Доклад/ Технические науки – Электротехника и радиоэлектроника.

В.С. Безменов

Автоматическая тепловая измерительная линия

Харьковский национальный университет радиоэлектроники

Актуальность темы. Успехи электроники больших и сверхбольших мощностей СВЧ стимулировали развитие прикладных направлений радиоэлектроники: радиолокации и радионавигации, дальней радио- и тропосферной связи, телевидения, физики высоких энергий, физики плазмы,
СВЧ-нагрева и сушки и др. Появились генераторные приборы, способные работать практически на произвольную нагрузку в широком частном и динамическом диапазонах с высоким КПД При проектировании СИ для работы в широком частотном и динамическом диапазонах на первый план выходит обеспечение электрической и тепловой прочности датчиков проходящей мощности, их быстродействия, помехоустойчивости, долговременной стабильности, надежности и др

Одной из основных причин неудовлетворительного состояния техники
измерения большой мощности можно считать несовершенство методов измерений и технического уровня датчиков проходящей мощности СВЧ До последнего времени мало использовались при этом алгоритмические и структурные методы повышения точности и быстродействия К тому же проблематичной является их работа на сверхбольших уровнях мощности в широком диапазоне частот.

Объектом исследования является процесс передачи СВЧ энергии больших уровней от генератора в нагрузку по реальным линиям передачи,

где имеются диссипативные потери, что может быть применено для измерения проходящей в нагрузку мощности и ее комплексного коэффициента отражения.

Цели и задачи исследований. Работа направлена на развитие теории метода измерений на эффекте поглощающей стенки и построение датчиков и приборов нового типа, методики их проектирования и на разработку на их основе многофункциональных приборов для измерения падающей, отраженной и проходящей в нагрузку мощности, модуля и фазы ее коэффициента отражения с целью высокоэффективного контроля работы генератора и нагрузки в “горячем ” режиме при больших и сверхбольших уровнях мощности.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

– проанализировать методы измерений, определить принципиальные недостатки метода на эффекте поглощающей стенки и обосновать перспективные направления в его развитии и совершенствовании;

– разработать и исследовать адекватные физическим математические модели датчиков – тонкостенных участков волноводов с диссипативными потерями и всесторонне проанализировать температурное поле на их поверхности;

– разработать методику расчета основных характеристик датчиков проходящей мощности, позволяющую их оптимальное проектирование;

– разработать конструкции и основы технологии производства высокоэффективных датчиков;

– разработать методику метрологической аттестации многозондовых микроволновых мультиметров большого уровня мощности.

Методы исследований: методы математической физики для решения задач по нагреву стенок волноводов: метод преобразований Лапласа, вариационный (Ритца), интегральных преобразований, численные, а также аналитические, графические, Гаусса, алгоритмические, структурные, метод наименьших квадратов, метод планирования эксперимента.

Научная новизна полученных результатов работы заключается в развитии теории нагрева передаваемой по волноводам электромагнитной энергией тонкостенных участков, обладающих диссипативными потерями, и создании радиоизмерительных приборов нового типа: датчиков проходящей мощности и многозондовых микроволновых мультиметров большого уровня мощности, обладающих высокими метрологическими, технико-экономичес-кими и эксплуатационными характеристиками.

Теоретическая ценность заключается в следующем:

– впервые получено единое описание диссипативных потерь в стенках многоволновых волноводов и коаксиальных линий, анализ которых позволил получить распределение тепловых источников в них, анализ которого позволил обеспечить теоретическую основу создания датчиков проходящей мощности со слабой зависимостью коэффициента преобразования от частоты;

– впервые построены математические модели тонкостенных участков волноводов с потерями, полученные путем решения уравнений теплового баланса методом Лапласа, вариационного (Ритца разработаны технические основы инженерного проектирования микроволновых средств измерений для контроля радиоэлектронных систем большого уровня мощности с учетом изменения частоты, модуля и фазы коэффициента отражения нагрузки, изменения теплофизических параметров среды и материалов и др;

– исследованы динамические свойства датчиков на основе анализа нестационарного температурного поля на внешней поверхности поглощающей стенки;

– впервые исследованы погрешности ваттметров проходящей мощности с протяженными впервые синтезированы алгоритмы обработки сигналов многозондовых микроволновых мультиметров, обеспечивающие заданный частотный диапазон.

Практическое значение полученных результатов заключается в создании теоретических основ метода измерений на эффекте поглощающей стенки, позволивших проектировать микроволновые СИ нового типа для контроля радиоэлектронных систем большого уровня мощности: квазиточечных
и протяженных датчиков и ваттметров проходящей мощности тепловых измерительных линий. Удалось преодолеть основные недостатки метода поглощающей стенки, препятствующие его широкомасштабному использованию на практике:

- теоретически, экспериментально и аппаратно показана возможность проектирования СИ, обладающих незначительной погрешностью в широком частотном диапазоне;

- конструктивно и технологически удалось значительно повысить быстродействие датчиков и приборов до десятых долей секунды, что дало возможность использовать их в системах автоматики;

- улучшена и упрощена технология производства датчиков, повышена их точность, надежность, помехоустойчивость;

- созданы недорогие универсальные для всех типов волноводов взаимозаменяемые датчики с высокими метрологическими характеристиками.

В итоге разработаны СИ, которые предложены для внедрения в серийное производство как соответствующие современным требованиям по точности, быстродействию, электрической, тепловой и механической прочности, надежности, частотному и динамическому диапазонам, помехоустойчивости, унификации и взаимозаменяемости и обладающие долговременной стабильностью параметров. Конструкции датчиков и приборов сравнительно просты, имеют невысокую стоимость и являются высококонкурентными на внутреннем и внешнем рынках.