Міністерство освіти і науки України

Харківський національний університет радіоелектроніки

Лукянчук Григорій Олександрович

УДК 621.372.8

Мікрохвильові пристрої

на основі резонаторів біжної хвилі

05.12.07 – антени і пристрої мікрохвильової техніки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі радіотехніки Севастопольського національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент,

Саламатин Віктор Васильович,

доцент кафедри радіотехніки,

Севастопольський національний технічний

університет

Офіційні опоненти: доктор фізико–математичних наук, доцент,

Должиков Володимир Васильович,

професор кафедри основ радіотехніки,

Харківський національний університет

радіоелектроніки

доктор технічних наук, професор,

Величко Анатолій Федорович,

завідувач відділу, Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова

Національної академії наук України

Захист відбудеться “12” грудня 2007 р. о 13.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .052.03 у Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розісланий “8” ___11_____ 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д .052.03

доктор технічних наук, професор В.М. Безрук

Актуальність теми. Сучасний процес розвитку радіоелектронних засобів мікрохвильового діапазону характеризується істотним поліпшенням їх параметрів, технічних і експлуатаційних характеристик, високою мірою автоматизації і комп'ютеризації процесів функціонування. Вказані ознаки багато в чому визначаються якісними показниками хвилеводного тракту і пристроїв формування НВЧ сигналів. Великий ряд мікрохвильових пристроїв виконаний на основі резонаторів біжної хвилі (РБХ). До таких пристроїв відносяться: спрямовані фільтри, системи складання і розділення частотних каналів, формувачі надкоротких радіоімпульсів і інші.

У відповідності до “Державної програми розвитку техніки і технологій надвисоких частот на 2005-2009 роки” Міністерства промислової політики України актуальною є задача створення вітчизняних мікрохвильових вимірювальних і генераторних пристроїв, в тому числі формувачів коротких радіоімпульсів НВЧ підвищеної потужності. Резонаторні формувачі радіоімпульсів з економічної і технічної точок зору вигідно відрізняються від генераторних електронних приладів НВЧ, що працюють в імпульсному режимі, оскільки РБХ, будучи пасивним елементом, дозволяє накопичувати енергію малопотужних генераторів НВЧ, яка потім може бути виведена у вигляді короткого радіоімпульсу. Проте, для реалізації сучасних РБХ потрібно вирішити цілий ряд задач. У теорії це, передусім, доповнення моделей РБХ описом перехідних процесів. У практиці побудови РБХ це зниження великих рівнів перевідбиття в кільцевому тракті і, як наслідок, великих відбивань у бік генератора, а також конструктивної складності пристроїв швидкого виведення накопиченої енергії з кільця. Рішення цих задач дає можливість створення простих, економічних, з поліпшеними технічними параметрами формувачів радіоімпульсів НВЧ коливань наносекундної тривалості підвищеної потужності

В мікрохвильовій техніці широко використовуються спрямовані відгалуджувачі (СВ) з великим ослабленням сигналу в зворотньому плечі вторинного каналу, що досягає п'ятдесяти і більш децибел. Вимірювання таких значень ослаблення пов'язане зі значними труднощами при використанні існуючих методик вимірювання параметрів СВ, що вимагають застосування високопотужних генераторів НВЧ і високочутливих індикаторних пристроїв. Використання РБХ для дослідження параметрів таких СВ відкриває можливості створення методів побудови вимірювачів на основі малопотужного генератора НВЧ і стандартних індикаторів сигналів, що забезпечують досить високу точність вимірювань

У зв’язку с цим є актуальною задача розробки мікрохвильових пристроїв на основі РБХ, вирішення якої дозволить істотно поліпшити якісні показники формувачів радіоімпульсів малої тривалості і підвищеної потужності, а також - вимірювачів параметрів СВ з великими спрямованістю і перехідним ослабленням.

Тому актуальною є тема дисертаційної роботи, пов'язаної з дослідженням і розробкою резонаторів біжної хвилі і пристроїв на їх основі присвячена представлена дисертація.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційні дослідження пов'язані з плановими держбюджетними НДР, які виконуються на кафедрі радіотехніки СевНТУ і фінансуються Міністерством освіти і науки України: “Исследование микроволновых устройств на основе РБВ” (№ державної реєстрації 0104U002227), “Микроволновые методы и средства контроля параметров радиотехнических систем, технологических процессов и материалов” (№ державної реєстрації 0105U007565), у виконанні яких автор брав участь як відповідальний виконавець.

Мета роботи полягає в розвитку методів аналізу хвильових процесів в резонаторі біжних хвиль, створенні пристроїв формування НВЧ радіоімпульсів малої тривалості і підвищеної потужності на його основі, а також розробці резонаторних методів вимірювання параметрів спрямованих відгалуджувачів.

Відповідно до поставленої мети в дисертації сформульовані і вирішені такі задачі дослідження:

1) удосконалення методів теоретичного і експериментального дослідження перехідних і стаціонарних процесів в резонаторах біжної хвилі;

2) створення моделей пристроїв формування радіоімпульсів і вимірювальних пристроїв, що побудовані на основі РБХ, на підставі топологічного методу і апарату геометричних прогресій, проведення чисельних досліджень, що дозволяють вивести нові закономірності і особливості створених пристроїв, а також визначати параметри і характеристики в стаціонарному і перехідному режимах роботи;

3) розробка методів визначення власних параметрів резонатора біжної хвилі: добротність кільцевого резонатора, спрямованості і перехідного згасання СВ, що входить до складу РБХ;

4) технічна реалізація і експериментальне дослідження характеристик розроблених мікрохвильових пристроїв, що підтверджує вірогідність розроблених моделей: перетворювача тривалості радіоімпульсів, формувача коротких імпульсів підвищеної потужності, інтерференційного вимірювача спрямованості СВ і резонансно-рефлектометричного вимірювача спрямованості і перехідного послаблення СВ.

