національний науковий центр “Інститут метрології”

Волков Володимир Михайлович

УДК 621.317.7:621.391

621.317.7:621.372

Розвиток теорії і практики ФУНКЦІОНАЛЬНОГО

проектування мікрохвильових засобів вимірювання

на ефекті поглинаючої стінки

Спеціальність 05.11.08- радіовимірювальні прилади

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Харків- 2005

Дисертация є рукописом

Робота виконана в Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант:

Кандидат технічних наук, професор Кукуш Віталий Дмитрович, Харківський національний університет радіоелектроніки, м.Харків, професор кафедри метрології і вимірювальної техніки, м.Харків.

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, професор Лахно Віктор Іванович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є.Жуковського “ХАІ”, професор кафедри проектування радіоелектронних систем літальних апаратів м.Харків

Доктор фізико-математичних наук, професор Кузьмичев Володимир Михайлович, Харківський національний університет ім.М.В. Каразіна, професор кафедри квантової радіофізики, м.Харків

Доктор технічних наук, професор Манойлов Вячеслав Пилипович, Житомирський Національний технологічний університет, завідуючий кафедрою медичних приладів і систем, м.Житомир

Провідна установа:

Національний технічний університет України “КПІ”, кафедра конструювання і виробництва радіоапаратури, Міністерство освіти і науки України, м.Київ

Захист відбудеться 21.10. 2005 в _14_ р. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.827.01 ННЦ “Институт метрологии” за адресою: 61022, Харків, вул.Мироносицька, 42.

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці ННЦ “Институт метрологии”

Автореферат розісланий 16.09.2005р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради доц., к.т.н. І.Ф.Дем’янков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Дисертаційна робота присвячена розвитку метода вимірювань на ефекті поглинаючої стінки, що застосовується для вимірювання прохідної потужності великих рівнів в радіоелектронних системах і пристроях різного призначення і який не отримав чинного розповсюдження в зв’язку з недостатнім рівнем його теоретичних засад і має відповідно принципові недоліки: незадовільні частотні властивості, низьку швидкодію, велику похибку неузгодження, складну технологію виготовлення.

З іншого боку метод поглинаючої стінки (ПС) привабливий тим, що пристрої на ефекті поглинаючої стінки мають високу електричну, теплову і радіаційну міцність, завадостійкість, довгострокову стабільність характеристик, надійність і могли б вирішити проблему контролю потужних і надпотужних мікрохвильових сигналів і трактів радіоелектронних систем.

Актуальність теми. Успіхи електроніки великих і надвеликих потужностей НВЧ стимулювали развиток прикладних напрямків радіоелектроніки: радіолокації і радіонавігації, дальнього радіо- и тропосферного зв’язку, телебачення, фізики високих енергій, фізики плазми, НВЧ-нагрівання і сушіння та інш. З’явились генераторні прилади, здатні працювати практично на будь-яке навантаження в широкому частотному і динамічному діапазонах з високим ККД. Так, наприклад, для лінійного на зустрічних електрон-позитронних пучках прискорювача заряджених частинок, що будується під Серпуховим (Росія), розроблені та засвоєні промисловістю генератори двосантиметрового діапазону довжин хвиль з імпульсною потужністю 100-150 МВт і середньою потужністю більш 10 кВт; в фізиці плазми вже використовуються багатомодові генератори потужністю декілька десятків кіловат, в дальньому радіозв’язку і радіолокації використовуються фазовані антенні гратки з кількістю випромінювачів біля ста і середньою потужністю в каналі більш 100 кВт. При настроюванні і виведенні потужних радіоелектронних систем на оптимальний режим роботи і для їх контролю в “гарячому” режимі потрібні все більш досконалі вбудовані засоби вимірювань (ЗВ) прохідного типу, що дозволяють контролювати падаючу, відбиту і прохідну
в навантаження потужність, модуль і фазу коефіцієнта відбиття змінного навантаження. При проектуванні таких ЗВ для роботи в широкому частотному і динамічному діапазонах на великих рівнях потужності на перший план виходить забезпечення електричної і теплової стійкості датчиків прохідної потужності, їх швидкодія, завадостійкість, довгострокова стабільність, надійність
і ін. Так, наприклад, в НВЧ-електроніці при створенні потужних генераторних і підсилювальних приладів необхідно добиватися максимального значення їх ККД, що особливо важливо з погляду економії енергоресурсів. А для вимірювання і забезпечення останнього потрібні особливо точні ЗВ, при цьому підвищення ККД на одиниці і, навіть, на десяті долі відсотка дає значний економічний ефект. ЗВ, що рекламуються промисловістю, мають похибку вимірювань порядка + (5-10) % і більше, а кращі з них – порядка + 3%, але вони або не забезпечують перекриття
частотних і динамічних діапазонів і не відповідають геометрії перерізу лінії передачі, або не
мають необхідної електричної стійкості, швидкодії, технологічності та інших техніко-економічних характеристик.

Незважаючи на те, що розвитку науки і техніки вимірювання великих рівнів потужності і контролю передачі її в навантаження присвячена велика кількість наукових робіт відомих вітчизняних і закордонних вчених, розробок відомих фірм, ці проблеми в останній час загострились і стали більш актуальними.

