Автореферат (Преобразователи амплитудно-фазового распределения полей на многомодовом диэлектрическом волноводе для радиоинтерферометрической диагностики объектов), страница 3

Это означает, что выбор сечения ШПДВ в рассматриваемых пределах некритичен. На рисунке 2 показаны спектр мод ШПДВ, частичная сумма  N  y (сплошная линия) для сечения ШПДВ 4  0,3 , полученная суммированиемтрех четных мод, распределение Гаусса (штрих) и ошибка  в процентах (точки).Рисунок 2Амплитуды мод, размеры сечения волновода и СКО приведены в таблице 1.Таблица 1СечениеАмплитуда модыHE11HE13HE15aGHСКО0,31  40,947 0,317 0,041 0,33 3, 42  1030,31  60,937 0,343 0,049 0,34 3,39  1030,31  80,935 0,340 0,050 0,364,58  103В разделе сделан вывод о том, что синтез АФР ПГЭ0 по трем модам с высокой точностью может быть обеспечен в широкоформатном прямоугольномДВ, допускающем существование большего количества мод.

Однако, управление большим числом мод затруднительно для практической реализации. По11этому целесообразно ограничить ширину ШПДВ интервалом от 2,8 до 4,2,при котором реализуется режим существования только трех четных мод.Рассмотренный алгоритм обеспечивает синтез АФР ПГЭ0 на торце широкоформатного прямоугольного ДВ с приемлемой точностью.В третьей главе рассмотрены методы реализации требуемого для синтезаПГЭ0 модового состава полей ШПДВ. Для возбуждения высших мод и управления ими предложено использовать локальные неоднородности (ЛН), вводимые в тело ШПДВ. В математической модели первоначально предполагалось,что на входе ШПДВ существует только основная мода типа НЕ11, а отраженияот ЛН отсутствуют.

Рассмотрены ЛН в виде возмущения диэлектрическихсвойств волновода. Влияние этого возмущения на поля в ШПДВ учитывалось P  , где P  0E – изменение поляtризации, обусловленное изменением диэлектрической проницаемости  . Ре-введением эквивалентного тока je шалась система дифференциальных уравнений связанных мод (УСМ)dA jC  z  A exp  j 2U  z  ,dz(4)в которой C  z  – погонные коэффициенты связи (КС), равныеC  z   0    x, y, z  E  x, y  E  x, y  dS ,(5)SU   U   U  – разность коэффициентов замедления связанных мод, z z–нормированная координата, E  x, y  – собственные функции ШПДВ. Ради простоты принято, что в (5)  не зависит от координат.Рассмотрены технологически реализуемые варианты: возмущения в виденакладки (рис.

3а) и в виде щели (рис. 3б) с размерами H  2B  L .Рисунок 3Численное решение УСМ методом Рунге-Кутты проведено для   2,08 и12ШПДВ сечением 4  0,3 , в котором существуют три четные моды. При решении УСМ использовано описание полей широкоформатного прямоугольногоДВ в модели Z. Найдены зависимости КС от параметров неоднородностей.Установлено, что КС щелей превышают КС накладок.Разработана процедура подбора необходимых значений амплитуд модA1i . На рисунке 4 представлены зависимости A1i от продольной координатыщели для мод НЕ11, НЕ13, НЕ15.

Точками отмечены значения амплитуд в сечении,примыкающем к концам щелей. Амплитуды мод взаимосвязаны, что делает процедуру их определения сложной многофакторной задачей. Поэтому нет возможности подобрать все требуемые для синтеза величины. Варьируя положение щелей и их длину, удается получить значения амплитуд, близкие к расчетным.Для приведенных размеров ШПДВпри L  1,33 (рис.

4) амплитуды указанных мод равны 0,94; 0,33 и 0,05, что близкок требуемым (см. табл. 1).Фаза моды НЕ13 на конце щели отстает от фазы НЕ11 на 900.Коэффициенты замедления мод неРисунок 4находятся в кратных соотношениях друг сдругом, поэтому при выборе длины участка ШПДВ от концов щелей до торца –фазового корректора (ФК) – используем условие синфазности мод HE11 и HE13 ,которые дают основной вклад в результирующее АФР.Окончательная оптимизации проводилась изменением длины ФК вблизирассчитанной величины.

Минимальнаяошибка достигается при длине корректора около 5,33 .На рисунке 5 показано распределеРисунок 5ние модуля A синтезированной функ-ции  N  y  в сечении на расстоянии 5,33 от концов щелей (сплошная линия),распределение Гаусса (штрих) и ошибка в процентах (точки). Отклонение синтезированной АФР от ПГЭ0 не превышает 0,2%, а СКО составляет  103 .13В главе рассмотрена также возможность реализации модового режима,требуемого для синтеза ПГЭ0, в предложенной структуре ВП со щелями. На рисунке 6 приведен эскиз разработанного ВП. Отрезок клиновидного ДВ (КДВ)(2) выполняет роль плавного перехода от одномодового ПДВ (1) к многомодовому ШПДВ (3).

Для снижения потерь на излучение на его стыках с ПДВ на основании предыдущего опыта угол  выбран из условия 2≤150.Рисунок 6В этом случае, параметры волновода изменяются вдоль оси медленно,обеспечивается условие адиабатичности. Поэтому на переходе I-II происходиттолько деформация структуры поля моды НЕ11.Рассмотрена модель собственныхволн КДВ.