Об'єкт дослідження – стаціонарні і перехідні процеси в резонаторі біжних хвиль і в мікрохвильових перетворювачах, що побудовані на його основі.

Предмет дослідження – моделі, принципи побудови і функціонування формувачів коротких радіоімпульсів і вимірювачів спрямованості відгалуджувачів, основним структурним елементом яких є РБХ.

Методи дослідження. У роботі використаний топологічний спосіб аналізу для розробки математичних моделей пристроїв, які досліджуються, що дозволив визначити основні параметри і характеристики РБХ в сталому режимі; математичний апарат геометричних прогресій для аналізу роботи пристроїв в перехідний період; комп'ютерне моделювання і експериментальні дослідження характеристик розроблених мікрохвильових пристроїв.

Наукова новизна отриманих результатів. При виконанні роботи уперше отримані наступні наукові результати:

удосконалені методи аналізу перехідних хвильових процесів в РБХ на основі методу геометричних прогресій, за допомогою яких отримані формули для розрахунку амплітуд хвиль в плечах СВ резонатора в нестаціонарному режимі;

запропоновано і обгрунтовано резонаторний метод визначення параметрів СВ з великими значеннями перехідного ослаблення і спрямованості, що заснований на вимірюванні КСХ у допоміжному кільцевому тракті відгалуджувача;

запропоновано і обгрунтовано рефлектометричний метод визначення спрямованості і перехідного ослаблення СВ, заснований на вимірюванні ККВ і ККП в первинному каналі відгалуджувача, вторинний кільцевий канал якого утворює РБХ;

запропоновано метод вимірювання добротності РБХ, заснований на використанні амплітудно-модульованого сигналу із змінною частотою модуляції;

запропоновано застосування РБХ як перетворювача тривалості радіоімпульсів НВЧ генератора з використанням нестаціонарного режиму роботи резонатора;

запропонована і обгрунтована модель формувача коротких радіоімпульсів підвищеної потужності, яка заснована на використанні регульованого мостового зв'язку на виході РБХ;

запропоновані і обгрунтовані новий тип РБХ з двостороннім збудженням і формувач наносекундних радіоімпульсів підвищеної потужності на його основі.

Практична цінність результатів роботи полягає в тому, що отримані нові знання і розроблені раніше невідомі рекомендації необхідні для практичної діяльності розробників мікрохвильової техніки, а саме:

1. Розвинено метод аналізу перехідних процесів із застосуванням апарату геометричних прогресій, що дозволяє теоретично досліджувати процеси накопичення і спаду енергії в каналах СВ резонатору дискретно у часі, по мірі наростання кількості пробігів фронту енергії в кільцевому тракті;

2. Проведено порівняльний аналіз методів дослідження параметрів спрямованих відгалуджувачів, на підставі якого показані практичні переваги запропонованих методів:

- інтерференційний метод вимірювання: можливість використання малопотужних вимірювальних генераторів НВЧ і стандартних вимірювальних перетворювачів для дослідження великих величин спрямованості; відсутність жорстких вимог до ідентичності характеристик детекторів;

- рефлектометричний метод вимірювання: можливість визначення як спрямованості, так і перехідного ослаблення без внесення додаткових неоднорідностей в кільцевий тракт, що підвищує достовірність і точність вимірювань;

- метод вимірювання добротності РБХ: вимірювання добротності резонатора з підвищеною точністю.

3. Розроблені і виготовлені зразки резонаторних перетворювача і формувачів НВЧ радіоімпульсів:

- перетворювач тривалості радіоімпульсів дозволяє одержати короткі когерентні НВЧ радіоімпульси з довгих;

- формувач НВЧ радіоімпульсів з двостороннім збудженням резонатора дозволяє усунути вплив перевідбиття в кільці; підвищити надійність роботи p-i-n діодного перемикача, так як комутуючий пристрій встановлюється в кільці в мінімумі напруженості поля; дозволяє швидко (за час подвійного пробігу енергії хвилі по кільцю) вивести накопичену енергію завдяки використанню Е-трійника на виході РБХ;

- метод формування НВЧ-імпульсів з мостовим зв'язком дозволяє одержати короткі когерентні імпульси на виході завдяки використанню регульованого зв'язку між каналами хвилеводно-щілинного моста.

4. Результати дисертаційної роботи упроваджені при розробці нових зразків генераторів НВЧ в Державному підприємстві НДІ “Оріон” (м. Київ) і в методиці сертифікаційних випробувань вузлів мікрохвильової техніки в Державному випробувальному центрі “Омега” (м. Севастополь), а також упроваджені в навчальний процес кафедри радіотехніки СевНТУ в дисциплінах "Електродинаміка і РРВ" і "Пристрої мікрохвильового і оптичного діапазонів”. Про це свідчують чотири акта про випровадження.

