Харківський національний університет радіоелектроніки

Сафонов Валерій Віталійович

УДК 621.382 + 621.385

МІКРОХВИЛЬОВІ ПРИСТРОЇ З АКТИВНИМИ РЕЗОНАТОРАМИ

05.12.07 – антени та пристрої мікрохвильової техніки

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Дніпропетровському національному університеті

Міністерства освіти і науки України на кафедрі електронних засобів телекомунікацій

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Овсяніков Віктор Володимирович,

Дніпропетровський національний університет, професор кафедри електронних засобів телекомунікацій

Офіційні опоненти: доктор фізико - математичних наук, професор

Лучанінов Анатолій Іванович,

Харківський національний університет радіоелектроніки, професор кафедри основ радіотехніки

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Луценко Владислав Іванович,

Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усікова НАН України (м. Харків) старший науковий співробітник відділу фізичних основ радіолокації, лауреат премії Ради Міністрів СРСР

Захист дисертації відбудеться “28”_листопада 2007 р. о 13 -00 годині на засіданні спеціалізованої вченої Ради Д 64.052.03 при Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14, ауд.13

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

Автореферат розіслано “_19_”_жовтня__2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої Ради Безрук В.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Мікрохвильові пристрої з резонаторами знаходять широке застосування як складова частина генераторів, циркуляторів, вентилів, смугастих й режекторних фільтрів, модуляторів, накопичувачів потужності тощо, наприклад, при дослідженні фізичних властивостей речовин методом радіохвильової діагностики (РХД), зокрема діелектричних і феритових матеріалів за діелектричною проникністю та тангенсом кута діелектричних втрат. Сучасна технологія виробництва діелектричних і феритових матеріалів ще не забезпечує високої однорідності властивостей і достатньої повторності основних електромагнітних і метричних параметрів.

Проте, подальший розвиток сучасних засобів радіоелектроніки, телекомунікацій, аерокосмічної техніки життєво потребує подальших досліджень пристроїв РХД.

Очевидно, що необхідно оснащати радіоелектронну промисловість малогабаритними резонаторними мікрохвильовими пристроями з підвищеною чутливістю, точністю, високим коефіцієнтом корисної дії і ефективністю під час автоматизованої експрес - діагностики на етапах виробництва матеріалів й виготовлення виробів. Задовольнити деякою мірою ці вимоги можна шляхом використання активних резонаторів, зокрема біжучої хвилі (АРБХ).

Відомі дослідження класиків мікрохвильової техніки А. В. Харвея, Дж. Л. Альтмана, А. А. Брандта, F.J. Tischer’s та інших містять інформацію про звичайні схеми резонаторів стоячої (РСХ) та біжучої хвилі (РБХ), які збуджуються зовнішнім генератором. Нестабільність зовнішнього генератора в таких схемах є вагомим джерелом похибки.

Вагоме наукове значення мають дослідження ефектів дії НВЧ коливань при вивченні аспектів взаємодії електромагнітного випромінювання (ЕМВ НВЧ) з біооб'єктом. Використовуємими в мікрохвильових пристроях з активними резонаторами в генераторах ЕМВ НВЧ малої потужності є напівпровідникові діоди з міждолинним переносом електронів. В діапазоні НВЧ з підвищенням частоти величина генеруємої потужності із-за інерційних властивостей носіїв зарядів різко падає як наслідок мають місце зриви генерації, перескоки частоти. Напівпровідникові генераторні діоди, які є елементною базою сучасних НВЧ пристроїв з високими частотами роботи, необхідною потужністю і шумовими характеристиками відсутні.

З урахуванням наведеного вище можна констатувати, що актуальною і практично важливою науково – прикладною задачею сучасної мікрохвильової науки і техніки є розвиток досліджень властивостей мікрохвильових пристроїв з активними резонаторами та методу РХД. У цьому зв’язку є актуальною тема дисертаційного дослідження, спрямованого на подальше визначення нових ефектів взаємодії електромагнітного випромінювання з діелектриками, феритами, біооб'єктами з метою удосконалення техніки та технології радіохвильової діагностики електромагнітних властивостей цих речовин.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Актуальність теми дисертаційних досліджень підтверджена також їх зв’язком з плановими НДР у Дніпропетровському державному університеті. Робота виконана по тематиці наукових досліджень Дніпропетровського державного університету в рамках галузевої НДР державного комітету з народної освіти СРСР “Дослідження електромагнітних структур і розробка перспективної елементної бази радіоелектронної апаратури, включаючи електронно-обчислювальні машини” (1981-1986 рр. № ДР 01.81.073447) і тематиці наукових досліджень Дніпропетровського державного університету в рамках регіональної комплексно-цільової програми НДР МЗ УРСР, “Здоров’я” (1981-1990 рр. № ДР 01.81.02604), у вказаних НДР здобувач був відповідальним виконавцем.

Мета й завдання дослідження. Метою роботи є теоретичне і експериментальне дослідження фізичних особливостей підвищення точності мікрохвильових пристроїв з АРБХ, а також підвищення функціональних можливостей й ефективності роботи мікрохвильових генераторних модулів при розробці пристроїв РХД. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:

- знайти і дослідити розрахункові закономірні залежності зміни амплітуди і фази діагностичного сигналу в АРБХ зробивши умови для односпрямованого розповсюдження енергії діагностичного сигналу в бік досліджуваного зразка;

- обґрунтувати умови і особливості підвищення точності і еквівалентної добротності в кільцевому АРБХ мікрохвильового пристрою для дослідження електричних, магнітних властивостей діелектриків, феритів, біооб'єктів;

- розробити і дослідити ряд надійних, з розширеним частотним діапазоном, мікрохвильових модулів висококогерентних коливань;

- розробити програмне забезпечення для комп'ютерного аналізу, синтезу і оптимізації на основі теорії кіл НВЧ, матричних методів перебудов резонаторних схем.

