Автореферат (Преобразователи амплитудно-фазового распределения полей на многомодовом диэлектрическом волноводе для радиоинтерферометрической диагностики объектов)

На правах рукописиГАЙНУЛИНА Екатерина ЮрьевнаПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯПОЛЕЙ НА МНОГОМОДОВОМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ВОЛНОВОДЕДЛЯ РАДИОИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ОБЪЕКТОВСпециальности: 05.12.04 – "Радиотехника, в том числесистемы и устройства телевидения";05.12.07 – "Антенны, СВЧ устройстваи их технологии"АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2015Работа выполнена на кафедре «Основы радиотехники» Федеральногогосударственного бюджетного образовательного учреждения высшегопрофессиональногообразования«Национальныйисследовательскийуниверситет «МЭИ» (ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»»).Научный руководитель:Научный консультант:Официальные оппоненты:доктортехническихнаук,Взятышев Виктор Феодосьевичкандидаттехническихнаук,Штыков Виталий ВасильевичпрофессорпрофессорШевченко Виктор Васильевич,доктор физико-математических наук, профессор,главный научный сотрудник ФГБУН «Институтрадиоэлектроники Российской академии наук»Вакс Владимир Лейбович,кандидат физико-математических наук,заведующий отделом Терагерцовой спектрометрии ФГБУН «Институт физики микростуктурРоссийской академии наук»Ведущая организация:ФГБНУ «Научно-исследовательскийрадиофизический институт» (г.

Н. Новгород)Защита состоится 26 марта 2015 года в 13.00 на заседании диссертационного совета Д212.157.05 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу:г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 17, аудитория А-402.Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменнаяул., д.

14, Ученый совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУВПО «НИУ «МЭИ» www.mpei.ru.Автореферат разослан«___» января 2015 года.Ученый секретарь диссертационного советаД212.157.05 к.т.н., доцентКуликов Р.С.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Диапазон крайне высоких частот (КВЧ) находит всебольшее применение при решении задач радиолокации, диагностики различныхпроцессов, определения физических параметров различных сред. При этом вомногих применениях предполагается извлечение информации об объекте, находящемся в непосредственной близости от зондирующего облучателя. К такимзадачам относятся задачи мониторинга различных сред, спектроскопии, диагностики плазмы, диагностики быстропротекающих газодинамических процессов изадачи экспериментальной баллистики.Для их решения широко применяются системы радиовидения, основанные на методах пассивной и пассивно-активной радиометрии, и радиоинтерферометрические системы для диагностики движения объектов.

Реализация этихсистем в КВЧ диапазоне обеспечивает бесконтактную регистрацию процессов,пространственную избирательность и непрерывность измерений.Одной из актуальных задач является реконструкция формы объекта по результатам диагностики. Для быстропеременных процессов, длящихся не болеенескольких миллисекунд, применение систем радиовидения затруднено. Этосвязано с невозможностью использования сканирования и создания матричныхприемников с достаточным числом каналов.Для задач диагностики изменения формы объектов при быстропротекающих процессах перспективны многоканальные радиоинтерферометры.Принципиальным условием реализации многоканальных радиоинтерферометров (МРИ) является создание пространственно локализованных и частично перекрывающихся полей зондирующих волновых образований1 в виде волновых пучков, создаваемых разными каналами.

Для МРИ, с одной стороны,требуется облучение относительно большого участка поверхности объекта диагностики (ОД), с другой стороны, предъявляются высокие требования к разрешающей способности системы по поперечным координатам. Для одновременного выполнения этих противоречивых требований необходима разработка специальных зондирующих устройств, формирующих волновые пучки.Здесь и далее зондирующее волновое образование – это электромагнитное поле, созданноезондирующим устройством в исследуемой области пространства.13Волновые пучки широко применяются в линзовых линиях передачи, открытых резонаторах, системах радиовидения.

Например, в последнем случаеони формируются фокусирующими зеркальными антеннами в области фокуса.Известны волноводные преобразователи (ВП) на сверхразмерных металлических волноводах, применяемые, в частности, в гиротронах. Такие ВП обеспечивают преобразование высших волноводных мод в волновой пучок.Поэтому исследование и создание преобразователей зондирующих полейдля радиоинтерферометров (РИ), которые обеспечивают эффективное взаимодействие формируемых зондирующих волновых пучков с движущимся и изменяющимся объектом, актуально и имеет большое практическое значение.Для задач РИ в специфических условиях диагностики в качестве протяженных зондирующих устройств нашли применение диэлектрические волноводы (ДВ). Поэтому для этих задач необходимо провести всесторонние исследования волноводных преобразователей на базе ДВ.Одним из эффективных технических решений для задач МРИ являетсяпреобразователь на базе широкоформатного прямоугольного диэлектрическоговолновода (ШПДВ).