Особистий внесок здобувача. Результати дисертаційної роботи повно представлені в публікаціях, які відображають нові наукові положення і виносяться на захист. Особистий внесок здобувача в спільних роботах полягає в наступному: в роботах [1, 4] здобувачу належить розробка структурної схеми інтерференційного вимірювача спрямованості, проведення аналізу режимів його роботи і розрахунок геометричних параметрів експериментального приладу; в роботах [2, 7, 15, 20] здобувач обґрунтував метод генерації коротких когерентних радіоімпульсів підвищеної потужності і отримав формули для оцінки потужності і тривалості радіоімпульсів; в роботах [3, 16] здобувачу належать: виведення рівнянь, що описують зміну потужності в плечах РБХ в стаціонарному і перехідному режимах і розрахунок часових функцій наростання і спаду відносної потужності на його виході; в роботі [5] здобувачем проведена оцінка погрішностей запропонованого методу вимірювання добротності; в роботах [6, 9, 14] здобувач отримав рівняння, що описують перехідні процеси в перетворювачі і форму сигналу на виході; в роботі [17] здобувачу належать побудова орієнтованого графа вимірювача, виведення формул для розрахунку спрямованості і проведення експерименту; в роботах [18, 22] здобувачем розроблені методика вимірювань і отримані формули для загального випадку оцінки перехідного загасання і спрямованості відгалуджувача за виміряних значеннях ККВ і ККП; в роботах [11, 19] здобувачем зроблений аналіз залежностей ККВ і ККП від магнітної і діелектричної проникності матеріалу, який заповнює дільницю хвилеводу, отримані рівняння для випадку діелектрика з втратами; в роботі [23] здобувачем запропонований РБХ з двостороннім збудженням і проведений розрахунок параметрів формувача наносекундних когерентних імпульсів підвищеної потужності; в роботі [24] здобувачем отримані результати випробувань експериментального устаткування інтерференційного і резонансно-рефлектометричного вимірювача параметрів спрямованих відгалуджувачів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались і обговорювалися на 14 конференціях: 6-ому, 7-ому, 8-ому, 9-ому Міжнародних форумах “Радіоелектроніка і молодь в XXI віці” (Харків 2002, 2003, 2004, 2005); 12-й, 13-й, 14-й, 15-й і 16-й Міжнародних конференціях “СВЧ техника и телекомуникационные технологии” (Севастополь, 2002, 2003. 2004, 2005, 2006); 1-й Міжнародній конференції студентів, аспірантів та молодих вчених „Молодежь и современные проблемы радиотехники” (Севастополь, 2005); 4-й Міжнародній конференції з теорії і техніки антен “ICATT-2003” (Севастополь, 2003 р.); 2-ому Міжнароднму радіоелектронному Форумі “Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития” МРФ–2005 Электрорадиоизмерения (МКМИТ 2005) (Харків, 2005); 3-й Міжнародній конференції “Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals UWBUSIS-2006” (Севастополь, 2006); 8-й Міжнародній науково-практичній конференції "Современные информационные и электронные технологии " (Одеса, 2007).

Зразки пристроїв, які розроблені на підставі РБХ, нагороджені золотими медалями II Міжнародного салону винаходів і нових технологій „Новое время” ( Севастополь, вересень, 2006 р.), медаллю Польської асоціації винахідників і дипломом переможця Всеукраїнського конкурсу "Винахід – 2006" в номінації "Кращий винахід в області електроніки і комунікаційних технологій" ( Київ, квітень, 2007 р.)

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 24 наукові роботи: в тому числі 2 патенти України, 9 наукових статей, які видані в періодичних журналах і збірниках, що входять до переліку ВАК України, 13 доповідей, які увійшли в збірники праць і тез науково-технічних конференцій.

Структура і огляд роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів і висновку. Робота містить 158 сторінки друкованого тексту, 43 рисунка, 3 таблиці, бібліографію з 112 найменуваннями вітчизняної і зарубіжної літератури.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦійної РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дослідження, показаний зв'язок теми з науково-дослідними роботами, сформульовані мета і завдання дослідження, визначені об'єкт, предмет і методи дослідження, приведені наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, індивідуальний внесок автора в роботи, що виконані в співавторстві, апробація результатів дисертації і відомості про публікації за темою дисертації.

У першому розділі дисертаційної роботи „Аналіз мікрохвильових пристроїв, які виконані на основі резонаторів, і дослідження потенційних можливостей їх застосування”, який носить оглядово-дослідницький характер, розглянуті методи аналізу роботи РБХ.

Резонатор біжної хвилі (рис. 1, а) це направляюча система зі згорненим в кільце вторинним каналом. При роботі в стаціонарному режимі рівень потужності хвилі в кільці Р3 багаторазово перевищує рівень вхідної потужності Р1. З використанням топологічного методу (рис. 1, б) теоретично досліджена робота кільцевого РБХ для загального випадку і для випадку дотримання умови критичного зв'язку.

Отримані співвідношення для визначення амплітуд хвиль у 2 і 3 плечах СВ:

, (1),

де k — коефіцієнт зв'язку каналів СВ по напруженості поля, — коефіцієнт передачі кільцевого тракту резонатора по напруженості поля.

При — умові критичного зв'язку хвиля живлячого генератора повністю переходить в кільцевий резонатор і амплітуди хвиль (1) стають рівними:

. (2)

Проведено огляд пристроїв, що містять кільцеві резонатори, показані широкі можливості застосування РБХ при рішенні різних задач радіотехніки: спрямованій смуговій фільтрації, розділенні (підсумовуванні) сигналів по частотних стовбурах, дослідженні електричних і неелектричних параметрів матеріалів, проведення випробувань НВЧ пристроїв на електричну міцність і інші.

Досліджена можливість застосування РБХ для побудови вимірювача спрямованості відгалуджувачів. Показано, що застосування вимірювачів, які побудовані на основі РБХ, є найбільш перспективним при дослідженні спрямованих відгалуджувачів з великими значеннями перехідного ослаблення і спрямованості, оскільки вони дозволяють використовувати стандартні малопотужні вимірювальні генератори і вимірювальні підсилювачі.

Проведено порівняльний аналіз електронних і резонаторних формувачів радіоімпульсів НВЧ малої тривалості і показаний ряд переваг пристроїв, які побудовано на основі резонаторів. Проведене дослідження потенційних можливостей мікрохвильових формувачів коротких радіоімпульсів, які побудовані на основі резонаторів. Розглянуті мікрохвильові пристрої, що виконані на основі РБХ і РСХ.