Об’єктом дослідження є мікрохвильові пристрої з активними резонаторами НВЧ для діагностики, твердих й розчинних діелектриків, феритів та біооб'єктів.

Предметом дослідження є закономірні особливості розповсюдження діагностичного електромагнітного сигналу в активних резонансних структурах різної конфігурації, також при взаємодії цього сигналу з об’єктами діагностики.

Рішення зазначених задач здійснювалося з використанням апробованих матричних, обчислювальних та аналітичних методів досліджень.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Здобув подальший розвиток аналіз особливостей розповсюдження діагностичного сигналу в удосконаленому АРБХ з трьома регулюємими, невзаємними елементами зв’язку у мікрохвильовому пристрої з схемою самозбудження та часткової компенсації втрат [1, 8].

2. Вперше досліджено розгорнутий комплекс складних схем з активними і пасивними резонаторами біжучої хвилі, теоретично і експериментально одержано залежності розповсюдження діагностичного сигналу в бік досліджуваного зразка, які свідчать про поширення діагностичного діапазону та збільшенні більш чим на порядок чутливості хвилеводної частини мікрохвильового пристрою з АРБХ до змін коефіцієнта відбиття від досліджуваного зразка [2].

3. Вперше методом радіохвильової діагностики досліджено поглинаючу можливість сипучих діелектриків (стандартних вітчизняних сорбентів), достовірність і високу ефективність запропонованого способу РХД підтверджено порівнянням отриманих результатів з відомими експериментальними даними та даними літератури [25].

4. Розроблено нові структури балансного АРБХ з проточними діелектричними

резонаторами, електронним пристроєм автоматичного контролю швидкості зміни ді-

електричної проникності, матричним цифровим фільтром, побудованим на аналітичній моделі цифрового класифікатора сигналів та пристрою з АРБХ для радіохвильової діагностики твердих діелектриків й феритів, який вигідно відрізняється сумісним вирішенням завдань діагностики та її підвищеним рівнем [10,11,15].

5. Здобула подальший розвиток методика побудови генераторних модулів міліметрового діапазону НВЧ, розроблено нові структури ГМ, що відрізняються різко підвищеною добротністю, розрядженням спектру резонансних частот, підвищеною стійкістю автоколивального режиму при варіаціях навантаження з точки зору зривів генерації і перескоків частоти.

Наукове значення результатів роботи полягає в розробці методу радіохвильової діагностики, в якому за рахунок введення нових додаткових елементів і організації по новому зв’язку між ними, забезпечується сумісне виявлення, оцінювання параметрів і характеристик діелектриків й феритів, біооб’єктів, а також у проведенні досліджень робочих характеристик мікрохвильових пристроїв з активними резонаторами шляхом натурних випробувань характерних для НВЧ діапазону з високою точністю і надійністю, які забезпечені удосконаленою апаратною реалізацією.

Практичне значення отриманих результатів полягає у створенні та натурних випробуваннях нових мікрохвильових пристроїв, отримані результати подальше розвивають наукове уявлення і дають науково - практичні рекомендації для побудови більш адекватних моделей АРБХ [1, 2, 6, 8, 19], ГМ [17], їх фізичного аналізу в різних частотних діапазонах. Результати розробки перспективних мікрохвильових пристроїв: модулятора однієї бокової частоти [13], пристрою РХД магнітодіелектриків і діелектриків [12, 15] впроваджені в практику робіт державного підприємства “КБ “Південне” ім. М.К. Янгеля Національного космічного агентства України (м. Дніпропетровськ) при моделюванні елементів антен космічного апарату “СІЧ - 2”.

На основі проведених досліджень та виявлених ефектів результати досліджень і розробки перспективних високостабільних ГМ [3 -5, 17] впроваджені у Інституті транспортних систем і технологій Національної академії наук України “Трансмаг (м. Дніпропетровськ) для корекції функціонального стану екіпажів надшвидкісних транспортних засобів з магнітною левітацією, що підтверджується відповідними актами про впровадження.

Одержані у дисертації результати дослідження мікрохвильових пристроїв з активними резонаторами і самі пристрої були використані у РХД діелектриків [9, 10, 12, 14], феритів [19, 21, 22] для їх застосування у розроблених ГМ [3 - 5], балансному резонаторному діелектрометрі [14 - 16]. Практично реалізовано декілька нових пристроїв РХД на основі схем з самозбудженням з АРБХ і прохідним резонатором, та схем з ГМ. При застосуванні доведена підвищена точність і оптимальна (у конкретних випадках) чутливість (Вт).

