Диссертация (Система допплеровской рефлектометрии для стелларатора в условиях высокой мощности ЭЦР нагрева), страница 8

3.5.11. Коэффициенты прохождения принятых сигналов на СДГ1 и СДГ2.3.1.11. Расчет частотных характеристик согласованных детекторныхголовокРасчет частотных характеристик СДГ1 и СДГ2 проводится по формуле (3.7):дгРгоппр(3.7)Где, Gоп – коэффициент прохождения опорного сигнала на детекторнойголовке, Gпр– коэффициент прохождения принимаемого сигнала надетекторной головке.Рис. 3.8.12. Частотная характеристика СДГ1 и СДГ2.613.1.12 Обсуждение результатовПолучены частотные характеристики на полосечастот от 28 ГГц до36,4 ГГц коэффициентов отражения от элементов волноводного тракта исистем элементов: направленного ответвителя, системы фильтр-антенна,системы аттенюатор – короткозамкнутый поршень, системыфильтр –ферритовый вентиль – детекторная головка. Так же были полученычастотные зависимости коэффициентов прохождения опорного и приемногосигналовирассчитанычастотныехарактеристикисогласованныхдетекторных головок.3.2.

Антенная система и система фильтров системы ДР3.2.1. Численное моделирование и создание фильтра из слюды наоснове резонатора Фабри-Перо.Для снижения влияния паразитного сигнала греющего плазмугиротронного комплекса МИГ-3 с частотой 75,3 ГГц и шумов в диапазоне 6080 ГГц было необходимо создать новую систему фильтрации. Ввидуконструктивных особенностей диагностики (в частности, габаритныхразмеров волноводных трактов) установка дополнительных штыревыхфильтров, таких же как в [10], оказалась невозможной. Потребоваласьразработкаиизготовлениекомпактногодополнительногополосо-заграждающего фильтра с центральной частотой подавления 75 ГГц дляустановки на диагностическое окно стелларатора. Был предложен фильтр изпоследовательности резонаторов Фабри-Перо.

Фильтры миллиметрового исубмиллиметрового диапазона, на основе резонатора Фабри-Перо, активноиспользуются в различных диагностиках и радиоастрономии [44-47]. Вработах [44,45] в качестве отражателей используются двумерные плоскиеметаллические сетки на прозрачных подложках, характеристики такихфильтров сильно зависят от точности и качества нанесения сеток. Дляконструированияфильрасистемыдопплеровскойрефлектометрии62использовались резонаторы Фабри-Перо с плоскими круглыми слюдянымипластинами (коэффициент диэлектрической проницаемости слюды ε=6)диаметром D=80 мм и толщиной S=0,1 мм.В системе фильтрации нами использовались полосно-заграждающиефильтры.Задачаэтихфильтровобеспечиватьбольшоезатухание(подавление) в определённом диапазоне частот Δf около центральнойчастоты f0 [48].

В основе работы предложенного фильтра лежит резонаторинтерферометр Фабри-Перо с двумя параллельными слюдяными пластинами.Резонансные свойства определяются интерференционными минимумами имаксимумами,связаннымисдлинойрезонатораd.Дляполосно-заграждающего фильтра нам необходимо получить интерференционныйминимум на частоте 75 ГГц (λ0=4 мм), который находится из соотношения:2d0=mλ0,где d0 – длина резонатора (вместе с пластинами), m – целое число, λ0– длинаэлектромагнитной волны в свободном пространстве. Таким образом, длинарезонатора определяется:d0=mλ0/2,Длина резонатора d0=2 mm для m=1 and λ0=4 mm. Но в нашем случаенеобходимоучесть,чторезонатордиэлектрической проницаемостьюизготавливалсяε = 6 толщинойизслюдысS = 0.1 mm.

Длинаэлектромагнитной волны в слюде:.Длина резонатора d должна быть рассчитана с учётом длинныэлектромагнитной волны в слюде (4):d=d0-Δd,где Δd разница длины резонатора в вакууме и длины с учётом использованияслюдяных пластин, определяется как:,63где m целое число (m = 1 для нашего случая), n число слюдяных пластин врезонаторе (n = 1), S толщина слюдяных пластин (S = 0.1 mm). ПолучимΔd ≈ 0.3 mm, d = 1.7 mm и расстояние между пластинами l = 1.5 mm.

Фильтрс пятью резонаторами Фабри-Перо был выбран для использования в системефильтрации. Подробно конструирование фильтра на основе резонатораФабри-Перо для диаагностики допплеровской рефлектометрии описано встатье [49].Модельфильтра-резонаторабыласозданавсистемеавтоматизированного проектирова-ния Electro-MagneticProfessional (САПРEMPro) от компании Keysight Technologies (ранее Agilent Technologies). Втрехмерной геометрии в системе координат XYZ полосозаграждающийфильтр (рис. 2) представлен как пара соприкасающихся слюдяных пластин,расположенных последовательно на расстоянии l друг от друга. Пластиныусловно помещены в коаксиальный волновод перпендикулярно его оси,чтобы обеспечить распространение TEM волны. Расчет проводился методомконечных элементов (Finite Element Method – FEM) в блоке Agilent FEMSimulator [50], граничные условия на краях счётной области заданыидеальным согласованным слоем (Perfect Matching Layer (PML)).