Велика заслуга в розвитку вимірювальної техніки НВЧ належить українським вченим – Валітову Р.А., Скрипнику Ю.О., Водотовці В.І., Богданову Г.Б., Бокринській А.Я., Бондаренку І.К., Вунтесмері В.С., Кукушу В.Д., Кузьмичову В.М., Гімпілевичу Ю.Б., Кравченку М.І., росіянам –
Томашевському А.К., Чернушенку А.М., Кацу Л.І., Архангельському Ю.С., Механнікову А.І., Мильникову А.В., Чуйку В.Г., Перепьолкіну В.А., литовцям – Пожелі Ю.К., Репшасу К.С.,
Гечяускасу С.І., Паужі А.С., Денису В.Н., американцям – Джонсону М., Колларду Д., Кінгу Р.,
Энгену Р., Бреді М. та ін.

Набільш вагомі результати в останні роки отримані в Україні (ННЦ “Інститут метрології”, НТУ “КПІ”, ХНУРЕ) і Росії (ВНДІФТРВ, Митіщинський НДІ радіовимірювань, Нижегородський НДПІ “Кварц”). На Заході найбільш високий рівень мають розробки фірм “Rohde&Schwarz” (Німеччина), “Heynen Intern.” (Нідерланди), “Bird El. Co.” (США), “Marcony Instr.” (Англія), “Tokyo Denpe” (Японія). Незважаючи на окремі успіхи, проблему контролю потужних і надпотужних сигналів і трактів не можна вважати вирішеною, тому що рекламовані фірмами прилади для вимірювання потужності не задовольняють сучасним вимогам з електричної міцності, точності, частотного і динамічного діапазонів, завадостійкості, і методи, покладені в основу їх роботи, багато в чому вичерпали себе. Таким чином, виникли протиріччя між досягненнями електроніки великих потужностей і рівнем мікрохвильової вимірювальної техніки.

Останні десятиріччя характеризуються різким спадом фінансування і відповідно зниженням рівня розробок у приладобудуванні в Україні і Росії. Раніше за об’єктивних причин розробники не могли одним вимірювальним приладом перекрити робочий частотний діапазон передаючого хвилеводного або коаксіального тракту, тому для забезпечення вимірювань на багатьох частотах в діапазоні робочих частот хвилевода було потрібно виконати декілька окремих розробок (відповідно конструкцій, виробів, документів і т.інш.). І треба відзначити, що такий підхід супроводжувався істотними економічними витратами. В умовах ринкової економіки така технічна політика стала неефективною: багато розробок підприємств СНД не витримали конкуренції з західними ЗВ, особливо при обмеженному фінансуванні науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт.

Однією з головних причин незадовільного стану техніки вимірювань великої потужності можна вважати недосконалість методів вимірювань і технічного рівня датчиків прохідної потужності НВЧ, які не мали необхідних частотних, динамічних, конструктивно-технологічних і інших властивостей. Методологія їх проектування не враховувала успіхів в розвитку обчислювальної техніки і математичному моделюванні. До останнього часу мало використовувались при цьому алгоритмічні и структурні методи підвищення точности і швидкодії. Їх використання в приладах типу “NAS” дозволило фірмі “Rohde&Schwarz” на окремих ділянках частотних і динамічних діапазонів досягти при використанні методу напрямленого відгалужувача мінімальної на сьогодняшній день відносної похибки (порядку ±3%) і зайняти передові позиції в світовому приладобудуванні, хоча вартість приладів дуже висока (порядку 5000 Є). Вони потребують складного індивідуального конструктивного і программного забезпечення,
у зв’язку з чим виникають складності з взаємозамінністю і ремонтом. До того же проблематичною є їх робота на надвеликих рівнях потужності в широкому діапазоні частот.

Відставання вимірювальної НВЧ техніки як в СНД, так і на Заході, особливо в галузі вимірювань потужності електромагнітних коливань, можна пояснити недостатньою концентрацією сил і ресурсів в цьому напрямку, особливо в останні 10-15 років.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась
в Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України на кафедрі метрології і вимірювальної техніки (до 1995 р. – кафедрі радіовимірювань) і склала
основу її наукового напрямку “Вимірювання енергетичних характеристик сигналів в мікрохвильовому і оптичному діапазонах” відповідно до планів таких госпдоговірних робіт: НДР № 72-47
за Постановою Ради Міністрів СРСР № 316 – 114 від 05.05.1972 р. – “Разработка измерительной аппаратуры для комплексного контроля параметров режима работы передающих СВЧ трактов
линейного ускорителя протонов мезонной фабрики” (науковий керівник); НДР № 75–7 (держ. рер. № 7503/106) – “Исследование помехоустойчивости приборов “МАРС–1”, “МАРС-2”, разработка методов и средств их градуировки и передача приборов в серийное производство” (відповідальний виконавець, 1975-1976 рр.); НДР № 74–27 – (держ.рер. № 01890080961) – “Разработка встроенных ваттметров проходящей мощности СВЧ” (науковий керівник, 1974-1976 рр.); НДР № 91–6 – “Разработка встроенных ваттметров проходящей мощности сверхбольших мощностей” (відповідальний виконавець, 1991-1992 рр.); НДР № 00–8 – “Разработка датчиков проходящей мощности СВЧ” (науковий керівник, 2000-2002 рр.); ДКР № 89–30 – “Разработка встроенных ваттметров проходящей мощности” (“Море–1”) (науковий керівник, 1989-1990 рр.).