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати, що викладені у ди-

сертації, отримано здобувачем самостійно і достатньо повно викладено, у публікаціях, що надруковано одноосібно [1, 2, 8, 10, 25]. В працях, опублікованих у співавторстві, здобувачем виконано: [3 - 5] - дослідження нових базових схем ГМ; [6, 7, 20] - синтез структури АРБХ, алгоритм обчислювання, проведення чисельних і натурних експериментів; [9, 11 - 16] - синтез схемотехнічних рішень мікрохвильових пристроїв, вибір інформативних ознак; [17] - розробку базової схеми пристрою, методики його технічної атестації і самостійне її проведення, оформлення матеріалів авторського свідоцтва; [18 - 24] - синтез функціонального вузла схеми пристрою та випробувань, оформлення матеріалів патенту, аналіз результатів досліджень.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації представлено та обговорено на науково - методичному міжвузівському семінарі, вітчизняних і міжнародній конференціях з публікацією у відповідних матеріалах конференцій:

1. 4 - й науковій конференції ”Методы и средства измерений электромагнитных характеристик радиоматериалов на ВЧ и СВЧ” (м. Новосибірськ, 1979р.);

2. V??- у ювілейному науково - методичному міжвузівському семінарі (м. Хмельницький, 1979р.);

3. 5 - й науковій конференції ”Радиотехнические измерения в диапазоне высоких (ВЧ) и сверхвысоких (СВЧ) частот” (м. Новосибірськ, 1980р.);

4. 1 - й міжвузівській науковій конференції ”Оптические и радиоволновые методы и средства неразрушающего контроля качества материалов и изделий” (м. Фергана, 1981р.);

5. ??? - й конференції УРСР "Нові засоби і сфери клінічного застосування сорбціонної детоксикації організму" (м. Дніпропетровськ, 1985р.);

6. 2005 5th International Conference on Antenna Theory and Techniques, 24 -27 May, Kyiv, Ukraine;

7. Щорічних наукових конференціях Дніпропетровського національного університету;

8. Науковому семінарі кафедри основ радіотехніки Харківського національного університету радіоелектроніки під керівництвом д. т. н., професора В. М. Шокало (м. Харків, 2007 р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи досить повно відображені в 25 публікаціях, зокрема, 10 статтях у фахових виданнях, що входять до переліку ВАК, 1 стаття опублікована у фаховому зарубіжному виданні, 6 авторських свідоцтвах, 1 патенті, а також 7 працях наукових семінарів та конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків і чотирьох додатків. Повний обсяг дисертації 182 стор.(основна частина - 136 с.) Усього в дисертації 71 рисунок, 14 таблиць. Список використаних літературних джерел нараховує 145 найменувань, 4 включають також 2 акта впровадження результатів дисертаційної роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі до дисертації обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета й основні задачі досліджень присвячених розробці мікрохвильових пристроїв з активними резонаторами, шляхом підвищення їх чутливості і точності , що є актуальним для діагностики речовин, біооб'єктів; наведені відомості про наукову новизну, практичну цінність й апробацію результатів дисертації та впровадження результатів роботи.

У першому розділі “Аналіз сучасного стану в галузі радіохвильової діагностики діелектричних та феритових матеріалів” наведено критичний аналіз науково-технічних рішень за темою досліджень, оглянуті принципові труднощі розв'язування поставлених задач та основні досягнення у дослідженні процесів діагностики зразків мікрохвильовими пристроями. Розглянуто наукові роботи присвячені матричним методам і методам теорії кіл для дослідження особливостей процесів в мікрохвильових пристроях з активними резонаторами, які необхідні для аналізу хвильових матриць розсіяння мікрохвильових пристроїв, що застосовуються для РХД твердих і розчинних діелектриків, феритів. Розглянуто аналітичні методи дослідження генераторних модулів НВЧ. Визначено коло невирішених або недостатньо досліджених питань і виділені шляхи подальшого їх ретельного дослідження.

У другому розділі “Дослідження діагностичних схем резонатора біжучої хвилі" наведені результати застосування методів синтезу і оптимізації до досліджень і розробки РБХ, як пасивних так і активних, активних взаємних і невзаємних у порівнянні з параметрами РСХ. Дослідження запропоновано виконувати в чотири основних етапи.

На першому етапі на початку проектування в умовах безупинного пошуку підвищення точності і чутливості формулюються технічні вимоги до електродинамічних параметрів АРБХ, до яких відносяться: умови появи резонансу і режиму біжучої хвилі в кільцевому РБХ, коефіцієнти відбиття і передачі, як в середині резонатора так і на вхідних і вихідних плечах, оптимальні величини коефіцієнтів зв’язку складного вузла компенсації втрат в кільці резонатора з відрізком допоміжної діагностичної лінії пристрою, величина коефіцієнта підсилення НВЧ- підсилювача, величини оптимальних (кратних цілим довжинам хвиль) сталих розповсюдження, фазових зсувів.

На другому етапі за допомогою метода автономних блоків і матричних перебудов ідеалізованих матриць, теорії з’єднань з два – чотири – восьми - полюсників НВЧ будуються матричні моделі АРБХ для розрахунку параметрів АРБХ: коефіцієнтів зв’язку спрямованих відгалужувачів (СВ), поглинання, відбиття у кільці, в тому числі і від зосередженої реактивності, у допоміжній лінії лінійного підсилювача, вентиля, мосту, фазообертача, короткозамикача (КЗ), імітатора зразка.

На третьому етапі перевіряється виконання заданих вимог, для переходу до четвертого етапу побудови АРБХ, у випадку невиконання вимог на попередніх етапах приймається рішення про виконання трьох можливих процедур:

а) мінімізації (максимізації) цільової функції, що забезпечує визначення оптимальних значень коефіцієнтів зв’язку трьох СВ первинними плечами з’єднаних у кільце АРБХ; б) корегуванню структурної схеми АРБХ; в) корегуванню вимог до параметрів складного кола АРБХ.

Диференційовані розрахункові, комп’ютерно - експериментальні дослідження діагностичних схем проводились послідовним алгоритмом ланцюгового типу починаючи з аналізу найпростішої схеми РБХ (рис. 1).

