Автореферат (Экспериментально корректируемые компьютерные модели гексаферритовых гиромагнитных резонаторов)

На правах рукописиКОЛОДИН ПАВЕЛ СЕРГЕЕВИЧЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО КОРРЕКТИРУЕМЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕМОДЕЛИ ГЕКСАФЕРРИТОВЫХ ГИРОМАГНИТНЫХ РЕЗОНАТОРОВСпециальность 05.12.04Радиотехника, в том числе системы и устройства телевиденияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква, 2015Работа выполнена на кафедре основ радиотехники ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»Научный руководитель:Поллак Борис Павлович,кандидат технических наук, доцент,доцент кафедры основ радиотехникиФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»Официальные оппоненты:Поляков Петр Александрович,доктор физико-математических наук, профессор,профессор кафедры общей физикифизического факультета ФГБОУ ВО«Московский государственный университетимени М.В. Ломоносова»Семенов Михаил Гаврилович,кандидат технических наук,начальник сектора «Ферритовые развязывающиеприборы» АО «Научно-производственноепредприятие «Исток» имени А.И.

Шокина»Ведущая организация:АО «Научно-исследовательский институт«Феррит-Домен» (г. Санкт-Петербург)Защита состоится 19 ноября 2015 г. в 15:00 на заседании диссертационногосовета Д 212.157.05 при ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» по адресу 111250, г. Москва,ул. Красноказарменная, д. 17, аудитория А-402.Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул.

Красноказарменная, д. 14, Ученый совет ФГБОУ ВО«НИУ «МЭИ».С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВО«НИУ «МЭИ» (www.mpei.ru).Автореферат разослан «» октября 2015 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.157.05кандидат технических наук, доцент2Р.С. КуликовОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫОсвоение коротковолновой части миллиметрового диапазона является одной из решаемых в настоящее время задач радиотехники. В нашей стране актуальность этой задачи обусловлена перспективами, которые открывает применениемиллиметровых волн для повышения обороноспособности и для развития такихотраслей народного хозяйства, как связь, наука и здравоохранение.

Решение этойзадачи включает в себя создание различных устройств, в т.ч. гиромагнитных: вентилей, полосовых фильтров, циркуляторов и др.При создании таких устройств в миллиметровом диапазоне широкое распространение получили гексаферритовые гиромагнитные резонаторы – образцыгексаферритовых материалов различной геометрической формы, работающие вусловиях гиромагнитного резонанса. В настоящее время существует большое количество материалов, отличающихся друг от друга по своим магнитным свойствам, и продолжают появляться новые. Очевидно, что для эффективного применения гексаферритовых гиромагнитных резонаторов и для создания устройств стребуемыми техническими характеристиками необходимо знать характеристики иосновные параметры материалов, а в случае новых, еще не достаточно изученныхматериалов – уметь их исследовать. Оперативное исследование резонансных характеристик необходимо также и для развития технологии изготовления самихгиромагнитных материалов.

Таким образом, исследование гексаферритовых гиромагнитных резонаторов является одной из актуальных задач современной радиотехники.Хорошо известно, что исследовательская работа включает в себя не толькопроведение физического эксперимента с целью измерения характеристик объекта,но и обработку полученных данных, выполнение расчетов по теоретическим (математическим) моделям, а также сопоставление результатов измерения и расчета.Таким образом, наличие математической модели гексаферритового гиромагнитного резонатора является одним из необходимых условий для выполнения исследований гексаферритовых материалов.Следует отметить, что интенсивное и систематическое исследование ферритовых и гексаферритовых материалов в мире осуществляется уже более 60 лет. Заэто время ощутимый вклад в экспериментальные исследования и разработку теории резонансных свойств ферритов и гексаферритов внесли различные коллективы из Европы, США, Японии и Китая. Широко известны «классические» работытаких ученых, как J.

L. Snoek, L. Neel, E. C. Stoner, E. P. Wohlfarth, C. Kittel,D. Polder, M. T. Weiss, J. Smit, H. P. J. Wijn, H. Suhl, E. Schloemann, B. Lax,K. J. Button и др. В нашей стране целенаправленное исследование ферритовых материалов началось в конце 40-х – начале 50-х гг. прошлого века.