Крім того, робота виконувалась за планами держбюджетних робіт: НДР № 268–1, 274–А (держ. реєстр. № 0193U039117) – “Разработка встроенных ваттметров проходящей мощности СВЧ” по Межгосударственной программе Украины и России: “Физика высоких энергий
(1-е направление)” (науковий керівник, 1991-1992 рр.); НДР № 180 (держ.реєстр. № 0198U004441) – “Создание комплекса радиоизмерительных средств для метрологического обеспечения источников электромагнитного излучения широкого назначения” (науковий керівник); НДР № 130
(держ. реєстр. № 0101U005127) – “Разработка энергоэффективных и экологических технологий
и технических средств использования электромагнитной энергии в промышленности и агропромкомплексе” (науковий керівник).

Запропоновані автором проекти пройшли державний конкурс і були включені в національні програми: “Електроніка України 2000” і “Елементна база України з радіоелектроніки”.

Об’єктом дослідження є радіоелектронна система або пристрій і процес передачі НВЧ енергії великих рівнів від генератора до навантаження реальними лініями передачі, де є дисипативні втрати, що може бути використано для вимірювання прохідної в навантаження потужності
і його комплексного коефіцієнту відбиття.

Предмет дослідження – метод вимірювань, оснований на ефекті поглинаючої стінки,
засоби і алгоритми обробки сигналів датчиків, що дозволяють зменшити систематичні складові
похибки вимірювань.

Мета і задачі дослідження. Дисертаційна робота спрямована на розвиток теорії методу вимірювань на ефекті поглинаючої стінки з метою побудови високоефективних датчиків і приладів нового типу, розробки методики їх проектування і створення на їх основі багатофункціональних приладів для вимірювання падаючої, відбитої і прохідної в навантаження потужності, модуля і фази його коэффициенту відбиття для комплексного контролю роботи генератора і навантаження в “гарячому ” режимі при великих і надвеликих рівнях потужності.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

– проаналізувати методи вимірювань, визначити принципові недоліки методу на ефекті поглинаючої стінки і обґрунтувати перспективні напрямки в його розвитку і вдосконалення;

– розробити і дослідити адекватні фізичним математичні моделі датчиків – тонкостінні ділянки хвилеводів з дисипативними втратами і всебічно проаналізувати температурне поле на їх поверхні;

– дослідити частотні властивості дисипативних втрат електромагнітних хвиль в тонкостінних багатохвилевих хвилеводах и коаксіальних лініях і розробити методику розрахунку
основних характеристик датчиків прохідної потужності;

– розробити конструкції і основи технології виробництва високоефективних датчиків;

– проаналізувати особливості багатозондового методу вимірювання параметрів сигналів
і трактів, визначити основні напрямки його вдосконалення для використання на великих рівнях потужності і в широкому діапазоні частот, оптимізувати спосіб розташування датчиків на хвилеводі, розробити математичну модель багатозондового еквідистантного перетворювача і синтезувати алгоритми обчислення падаючої, відбитої і прохідної потужності, модулю і фази коефіцієнту відбиття навантаження;

– розробити структури вузькосмугових, широкосмугових і надширокосмугових багатозондових мікрохвильових мультиметрів і розробити методику їх метрологічної атестації;

– розробити методику функціонального проектування багатозондових мікрохвильових мультиметрів.

Методи досліджень: методи математичної фізики для розв’язання задач з нагрівання стінок хвилевода: метод перетворення Лапласа, варіаційний (Рітца), інтегральних перетворень,
чисельні, а також аналітичні, графічні, Гауса, алгоритмічні, структурні, метод найменших квадратів, метод планування експерименту, методи теорії кіл.

Наукова новизна отриманих результатів роботи полягає в розробці методології вбудованого контролю електромагнітної енергії, що передається хвилеводом, по нагріванню його тонкостінних ділянок, які мають дисипативні втрати, і створенні радіовимірювальних приладів нового типу: датчиків прохідної потужності і багатозондових мікроволнових мультиметрів високого рівня потужності, які мають високі метрологічні, техніко-економічні і експлуатацйні характеристики.

Теоретична цінність полягає в наступному:

– розроблені теоретичні основи методу поглинаючої стінки, які надають можливість якісно і кількісно контролювати процес передачі електромагнітної енергії хвилеводом за її тепловою дією на стінку хвилевода;

– вперше отримано єдиний математичний опис дисипативних втрат в стінках багатохвильових хвилеводів і коаксіальних ліній, і, відповідно, розподіл теплових джерел в них, аналіз яких дозволив забезпечити теоретичну основу створення датчиків прохідної потужності зі слабкою
залежністю коефіцієнта перетворення від частоти;

– вперше побудовані математичні моделі тонкостінних ділянок хвилеводів з втратами на
основі розв’язання рівнянь теплового балансу методами Лапласа, варіаційного (Рітца), інтегральних перетворень, чисельного, і отримані температурні поля на поверхні хвилеводів, а також встановлена ступінь адекватності розподілу температури, розподілу електромагнітних полів всередині хвилеводу, що стало основою створення мікрохвильових засобів вимірювань нового типу: датчиків великого рівня потужності і ватметрів прохідної потужності, теплових вимірювальних ліній, багатозондових мікрохвильових мультиметрів; при цьому вироблені рекомендації щодо вибору методу розв’язання рівняння теплопроводності в залежності від фізичної моделі і потреб практики щодо точності,
геометрії, характеру теплообміну та ін.;

– вивчені динамічні властивості датчиків на основі аналізу нестаціонарного температурного поля на зовнішній поверхні стінки і запропоновані нові конструктивні і технологічні рішення з підвищення швидкодії і зменшення динамічних похибок датчиків;

– вперше досліджені похибки ватметрів прохідної потужності з протяжними датчиками обумовлені впливом позасмугових складових в спектрі вимірюваного сигналу, зміною його
частоти, модулю і фази коефіцієнта відбиття навантаження;

– вперше синтезовані алгоритми обробки сигналів багатозондових мікрохвильових
мультиметрів, що забезпечують заданий частотний діапазон.

Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці методології проектування мікрохвильових ЗВ нового типу для контролю радіоелектронних систем великого рівня потужності: квазіточкових і протяжних датчиків і ватметрів прохідної потужності, багатозондових мікрохвильових мультиметрів, теплових вимірювальних ліній. Подолані недоліки методу поглинаючої стінки, які до цього заважали його широкомасштабному використанню на практиці:

- показана можливість проектування ЗВ, що мають слабку залежність коефіцієнта перетворення в широкому частотному діапазоні;

- конструктивно і технологічно вдалося значно підвищити швидкодію датчиків і приладів з одиниць до десятих часток секунди, що надало можливість використовувати їх в системах автоматичного керування радіоелектронними системами;

- практично усунута похибка неузгодження шляхом побудови багатозондових мікрохвильових мултьтиметрів і теплових вимірювальних ліній;

- розроблена технологія виробництва датчиків, підвищена їх точність, надійність, завадостійкість;

- створені недорогі універсальні для всіх типів хвилеводів взаємозамінні датчики з високими метрологічними характеристиками.

Розроблені ЗВ, які запропоновані для впровадження в серійне виробництво як такі, що відповідають сучасним потребам за точностю, швидкодією, електричною, тепловою і механічною стійкістю, надійністю, частотним і динамічним діапазонами, завадостійкістю, уніфікацією
і взаємозамінністю і які мають довгострокову стабільність параметрів. Конструкції датчиків порівняно прості, мають невисоку вартість і є висококонкурентними на внутрішньому і зовнішньому ринках.

Ранні розробки (70-80 роки) впроваджені на експериментальних стендах ВЧ живлення сильнострумового лінійного прискорювача протонів Московської Мезонної фабрики Інституту Ядерних Досліджень РАН (за замовленням Московського Радіотехничного Інституту РАН
і Постанові РМ СРСР № 314 від 5.05.1972 р.); в стендах випробування надпотужних магнетронів НДІ “Исток” (м.Фрязіно, Московської області). Дві розробки (1989-1990 рр., 2000-2002 рр.) впроваджені в розробках станції тропосферного зв’язку Р-423-1 ВАТ “Олімп” (м. Світловодськ, Кіровоградської області); теоретичні основи, методологія і практика функціонального проектування впроваджені в навчальному процесі у вигляді навчального посібника з грифом Міносвіти
і науки України “Проектирование средств измерения проходящей мощности”.

Особистий вклад здобувача Наукові положення і прикладні результати, які викладені
в дисертаційній роботі, здобувач отримав самостійно. В наукових працях (статтях), написаних
в співавторстві, дисертанту належить наступне: порівняльний аналіз методів вимірювань [3];
розробка, обґрунтування і аналіз математичних моделей датчиків, розробка методів і засобів вимірювань, дослідження їх метрологічних характеристик [20, 24, 25]; розробка і дослідження фізичних і математичних моделей датчиків прохідної потужності, дослідження їх експлуатаційних і метрологічних харктеристик, розробка і дослідження нових конструкцій коаксіальних датчиків, аналіз їх характеристик [11–15]; розробка методики дослідження нових схем с точковими
і протяжними датчиками, аналіз результатів досліджень ефективного коефіцієнту відбиття
і коефіцієнту перетворення [16, 17]; постановка задачі, методологія проектування, розробка конструкції і способів покращення метрологічних і експлуатаційних характеристик теплових вимірювальних ліній [18–19]; постановка задачі, синтез и аналіз алгоритмів, розробка структур і ланок мультиметрів, методологія проектування, методи визначення частотних і динамічних властивостей, методи корекції характеристик датчиків, способи метрологічного забезпечення засобів вимірювань, аналіз їх метрологічних характеристик [10, 2123, 2629].

В авторських свідоцтвах на винахід СРСР [30–34] і патентах України і Росії [37–46] автором запропоновані нові способи і засоби вимірювань, методи поліпшення технічних, метрологічних
і експлуатаційних властивостей засобів вимірювань, елементи їх конструкцій і схем.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи обговорювались в 60 доповідях з опублікуванням матеріалів і тез доповідей на 41 науковій і науково-технічній конференціях,
симпозіумах, форумах різного рівня, в тому числі 30 міжнародних.

Результати дисертації в 2002-2005 р. обговорювались щодо впровадження розробок в серійне виробництво на підприємствах України, Росії (м.Москва, м.Саратов, м.Нижній Новгород) і Китаю.
В НДІ зв’язку, автоматики і телеупраління (м. Шицзячжуан) і в НДІ вимірювальної техніки
(м. Пекін) був прочитаний курс лекцій за матеріалами навчального посібника автора.

Розроблені експериментальні зразки ЗВ експонувались на різних науково-технічних
виставках в Харкові, Києві, Вільнюсі: в 2002 р. комплект датчиків прохідної потужності НВЧ
удостоєний диплома виставки “Наука Харківщини – 2002”.