. (1)

Схема містить спрямований відгалужувач СВ S1 та відрізок лінії S2, які утворюють

РБХ. При аналізі застосовані ідеальні матриці розсіювання елементів схем. Для S1 вона має вигляд (1).

Матриця розсіювання відрізка лінії S2 з втратами має вигляд (2):

, (2)

де k - коефіцієнт зв’язку відгалужувача S1; ? – втрати потужності у кільці на поглинання, G= ?l - електрична довжина кільця, - фазова стала, l – геометрична довжина відрізка лінії,- довжина хвилі в лінії. Базова структурна схема АРБХ зображена на рис. 2. Кільцевий ланцюг містить 3 СВ: S1, S5, S6 з хвилеводними відрізками ліній передач S2, S3 з неоднорідностями і з різною фазовою сталою. Дослідження схеми АРБХ виконано з використанням ідеального матричного опису кожного вузла. Комп'ютерний експеримент містить встановлення характеру залежності між вхідними і вихідними параметрами АРБХ, аналізу і оптимізації його вихідних електродинамічних характеристик. Варіація пристроїв і параметрів, діапазон змін вибирався відповідно умовам задачі. Розглядались умови виникнення резонансу в кільці АРБХ при різних значеннях коефіцієнтів відбиття, поглинання й передачі. Досліджувався вплив коефіцієнта зв'язку складного вузла компенсації втрат в кільці резонатора на вимірювальний ланцюг усього пристрою. При аналізі матричних моделей пристроїв враховувалось, що коефіцієнти зв'язку СВ різні і не вносять активних втрат. Для їх з'єднувальних плечей коефіцієнти відбиття і передачі також з'ясовані і різні для кожного з'єднувального плеча і напрямку. Враховувався однаковий хвильовий опір ліній передач в містах з'єднань окремих елементів схеми, що самі з'єднання не вносять відбиття, втрати і фазовий зсув, що також є допустимим для якісних контактних з'єднань. Ускладнюючи і досліджуючи схему, вводячи зосереджену реактивність S3, фазообертачі S4, S11, декілька складних СВ з регулюємими параметрами S1, S5, S6, лінійний підсилювач S7, узгоджене навантаження S8, зосереджену реактивність S9, короткозамикач (КЗ) S10, індикатор з вентилем S12, в підсумку одержимо дослідження базової схеми мікрохвильового пристрою з АРБХ (рис. 2). Пристрій працює таким чином. В усталеному режимі сигнал з виходу підсилювача S7 надходить у кільцевий резонатор, більша частина падаючої енергії сигналу надходить у кільце і при малих повних загасаннях, енергії в резонаторі може бути на декілька порядків більше вихідної енергії підсилювача. Установив оптимальні величини зв’язків С5, С6 спрямованих відгалужувачів S5, S6 відповідно, при цьому енергія ?Р, що надходить у кільце резонатора має вираз (3):

?Р = Р вх, (3)

де Рвх – величина вхідного сигналу підсилювача S7, С6 - величина вхідного зв’язку СВ S6, К - коефіцієнт підсилення по напрузі, величина зв’язку С5 СВ S5 знаходиться з умов (4):

. (4)

Таким чином, встановив оптимальний вхід енергії в кільцевий резонатор, виконав умови балансу фаз l = n•та амплітуд ?Р ? Р втрат систему переводять в автоколивальний режим на власній частоті РБХ. Резонанс в РБХ настає тоді, коли на l вкладається ціле число довжин хвиль. Загасання в РБХ, спрямовано через СВ S6 та СВ S5, компенсують роботою підсилювача S7. Частково порушуючи баланс величиною зв’язку С6 частина генеруємого сигналу надходить до спектроаналізатора S12 для реєстрації власної резонансної частоти РБХ. Знайшовши частоту, резонансну довжину хвилі і порядок резонансу, знаходять затримання в РБХ (5):

, (5)

де l - довжина резонатора, n – порядок резонансу, ?r - резонансна довжина хвилі. По загасанню в РБХ знаходять діелектричну проникність речовини зразка. Про тангенс кута втрат судять по змінам загасання в атенюаторі, встановленого в точці зриву коливань, при фіксованому коефіцієнті підсилення підсилювача S7.

Або другий варіант при виконанні балансу фаз і амплітуд система самозбуджується, і одночасно частина генеруємої потужності з кільцевого РБХ через невзаємний СВ S1 надходить у досліджуване навантаження S9. Відбита від S9 хвиля досягає КЗ S10 та, відбиваючись від нього сінфазно через S1 частково надходить у РБХ, в підсумку чого частота коливань змінюється. Змінюючи стан КЗ S10 знаходять максимальне і мінімальне значення частоти генерації, по яким знаходять модуль коефіцієнта відбиття від досліджуваного навантаження S9.

Таким чином, робота підсилювача (через допоміжні плечі СВ S5, СВ S6 ) компенсує втрати в кільці РБХ, забезпечуючи значне підвищення еквівалентної добротності кільця в необхідному напрямку розповсюдження діагностичного сигналу, а третій невзаємний СВ S1 з КЗ S10 підвищує чутливість пристрою та точність досліджень. Відповідні матриці розсіювання елементів мають такий вигляд:

; ; .

Призначення цих елементів у схемі полягає у наступному. Неоднорідність S9 імітує вимірюваний об’єкт.

; ; ; .