C двухсторон от резонатора устанавливались волноводные порты (рис. 2).Рис 3.6. Трёхмерная геометрия СВЧ фильтра на основерезонатора Фабри-Перо643.2.2. Результаты численного моделирования и экспериментальныхизмерений фильтраИзмерение характеристик фильтров проводились с использованиемMVNA-8-350 vector network analyzer производства AB Millimetre с шагомизмерения 10кГц.Рис.3.7. Зависимость модельного коэффициента отражения S11 от входарезонатора и коэффициента передачи S21 от частоты для различных расстояниймежду пластинами резонатора Фабри-Перо (фильтр №4)Уровень затухания (или коэффициент передачи S21) волноводноштыревых фильтров измерялся в диапазоне 29-41 GHz (рабочий частотныйдиапазон ДР) и 62.5-100 GHz.

Затухание в штыревом фильтре не превышает0,5 дБ в диапазоне рабочих частот допплеровского рефлектометра, а длячастоты ЭЦР греющего излучения (75.3 ГГц) – более 30 дБ. С учётом того,что в системе фильтрации используется три штыревых волноводных фильтра– один общий и по одному в каждом канале детекторов, подавление начастоте ЭЦ нагрева 75.3 ГГц в волноводной секции системы фильтрациидолжно составлять около 60 дБ.В результате вычислений для фильтра Фабри-Перо был полученкоэффициент передачи. Расчётная кривая для оптимизированной моделипредставлена на рис. 2 в виде чёрной сплошной кривой в диапазоне 40-80ГГц. Как видно, на частоте 75,3 ГГц было получено значение ослабления S21= –21,9 дБ. Стоит отметить, что расчётное ослабление в оптимизированноймодели на частотах 35 и 40 ГГц не превышает значения –0,9 дБ.

Так же на65рис.3.8 представлен измеренный коэффициент передачи фильтра на основерезонатора Фабри-Перо. Из-за специфики устройства анализатора снятиеданных возможно в дискретных спектральных диапазонах. Все измеренияпроводились при непрерывном характере генерации излучения cтандартноймощности в MVNA-8-350 vector network analyzer – порядка сотен мВт.Рис.3.8 Уровень подавления в фильтре на основе резонатора Фабри-Перо.График 1 – Измеренное значение затухания фильтра,График 2 – Расчётное значение затухания модели фильтра.3.2.3.

Расчёт и конструирование волноводно-штыревых фильтровРупорная зондирующая антенна принимает не только отраженный от плазмызондирующий сигнал мощность которого снижена расчетно на 20 дБ, но имощность помехи излучаемой гиротроном из плазмы.Для созданияфильтров необходимо определить мощность отраженного зондирующегосигнала от плазмы для минимальной мощности генератора в 10 мВт. Так какожидаемое ослабление полезного сигнала при отражении от плазмы равно20 дБ, то, где- мощность принятого полезного сигнала;мощность зондирующего сигнала;-- ослабление зондирующего сигналапри отражении от плазмы;66Ожидаемая мощность принятого полезного сигнала равна 0,1 мВт.В случае низкого уровня мощности диагностического сигналатребуется обеспечить отношение сигнал шум 30 дБ.

Для было определено докакой мощности необходимо ослабить сигнал помехи мощностью 0,1 ВтОтсюда:Где,- мощность ослабленного фильтром шума (помехи);- требуемое отношение полезного сигнала к шуму;- мощность помехи которую необходимо обеспечить длязаданного отношения сигнал/шум.Мощность помехи равна 0,1 Вт. Для обеспечения необходимойзаданной чистоты приема сигнала, ослабление помехи котороедолжен вносить фильтр рассчитывается по формуле:– мощность помехи принимаемая рупорной антенной;- ослабление вносимое фильтром;Фильтр должен ослаблять вносимую помеху на частоте 75,3 ГГц враз,что соответствует 60 дБ.67Так как стандартного фильтр на частоту 75,3 ГГц и с необходимымослаблением в 60 дБ нет, он был рассчитан в данной работе.

Фильтррассчитан на основе полуволнового резонатора.Конструкция фильтра строится на базе обычного 8-ми мм волновода[51]. В волновод на расстоянии полуволны (длина волны на частоте помехи)вводятсяволновод,неоднородности.будетКоличество неоднородностей,определятьсяэкспериментально.вводимых вВкачественеоднородностей предполагается использовать штырьки. Для того что быфильтр меньше влиял на принимаемый сигнал 8-ми мм диапазона будетразработан не 1 фильтр на 60 дБ, а несколько фильтров с суммарнымослаблением 60 дБ.Один фильтр на 40 дБ (F2) располагается между рупором исмесительной секцией, а два фильтра (F3, F4) по 20 дБ будут располагатьсяпосле каждой смесительной секции в плечах, где находятся СДГ(согласованные детекторная головка).

Расположение фильтров представленона рис. 3.9.Рис 3.9. Принципиальная схема расположения фильтров в волноводномтракте. A – антенна; LS – система линз; F1 – фильтр на основе резонатораФабри-Перо; F2, F3, F4 – волноводно-штыревые фильтры; DC –направленный ответвитель;D1, D2 – детекторные головки, G – СВЧ генератор.Расстояние между неоднородностями рассчитывается, как половинадлины волны на частоте помехи в волноводе:68,где- длина волны на частоте помехи в волноводе;- диэлектрическаяпостоянная,так как в волноводенаходитсяатмосферный газ то принимаем ее равной 1;– длина волны на частоте помехи в вакууме;- критическая длина волны которая может распространяться в 8-ми ммволноводе.Критическая длина волны в волноводе рассчитывается по формуле:Так как генератор излучает волнуволны формула упрощается., то m=1, а n=0.