Виконано огляд швидкодіючих комутуючих пристроїв (КП), що є одним з основних елементів резонаторних формувачів радіоімпульсів, виявив значні переваги діодних комутуючих пристроїв, при використанні яких забезпечується висока стабільність часових характеристик і мала тривалість перехідних процесів, що становить одиниці наносекунд.

Обґрунтовано вибір напрямів роботи.

У другому розділі дисертаційної роботи „Теоретичні дослідження методів і пристроїв формування наносекундних радіоімпульсів НВЧ підвищеної потужності” розроблені математичні моделі перетворювача тривалості радіоімпульсів і двох варіантів формувачів коротких імпульсів підвищеної потужності, що описують стаціонарні і перехідні процеси.

Для аналізу перехідного процесу накопичення і виведення енергії використаний математичний апарат геометричних прогресій. Така модель передбачає дискретний розгляд перехідних процесів в РБХ: амплітуда хвилі дискретно збільшується в режимі накопичення енергії, або дискретно зменшується при виведенні. Тривалість одного циклу tц визначається відношенням довжини кільця L до групової швидкості Vгр.

Алгебраїчна сума амплітуд хвиль в кожному з плеч СВ являє собою геометричною прогресією. Визначивши знаменник прогресії, можна знайти будь-який її член або суму.

Для коефіцієнта зв'язку каналів відгалуджувача по напруженості поля k і коефіцієнта передачі кільцевого каналу знаменник прогресії визначається співвідношенням

За час tm = (m –1) tц потужність хвилі в кільці стає рівною

. (3)

Аналогічним чином проаналізований процес зменшення потужності в кільці при відключенні генератора

. (4)

Аналіз часових характеристик відповідно до приведених залежностей (3, 4) показав, що накопичення енергії в резонаторі і її виведення відбуваються досить швидко і залежать від коефіцієнтів зв'язку первинного і вторинного каналів спрямованого відгалуджувача — збудника кільцевого резонатора.

На основі проведеного аналізу перехідних процесів в резонаторі при накопиченні і виведенні енергії запропонований спосіб застосування РБХ для перетворення тривалості НВЧ імпульсів. Для накачування енергією кільцевого резонатора використаний генератор НВЧ, що працює в режимі модуляції прямокутними імпульсами малої шпаруватості. Розроблена математична модель пристрою перетворення тривалості імпульсів, на основі якої отримані розрахункові формули, що дозволяють визначити нормовану потужність хвилі в кільці і на виході пристрою при вхідному впливі радіоімпульсів, як ідеально прямокутної форми, так і трапецієвидної.

Імпульси на виході пристрою є реакцією перетворювача на швидке включення і відключення НВЧ генератора. Таким чином, послідовність імпульсів меандра перетворюється в послідовність коротких імпульсів на виході пристрою. Тривалість вихідних імпульсів залежить від крутості фронтів меандра живлячого генератора. Для випадку ідеально прямокутного меандра часова залежність зміни нормованої потужності на виході перетворювача визначається виразом

, (5)

а для критичного зв'язку ця залежність набуває вигляд .

У роботі, також проведений розрахунок випадку експоненціально наростаючого імпульсу генератора. Імпульсна потужність вихідних радіоімпульсів при цьому не збільшується.

Запропонований варіант побудови формувача (рис. 2), в якому швидке виведення енергії, накопиченої в резонансному кільці, здійснюється за допомогою хвилеводно-щілинного моста (ХЩМ).

Перемикаючий пристрій, розміщений в щілині моста, навперемінно перекриває (перехід в режим накопичення енергії хвилі кільця) і відкриває щілину (режим виведення накопиченої енергії). При цьому максимальний рівень потужності Рвих1 на виході пристрою перевищує рівень потужності генератора. Зміна вихідної потужності, нормованої відносно Рвих1, із зростанням числа циклів m визначається виразом:

, (4)

де k1 — коефіцієнт зв'язку каналів СВ, k2 — коефіцієнт зв'язку каналів ХЩМ.

Проведений теоретичний аналіз роботи формувача цього типу в сталому режимі і режимі виведення енергії з резонатора. Отримані розрахункові часові залежності потужності хвилі в кільці і на виході пристрою.

Другий варіант формувача (рис. 3) побудований на основі РБХ з двостороннім збудженням резонансного кільця. Формувач досліджений в режимах накопичення і виведення енергії з резонансного кільця. Розглянуті перехідні і стаціонарні електродинамічні процеси в формувачі. Для виведення накопиченої енергії хвилі з резонансного кільця використаний швидкодіючий перемикач на p-i-n діодах в комбінації з Е-трійником.

При двосторонньому збудженні (через плечі 1 і 2 СВ), в кільці РБХ циркулюють дві зустрічні хвилі. Потужності хвиль, тих, що розповсюджуються по резонансному кільцю в протилежних напрямах при критичному зв'язку перевищують потужність НВЧ генератора в разів.

Вихідне плече хвилеводного Е трійника розташоване в площині симетрії кільця. У режимі накопичення енергії в бічні плечі трійника поступають синфазні біжні хвилі з рівними амплітудами. Це забезпечується ланцюгами А1—Ф1—В1 і
А2—Ф2—В2 в плечах системи збудження РБХ. Завдяки властивості Е-трійника хвилі, що відгалуджуються у вихідному плечі, протифазні і взаємно компенсують одна одну і виведення енергії з РБХ не відбувається.