Зразок, електричні параметри якого контролюються, може бути розташований у допоміжній лінії передачі СВ S1, чи частково навантажувати цю лінію. Тоді, модуль коефіцієнта відбиття від зразка та його фаза безумовно містять інформацію стосовно електричних параметрів зразка. КЗ S10 призначено для підвищення чутливості вимірювальної схеми. За допомогою фазообертача S11 можна змінюючи фазовий зсув коефіцієнта відбиття від КЗ S10, переміщати картину стоячої хвилі у допоміжній лінії СВ S1. При певних і це призводить до максимального зсуву загальної резонансної частоти.

У новому автогенераторі (АГ) НВЧ (рис. 2) додаткова похибка за рахунок відбиття від входу підсилювача НВЧ S7 значно зменшується, бо останній знаходиться у вторинних плечах S5, S6 це суттєво ослабляє вплив відбитого сигналу від входу підсилювача НВЧ S7, так як перехідне послаблення для S7 в S5, S6 дуже велике (з експерименту 42 дБ), окрім того частина цього сигналу поглинається узгодженим навантаженням S8. Наведені конструктивні особливості мікрохвильового пристрою для діагностики малих коефіцієнтів відбиття підвищують точність, плавність і однозначність залежності між значеннями малих коефіцієнтів відбиття і змінами частоти АГ з РБХ. При цих маніпуляціях достатньо точно з'ясовується електричний вплив зразка на вимірювальний сигнал в резонаторі і діагностичному тракті мікрохвильового пристрою у цілому.

Для схеми пасивного РБХ (рис. 3) зв’язок з лінією передачі 1-2 є близьким до оптимального (для корисного сигналу), це забезпечено вибором відповідного фазового зсуву фазообертача S6 – = 122о. З рис. видно, що має місце періодичний характер зсуву резонансної частоти від значення . Нелінійний характер залежності підтверджує те, що чутливість діагностичної схеми додатково регулюється й вибором положення КЗ S9. Що до амплітуди діагностичного сигналу і діапазону досліджень пасивним РБХ, то вони невеличкі ( |S21|= 0,8 дБ, ?G= 5°) це не забезпечує високої точності, чутливості, роботоспроможності.

Особливо цікавий важливий випадок використання АРБХ з компенсацією початкових втрат у його діагностичному ланцюзі. Це підвищує еквівалентну добротність АРБХ в напрямку поширення сигналу, що дозволяє зондуючому сигналові стабільно багаторазово взаємодіяти з досліджуваним зразком, будь це: діелектрик, ферит, інше навантаження.

Введення у вимірювальну схему на основі РБХ підсилювача дозволяє значно підвищити її чутливість. При порівнянні отриманих залежностей для пасивного РБХ (рис. 4) з відповідними залежностями для АРБХ (рис. 5) для останнього вони свідчать про підвищення більш ніж на порядок чутливості хвилеводної частини схеми до змінювання фази коефіцієнта відбиття від зразка,(а величина по модулю коефіцієнта передачі по потужності дорівнює |S21| ? 50, ?G=50°). Це пояснюється тим, що підсилювач (рис. 2) здатен компенсувати не тільки втрати у кільці на поглинання , а і втрати на зовнішній зв’язок. А це дозволяє значно збільшити коефіцієнт зв’язку спрямованого відгалужувача і, відповідно, отримати більш значний вплив досліджуваного зразка на зсув резонансної частоти.

Отже, трохи порушуючи баланс фаз і амплітуд у АРБХ при діагностиці можливо з більшою точністю діагностувати діелектрики, ферити та інші навантаження. Застосування схеми (рис.2) перспективно при розробці діагностичних автоколивальних систем з стабільними, нерізко залежними характеристиками від зміни навантаження.

У балансному автогенераторному НВЧ діелектрометрі [11,16] з електронною завадостійкою схемою, для підвищення точності (фільтрації малодобротних, ложних резонансів) запропоновано застосувати розроблену аналітичну модель класифікатора сигналів і матричний фільтр, що її реалізує. Одним із методів перетворення простору ознак при використанні непараметричних процедур розпізнавання образів є множинний дискримінантний аналіз, узагальнюючий дискримінант Фішера. Однак останній громіздкий. Запропоновано більш простий спосіб, пов’язаний з пошуком таких розподіляючих лінійних функцій, які відображають у простір , де L кількість класів Ck; з мінімумом середньої квадратичної похибки відхилення від заданих наперед опорних (еталонних) точок . Запропонована модель такого класифікатора на основі матричного цифрового фільтру з імпульсними характеристиками реалізуючого відображення .

Тут (6) - реакція матричного ЦФ в момент дискретного часу n=N-1:

(6)

(7)

Нехай Тоді для середньої квадратичної похибки відображення маємо залежність (8):

. (8)

Імпульсна характеристика класифікатора вибрана такою щоб виділити мінімальну квадратичну похибку відхилення вхідного сигналу від опорного. Процедурами порівняння вхідного і опорного сигналів забезпечується оптимальність обробки по вхідному сигналу, також при наявності білого шуму. Maксимальну реакцію класифікатор дає тоді, коли вхідний сигнал менш всього відрізняється від опорного сигналу, котрий є еталоном. Критерієм зрівняння є мінімум середньої квадратичної похибки відхилення вхідного сигналу по відношенню до опорного [11].