К работе в этомнаправлении подключились различные институты и лаборатории, сформировав3шие впоследствии ведущие научные школы в Москве (НПП «Исток» им. Шокина,физический факультет МГУ им. М. В. Ломоносова, ОПЛФ, ИРЭ им.В. А. Котельникова РАН), Санкт-Петербурге (НИИ «Феррит-Домен», АО «ЗаводМагнетон», СПбГУТ им. проф. Бонч-Бруевича и СПбГЭТУ «ЛЭТИ» им.В.

И. Ульянова (Ленина)), на Урале (ИФМК УНЦ РАН) и в Сибири (ТГУ, Институт физики им. Л. В. Киренского СО РАН). Работа этих научных коллективов ишкол привела к появлению различных гиромагнитных материалов и устройств,созданию их теоретических моделей и выработке методик их экспериментальногоисследования.Однако физический эксперимент на миллиметровых волнах дорог и трудоемок, а математические модели громоздки, поэтому эффективные исследованиягексаферритовых гиромагнитных материалов немыслимы без автоматизации (переложения с человека на компьютер) всех частей исследовательского процесса:физического эксперимента, обработки данных, расчета по модели и сопоставления результатов эксперимента и моделирования. При этом на рабочем месте исследователя должна существовать тесная связь (интеграция) экспериментальной ирасчетной баз, в противном случае сопоставление результатов эксперимента ирасчета будет затруднено, а сами исследования – малоэффективны.На современном рынке практически отсутствуют подходящие для этогопредложения.

Продукцию подавляющего большинства производителей можночетко разделить на не связанные между собой категории «автоматизированнаяизмерительная техника» и «пакеты электродинамического моделирования», поэтому даже широкие финансовые возможности, позволяющие приобрести дорогостоящие оборудование и программное обеспечение, не решают вопроса интеграции физического эксперимента и компьютерного моделирования.Актуальность проведения исследовательской работы и отсутствие готовыхрешений определили основное направление и цель диссертационной работы.

Целью работы является создание аппаратно-программного комплекса, предназначенного для автоматизированного исследования гексаферритовых гиромагнитныхрезонаторов. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи: провести обзор литературы по теории гиромагнитного резонанса в гексаферритовых материалах и методам их экспериментального исследования; разработать алгоритмы и программное обеспечение для расчета характеристик гиромагнитных резонаторов на основе гексаферритового монокристалла игексаферритового поликристаллического материала; провести проверку результатов моделирования; провести компьютерную автоматизацию лабораторных установок для измерения основных характеристик гексаферритовых гиромагнитных резонаторов;4 провести интеграцию автоматизированного физического эксперимента икомпьютерного моделирования; провести апробацию разработанного комплекса.Научная новизна работы заключается в следующем:1.

Для разработки компьютерных моделей гексаферритовых гиромагнитныхрезонаторов предложено использовать метод имитационного моделирования.2. Для обеспечения возможности расчета тензоров магнитной восприимчивости и магнитной проницаемости произвольно ориентированного однодоменного кристалла (частицы в форме эллипсоида вращения) магнитно-одноосного гексаферрита в любой точке петли гистерезиса предложен метод решения статической задачи, отличающийся учетом начального состояния (направления поля анизотропии) кристалла; разработаны алгоритмы расчета кривых перемагничивания и петель магнитного гистерезиса, отличающиеся учетом магнитной предыстории.3. Для обеспечения возможности моделирования произвольно намагниченного гиромагнитного резонатора на основе гексаферритового поликристаллического материала предложен метод решения статической задачи для ансамбля невзаимодействующих произвольно ориентированных однодоменных частиц магнитноодноосного гексаферрита, отличающийся учетом начального состояния каждойчастицы в материале; разработан алгоритм расчета кривых перемагничивания, отличающийсяучетом магнитной предыстории каждой частицы в материале; на его основе разработан алгоритм расчета произвольных (как предельных, так и любых частных)петель магнитного гистерезиса; предложен имитационный метод расчета тензоров магнитной восприимчивости и магнитной проницаемости материала, отличающийся учетом двух возможных направлений поля анизотропии каждой частицы.4.