Якщо на відстані l0 = ?n + ?/2 від осі симетрії вихідного плеча вмить сформувати відбивальний елемент, то хвиля, що відбивається, стане протифазною біжної хвилі у зустрічному напрямі. При цьому амплітуди хвиль, що відгалуджуються, у вихідному плечі Е-трійника складаються і проводиться швидке виведення енергії з кільцевого резонатора. Слід відзначити, що відбивальний елемент знаходиться у вузлі електричного поля, як при накопиченні енергії, так і при її виведенні, що підвищує надійність його роботи.

Теоретичні розрахунки показали, що в режимі виведення накопиченої енергії з резонатора, імпульсна потужність хвилі, що відгалуджується у вихідне плече, дорівнює

, (5)

де — комплексний коефіцієнт передачі (ККП) відрізка хвилеводного кільця від осі симетрії Е-трійника до відбивального елемента, — ККП відрізка від осі симетрії Е-трійника до центра симетрії елементів зв'язку каналів СВ ( і — модуль і фаза ККП хвилеводного кільця); — комплексний коефіцієнт відбиття (ККВ) від плеча Е-трійника; — ККП з 3 плеча СВ у вихідне плече Е-трійника.

Сумарна тривалість вихідного радіоімпульсу формувача складає , де р — довжина хвилі у вільному просторі, відповідна резонансній довжині хвилі в хвилеводі вр; ТВЧ — період НВЧ коливань. При р = ,71вр = ,3 см; n = 10; C = 10 дБ (відповідає k2 = 0,1); ГЕ2 = ,01; 02 = 0,99; S2 = 0,5; 21  = 0,954; тривалість вихідного радіоімпульсу складе tИ = 3,610 9c, а відношення P/P1p = 18,88.

Таким чином, розглянутий мікрохвильовий пристрій, побудований на основі РБХ з двостороннім збудженням, дозволяє формувати НВЧ радіоімпульси наносекундної тривалості і підвищеної потужності, а також зменшити амплітуди хвиль, що відбиваються у бік генератора.

У третьому розділі дисертаційної роботи „Теоретичні дослідження методів і пристроїв із застосуванням РБХ для вимірювання спрямованості відгалуджувачів” запропоновані два варіанти побудови вимірювачів – з інтерференційним і рефлектометричним мікрохвильовими перетворювачами. Розроблені і досліджені математичні моделі і метрологічні характеристики вимірювачів. Отримані формули для визначення величини спрямованості СВ за результатами параметрів, що безпосередньо вимірюються: для першого варіанту цим параметром є КСХ, для другого – модулі коефіцієнтів відбиття і передачі.

Як інтерференційний перетворювач розглядалися вимірювальна лінія (рис. 4) або поляризаційний вимірювач КСХ і фази коефіцієнта відбиття.

До плечей 1 і 2 первинного каналу спрямованого відгалуджувача (СВ) приєднані, відповідно, генератор НВЧ і узгоджене навантаження. Вторинний канал СВ (плечі 4 і 3) замкнутий за допомогою двох хвилеводних півкілець і вимірювальної лінії (ВЛ). Замість вимірювальної лінії може використовуватися також відгалуджувач кругової поляризації з детекторною головкою, що повертається, для вимірювання КСХ в замкненому кільці.

СВ, що відгалуджуються, з первинного каналу у вторинний пряма і зворотна хвилі циркулюють по замкненому хвилеводі в протилежних напрямах. За умови, що довжина кільця L кратна довжині хвилі в хвилеводі ?в, пристрій, що розглядається, це резонатор біжної хвилі. У цьому випадку, амплітуди хвиль в кільці багаторазово зростають. Це дозволяє проводити необхідні вимірювання за допомогою типових індикаторів і генераторів. Рівні потужності інтерференційних максимуму і мінімуму реєструються індикатором при переміщенні зонда ВЛ уздовж осі хвилеводу.

Розрахунок КСХ проводиться по виміряних максимальному і мінімальному показниках індикатора. При квадратичному детектуванні КСХ в кільцевому тракті визначається як

, (6)

де Р3 і Р4 – потужності хвиль в 3 і 4 плечах СВ. Спрямованість відгалуджувача D дорівнює відношенню потужностей хвиль в прямому плечі вторинного каналу СВ – Р3 до потужності в зворотньому плечі Р4

. (7)

Таким чином, спрямованість відгалуджувача розраховується на основі виміряних значень КСХ в кільцевому резонаторі. Розглянутий спосіб може бути використаний при дослідженні СВ з великим ослабленням між каналами, коли визначити спрямованість відгалуджувача без застосування потужних НВЧ генераторів і високочутливих індикаторів важко. Проте, введення в замкнений вторинний тракт СВ вимірювального мікрохвильового перетворювача може внести деяку неоднорідність і вплинути на результат вимірювання. Крім того, інтерференційний вимірювач визначає тільки спрямованість відгалуджувача і не визначає інший найважливіший параметр — перехідне ослаблення.

Розроблений резонансно-рефлектометричний метод вимірювання спрямованості і перехідного ослаблення відгалуджувачів (рис. 5) дозволяє виключити вищеперелічені фактори.

Вторинний тракт спрямованого відгалуджувача, який досліджується, замкненіий в кільце і отриманий пристрій є резонатором біжної хвилі. Його можна представити у вигляді еквівалентного чотириполюсника. Якщо ж до вихідного плеча первинного тракту СВ підключити навантаження, то РБХ можна розглядати як еквівалентний двополюсник.

При переміщенні поглинаючого клина СН вимірюються максимальне Гmax і мінімальне Гmin значення модуля ККВ, по яких розрахо-вується значення спрямованості. Величина спрямованості D складається з двох доданків, перший з яких визначається вимірюваними значеннями Гmax і Гmin, а другий залежить від параметрів РБХ. При роботі РВБ в режимі, відмінному від критичного, спрямованість відгалуджувача визначається у відповідності до наступного виразу

, (8)

де Т – модуль ККП кільцевого резонатора. Перехідне ослаблення спрямованого відгалуджувача дорівнює

. (9)

У формулах (8) і (9) модуль коефіцієнта передачі кільцевого каналу визначається як

, (10)

де а, b — поперечні розміри хвилевода; — довжина хвилі генератора, — питома провідність стінок хвилеводу; L — довжина хвилеводного кільця.

