Диссертация (Преобразователи амплитудно-фазового распределения полей на многомодовом диэлектрическом волноводе для радиоинтерферометрической диагностики объектов), страница 16

Посколькупостоянные распространения мод находятся в некратном соотношении, то длинаучастка фазовой коррекции, обеспечивающего синхронизм трех мод, оказываетсязначительно больше.Таким образом, учет отличия поля от НЕ11 на входе ШПДВ ВП иминимизация отражений от введенных неоднородностей позволил уточнитьалгоритм синтеза АФР ПГЭ0 в предложенной структуре преобразователя.4.2.Экспериментальныеисследованияразработанныхпреобразователей для многоканальных системКак показали результаты вышеприведенных исследований, синтез АФРзондирующего поля в виде ПГЭ0 с достаточной для прикладных задач точностью,реализован в конфигурации преобразователя рис.

4.7. Для многоканального РИбыли спроектированы и изготовлены преобразователи в соответствии салгоритмом синтеза АФР, представленным в главе 3.Параметры преобразователя (рис. 4.7) с двумя клиновидными щелями,расположеннымисимметричноотносительноосиширокоформатногопрямоугольного диэлектрического волновода: сечение прямоугольного ДВ - 1 2, 2мм2 ;угол при вершине клина – 100;сечение ШПДВ - 112,8мм2 ;длина ШПДВ – 50 мм;ширина щели – 0,5 мм;длина щели – (2+2,32+2) мм (площадь равна площади прямоугольной щели);расстояние от оси щели до оси ШПДВ – 1,536 мм;длина волны – 3,2 мм;диэлектрическая проницаемость материала – 2,1.112На рис. 4.11 приведены экспериментальные амплитудные и фазовыераспределения составляющей Еy электрического поля на расстояниях z отапертуры преобразователя.При малых значениях координаты z (в частности, на самой апертуреоблучателя, при z=0 мм) амплитудные распределения несколько отличаются.Объяснить это можно конечным размером раскрыва зонда, в качестве которогоиспользуетсяоткрытыйинормальносрезанныйконецпрямоугольногометаллического волновода.

В действительности мы измеряем не АФР в точке, анекоторую интегральную усредненную величину по некоторому сечению.Особенно сильно это проявляется при измерениях АФР на расстояниях z от 0,1 до3 мм.Измеренные АФР практически совпадают с распределением Гаусса-Эрмитанулевого порядка на расстояниях от 20 до 100 мм с учетом погрешностиизмерений.Рис.

4.11 Амплитудные и фазовые распределения на расстоянии 20 мм от апертурыпреобразователя: сплошная кривая – эксперимент, штрих – ПГЭНаряду с погрешностью измерений АФР зондирующего поля, характернойдля используемого измерительного комплекса (приложение П3) необходимоучитывать и погрешность изготовления экспериментального макета ВП.1134.2.1. Технология изготовления волноводного преобразователяБыло выдано техническое задание на технологическую оснастку дляизготовления разработанной конструкции ВП со структурой по рис. 4.7.Технологическая оснастка разработана в ФНПЦ НИИИС.Изготовление изделий и деталей из фторопласта имеет ряд особенностей: низкая теплопроводность не дает возможности распространению теплотывнутри полимера.

Это может вызвать нагрев инструмента и самойзаготовки; наличие большого коэффициента линейного расширения может искажатьразмерыобрабатываемогоизделия,чтовлияетнаточностьегоизготовления; из-за склонности к холодной текучести, под действием нагрузки на изделияиз фторопласта даже при невысокой температуре становятся заметнымидеформации; обработка материала должна проводиться при комнатной температуре невыше 200С, с тем, чтобы размеры готового изделия соответствоваличертежам.В качестве исходной заготовки выбрана фторопластовая лента толщиной1 мм. Изготовление клиновидных щелей в ленте с помощью механическойобработки на ручном прессе для заданной детали из-за наличия острых угловоказалось невыполнимо – не достигалась плоскопараллельность кромок деталей,ввиду указанного свойства холодной текучести материала ВП.Нами было установлено, что это приводит к несимметричности главноголепестка АФР и колебаниям уровня боковых лепестков уже в пределах 10 дБ.

Темсамым, экспериментальная отработка ручной технологии выполнения макетов,показаланевозможностьобеспечитьповторяемостьхарактеристикпреобразователей, необходимую для массового производства преобразователей(мы уже писали, что зондирующие устройства с ВП уничтожаются при каждомгазодинамическом опыте).114Поэтому с учетом физико-механических свойств фторопласта, которыеопределяют технологические режимы обработки материала и геометриюрежущего инструмента, единственным верным решением для полученияклиновидных щелей с точностью, согласно требованиям заданного эскиза детали,оказалось изготовление вырубных штампов под кривошипно-шатунный пресс длявырубки наружного контура детали и пробивки клиновидных щелей.

В условияхпроизводства ФНПЦ НИИИС – это пресс КВ-2124.По уточненной технологии, по результатам нашей отработки образцов, дляполучения заданной детали наружный контур вырубался штампом из исходнойзаготовки с фиксацией контура по предварительно пробитым штампомотверстиям, одновременно с пробивкой клиновидных щелей.Выбор указанного пресса с давлением 25 т/см2, как показали проведенныеисследования, обеспечивает точность воспроизведения размеров не хуже 0,1 мм иих повторяемость при массовом выпуске преобразователей, необходимом при ихприменении в составе МРИ.Любые другие способы изготовления – сверление, фрезерование, точение –в силу текучести фторопласта также не обеспечивают нужного воспроизведенияразмеров, повторяемости и параллельности наружных и внутренних гранейповерхности преобразователей.4.2.2.

