Введение к работе
Актуальность темы. Одной из тенденций развития радиотехники на современном этапе является интенсивное освоение диапазонов УВЧ и СВЧ. Данная тенденция обусловлена качественно новыми возможностями этих диапазонов. Соизмеримость длины волны с размерами физических объектов приводит к появлению принципиально новых свойств излучения. Повышение несущеіі частоты до диапазонов УВЧ и СВЧ в принципе расширяет пропускную способность канала связи, чего требуют растущие объемы передаваемой информации. В связи с большими успехами в области схемотехники устройстз все больший вклад в стоимость передачи информации вносят направляющие системы. Поэтому особую роль приобретает задача более эффективного использования существующих линий передачи (ЛП).
Явление высокоэффективного поглощения электромагнитного поля (ЭМП) веществом применяется в печах диэлектрического нагрева. Диэлектрический нагрев - одно из перспективных направлений электротермии. ЭМП является единственным в природе энергоносителем, способным проникать в неметаллическую среду и практически мгновенно рассеиваться в объеме среды.
Использование микроволн при данном виде нагрева ставит перед инженерами радиотехнические проблемы разработки и оптимизации трактов распространения электромагнитных волн (ЭМВ). Успешное разрешение проблем минимизации отраженной волны и повышения равномерности распределения ЭМП в объекте обработки повышает эффективность микроволновых печей.
Характерной особенностью УВЧ и СВЧ схемотехники на современном этапе является тенденция к созданию интегрированных конструкций, объединяющих десятки и сотни узлов без промежуточных разъемов. Такие конструкции решают актуальные задачи миниатюризации радиоаппаратуры и увеличения ее надежности. Преимущества интегрированных конструкций раскрываются только при наличии возможности расчета сложных устройства с повышенной точностью, исключающей необходимость экспериментальных проверок.
Однако УВЧ и СВЧ диапазоны имеют свои отличительные особенности. Проявление волнового характера ЭМП существенно усложняет математическое описание моделей элементов, поскольку в общем случае необходим анализ ЭМП в пространстве и времени.
Существенный рост быстродействия современной вычислительной техники и стремительное развитие средств программирования позволяет на современном этапе увеличить скорость и качество проектирования, повысить точность математических моделей. Это позволяет максимально автоматизировать процесс проектирования. Для решения данной задачи разработаны и разрабатываются системы автоматизированного проектирования (САПР).
Цель работы. Исследование и разработка методов и средств проектирования устройств и каналов передачи сигналов УВЧ диапазона, позволяющие минимизировать вычислительные затраты и создавать эффективные САПР, что даст возможность проводить качественный анализ существующих, а также разработку и оптимизацию новых устройств. Разработка устройств микроволнового
го диапазона для диэлектрического нагрева и трактов распространения импульсных сигналов сверхбыстродействующих изделий радиотехники.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих радиотехнических и электродинамических задач.
-
Исследование существующих методов и средств проектирования устройств УВЧ и СВЧ диапазонов, выбор методов с минимальными вычислительными затратами, что позволит создавать эффективные САПР.
-
Анализ электродинамических проблем диэлектрического нагрева. Исследование существующих и разработка новых устройств микроволнового нагрева, в которых недостатки существующих устройств минимизированы.
-
Исследование моделей ЛП Т-волны и методов анализа распространения импульсных сигналов в ЛП, уточнение существующих моделей. Поиск универсальных методов анализа распространения сигналов в нагруженных ЛП.
4. Экспериментальная проверка полученных теоретических выводов.
Разработка устройств, реализующих предложенные методы.
Методы исследования. В диссертационной работе проведены исследования с использованием методов электродинамики, линейной алгебры, операционного и интегрального исчисления, теории длинных линий, теории функций комплексного переменного, теории радиотехнических цепей и сигналов.
Научная новизна. Новыми являются следующие результаты работы.
-
Метод проектирования систем распределения энергии многоканальных микроволновых печей (МВП) с минимальным КСВ на вькоде генератора на базе делителей мощности с компенсирующим удлинением плеч.
-
Результаты анализа ЭМП в рабочей камере (РК) мощной МВП, которое получается сложением двух ЭМВ с различающимися частотами.
-
Результаты анализа переходного процесса в ЛП Т-волны с помощью эквивалента отрезка ЛП на элементах с сосредоточенными параметрами.
-
Формулы обратного преобразования Лапласа, дополняющие существующие таблицы обращения иррациональных функций.
-
Результаты анализа точности расчета временных характеристик согласованных ЛП, полученных с помощью аппроксимаций в частотной области.
-
Метод анализа распространения импульсных сигналов в двусвязных ЛП с помощью численного обращения преобразования Лапласа на основе квадратурных формул наивысшей степени точности.
Практическая ценность работы.
-
Разработанная САПР позволяет при удобном интерфейсе проводить автоматизированный анализ устройств УВЧ и СВЧ диапазонов, что позволяет повысить скорость, точность и качество проектирования.
-
Разработанный метод проектирования систем распределения энергии многоканальных МВП позволяет получать минимальный коэффициент стоячей волны (КСВ) на выходе генератора при произвольных нагрузках.
-
Результаты анализа распределения ЭМП в РК МВП, полученного сложением двух ЭМВ с различающимися частотами, позволяют создавать МВП с
лучшей равномерностью распределения энергии в РК, что в ряде случаев позволяет отказаться от применения механически подвижных соединений.
-
Предложенный датчик ЭМП позволяет обнаруживать микроволны утечки из РК МВП, что позволяет обезопасить обслуживающий персонал.
-
Метод и результаты анализа распространения импульсных сигналов в ЛП Т-волны могут быть использованы при проектировании линий задержки высокой точности на отрезках передающей линии, а также могут быть учтены в системах автоматизированного контроля УВЧ и СВЧ диапазонов.
Реализация и внедрение результатов исследований.
Результаты исследований использованы в учебном процессе в ОмГТУ, что подтверждается соответствующим актом.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на международной конференции «Микроволновая электроника больших мощностей: измерения, идентификация, применение» (ИИП-МЭ'97 ШЕЕ, Новосибирск, 1997) и Четвертой международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (АПЭП IEEE, Новосибирск, 1998).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 научные работы, в том числе 7 статей в периодических изданиях, 3 доклада в трудах международных конференций, 10 депонированных в ВИНИТИ рукописей, 1 свидетельство на полезную модель и 2 положительных решения по заявкам.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 123 наименований и одного приложения. Основной текст изложен на 140 страницах, содержит 4 таблицы и иллюстрируется 83 рисунками.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Метод построения систем распределения энергии многоканальных
МВП с заданным КСВ на выходе генератора на базе тройников с компенси
рующим удлинением плеч при произвольном согласовании с нагрузками.
-
Результаты анализа ЭМП в РК мощной МВП, которое получается сложением двух ЭМВ с различающимися частотами.
-
Уточнение математической модели отрезка двусвязной ЛП в виде эквивалента на элементах с сосредоточенными параметрами, используемой для получения временных характеристик, путем учета влияния скин-эффекта.
-
Метод анализа распространения импульсных сигналов в ЛП Т-волны с помощью численного обращения преобразования Лапласа на основе квадратурных формул наивысшей степени точности.