Таким чином, з отриманими значеннями модулів Г і Т та (10), визначимо спрямованість D і перехідне ослаблення С спрямованого відгалуджувача, який досліджується.

У критичному режимі, коли E2 = і T 0, спрямованість і перехідне ослаблення визначаються як

, . (11)

Добротність кільцевого резонатора нарівні з спрямованістю і перехідним ослабленням спрямованого відгалуджувача – збудника цього резонатора відноситься до власних параметрів РБХ.

Запропонований метод вимірювання добростності реалізований за схемою, яка представлена на рис. 5,б), і заснований на використанні амплітудно-модульованого сигналу, частоту модуляції якого можна перестроювати. При теоретичному аналізі враховувалося, що резонатор має симетричну амплітудно-частотну характеристику відносно центральної резонансної частоти f0, тобто, має місце рівність K(f0 –) = (f0 +).

Методика вимірювання добротності резонатора передбачає використання частоти модуляції F в межах 50…100 Гц. При цьому модуль коефіцієнта передачі РБХ рівний K (f0), а амплітуда напруження на виході детектора UД1 дорівнює

,

де А — коефіцієнт пропорційності; М — коефіцієнт модуляції.

Із збільшенням частоти F генератора низької частоти модуль коефіцієнта передачі РБХ K(f0 + F) буде зменшуватися. При досягненні рівності K(f0 + F1) = = ,707 K(f0) амплітуда сигналу детектора UД2 поменшає в два рази відносно UД1. Визначивши за допомогою частотоміра резонансну частоту f0 і частоту модуляції F1, знаходимо добротність резонатора Q = f0 / 2F1.

У четвертому розділі дисертаційної роботи „Експериментальні дослідження мікрохвильових пристроїв, які виконано із застосуванням РБХ” розглянуті питання розробки і практичної реалізації мікрохвильових пристроїв. Експериментально досліджені вимірювачі спрямованості і перехідного ослаблення відгалуджувачів, перетворювач тривалості імпульсів і формувач коротких радіоімпульсів НВЧ підвищеної потужності, побудовані на основі РБХ. Зроблена метрологічна оцінка отриманих результатів вимірювання власних параметрів РБХ — спрямованості і перехідного ослаблення, а також добротності РБХ.

Теоретично досліджені погрішності визначення параметрів відгалуджувача інтерференційним і резонансно-рефлектометричним способами, а також погрішність визначення добротності РБХ. При використанні інтерференційного вимірювача величина спрямованості відгалуджувача D ,26 дБ визначена з погрішністю D =  ,86 дБ. При дослідженні іншого зразка відгалуджувача з використанням резонансно-рефлектометричного методу перехідне ослаблення С ,9 дБ визначене з відносною погрішністю C = 0,1 дБ. При цьому погрішність визначення спрямованості цього відгалуджувача, дорівнює D = 23,7 дБ, складає D = 0,5 дБ. Вимірювання добротності РБХ запропонованим методом на частоті f0ГГц дозволяє визначити значення добротності з відносною погрішністю Q = 1%.

Проведені експериментальні дослідження інтерференційного (рис. 4 и 6, а) і рефлектометричного методів (рис. 5) вимірювання параметрів відгалуджувачів. Попередньо проведена атестація СВ, які досліджуються, дозволила зробити висновки про погрішності вимірювань: розбіжність вимірювань величин спрямованості інтерференційним методом не перевищує 5%. При дослідженні рефлектометричного методу розбіжність результатів вимірювань перехідних ослаблений складає не більше 3%, а при проведенні вимірювань спрямованості — не більше 1,5%.

Експериментально досліджений перетворювач тривалості радіоімпульсів, реалізований на базі хвилевода перерізом 2310 мм. У схемі використаний хрестоподібний спрямований відгалуджувач. На резонансній частоті 9,552 ГГц перехідне загасання відгалуджувача рівне C = 13 дБ, а втрати в тракті А = 0,3 дБ. Тривалість керуючих імпульсів генератора становить 500 нс при періоді їх проходження - 1050 нс.

Пара коротких радіоімпульсів (рис. 7), які отримано на виході детектора, є реакцією перетворювача на радіоімпульс живлячого НВЧ генератора. Рівень другого радіоімпульсу в 1,4 рази нижче за рівень першого, що пояснюється більшеою протяжністю замикаючого фронту p-i-n діодного комутуючого пристрою tЗАП = 12 нс відносно відмикаючого tОТП = 2 нс, в зв'язку з чим час наростання другого радіоімпульсу на 10 нс більший за час наростання першого. Тривалість вихідних радіоімпульсів по рівню половинної потужності склала для першого радіоімпульсу 40 нс, для другого – 48 нс.

При реалізації формувача коротких радіоімпульсів підвищеної потужності з двостороннім збудженням РБХ (рис. 6, б) кільце зібране таким чином, що довжини відрізків між вихідним плечем Е-трійника і областю зв'язку СВ рівні, а p-i-n діодний комутатор розташований на відстані 4+/2 від вихідного плеча Е-трійника. Довжина хвилеводного кільця становила 0,74 м. Робота формувача здійснювалася на частоті генератора 9,255 ГГЦ, яка дорівнює одній з резонансних частот РБХ при втратах в резонансному кільці А = ,4 дБ. Для реалізації режиму, близького до критичного, вибраний СВ з перехідним загасанням С = 13,5 дБ.