В плоскости, параллельной широким граням волновода,ширина поперечного сечения зондирующего волнового образования на требуемых расстояниях до ОД может быть значительно сужена, по сравнению с волновым образованием одноволновых ДВ.При проектировании ВП и практическом использовании МРИ особенноостро ощущается необходимость аналитического описания зондирующего поля.Для обработки сигналов МРИ с необходимой точностью структура поля, создаваемого ВП, должна допускать простое математическое описание, например, ввиде разложения по пучкам Гаусса-Эрмита. Поэтому в работе рассматриваетсяволновой пучок Гаусса-Эрмита нулевого порядка (ПГЭ0).

В свою очередь, этоопределило требования к ВП, а, значит, цели и задачи исследования.Аналитическую модель волнового пучка можно получить при решениизадачи дифракции собственных волн ДВ на торце ШПДВ. Однако, такая задачав общей постановке сложна и к настоящему моменту решена только для идеализированной модели планарного ДВ. Таким образом, разработка процедурысинтеза заданного АФР поля волнового пучка и создание ВП, служащих для егоформирования, является важной и принципиально новой задачей для развитияметода многоканальной КВЧ радиоинтерферометрии.4Как показано в ряде работ, возможность управления АФР зондирующегополя можно обеспечить в многомодовом режиме ШПДВ.

Проблему синтезаАФР поля в зоне Френеля в виде суммы собственных волн многомодового ДВ сопределенной точностью можно рассматривать как синтез АФР поверхностныхтоков на апертуре волноводного преобразователя.Таким образом, создание волноводных преобразователей на базе многомодовых диэлектрических волноводов, обеспечивающих требуемые амплитудно-фазовые характеристики зондирующего поля, необходимо для решения принципиально новых задач многоканальной диагностики в различных применениях.До настоящего времени задачи создания ВП с требуемыми характеристиками для МРИ не рассматривались.

В силу открытого характера ДВ, их решениевозможно только приближенными методами в сочетании с экспериментальными исследованиями и численным моделированием для обеспечения точности,достаточной для решения конкретных практических задач.Целью работы является исследование возможности формирования полейволноводных преобразователей для многоканальных систем диагностики намногомодовом широкоформатном прямоугольном диэлектрическом волноводеи создание преобразователей, обеспечивающих эффективное взаимодействиезондирующего волнового пучка с объектом диагностики и надежное извлечениеинформации о характеристиках его движения и динамике изменения его формы.Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:синтез АФР зондирующего поля, описываемого моделью пучкаГаусса-Эрмита нулевого порядка, в виде суммы собственных волн прямоугольного ДВ, то есть определение необходимого набора мод и соотношения их комплексных амплитуд, реализующих требуемое АФР зондирующего поля;формирование требуемого набора мод широкоформатного прямоугольного ДВ с заданными амплитудно-фазовыми соотношениями по п.1 на локальных неоднородностях широкоформатного прямоугольного ДВ;оценка влияния клиновидного перехода в проектируемых волноводных преобразователях на результаты синтеза АФР зондирующего поля икоррекция результатов синтеза;конструирование, на основе решения вышеперечисленных задач,преобразователей для применения в многоканальных РИ.5Методы исследования.

В силу прикладного характера работы, использованы проверенные приближенные методы аналитического описания волн ПДВ,Фурье-преобразование, теория связанных волн, экспериментальные методы исследования АФР и численное моделирование.Научная новизна диссертационной работы1) Обоснована возможность формирования зондирующего волнового образования с различной разрешающей способностью по поперечным координатам и независимым управлением АФР поля в двух ортогональных направленияхширокоформатным прямоугольным ДВ в многомодовом режиме.2) Впервые предложена процедура синтеза АФР зондирующего поля ввиде пучка Гаусса-Эрмита нулевого порядка на основе мод НЕ11, НЕ13 и НЕ15ШПДВ, обеспечивающая достаточную для прикладных целей точность.3) Впервые предложен и практически реализован способ возбуждениятребуемого набора высших мод с заданными амплитудно-фазовыми соотношениями на локальных неоднородностях ШПДВ.4) Исследовано влияние физических процессов в клиновидном участкепредложенной структуры ВП, с учетом этого уточнены математическая модельи процедура синтеза АФР зондирующего поля преобразователя.5) Созданы конструкции преобразователей для применения в многоканальной радиоинтерферометрии.

Это позволило коллективу авторов защититьих варианты патентами РФ.Обоснованность и достоверность полученных в работе результатов подтверждается использованием известных методов приближенного решения электродинамических задач при корректно поставленных ограничениях. Результатырасчетов согласуются с результатами экспериментов и численным моделированием в программе CST MWS, подтверждены тестированием разработанных ВП,в том числе в составе МРИ на аттестованных стендах.Практическая значимость результатов работы состоит в том, что предложенная процедура синтеза АФР зондирующего поля и разработанные программы позволяют проектировать волноводные преобразователи, обеспечивающие требуемые АФР поля для конкретных условий диагностики. Созданы новые конструкции преобразователей, в частности, для многоканальной радиоинтерферометрии быстропротекающих газодинамических процессов.6Реализация и внедрение.