Публікації. Результати докторської диссертації викладені в двох монографіях, які депоновані в ДНТБ України, і опубліковані в навчальному посібнику з грифом Міносвіти і науки України і в 33-х статтях в наукових журналах і науково-технічних збірниках, рекомендованих ВАК
України, з яких 7 перекладені і передруковані в США. Без співавторів опубліковано 6 статей і навчальний посібник. Наукові розробки захищені 5 авторськими свідоцтвами СРСР і 14 патентами України і Російської Федерації, з котрих 2 без співавторів.

Всього за темою дисертації опубліковано 113 робіт, з яких 30 відповідають вимогам ВАК: 26 статей, 1 навчальний посібник, 3 патента.

Структура и обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 6 розділів, висновків, бібліографічного списку з 209 найменувань і 26 додатків. Загальний обсяг 332 сторінки. На 107 сторінках розташовано 125 рисунків і 4 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Перший розділ є оглядовим. В ньому коротко викладена еволюція розвитку методу вимірювання прохідної потужності великих рівнів на ефекті поглинаючої стінки, описані варіанти конструктивних і технологічних рішень, в тому числі пристрої, розроблені автором в кандидатській дисертації. Відзначається, що піонерські розробки, виконані в США на зорі розвитку радіолокаційної і мікрохвильової техніки Джонсоном, Коллардом, Кінгом, Бреді і ін. вподальшому розвинуті на більш високому рівні в Україні Валітовим, Кузьмичовим, Кукушем, Воронцовим, Коломийченком, Кравченком, Мартиненком і ін.

Аналізуючи роботи і досвід експлуатації приладів першого покоління необхідно відзначити перспективність методу поглинаючої стінки для контролю потужних і надпотужних НВЧ трактів
і відсутність сильної чутливості до позасмугових і побічних типів хвиль, особливо порівняно
з методом, який використовує напрямлені відгалужувачі. Ватметри на основі поглинаючої стінки можуть працювати в усій смузі частот, в якій здатен працювати хвилевод. Однак коефіцієнт перетворення датчика сильно залежить від частоти, що призводить до великої систематичної похибки приладів і необхідності вимірювати частоту сигналу. Особливо великою частотна похибка стає при неузгодженні навантаження. До того ж одним з принципових недоліків методу поглинаючої стінки є те, що датчик реагує на суму падаючої і відбитої потужностей. Тому до робіт автора його використовували в порівняно узгоджених трактах з КСХН менш 1,3-1,.5 В. У зв‘язку з цим у першому розділі наведений огляд робіт зі створення багатозондових приладів, в яких розглянуто зменшення або виключення згаданої похибки неузгодження і виконання комплексних вимірювань параметрів сигналів і трактів.

Принциповим недоліком також є велика інерційність датчиків, яка не тільки виключає можливість вимірювання імпульсної потужності, але й ускладнює їх використання в пристроях автоматики і керування, наприклад, в пристроях захисту генераторних приладів.

Нарешті, великою проблемою при виготовленні датчиків є складність технології їх виготовлення. Особливо це проявляється в КВЧ діапазоні, коли доводиться забезпечувати надійне з’єднання тонкої поглинаючої стінки у вигляді фольги і хвилевода. Після припаювання і охолодження датчик коробиться в силу різних коефіцієнтів лінійного розширення матеріалів поглинаючої стінки і основного хвилевода.

Аналіз дозволив виявити причини, через які довгий час не вдавалось ці недоліки подолати. По-перше, не дивлячись на неодноразові спроби достатньо точно описати процес перетворення електромагнітної енергії в теплову не вдавалося через складнощі теоретичного характеру. Тому багатьом дослідникам доводилось значно спрощувати математичні моделі датчиків, котрі не були адекватними моделям фізичним (наприклад, хвилеводну трубу представляють суцільним стрижнем). По-друге, потреби практики не були такими жорсткими, як в останній час. Наприклад, генераторні прилади того часу працювали на порівняно узгоджене навантаження і на фіксованій або в вузькій смузі частот. Тому доводиться витрачати значні ресурси на постановку НДР і ДКР, спрямованих на “закриття” чергової частотної точки, замість постановки крупної роботи зі створення приладів загального використання, “закриваючих” щонайменше стандартний переріз лінії передачі і його робочу смугу частот.

В результаті аналітичного огляду аналізу розглянутих відомих методів напрямок досліджень в дисертаційній роботі сформульований таким чином:

всебічно дослідити теплову дію електромагнітних хвиль на тонкостінні лінії передачі
з втратами з метою визначення коефіцієнта перетворення датчиків прохідної потужності,
оптимізації їх характеристик і відповідно вибір математичної моделі датчика;

вивчити затухання електромагнітних хвиль в стінках лінії передачі (прямокутних хвилеводів і коаксіальних ліній) з метою створення широкосмугових датчиків;–

розробити методику розрахунку і проектування датчиків прохідної потужності на ефекті поглинаючої стіни з високими метрологічними, технічними і експлуатаційними характеристиками;

розробити оптимальну модель багатозондового мікрохвильового мультиметра, синтезувати і проаналізувати одночастотні і широкосмугові алгоритми його роботи, оптимальну структуру мультиметра;

дослідити метрологічні характеристики мультиметрів і розробити основи його метрологічного забезпечення.

В другому розділі розглянута теорія нагрівання стінок хвилеводів електромагнітною хвилею, що розповсюджується в них. Теплові процеси в поглинаючій стінці описуються рівняннями теплопроводності з внутрішніми джерелами тепла. Розподіл їх по поверхні стінки визначається типом хвилі в тракті, довжиною хвилі випромінювання, коефіцієнтом відбиття навантаження, місцем розташування поглинаючої стінки. Мета проведення досліджень – визначення тонкої структури цього розподілу для вимірювання параметрів сигналу і тракту.