Показано что, их дисперсионные зависимости практически совпадают с характеристиками мод ШПДВ,фазовый фронт которых трансформируется из плоского в цилиндрический.Разложение поля моды КДВ НЕ11по модам НЕ1,k ШПДВ показало, что амРисунок 7плитуды мод НЕ11, НЕ13 и НЕ15 на входе ШПДВ (сечение II рис. 6) имеют значения: A11=0,996; A13=0,089; A15=0,025. Результаты решения УСМ (4)-(5) с учетом этих условий приведены на рисунке 7. Наличие высших мод в указанномсечении потребовало уточнения выбора конструктивных параметров волноводного преобразователя при процедуре синтеза.В четвертой главе приведены результаты разработки преобразователейдля многоканального РИ. В процессе проектирования экспериментального образца при его численном моделировании обнаружено, что щели выбраннойформы вносят локальные искажения амплитудного распределения поля в сечении II ВП (рис.

6), что, по-видимому, вызвано отражением от их торцов. При14замене резких границ щелей на клиновидные достигнуто практическое совпадение АФР поля в сечении II с АФР ВП без щелей. При этом, ширина щелей 2B(рис. 6) и площадь щелей выбираются из соотношений0,180,27, 0,3( )2  S  0,5( )2 . 2B Длина Ldw фазового корректора выбирается из эмпирически подобранного19,722,2, обеспечивающего синфазность всех трех мод. Ldw Разложение функции Ey(y) суммарного поля в спектр по модам HE1,k+1ШПДВ показало, что соотношение амплитуд мод на апертуре ВП составляетусловияА11:A13:А15= 0,949:0,306:0,072, что близко к соотношению (табл.

1), необходимому для формирования гауссова пучка с параметром aGH  0,38b .Измерения АФР зондирующих полей ВП проводились в ФНПЦ НИИИСна автоматизированном измерительном комплексе. Он состоял из когерентногоприемо-передатчика, измерительного зонда и позиционирующего устройства,обеспечивающего независимое перемещение по трем координатам с точностью10-4 мм. Амплитуда и фаза информационного сигнала определяются по сигналам квадратурных выходов приемника2.Тестовые измерения трехканальных РИ с разработанными ВП проводились с помощью аттестованного стенда в РФЯЦ-ВНИИЭФ. Погрешность стендане превышает 3 мкм в диапазоне перемещений эталонного объекта 200 мм.Эксперименты подтвердили, что на торце рассмотренного в главе 1 клиновидного ДВ не реализуется требуемый для синтеза ПГЭ0 набор мод.Синтез АФР зондирующего поля, аппроксимируемого ПГЭ0 с достаточной дляприкладных задач точностью, реализован в структуре преобразователя (рис.

6).Для применений в МРИ были спроектированы и изготовлены преобразователи всоответствии с приведенными расчетами и результатами численного моделирования. Параметры ВП с двумя клиновидными щелями, расположенными симметрично относительно оси ВП, таковы: сечение ПДВ на входе ВП – 1 2, 2 мм2;угол при вершине клина – 100; сечение ШПДВ – 112,8 мм2; длина ШПДВ – 50мм; ширина щели – 0,5 мм; полная длина щели – (2+2,32+2) мм (ее площадьравна площади прямоугольной щели); расстояние от оси щели до оси ШПДВ –Результатом измерения является комплексное число (элемент матрицы рассеяния S21), связанное с волновыми характеристиками интегралом свертки с апертурной функцией зонда.2151,53 мм; диэлектрическая проницаемость материала ВП – 2,1.

Измеренные АФРс точностью до погрешности измерений совпадают с распределением ПГЭ0 нарасстояниях от 20 мм до 100 мм.Синтезированное АФР ПГЭ0 практически совпадает с результатами численного моделирования во всем рассмотренном диапазоне расстояний.По результатам экспериментального исследования образцов ВП даны рекомендации по выбору технологии их изготовления. В связи с полным разрушением ВП в условиях газодинамического эксперимента необходимо обеспечить точность размеров, повторяемость характеристик и взаимозаменяемостьВП. Установлено, что с учетом свойств фторопласта только технология вырубки из листовой заготовки материала с помощью штампов под ударный пресс(250 кН) удовлетворяет предъявляемым требованиям.Для трехканальной системы разработанных ВП на рисунке 8 представлены экспериментальные распределения поля E  y  y на расстоянии 20 мм отапертуры (сплошная кривая – центральный канал, пунктир и штрих пунктир –боковые каналы). Видно, что каналы идентичны и совпадают с ПГЭ0 с ошибкойне более 3% вплоть до уровня 30 дБ.Рисунок 8На аттестованном стенде перемещений получены также интерферограммы3-канального МРИ с разработанными ВП.

Ошибки измерения перемещений отражателя для центрального и боковых каналов не превышают 0,1 мм.По результатам синтеза АФР поля вида ПГЭ0, численного моделированияи экспериментальных исследований на предложенное техническое решение ВПс локальными неоднородностями подана заявка на изобретение. Разработанныепреобразователи вошли в состав одноканального радиоинтерферометра ПРИ-03и многоканального радиоинтерферометра МРИ-03 и применяются при диагностике газодинамических процессов.16В заключении приводятся основные выводы и результаты работы.В приложениях приведены описания полей ПДВ в предложенной модели Z, решение уравнения связанных мод ШПДВ с локальными неоднородностями, описание экспериментального измерительного комплекса, акты внедрения и дипломы за результаты изложенных в работе исследований.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ1.