Тривалість радіоімпульсу (рис.8) на половинному рівні потужності становить 3 нс. Виведення всієї накопиченої енергії з резонатора здійснюється за 8 нс. Досягнуте п'ятикратне перевищення рівня потужності вихідних радіоімпульсів відносно рівня потужності генератора (при потужності хвилі НВЧ генератора 6 мВт значення імпульсної потужності на виході пристрою склало більше 30 мВт). Встановлені методи наладнання, які дозволяють підвищити рівень максимуму радіоімпульсу з одночасним скороченням тривалості і амплітуди сплеску, що настає після заднього фронту радіоімпульсу.

У додатку до дисертації приведені акти упровадження результатів теоретичних і експериментальних досліджень.

ВИСНОВКИ

У результаті дисертаційного дослідження вирішена актуальна науково-прикладна задача удосконалення методів дослідження перехідних і стаціонарних процесів в резонаторах біжної хвилі, що дозволило розробити вірогідні математичні моделі і створити пристрої формування НВЧ радіоімпульсів і вимірювальні пристрої на базі РБХ.

Основні наукові результати і висновки полягають в наступному.

1. Показано, що при дослідженні спрямованих відгалуджувачів з великими значеннями С і D доцільне застосування вимірювачів, які побудовані на основі РБХ, оскільки вони дозволяють використовувати малопотужні вимірювальні генератори і стандартні вимірювальні підсилювачі. Показані великі потенційні можливості для поліпшення параметрів формувачів коротких радіоімпульсів НВЧ підвищеної потужності при застосуванні в них резонаторів біжної хвилі.

В результаті розрахунків, що проведені топологічним методом, отримано вирази для амплітуд хвиль у другому і третьому плечах спрямованого відгалуджувача РБХ в сталому режимі роботи резонатора для загального випадку і для випадку критичного зв'язку.

2. Проведено аналіз перехідних процесів накопичення і виведення енергії в РБХ. Уперше отримані розрахункові формули, що дозволяють визначити амплітуди хвиль в каналах СВ в нестаціонарному режимі.

Розроблено математичну модель пристрою перетворення тривалості імпульсів, на основі якої отримані розрахункові формули, що дозволяють визначити нормовану потужність хвилі в кільці і на виході пристрою при вхідному впливі радіоімпульсів як ідеальної прямокутної форми, так і трапецієвидної.

Розроблені математична модель і схема формувача коротких когерентних імпульсів підвищеної потужності з можливістю швидкого виведення енергії з кільцевого резонатора за допомогою хвилеводно-щілинного моста. Отримано розрахункові часові залежності потужності хвилі в кільці і на виході пристрою.

Розроблені і теоретично досліджені схеми і математичні моделі пристрою РБХ з двостороннім збудженням і формувача коротких когерентних імпульсів на його основі, що передбачає використання Е-трійника і комутатора. Отримані співвідношення, що дозволяють обчислити значення потужності на виході пристрою і тривалість радіоімпульсу, яка становить одиниці наносекунд.

3. Запропоновано інтерференційний спосіб вимірювання спрямованості, заснований на аналізі результатів інтерференції прямої і зворотньої хвиль у вторинному каналі СВ, що замкнений в кільце. Розроблена графоаналітична модель вимірювача, на підставі якої отримані розрахункові формули, що дозволяють визначати спрямованість відгалуджувача по виміряних значеннях КСХ в кільцевому резонаторі. Розроблені методики визначення спрямованості.

Запропоновано резонансно-рефлектометричний спосіб вимірювання спрямованості і перехідного ослаблення відгалуджувачів, заснований на аналізі результатів вимірювання ККВ і ККП хвилі в первинному каналі СВ, вторинний канал якого замкнутий в кільце. Розроблена графоаналітична модель вимірювача, що дозволила отримати розрахункові формули, які дозволяють визначати спрямованість і перехідне ослаблення відгалуджувача.

Запропоновано спосіб і розроблено методику вимірювання добротності кільцевого РБХ, заснований на використанні амплітудно-модульованого сигналу з частотою модуляції, яка перестроюється.

4. Отримані залежності дозволили визначити параметри РБХ: коефіцієнт загасання і коефіцієнти передачі кільця по напруженості поля і по потужності на резонансних частотах РБХ, що забезпечують умову критичного зв'язку.

Теоретично досліджено похибки визначення параметрів відгалуджувача інтерференційним і резонансно-рефлектометричним способами, а також похибку визначення добротності РБХ.

5. Проведені експериментальні дослідження інтерференційного і реф-лектометричного методів вимірювання параметрів відгалуджувачів. Попередньо проведена атестація СВ, що досліджуються, дозволила судити про похибки проведення вимірювань: розходження вимірювань величин спрямованості D = 20 дБ інтерференційним методом складає не більш D = 1,5 дБ. При дослідженні рефлектометричного методу розбіжність результатів вимірювань перехідних ослаблень С ,5 дБ складає не більш С = 1 дБ, а при проведенні вимірювань спрямованості D = 20 дБ – не більш D = 0,5 дБ.

6. Розроблено експериментальні зразки перетворювача тривалості імпульсів і формувача імпульсів з двостороннім збудженням. При проведенні випробувань перетворювача, тривалість імпульсів модулюючого коливання становила 0,5 мкс при періоді 1,05 мкс. При цьому отримані вихідні імпульсі з тривалістю на рівні половинної потужності 40 нс і 48 нс. При проведенні випробувань формувача тривалість вихідних імпульсів на половинному рівні потужності становила 3 нс. Рівень потужності вихідних імпульсів більше рівня потужності генератора в 5 разів.