Проведено ретельний аналіз виразів, що описують розподіл електромагнітної енергії
в стінках хвилеводів з урахуванням відбиття від навантаження в широкому діапазоні частот.
Одержані наступні вирази для теплових джерел на вузькій стінці хвилевода:

(1)

де , ,

,

і на широкій стінці хвилевода:

(2)

де , ,

де Г – модуль комплексного коефіцієнту відбиття, 0 його фаза, E0 и H0 – амплітуди электричного і магнітного полів. З потужністю Р вони пов’язані наступними співвідношеннями:

.

На рис. 1а наведена залежність поверхневої густини потужності на середині широкої стінки від частоти. В робочому діапазоні частот для хвилі Н10 вона дещо збільшується зі зростанням частоти. На вузькій стінці (рис. 1б) – вона зменшується. На рис 1в показана та ж залежність для круглого хвилеводу.

На рис. 2 показаний розподіл густини потужності джерел тепла в широкій стінці прямокутного хвилевода з хвилею Н10 при різних значеннях довжини хвилі. Можна побачити, що в місцях стінки з координатами х/а 0,3 и х/а 0,7 густина потужності майже постійна при л/ лкр = 0,4…0,7, тобто в межах робочої смуги частот хвилеводу, що складає ±20% від центральної частоти. Це явище використано при створенні широкосмугових датчиків, градуювання яких можна провести на одній частоті робочого діапазону. На вузькій стінці густина потужності теплових джерел постійна.

На рис. 3 наведена залежність потужності джерел тепла в стінках хвилевода від довжини хвилі. Зі зростанням довжини хвилі густина потужності на середині широкої стінки (х/а = 0,5) зменшується, на вузький стінці – зростає. При х/а 0,3 и х/а 0,7 крива має ділянку, де густина потужності змінюється мало.

Штрихова крива на рис.3 відповідає напівсумі кривих для середин широкої і вузької стінки.
В смузі робочих довжин хвиль вона теж має майже плоску ділянку. Таким чином, розташувавши один датчик в певному місці широкої стінки, а другий – на вузький с тінці і вимірюючи суму
їх сигналів, можна значно зменшити залежність сигналу від частоти. В диссертації доведена
можливість побудови частотно-незалежних датчиків і для інших типів хвиль в хвилеводі.

а)

б)

в)

Рис.1. Залежність щільності потужності в стінках хвилевода від частоти

Вирази для об’ємної густини потужності джерел тепла W були використані при розв’язанні рівняння теплопроводності. Для полегшення розв’язання рівняння теплопроводності були обґрунтовані і прийняті наступні умови: температура в місцях з’єднання поглинаючої стінки
з хвилеводом постійна; теплообмін з поверхнею стінки описується законом Ньютона; температура по всій товщині стінки однакова.

Рис. 2. Розподіл щільності потужноті, яка поглинута в широкій стінці хвилевода

Рис. 3. Залежність щільності потужності, яка поглинута в вузькій і широкій стінках

хвилевода від довжини хвилі

В результаті аналізу рішень відпрацьовані такі висновки і пропозиції:

Використання методу Фур’є дозволяє розв’язати тривимірну задачу і знайти розподіл температури і по поверхні стінки, і по її товщині. Недолік методу – необхідність обчислювати суми рядів, які повільно збігаються, що ускладнює аналіз розв’язку.

Метод перетворень Лапласа дозволяє легко виділити в розв’язку стаціонарну частину
і частину, що описує зміну температури з часом. Отримані формули можуть бути викоритані
в інженерних розрахунках. Використання цього методу дозволяє врахувати залежність теплофізичних параметрів від температури. Але метод добре працює лише при розрахунках температури в стінках безмежної довжини вздовж хвилевода. Для стінок обмеженої довжини використання цього метода є складним.

Варіаційний метод може бути застосований при розрахунках теплового режиму
в хвилеводах будь-якої форми перерізу – прямокутної, круглої та інш. Процес розв’язання тут ітераційний. Кількість ітерацій звичайно невелика, але в кожній з них потрібно обчислити декілька інтегралів, отже час обчислень тут майже такий, як і при використанні методу Фур’є. Через те, що рішення не зображується у вигляді одного виразу, провести його аналіз складно.

Перевагою чисельного методу є його універсальність. За його допомогою можна знайти розв’язок для поглинаючої стінки будь-якої форми. В роботі розв’язані двовимірні задачі для прямокутного і круглого датчиків, але це нескладно зробити і для тривимірного випадку. Можливо врахувати і залежності теплофізичних параметрів від температури. Недолік методу – неможливість отримання розв’язку у вигляді формул.

Метод кінцевих інтегральних перетворень дозволяє отримати результат у вигляді рядів,
що швидко збігаються. Тому розрахунки потребують мало часу, а в деяких випадках, обмежившись одним – двома членами ряду, можна одержати прості і досить точні формули для попередніх розрахунків. Застосування методу ускладнюється у випадках, коли хвилевод і поглинаюча стінка описуються в різних системах координат (наприклад, хвилевод має прямокутний переріз, а поглинаюча стінка – коло). Використання того чи іншого методу визначається поставленою задачею:

На рис. 4 наведені результати розрахунків, проведених за допомогою розглянутих вище
методів для одних і тих же умов постановки задачі. З рисунка видно, що вони відповідають одна одній. Виключення складають лише результати, отримані за допомогою перетворення Лапласа, тому що вони проводяться для безмежноїї стінки і вони не враховують спаду температури на краях, а в зонах, близьких до середини стінки вони також співпадають з іншими результатами.