У третьому розділі “Принципи побудови високостабільної радіоелектронної апаратури НВЧ” розглянуто і досліджено хвильові процеси у ГМ. Відповідно до базових концепцій [3] про механізми взаємодії електромагнітного випромінювання високочастотного діапазону (ЕМВ ВЧ) з біооб'єктом, поля повинні мати високу когерентність. Міра когерентності оцінюється за рівнем амплітудно і частотно - модульованих (AM і ЧМ) шумів. При розробці перспективних джерел ЕМВ ВЧ для апаратури РХД варто виходити з міркувань компромісу між фізичною ефективністю і вартісними показниками проектування і серійного виготовлення відповідної апаратури. У розділі розглянуто науково - технічні рішення побудови надійних напівпровідникових високостабільних ГМ [3-5, 8]. В одному з яких (в діапазоні частот 37 …41,5 ГГц рівень ЧМ шумів -55 …50 дБ /Гц на відмінності 5 КГц від несучої) необхідна висока власна добротність забезпечується за рахунок реалізації в коливальній системі генератора великої (по модулю) додатної реактивності, яка утворена КЗ відрізком коаксіальної лінії, вбудованої у резонатор і заповненої феритом. На рис. 6 наведена конструкція ГМ. Базовим конструктивним елементом є відрізок прямокутного хвилеводу 1, у який включено МЕП-діод 2, через фільтр нижніх частот 3 з'єднаний із джерелом напруги зсуву (на рис. 6 не показано). При подачі номінальної напруги зсуву (живлення) на МЕП-діод, останній збуджується на резонансній частоті, що визначається імпедансом діода і ланцюга, утвореної КЗ-відрізком хвилеводу і коаксіальною лінією. Тому що імпеданс МЕП - діода має ємнісний характер через ємність дипольного шару, затримок часу на формування і розсмоктування доменів і ємності кристалодержача, то довжина хвилеводного відрізка з КЗ- поршнем вибирається рівною чверті довжини хвилі, а його вхідний опір, у залежності від довжини хвилі, має вигляд (рис. 7), де залежність “а” відповідає ідеалізованій картині без обліку втрат у поршні; криві “б” і “в” – з урахуванням утрат, що збільшуються від “б” до “в”. Зміна довжини КЗ- відрізка дозволяє варіювати частотою генерації. А оскільки імпеданс МЕП- діода є частотно - залежним і при деяких умовах індуктивного імпедансу погано підігнаного КЗ - поршня може позначатися недостатньо, щоб виконувалася умова резонансу на частотах, що задаються резонатором, так що можливі зриви генерації і стрибки частот. То в даному генераторі ці небажані явища запобігаються завдяки наявності великої індуктивності, створюваної відрізком коаксіальної лінії. Цей індуктивний опір, внесений в коливальний контур, створюється у такий спосіб. Відповідно до обраних розмірів введеної коаксіальної лінії в точці В (рис. 7) розташованої на відстані (1/4) ( – довжина хвилі в хвилеводі) від замкнутого кінця С, струми що протікають мінімальні, опір значний, і стосовно точки А, розміщеної на відстані (1/2) , ділянка АВ являє собою розімкнуту (1/2) лінію; вхідний опір у точці А являє собою додатну (індуктивну) реактивність і значну по модулю. Оскільки в точках В і С забезпечується нульовий опір, то в реальній конструкції величину індуктивності можна зробити досить великою. Тому в зневазі втратами відрізок хвилеводу з КЗ-поршнем і відрізок коаксіальної лінії представлені у виді реактивного ланцюга, де – ємність, утворена межконтактним зазором у КЗ-поршні; - індуктивність відрізка коаксіальної лінії, ділянка АД якої заповнений феритом, а реактивний опір визначається, як:

,

де ; ;– індуктивність КЗ - відрізка хвилеводу. Як видно з рис. 8 існує досить протяжний інтервал частот, у якому реактивний опір ланцюга має додатне значення (індуктивне). Оскільки добротність коливальної системи , де – опір утрат; - еквівалентна індуктивність, то підвищення добротності підсилює ефективність контролюючого впливу НВЧ- поля на доменну нестійкість у МЕП-діоді тим самим підвищує експлуатаційну надійність, поширює частотний діапазон генерації. При цьому перебудова частоти досягається за рахунок переміщення КЗ - поршня, та внаслідок зміни магнітної проникності феритового вкладиша при змінах напруженості магнітного поля ; останнє створюється конструктивним соленоїдом. Зміна значень призводить до варіацій значень реактивного опору Х(1) і частоти генерації. Для задач РХД в ГМ є режим імпульсної АМ – модуляції меандр з частотою повторення 0,8 - 100 Гц, при цьому забезпечується плавна лінійна девіація частоти ??/?t на початку і в кінці радіоімпульсу при незмінній частоті в його центральній частині.

