пакета, состоящего из заранее написанного и готового к работе кода.
Компилятор Microsoft Visual C++ обладает наивысшими показателями по скорости выполняемого кода, причем довольно значительно превосходит по этому параметру другие компиляторы [48], следовательно, является наиболее мощным инструментом при создании качественных и быстродействующих научно-технических программ.
Поэтому для разработки программы проектирования спиральной замед 1 ляющей системы с азимутально-неоднородным экраном был выбран язык про . граммирования Microsoft Visual C++, обладающий наивысшими показателями по качеству генерируемого кода: - малым объемом выполняемого файла; - высокой скоростью работы откомпилированных программ. 2.3. Общая характеристика программы проектирования спиральной замедляющей системы с азимутально-неоднородным экраном. Входные данные
Большое разнообразие конструкций замедляющих систем мощных сверхширокополосных ЛБВ требует универсального подхода к расчёту её ос k новных выходных электродинамических параметров. Разработанная численно аналитическая модель предоставляет такие возможности. Она реализована в программе SWSI{Slow-Wave Structure with the azimuth-Inhomogeneous shield) [37, 49, 50, 51], которая позволяет осуществлять анализ и оптимизацию в интерактивном режиме конструкции ЗС, в результате чего повышается качество, сокращаются сроки и стоимость проектирования.
В результате расчета определяются частотные характеристики коэффициента замедления и затухания электромагнитной волны, усредненного по сечению электронного потока сопротивления связи, волнового сопротивления и его фазы, приведенного радиуса спирали. Кроме того, программа позволяет рассчитывать функции чувствительности выходных параметров (замедления, сопротивления связи и затухания) по конструктивным параметрам спиральной ЗС (шагу и радиусу спирали).
Разработанная программа предъявляет минимальные требования к ресур сам ЭВМ при незначительных затратах машинного времени.
Для установки и нормального функционирования программы SWSI требуются следующие технические показатели: - IBM совместимый компьютер с процессором не ниже Pentium —100; - объем памяти на жестком диске не менее 3 Мб; - операционная система WINDOWS 95/98/NT/2000/XP; - минимальное разрешение монитора 800 х 600; - объем оперативной памяти не менее 16 Мб.
Управление дисперсией в спиральной замедляющей системе с азимутально-неоднородным экраном
Разработка сверхширокополосных ЛБВ, обладающих высокой идентичностью фазовых и амплитудных характеристик от прибора к прибору, потребовала более глубокого изучения влияния потерь в поглотителе на характеристики спиральной ЗС. Электродинамический полевой анализ влияния потерь на замедление и затухание электромагнитной волны для реальных конструкций поглотителя представляет значительные сложности и, как правило, сопровож дается существенной идеализацией. Кроме того, из-за пространственно /.. интегрального характера полевого решения затруднена интерпретация влияния разных по виду потерь на характеристики ЗС. Этой проблеме было посвящено достаточно много работ, однако, приведённые в них результаты часто противоречат друг другу [58].
Разработанная численно-аналитическая модель, основанная на эквивалентных схемах, предоставляет новые возможности для такого исследования [59]. Для дальнейшего анализа осуществим нормировку параметров элементов схемы относительно параметров длинной линии без потерь [59].
В длинной линии без потерь (ro go-O) распределённые параметры L0 и С0 могут быть выражены через коэффициент замедления Кзо и волновое сопротивление ZBO . где с - скорость света. Положим, что в линии с потерями L=Lni и С-СБП, т.е. они определяются значениями Кзо и ZB0. Приведём к нормированному виду остальные параметры эквивалентной схемы ЗС (рис. 1.3, б):
Анализ полученных зависимостей свидетельствует об идентичном характере влияния пар диссипативных элементов rL и gc, а также гс и g L на характеристики ЗС (соответствующие им кривые совпадают друг с другом).
Увеличение значений rL и gc вызывает рост замедления и затухания. В то время как с ростом значений гс и gL наблюдается уменьшение замедления, а t# затухание имеет максимум.
Параметры эквивалентной схемы допускают простое физическое истолкование. Параметр rL представляет собой сопротивление, последовательное индуктивности спирали, и характеризует потери в ней. Его величина, как правило, невелика. Параметр gc описывает проводимость поглотителя от спирали к экрану. Его значение определяется конструкцией поглотителя и параметрами поглощающей пленки. Величина гс характеризует потери в материале диэлектрика, которые обычно малы. Межвитковая проводимость g L определяется конструкцией поглотителя.
Таким образом, параметры gc и gL, определяемые поглотителем, по разному влияют на затухание и замедление. Выбирая конструкцию поглотителя и параметры пленки, можно управлять характеристиками ЗС. На рис. 3.6 представлены частотные зависимости коэффициентов замед ления Кз и затухания Ь[дБ/м] при фиксированном значении одного из парамет ров и нулевых значениях остальных параметров диссипативных элементов эк Бивалентной схемы: r c,gL,r L,gc- Расчёты также проводились для ZBo 100 Ом пК30=10.
Частотные зависимости имеют монотонный характер: с увеличением частоты наблюдается снижение замедления и рост затухания. Влияние gL и гс сказывается только в области высоких частот, когда они начинают влиять на величины продольного комплексного сопротивления и поперечной комплексной проводимости длинной линии. Таким образом, установлено, что различные по характеру виды потерь, во-первых, могут быть сгруппированы по своему влиянию на характеристики ЗС в пары, во-вторых, их влияние на замедление и затухание различно и, в третьих, все виды потерь вызывают уменьшение замедления с частотой, т.е. их влияние носит аномальный характер.
Создание спиральных ЗС с требуемым видом дисперсионной характеристики является актуальной задачей при проектировании сверхширокополосных ЛБВ. В связи с этим представляет интерес анализ возможностей управления дисперсионной характеристикой путем выбора геометрии окружающих спираль элементов экрана и диэлектрических стержней.