Математичне моделювання процесів нагрівання поглинаючої стінки в хвилеводі дозволило встановити закономірності розподілу температури на її поверхні, зокрема визначити умови, коли розподіл температури повторює розподіл інтенсивності електромагнітної хвилі в хвилеводі.
Це зробило можливим створення нових засобів вимірювань: теплових вимірювальних ліній, вимірювачів комплексного коефіцієнту відбиття, багатозондових мультиметрів. При цьому вдалося без втрати точності значно спростити математичну модель вимірювального перетворювача.

В третьому розділі викладена теорія теплової дії електромагнітної хвилі на поглинаючу стінку в коаксіальній лінії. Ця задача потребує окремого розгляду, тому що геометрія коаксіального тракту відрізняється від геометрії прямокутного хвилевода і тому тут використовується інший математичний апарат.

З розв’язання хвилевого рівняння були визначені особливості проходження хвилі скрізь тонку поглинаючу стінку в коаксіальній ліній з основним типом хвилі в ній, що складається із
падаючої і відбитої від зовнішньої межі складових. Через те, що коефіцієнт відбиття на межі метал-повітря близький до одиниці, зовні виходить дуже мала частина енергії, навіть якщо товщина стінки менше глибини скін-шару. Наприклад, при потужностях в лінії 10 кВт на частоті 500 МГц через константанову стінку товщиною 10 мкм (глибина скін-шару 16 мкм) і площею
10 см2 пройде біля 800 мкВт.

Рис. 4. Розподіл температури вздовж поглинаючої стінки

– метод Фур’є (Г = 0), – метод Фур’є (Г = 0,1, 0 = 0)

----- – метод перетворення Лапласа; – варіаційний метод,

– чисельний метод, – метод кінцевих інтегральних перетворень.

Через великий коефіцієнт відбиття від зовнішньої межі в поглинаючій стінці існує відбита хвиля, за амплітудою близька до падаючої хвилі, інтенсивність кожної з яких зменшується
за експоненційним законом. Але інтенсівність сумарного поля змінюється мало. Так при (д – товщина стінки, Д – глибина скін-шару) зміна на відстані не перевищує 5%. Навіть при , коли інтенсивність падаючої хвилі у зовнішньої межі стінки зменшується
в 7 разів, функція змінюється лише на 40 %. Тому в ході подальших розрахунків вважалось, що , тобто джерела тепла розташовані рівномірно за товщиною стінки, яка складає близько 10 мкм. Такі поглинаючі стінки доцільно виготовляти шляхом нанесення поглинаючої стінки безпосередньо або у вигляді тришарової структури – з діелектричним прошарком між поглинаючою плівкою (константан, ніхром) і мідною основою, в якості якої запропоновано використовувати мідну фольгу 20-100 мкм. Розрахунок теплових процесів в таких датчиках показав, що час встановлення температури визначається їх розмірами і товщиною мідної основи, а також умовами
її теплообміну з зовнішнім середовищем. При товщині мідної основи більш 50 мкм цей час від умов теплообміну майже не залежить.

Розв’язок рівняння теплопровідності для двошарової стінки в випадку температури, яка встановилася, виглядає так:

(3)

де

де д1 и д2 – товщина внутрішнього (константан) і зовнішнього (мідь) шарів, Д – глибина скін-шару, Bi – критерій Біо, х – координата, перпендикулярна поверхні стінок.

Результати розрахунків залежності температури на зовнішній стороні другого шару від
частоти наведені на рис. 5. Частотна залежність визначається товщиною першого шару. Якщо вона перевищує глибину скін-шару, залежність від частоти дуже сильна. Так, значення температури
на краях діапазону 50...1200 МГц для товщини 1 = 50 мкм відрізняються в 4,5 рази, для 1 = 20 мкм – в 1,8 рази, а для 1 = 10 мкм, що менше глибини скін-шару на середніх частотах, крива Т(f) йде майже горизонтально, і перепад на краях діапазону складає всього біля 7%.

Рис. 5. Залежність температури нагрівання двохшарової поглинаючої стінки від частоти

Дослідження нагрівання трьохшарової структури показали, що при встановленні діелектрічного прошарку достатньо тонким частотна залежність практично не відрізняється від наведеної на рис.5. Це явище доцільно використано при створенні датчиків, що мають слабку залежність від частоти коефіцієнта перетворення і здатних працювати в усьому діапазоні частот коаксіальної лінії.

В четвертому розділі викладені питання функціонального проектування датчиків і ватметрів прохідної потужності для порівняно погоджених трактів, спрямовані на зниження систематичних похибок, які мінімізуються шляхом вибіру типу, форми і способу розташування датчиків, матеріалу поглинаючої стінки, режиму теплообміну.