В результаті проведених експериментальних досліджень розроблених мікрохвильових пристроїв на основі РБХ отримані дані, що підтверджують вірогідність математичних моделей і методів.

Результати дисертаційної роботи упроваджено при розробці нових зразків генераторів НВЧ в Державному підприємстві НДІ “Оріон” (м. Київ) і в методиці сертифікаційних випробувань вузлів мікрохвильової техніки в Державному випробувальному центрі “Омега” (м. Севастополь), а також упроваджено в навчальний процес кафедри радіотехніки СевНТУ. Про це свідчать чотири акти про впровадження.

ОСНОВНІ РОБОТИ, ОПУБЛІКОВАНІ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Патент №73380 G01R 27/06, G01R 27/28. Спосіб вимірювання коефіцієнта спрямованості відгалуджувачів на основі резонатора біжучої хвилі / Саламатін В.В., Лукянчук Г.О. Опубл. 15.07.2005, Бюл. №7.

2. Патент №76134 G01R 27/00 Пристрій формування короткочасних когерентних радіоімпульсів НВЧ коливань підвищеної потужності / Саламатін В.В., Лукянчук Г.О. Опубл. 17.07.2006, Бюл. №7.

3. Саламатин В.В., Лукьянчук Г.А. Анализ переходного процесса в резонаторе бегущей волны / Вестник СевНТУ. Сер. Информатика, электроника, связь: Сб. науч. тр. – Севастополь, 2003. - Вып. 47. –С. 145-154.

4. Саламатин В.В., Лукьянчук Г.А. Интерференционный метод измерения направленности ответвителя / “Измерительная и вычислительная техника в технологических процессах”: Сб. науч. тр. – Хмельницкий, 2004.- №2. – С.50-54.

5. Афонин И.Л., Лукьянчук Г.А., Плоткин А.Д., Саламатин В.В. Измерение добротности резонатора бегущей волны / Материалы 14-й Международной конференции “СВЧ техника и телекоммуникационные технологии”. Севастополь, 2004. С. 638-639.

6. Саламатин В.В., Лемешко Г.В., Лукьянчук Г.А. Микроволновый преобразователь длительности импульсов на основе резонатора бегущей волны / Материалы 14-й Международной конференции “СВЧ техника и телекоммуникационные технологии”. Севастополь, 2004.С. 416-417.

7. Саламатин В.В., Лукьянчук Г.А. Резонансный преобразователь непрерывного микроволнового излучения в импульсное когерентное излучение повышенной мощности // Вестник СевНТУ. Сер. Информатика, Электроника, Связь: Сб. науч. тр. – Севастополь, 2004.– Вып. 60. –С. 123-128.

8. Лукьянчук Г.А. Анализ интерференционного измерителя направленности ответвителей // Изв. вузов Радиоэлектроника: Сб. науч. тр. – Киев, 2005. –Том 48. –Вып. №8. –С. 62-69.

9. Саламатин В.В., Лемешко Г.В., Лукьянчук Г.А. Применение резонатора бегущей волны для преобразования длительности радиоимпульсов // Вестник СевНТУ. Сер. Информатика, Электроника, Связь: Сб. науч. тр.– Севастополь, 2005.– Вып.68. –С.140–149.

10. Лукьянчук Г.А. Методы измерения собственных параметров резонатора бегущей волны // Радиотехника. – Харьков, 2006. –Вып. 145. –С. 167-174.

11. Саламатин В.В., Лукьянчук Г.А., Лемешко Г.В. Измерение комплексных параметров материала плоско-параллельной пластины, расположенной в волноводе // Сб. науч. тр. Севастопольского ВМИ им. П.С. Нахимова. –Севастополь, 2006. –Вып.1(9) –С.145-151.

12. Лукьянчук Г.А. Резонатор бегущей волны с широкополосным двухщелевым элементом связи // Материалы 6-го Международного форума “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке”. –Харьков, 2002. –С. 251-252.

13. Лукьянчук Г.А. Применения резонатора бегущей волны для измерения направленности ответвителей // Материалы 7-го Международного форума “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке”. –Харьков, 2003. –С. 90.

14. Лемешко Г.В., Лукьянчук Г.А. Резонансный преобразователь длительности импульсного микроволнового излучения // Материалы 8-го Международного форума “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке”. –Харьков, 2004. –С. 52.

15. Лемешко Г.В., Лукьянчук Г.А. Резонаторный формирователь наносекундных СВЧ импульсов // Материалы 9-го Международного форума “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке”. –Харьков, 2005. –С. 10.

16. Лукьянчук Г.А., Саламатин В.В. Малогабаритный резонатор бегущей волны с щелевыми элементами связи // Материалы 12-й Международной конференции “СВЧ техника и телекоммуникационные технологии”. Севастополь, 2002.С. 405-406.

17. Саламатин В.В., Лукьянчук Г.А. Измеритель направленности ответвителей // Материалы 13-й Международной конференции “СВЧ техника и телекоммуникационные технологии”. Севастополь, 2003.С.662-663.

18. Лукьянчук Г.А., Саламатин В.В., Лемешко Г.В. Измерение направленности и переходного ослабления направленного ответвителя – возбудителя кольцевого резонатора // Материалы 15-й Международной конференции “СВЧ техника и телекоммуникационные технологии”. Севастополь, 2005. С.749 – 750.

19. Саламатин В.В., Лукьянчук Г.А., Лемешко Г.В. Измерение комплексных параметров материала плоско-параллельной пластины, расположенной в волноводе // Материалы 16-й Международной конференции “СВЧ техника и телекоммуникационные технологии”. Севастополь, 2006. С.754-755.

20. Salamatin V.V, Lukynchuk G.A. Shaper of radio pulses on the base of travelling