У четвертому розділі “Практична реалізація теоретичних і експериментальних результатів досліджень мікрохвильових пристроїв з активними резонаторами“ наведені схемотехнічні рішення і результати їх застосування. Отримані на пристрої (рис. 9) результати діагностики низки зразків феритів і діелектриків свідчать, що зразки при монтажі виробу у наукових цілях (наприклад у ЦЗЛ КБ) необхідно досконало калібрувати з високою точністю у кожному конкретному випадку, щоб у підсумку одержати якісний виріб. На діаграмі (рис. 10) видні відмінності у втратах, що внесені у резонатор зовні однотипними феритами марки 3СЧ7, 3СЧ8, 3СЧ15, 3СЧ17 і діелектриками: СТ - 8, СТ - 10, СТ - 16. Для досліджень пристрій облаштовано двома полірованими (14 клас) металевими (ЛС - 59) дзеркалами (d = 150 мм), які змонтовано на рухливих полюсах електромагніту (Н = 7000 Е, Lmin = 5 мм ), з трьома регулюємими спрямованими коаксіальними (d ? 3 мм) елементами зв’язку, останні збуджують діелектричний резонатор – зразок ДР – на НЕ111 типі коливань в режимі РБХ. Зв’язок з ДР зроблено на направляючих з цанговими зажимами і мікрометричною подачею (з похибкою ? = 0,03 мм), мікрометричним пристроєм рахування типів хвиль по вісі зразка (з похибкою ? = 0,03мм). Наведене дозволяє мікрометрично регулювати і реєструвати коефіцієнт зв’язку з ДР, це підвищує точність, коефіцієнт корисної дії і рівень діагностики зразків. Для знаходження тензора магнітної проникності феритів "переполюсовкою" електромагніту, на приладі реєструється пряма, зворотна і таким чином остаточна намагніченість фериту. Застосовано підсилювачі ТРУ, ПТЕ (НВО “Сатурн” м. Київ) ?f =3,7 - 9,0 ГГц, Р = 20 дБ. Можуть бути інші, залежить від зразка, що є частотозадавальним фактором при самозбудженості системи.

При діагностиці розчинних діелектриків застосовано розроблений пристрій (рис. 11) [14]. Пристрій має еталонний і діагностичний АГ У1 і У2, кожний з котрих має НВЧ підсилювач 1, фазообертач 2, відрізки первинної коаксіальної мікрополозкової лінії передачі 3, ДР 4 з прохідним аксіальним отвором 5. ДР 4 має два коаксіально-мікрополозкові СВ, котрі виконані з двох пар елементів зв’язку 6 і 7 розміщених під кутом 90 по азимуту і з’єднаних з відрізком первинної лінії передачі 3 на відстані /4 друг від друга, узгоджене навантаження 8.

Зазначимо, У1 і У2 функціонують в автономному режимі простішого ансамблю фазированих одночастотних модулів нерезонансно зв’язаних на основній частоті по типу “кожний з кожним”. Фізично це пояснюється тим, що “кожний У1 кожному У2” сумісно з ланцюгом взаємної синхронізації є еквівалентним комплексним опором, характер і значення якого (в смузі взаємної синхронізації) дозволяє частотам У1 і У2 бути однаковими. Для підвищення достовірності результатів діагностики НВЧ блок має завадостійку електронну схему автоматичного контролю швидкості змін ? розчинного діелектрика (рис. 12) [11, 16]. Електронна схема автоматично сканує вихідну відмінну частоту НВЧ блока відслідковуючи її зміни, а тому і зміни ? розчинного діелектрика. В узгодженні зі змінами ?' змінюються відповідно параметри робочого резонатора в У1, що призводе до перебудови по частоті автогенератор У1. На виході змішувача 9 виділяється сигнал відмінної частоти: = 1 - , де 1 - частота АГ з робочим резонатором; - частота АГ з еталонним резонатором. Оскільки відхід частот 1, від зміни температур зроблено однаковим (резонатори виконані максимально ідентичними і знаходяться у термостаті), то деяким впливом температури при диференційній схемі включення резонаторів можна зневажити і рахувати, що сигнал відмінної частоти пропорційний змінам діелектричної проникності.

ВИСНОВКИ

Таким чином, у результаті дисертаційних досліджень вирішено актуальну науково - прикладну задачу удосконалення техніки та технології радіохвильової діагностики з використанням методу матричних перебудов, обчислювальних й аналітичних методів. Це дало можливість створення наукомістких автоматизованих і автоматичних мікрохвильових пристроїв нового покоління з активними резонаторами. Основна особливість яких є розташування у допоміжному колі їх структури таких активних елементів як НВЧ підсилювач або напівпровідниковий НВЧ пристрій, для підвищення рівня радіохвильової діагностики електромагнітних властивостей діелектриків, феритів та біооб'єктів.

При цьому отримано такі наукові і практичні результати:

1. Розв’язано задачу односпрямованого розповсюдження енергії діагностичного сигналу в АРБХ у напрямку досліджуваного зразка що підвищує точність діагностики розробленими пристроями, які менш громіздкі, з високим коефіцієнтом корисної

дії, більш функціональні, на єдиному пристрої діагностують діелектрики і ферити.

2. Вперше досліджено розгорнутий комплекс складних схем з активними і пасивними резонаторами, одержані вирази елементів матриць розсіювання та розроблене програмне забезпечення дозволили дослідити розрахункові закономірні залежності зміни амплітуди і фази діагностичного сигналу в резонаторі біжучої хвилі при дослідженні зразків; обґрунтовано умови і особливості підвищення точності і еквівалентної добротності в кільцевому АРБХ мікрохвильового пристрою, отриманий науковий досвід дозволяє проектувати нові пристрої цього класу.

3. Теоретично і експериментально одержано залежності розповсюдження діагностичного сигналу, які свідчать про поширення діагностичного діапазону та збільшенні більш чим на порядок чутливості хвилеводної частини мікрохвильового пристрою з АРБХ до змін коефіцієнта відбиття від досліджуваного зразка.

4. Вперше запропоновано і досліджено методом РХД поглинаюча можливість сипучих діелектриків (стандартних вітчизняних сорбентів), для діагностики розчинних діелектриків розроблено балансний АРБХ з проточними діелектричними резонаторами, електронним пристроєм автоматичного контролю швидкості зміни діелектричної проникності, матричним цифровим фільтром, побудованим на аналітичній моделі цифрового класифікатора сигналів, достовірність і високу ефективність підтверджено порівнянням отриманих результатів з відомими експериментальними даними.