Разработка конструкций преобразователяВ рамках ОКР по разработке многоканального радиоинтерферометра МРИ03 в ФНПЦ НИИИС на основе предложенных в главе 1 преобразователей в 2012 гразработаны многоканальные зондирующие устройства МЗУ-1 ГВАТ.407936.003стремяконуснымипреобразователямиГВАТ.464663.007иМЗУ-2ГВАТ.407936.004 с тремя клиновидными преобразователями ГВАТ.464663.008.Взависимостиотпостановкигазодинамическихопытов,можноиспользовать как сборки из разработанных преобразователей, так и ихкомбинации с ВП – конус с осесимметричным пучком.115Однако клиновидные преобразователи не обеспечивают амплитудноераспределение, описываемое пучком Гаусса-Эрмита нулевого порядка, чтонеобходимо для многоканальной диагностики.

В связи с этим, разработанаконструкция предложенного преобразователя (4.7), обеспечивающего синтезПГЭ0 с СКО не хуже 10-3. Эскиз конструкции преобразователя показан нарис. 4.12.Рис. 4.12 Конструкция преобразователяНа рис. 4.13 представлены экспериментальные АР поля Ey(y) длятрехканальной системы разработанных ВП с щелями на расстоянии ВП отапертуры зонда 20 мм.Рис.

4.13 Экспериментальные АР поля Ey(y) для трехканальной системы ВП на расстоянии ВПна расстоянии между апертурами ВП и зонда 20 мм. Сплошная – центральныйприемопередающий канал МРИ, пунктир – боковые приемные каналыДо уровня -35 дБ АР каждого ВП практически совпадают с расчетнымПГЭ0, полученным с СКО не хуже 10-3, с абсолютным отклонением не хуже 1,0%.Таким образом, с учетом погрешностей расчетов, измерений и технологииизготовления можно говорить о приемлемом качестве синтеза АФР ПГЭ0 дляпрактических задач.116Наэталонномметрологическиаттестованномстендеперемещений(приложение П3) получены интерферограммы 3-канального макета МРИ сразработаннымиВП.Отклонениевычисленныхперемещенийплоскогоотражателя от образцовых, измеренных по штриховой мере с погрешностью±3 мкм, практически одинаковы для центрального и боковых каналов и непревышает ±0,1 мм (рис.

4.14), за исключением области расстояний междуобъектом и ВП меньше 20 мм.Рис. 4.14 Зависимости погрешности измерения перемещений эталонного объекта отрасстояния между торцами преобразователей и объектом. Пунктир – приемо-передающийканал МРИ, сплошная – боковой приемный каналРасстояние между ВП и отражателем изменялось от 0 до 150 мм.

(На рис.4.14 – обратный отсчет, 150 мм соответствует нулевому расстоянию). Участок120-150 мм может быть легко исключен соответствующим размещением ВП врабочей сборке опытов.Такимобразом,предложенныйпреобразовательнаосновеширокоформатного ПДВ с локальными неоднородностями обеспечивает в однойпоперечной плоскости зондирующее поле, описываемое пучком Гаусса-Эрмитанулевого порядка с погрешностью не более 1-2%.

Причем ширина областизасветки объекта на расстояниях до 50 соответствует ширине амплитудного117распределения гауссовой функции по уровню –30 дБ, и приблизительно равнаширине волновода на торце преобразователя.В другой поперечной плоскости амплитудное распределение зондирующегополя не зависит от ширины волновода преобразователя и имеет характерцилиндрической волны. Эти свойства преобразователя особенно важны длямногоканальных систем диагностики.По результатам приведенных испытаний разработанная конструкция ВПвключена в состав разрабатываемых в ФНПЦ НИИИС радиоинтерферометров ииспользуется в РФЯЦ-ВНИИЭФ для диагностики быстропротекающих процессов(Приложение П4).4.2.3.

Патентная защита волноводного преобразователяПо результатам синтеза АФР поля вида ПГЭ0, численного моделирования иэкспериментальных исследований на предложенное техническое решениеволноводного преобразователя подана патентная заявка на изобретение [А22] соследующей формулой изобретения:1. Планарный диэлектрический излучатель, состоящий из возбуждающегоодномодового прямоугольного диэлектрического волновода с поляризациейэлектрическогополявдольширокойстороныпоперечногосеченияидиэлектрического плоского клина, выполненного из того же материала, c угломпривершине,не превышающим пятнадцатиградусов, переходящего вдиэлектрическую пластину шириной b, торец которой является апертуройизлучателя, а толщина пластины a равна толщине клина и узкой сторонепоперечного сечения возбуждающего волновода, отличающийся тем, чтопластина имеет формат поперечного сечения F  b / a , который выбирается изусловия Fкр  F  Fкр , где Fкр151715и Fкр17– критические значения форматапоперечного сечения прямоугольного диэлектрического волновода для волн HE15и HE17 соответственно, в месте перехода клина в пластину выполнены две щели,расположенные симметрично и параллельно оси пластины, размеры которых118выбираются из условия преобразования волны HE11 в волны HE13 и HE15 ссоотношением амплитуд 1:0,3:0,1, а длина пластины выбирается из условияфазового синхронизма волн HE11, HE13 и HE15 на ее торце.2.