Разработана компьютерная модель гиромагнитного резонатора на основегексаферритового поликристаллического материала, обобщенная на случай произвольно намагниченного и произвольно ориентированного материала с произвольным качеством текстуры.Теоретическая значимость работы заключается в следующем: разработана компьютерная модель гиромагнитного резонатора на основегексаферритового поликристаллического материала, позволяющая обобщить существующую приближенную теорию ферромагнитного резонанса на случай произвольно намагниченного и произвольно ориентированного материала с произвольным качеством текстуры;5 разработаны методы и алгоритмы, открывающие путь для созданияобобщенной компьютерной модели многокомпонентного композиционного материала на основе частиц гексаферрита.Практическая значимость работы заключается в создании автоматизированных установок для экспериментального исследования полевых и частотных характеристик гиромагнитных материалов иустройств в диапазонах частот от 8 до 80 ГГц; в разработке компьютерных моделей, которые могут быть использованыдля расчета и компьютерного проектирования устройств сверхвысоких и крайневысоких частот (КВЧ), содержащих гексаферритовые гиромагнитные резонаторы; в интеграции измерительной и расчетной частей программного обеспечения, позволяющей проводить автоматизированное исследование гексаферритовыхгиромагнитных резонаторов.Результаты работы используются в учебном процессе кафедры основ радиотехники ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ», что подтверждено актом о внедрении.При решении указанных задач в работе использовались следующие известные методы: метод Ньютона и метод простой итерации при разработке алгоритма численного решения статической задачи для однодоменного кристалла гексаферрита; метод имитационного моделирования при разработке компьютерных моделей гексаферритовых гиромагнитных резонаторов; метод функционального преобразования случайной величины при получении псевдослучайных последовательностей с требуемыми законами распределения; метод наименьших квадратов при определении параметров модели, обеспечивающих наилучшую аппроксимацию экспериментальных данных; метод Левенберга-Марквардта при поиске координат минимума функциинескольких переменных; метод автоматизированного физического эксперимента при измеренииполевых и частотных характеристик исследуемых резонаторов; метод экспериментально корректируемых математических моделей приисследовании гексаферритовых гиромагнитных резонаторов.Положения и основные результаты диссертационной работы, выносимыена защиту: метод решения статической задачи с учетом начального состояния частици разработанные на его основе алгоритмы позволяют рассчитывать предельную ичастные петли гистерезиса поликристаллического материала при произвольныхзначениях параметров, описывающих качество текстуры, разброс частиц по значению поля анизотропии и пространственную ориентацию материала во внешнемполе;6 имитационный метод, учитывающий два возможных направления поляанизотропии каждой частицы, позволяет рассчитывать тензоры магнитной восприимчивости и магнитной проницаемости гиромагнитного резонатора на основегексаферритового поликристаллического материала в любой точке произвольнойпетли гистерезиса; проведен расчет высокочастотных характеристик гиромагнитного резонатора на основе гексаферритового поликристаллического материала при изменении положения рабочей точки на петлях гистерезиса, качества текстуры материала и его пространственной ориентации; имитационная компьютерная модель гиромагнитного резонатора на основе гексаферритового поликристаллического материала позволяет обобщить существующую приближенную теорию ферромагнитного резонанса (существующуюматематическую модель) на случай произвольно ориентированного и произвольнонамагниченного материала с произвольным качеством текстуры; компьютеризованные лабораторные установки позволяют проводить автоматизированное экспериментальное исследование полевых и частотных характеристик гиромагнитных материалов и устройств в диапазонах частот от 8 до80 ГГц; результаты исследования тестовых образцов по методу экспериментальнокорректируемых математических моделей согласуются с результатами, полученными обработкой экспериментальных данных «традиционным» методом, и с результатами независимых исследований.Достоверность результатов расчета обусловлена использованием при разработке компьютерных моделей апробированных теоретических представлений иметодов и подтверждена хорошим соответствием известным теоретическим результатам и экспериментальным данным.Основные результаты диссертационной работы были представлены на17-й, 18-й, 19-й и 20-й международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва,2011 – 2014 гг.), на XIX, XX, XXI и XXII международных конференциях «Электромагнитное поле и материалы» (Москва-Фирсановка, 2011 г.; Москва 2012 –2014 гг.), на I и II Всероссийских микроволновых конференциях (Москва, 2013,2014 гг.), на XXI и XXII международных заочных научно-практических конференциях «Научная дискуссия: вопросы технических наук» (Москва, 2014 г.).