5. В дисертації здобула подальший розвиток концепція і методика побудови ГМ міліметрового діапазону НВЧ, в яких висока власна добротність забезпечується реалізацією в коливальній системі генератора більшої (по модулю) додатної реактивності, що різко підвищує власну добротність резонансної системи, а застосування фериту призвело до зниження числа резонансних частот, це вигідно відрізняє розроблені ГМ від генераторних вузлів серійної НВЧ апаратури.

6. Результати досліджень у частині розробки перспективних мікрохвильових пристроїв: модулятора однієї бокової частоти, пристрою радіохвильової діагностики магнітодіелектриків і діелектриків впроваджені в практику робіт державного підприємства “КБ “Південне” ім. М.К. Янгеля Національного космічного агентства України. В процесі виконання ДКР при експериментальному дослідженні електричної і магнітної проникності матеріалів, останні були використані при моделюванні елементів антен космічного апарату “СІЧ - 2”. Впровадження дозволило підвищити точність проведених експериментів (акт впровадження від 19.01.2007 р.). На основі проведених досліджень та виявлених ефектів результати досліджень і розробки перспективних високостабільних ГМ впроваджені у Інституті транспортних систем і технологій Національної академії наук України “Трансмаг” для корекції функціонального стану екіпажів надшвидкісних транспортних засобів з магнітною левітацією (акт впровадження від 12.04.2007 р.).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Сафонов В.В. Диагностика диэлектриков микроволновым устройством // Радиотехника.-Харьков: Всеукр. межвед. научн. - техн. Сб. - 2006.- Вып.145, С.158 -162.

2. Сафонов В.В. Сверхвысокочастотные устройства с активными резонаторами для диагностики диэлектриков // Изв. ВУЗ - ов. Радиоэлектроника. - Киев, 2006. - Т49,

№ 2.- С. 34 - 42.

3. Архипов М.Е., Привалов В.Н., Сафонов В.В. Соколовский С.И., Топалов Л.В., Яшин А.А. Высокостабильный генераторный модуль для аппаратуры КВЧ терапии: исследование и конструкторский синтез // Вестник новых медицинских технологий (юбилейный).- Тула, 1999.- Т.VI, №3-4.- С. 117-120.

4. Филиппов Ю.А., Соколовский И.И., Загуральский Н.Ф., Кравченко А.В., Крысь

В.В., Сафонов В.В., Соколовский С.И. Принципы построения терапевто - диагностической СВЧ - и КВЧ - аппаратуры с использованием эмиссионных свойств биообъектов // Украинский журнал медицинской техники и технологии.- Киев, 1998.- № 4.- С.41- 49.

5. Алпатова И.А., Загуральский Н.Ф., Сафонов В.В., Соколовская Л.В. Аппарат электромагнитной милливолновой терапии // Украинский журнал медицинской техники и технологии.- Киев, 1999.-№ 2-3 .- С.14 -17.

6. Коряков В.Н., Лозяной В.И., Сафонов В.В. Машинное моделирование устройств и

систем СВЧ // Электродинамика и радиофизическое приборостроение: Сб. научн. трудов.- Днепропетровск: ДГУ, 1980.- С.91-92.

7. Сафонов В.В., Юров А.А., Станчиц Г.Ю.Активные резонаторы в спектроскопии диэлектриков // Электродинамика и радиофизическое приборостроение: Сб. научн. трудов.- Днепропетровск: ДГУ, 1983.- С.141 - 144.

8. Сафонов В.В. Расчет структурной схемы активного резонаторного измерителя СВЧ методом матричных преобразований // Электродинамика и радиофизическое приборостроение: Сб. научн. трудов.- Днепропетровск: ДГУ, 1983.- С.154 - 161.

9. Сафонов В.В. Макеева Л.И., Зайцев В.И. Исследование характеристик диссипативных диэлектрических материалов в СВЧ диапазоне // Электродинамика и радиофизическое приборостроение: Сб. научн. трудов.- Днепропетровск: ДГУ, 1985.- С.68 - 71.

10. Сафонов В.В. Радиоволновой автоматический контроль скорости изменения

диэлектрической проницаемости жидкости в летательных аппаратах // Моделирование и проектирование РЭС: Сб. научн. трудов. - Днепропетровск: ДГУ, 1985. - С.28 - 32.

11. Гладуш В.Д., Сафонов В.В. Модель цифрового классификатора сигналов при наличии помех. // Электродинамика и радиофизическое приборостроение: Сб. научн. трудов.- Днепропетровск: ДГУ, 1987.- С.8 - 12.

12. Способ измерения диэлектрической проницаемости и угла потерь в высококачественных диэлектриках: А. с. 708251. СССР. МКИ G01R 27/26. / В.П. Прудкий и В.В.Сафонов - № 2621899/18 - 09; Заявл. 25.05.78; Опубл. 05 .01 .80, Бюл. № 1. - 3с.:ил.

13. Модулятор одной боковой частоты: А. с. 886194. СССР. МКИ H 03, C 1/52. / В.П. Прудкий и В.В.Сафонов - № 2886569/18-09; Заявл. 13.02.80; Опубл. 30. 11. 81, Бюл. № 44. - 3с.: ил.

14. Устройство для измерения параметров диэлектрических материалов: А.с.

1322131. СССР. МКИ G01N 22 / 00. / В.П. Прудкий, В.В. Сафонов, Л.В. Усенко, Г.Г. Колесниченко - №