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

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего профессионального образования«Национальный исследовательский университет «МЭИ»»На правах рукописиГайнулина Екатерина ЮрьевнаПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯПОЛЕЙ НА МНОГОМОДОВОМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ВОЛНОВОДЕДЛЯ РАДИОИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ОБЪЕКТОВСпециальность 05.12.04 – "Радиотехника, в том числе системыи устройства телевидения"Специальность 05.12.07 – "Антенны, СВЧ устройства и их технологии"Диссертацияна соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководитель:д.т.н., проф.

Взятышев В.Ф.Научный консультант:к.т.н., проф. Штыков В.В.г. Москва2014 г.2АННОТАЦИЯДиссертация посвящена созданию на базе многомодового диэлектрическоговолноводапреобразователейрадиоинтерферометрическойволновыхдиагностикиполейдвижениядляКВЧобъектов/процессов,находящихся в непосредственной близости от преобразователей, при учетеособенностей дифракционных процессов в этой области.Формированиенеобходимыхзондирующихволновыхпучковобеспечивается преобразованием спектра волноводных мод в широкоформатномпрямоугольном диэлектрическом волноводе. Предложен алгоритм синтеза наапертуре преобразователя поля в виде пучка Гаусса-Эрмита на основе трех модширокоформатного прямоугольного диэлектрического волновода и способ ихвозбуждения на локальных неоднородностях волновода.Это позволило реализовать конструкцию волноводного преобразователя,обеспечивающую эффективное взаимодействие зондирующего волнового пучка собъектом диагностики и надежное извлечение информации о характеристиках егодвижения и динамике изменения его формы при многоканальной диагностике.Специфика поставленных теоретических и практических задач обусловилаприменение в работе приближенных методов решения в сочетании сэкспериментальными исследованиями и численным моделированием.3СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕ .....................................................................................................

6ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯЗОНДИРУЮЩЕГО ПОЛЯ ДЛЯ ЗАДАЧ ДИАГНОСТИКИ ДВИЖЕНИЯОБЪЕКТОВ .......................................................................................................... 191.1. Анализ состояния диагностики КВЧ радиоинтерферометрами сзондирующими устройствами на базе диэлектрических волноводов ...............191.2. Экспериментальное исследование планарных и коническихпреобразователей.....................................................................................................221.3. Математическая модель пучков Гаусса-Эрмита. Требования к АФРзондирующего поля .................................................................................................281.3.1.

Поля излучения торца диэлектрического волновода ...........................281.3.2. Описание полей моделью пучков Гаусса-Эрмита ................................301.3.3. Метод решения задачи синтеза АФР многомодовых диэлектрическихпреобразователей ..............................................................................................311.3.4.

Требования к АФР зондирующего поля ................................................341.3.5. Оценка требований к АФР поля для реальных условий многоканальногорадиоинтерферометра ......................................................................................361.4. Постановка задачи исследования и проектирования преобразователей наоснове многомодовых прямоугольных диэлектрических волноводов ..............421.4.1.

Базовая структура планарного преобразователя на основе ПДВ .......421.4.2. Возможные способы реализации многомодового режима впреобразователях на основе ПДВ ...................................................................44ГЛАВА 2. СИНТЕЗ АФР ЗОНДИРУЮЩЕГО ПОЛЯ НА БАЗЕСОБСТВЕННЫХ ВОЛН МНОГОМОДОВОГО ПДВ .................................

462.1. Математическое обоснование процедуры синтеза .......................................462.2. Спектр собственных волн широкоформатного ПДВ ...................................492.2.1. Модели прямоугольного ДВ ...................................................................492.2.2.

Характеристики волн широкоформатного ПДВ ...................................522.3. Процедура синтеза АФР поля многомодового прямоугольного ДВ ..........574ГЛАВА 3. РЕАЛИЗАЦИЯ ТРЕБУЕМОГО МОДОВОГО СОСТАВАВОЛНОВОДНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ .................................................. 683.1. Управление модовым составом полей ШПДВ с помощью локальныхнеоднородностей .....................................................................................................683.1.1.

Связь мод ПДВ на локальных неоднородностях ..................................693.1.2. Вычисление коэффициентов связи ........................................................723.1.3. Решение системы уравнений связанных мод ........................................763.1.4. Процедура подбора комплексных амплитуд мод .................................803.2. Физические процессы в клиновидном участке преобразователя и возможностьих описания ..............................................................................................................863.2.1. Математическая модель собственных волн клиновидного ДВ ..........873.2.2.

Численное моделирование волн клиновидного ДВ .............................923.2.3. Уточнение поля на входе участка ШПДВ преобразователя ...............95ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НАШИРОКОФОРМАТНОМ ПРЯМОУГОЛЬНОМ ДВ ДЛЯМНОГОКАНАЛЬНЫХ РАДИОИНТЕРФЕРОМЕТРОВ ........................... 984.1. Проектирование экспериментального образца волноводногопреобразователя .......................................................................................................984.1.1. Влияние отражений от локальных неоднородностей, вводимых вконструкцию преобразователя ......................................................................1004.1.2. Преобразование модового состава на неоднородностяхпеременного сечения ......................................................................................1034.1.3.

Численное моделирование ВП с неоднородностямипеременного сечения ......................................................................................1064.2. Экспериментальные исследования разработанных преобразователей длямногоканальных систем........................................................................................1114.2.1. Технология изготовления волноводного преобразователя ...............1134.2.2.

Разработка конструкций преобразователя ..........................................1144.2.3. Патентная защита волноводного преобразователя ............................117ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................... 119СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ..................................................................... 1235ЛИТЕРАТУРА ........................................................................................... 124ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ....................................................................... 131Приложение П1.

Модель прямоугольного диэлектрического волновода ввиде суперпозиции волн планарного ДВ .......................................................... 135Приложение П2. Решение уравнения связанных мод широкоформатногоПДВ с локальными неоднородностями ............................................................ 141Приложение П3. Аппаратные средства для экспериментальныхисследований волновых преобразователей ......................................................

147Приложение П4. Акты внедрения и дипломы ........................................ 1546ВВЕДЕНИЕДиапазонкрайневысокихчастот,благодаряцеломурядусвоихпреимуществ (широкая полоса частот, высокое пространственное разрешение идр.), находит все большее применение при решении задач радиолокации,диагностики различных процессов, неразрушающем контроле различных сред.При этом во многих применениях предполагается извлечение информацииоб объекте, находящемся в непосредственной близости от зондирующегооблучателя.