Датчики на основі ПС реагують на суму падаючої і відбитої хвиль, тому похибка неузгодженості стає домінуючою, а при зміні фази коефіцієнту відбиття і частоти сигнала має випадковий характер і може бути мінімізована шляхом мінімізації ефективного коефіцієнту відбиття Ге, який залежить від виду лінії передачі, форми, розмірів і місця розташування датчиків:

(4)

Якщо в ватметрі рис.6 використовується сума сигналів двох квазіточкових датчиків, розташованих на широкій стінці на деякій відстані, граничне значення змінної складової похибки неуз годження буде визначатися потужністю, що розсіюється в кожному зних:

(5)

Рис. 6. Два квазиточкових датчика в широкій стінці хвилевода

Позначивши де

отримали можливість мінімізації . Для вимірювальної системи рис.6 рівність нулю
забезпечується при рівності нулю його співмножників: при довжині датчика кратній , а при виконанні умови

(6)

Якщо вираз дещо спрощується

(7)

Для зосереджених датчиків (8)

Рис.7 ілюструє результати мінімізації Ге для випадків точкових датчиків (а) і протяжних (б) датчиків ватметрів.

Якщо датчики встановлені на зміжних стінках хвилевода, знизити значення не вдається.

Дослідження вимірювальних систем ватметрів з двома протяжними датчиками на ефекті ПС, різних за геометрією і розташуванням в широкій і суміжних стінках хвилевода, дозволило знизити його значення до мінімуму. На рис. 8 наведені графіки змінення в робочій смузі частот хвилевода.

З метою полегшення проектування запропонована методика наближеного розрахунку
коефіцієнта перетворення датчиків прямокутної і круглої форми. В додатках наведені програми розрахунку для прямокутних хвилеводів з хвилями типу Е і Н.

Рис. 7. Ефективний коефіцієнт відбиття ватметра з двома зосередженими (а) і протяжними (б)
датчиками в широкій стінці хвилевода

Рис. 8. Ефективний коефіцієнт відбиття ватметра з двома протяжними датчиками в зміжних стінках ( –– ) і в широкій стінці зі зсувом ( )

Рис. 9. Два портязних датчика на суміжних стінках:

а) з розмірами =0,2, , ;

б) частотні залежності;

в) приклади розв’яку рівняння .

Для визначення оптимальних форм, розмірів і місця розташування парних протяжних датчиків запропонована методика розрахунку і отримані результати, що дозволяють зменшити систематичну складову похибки, обумовлену зміною частоти сигнала в межах ±20% до ±2,3%.

Рис. 10. Частотні залежності для двох датчиків на широкій стінці: а) фізична модель: б) , =0,2 для и ,=0,2687 для ;в) крива в збільшеному маштабі.

З метою визначення додаткових складових похибки, обумовлених зміною теплофізичних характеристик матеріала ПС і умов теплообміну, запропонована методика їх врахування і способи зменшення, а також досліджена залежність коефіцієнта подібності, який характеризує адекватність температурного поля ПС електромагнітному полю в хвилеводі.

Запропонована методика розрахунку систематичної складової похибки, яка обумовлена присутністю в спектрі сигнала позаполосних складових. Показано, що припустимі стандартні рівні гармонік і вищі типи хвиль, що виникають при цьому не призводять до значень цієй похибки, що виходять за рамки розумних меж. Наведена процедура і приклад оцінки сумарної похибки ватметра для порівняно узгоджених трактів.

П’ятий розділ присвячений розвитку багатозондового методу вимірювань, який дозволяє структурно-алгоритмічними методами практично виключити похибку неузгодження і забезпечити комплексний контроль сигналу і тракту в широкому діапазоні рівнів потужності і частот на основі розроблених квазиточкових хвилеводних і коаксіальних датчиків прохідної потужності і відповідної обробки їх сигналів.

Синтезовані алгоритми і розроблені структури багатозондових мікрохвильових мультиметрів (БММ) для вимірювання падаючої, відбитої і прохідної потужності, модулю і фази коефіцієнта відбиття навантаження, довжини хвилі в хвилеводі. При цьому для фіксованих частот використовується трьохзондова система, для робочої смуги частот хвилеводів ±20% –п’ятизондова, для більш широкої смуги частот коаксіальних ліній (4 октави) – дев’ятизондова.

Якщо вимірювальна система будується на трьох еквідистантних датчиках, то прохідна потужність буде розраховуватися за алгоритмом

(9)

де

Для забезпечення роботи в діапазоні частот необхідний четвертий датчик, який дозволяє визначити поточні значення cosИ і відповідно синтезувати адаптивні до зміни частоти алгоритми:

, (10)

(11)

, (12)

При цьому новий адаптивний алгоритм і його реалізація структурно або програмно дозволяють забезпечити високу точність вимірювань в неперевному діапазоні частот.

Вивчення можливих ситуацій при обчисленні вимірюваних параметрів показує, що при певному співвідношенні значень довжин хвиль і фази коефіцієнту відбиття знаменники в формулах можуть бути нульові. Ці критичні ситуації отримали назву вражених точок. З іншого боку обмеженням для використання еквідистантного розташування датчиків є ситуація, коли між сусідніми
датчиками укладається півдовжини хвилі і всі сигнали стають однаковими, що відповідає неправдивому ідеальному узгодженню, при якій складається ілюзія біжучої хвилі в тракті.

Для виходу з цих критичних ситуацій у вимірювальному перетворювачі встановлюється додатковий п’ятий датчик. Якщо в першому випадку, на основі відліків Р1-Р4 знаменник виразу для cosИ дорівнює або наближається до нуля, то за допомогою автоматичного електронного комутатора відбувається зсув відліків на датчики Р2-Р5. В другому ж випадку, коли частота стає в два рази більшою за розрахункову, і сигнали всіх датчиків стають однаковими і при перекомутації