Автореферат (Разработка СВЧ устройств с использованием методов геометрической оптики)

На правах рукописиПерфильев Виктор ВячеславовичРАЗРАБОТКА СВЧ УСТРОЙСТВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕММЕТОДОВ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИСпециальность 05.12.07–Антенны, СВЧ устройства и их технологииАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква - 2013 г.Работа выполнена на кафедре Радиоэлектроники и телекоммуникацийНационального исследовательского университета «Высшая школа экономики»Научный руководитель:Климов Константин Николаевич,доктор технических наукОфициальные оппоненты: Сестрорецкий Борис Васильевич,доктортехническихнаук,ФГУП«НПОим.

С.А. Лавочкина», главный специалистКамышев Тимофей Викторович,кандидат технических наук, ООО «Исследовательский Центр Самсунг», ведущий инженерВедущая организация:ОАО «Научно-исследовательский институткосмического приборостроения»Защита состоится «26» декабря 2013 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.048.13 Национального исследовательского университета«Высшаяшколаэкономики»поадресу:109028,Москва,Б. Трехсвятительский пер., д.3, ауд. 526.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» по адресу: 101000,г. Москва, ул.

Мясницкая, д. 20Автореферат разослан «___» ноября 2013 г.Ученый секретарь диссертационного совета,кандидат технических наук, профессорНиколай Николаевич Грачев2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы.На сегодняшний день методы геометрической оптики играют важнуюроль при анализе волновых полей, обеспечивая хорошее количественное описание чрезвычайно широкого круга волновых явлений различной физическойприроды. Особенно широко этот метод применяется в оптике и радиофизике, вфизике плазмы, в теории распространения радиоволн через атмосферу Земли.Наиболее важна роль геометрической оптики при расчете полей в неоднородных средах.

В частности, большой интерес представляют приложения, связанные с распространением и излучением волн в волноводах с неоднородным заполнением и в нерегулярных волноводах.Тема диссертационной работы в наибольшей степени стимулироваласьнеобходимостью проведения работ по созданию диаграммообразующей системы (ДОС) для современных многолучевых активных фазированных антенныхрешеток (АФАР) и диапазонного частотного селектора.

Разработанные устройства используют свойства самого пространства для распределения СВЧ энергии, поэтому они имеют более простую структуру, лучшие характеристики,меньшую стоимость и большую надежность.Целью диссертационной работы является создание методик численногопостроения траектории лучей, которые позволяют сократить время проектирования и уменьшить сложность изготовления.1) Развитие методик численного построения траектории лучей.2) Развитие методики построения сверхширокополосного частотного мультиплексора оптического типа.3) Развитие методики синтеза квазиоптической ДОС оптического типа(ДОСОТ) для многолучевой АФАР.3Задачи исследования :1)Теоретическая часть - разработка и обоснование методики построениятраектории лучей в неоднородных диэлектрических средах, обеспечивающей заданную степень точности нахождения траектории лучей. Развитиеметодики синтеза квазиоптической ДОС оптического типа (ДОСОТ) длямноголучевой АФАР.

Развитие методики построения сверхширокополосного частотного мультиплексора оптического типа.2)Практическая часть - разработка вычислительных процедурдля по-строения траектории лучей в неоднородной диэлектрической среде; проведение численных экспериментов по проверке точности и сходимости предложенной методики; внедрение разработанных вычислительных процедурв инженерную практику.Общая методика исследования заключалась в развитии методагеометрической оптики для неоднородных диэлектрических сред.Научная новизна работы, определяемая характером и методамирешения поставленных задач, состоит в следующем:1)развита методика численного построения траектории лучей, обеспечивающая выбранные значения точности по каждой переменной в многомерной пространственной задаче, интегрирование на каждом шаге вычислительного процесса осуществляется по той переменной, которая обеспечивает максимальное значение точности;2)построены эффективные численные процедуры, обеспечивающие заданную степень точности нахождения траектории лучей в двумерной неоднородной среде;3)развита методика построения сверхширокополосного частотного мультиплексора оптического типа; проведено моделирование сверхширокополосного частотного мультиплексора оптического типа во временной области;44)проведено моделирование во временной области H-плоскостной распределительной системы оптического типа для построения широкополосноймноголучевой АФАР; развита методика синтеза квазиоптической диаграммообразующей системы для многолучевой АФАР;5)проведена оценка возможного ускорения вычислений при переходе от использования однопроцессорной системы к векторным процессорам дляпроведения численного моделирования методами геометрической оптикии электродинамических расчетов.Обоснованность и достоверность научных положений и выводов,сформулированных в диссертации, подтверждается:- использованием теоретически обоснованного и многократно апробированного метода геометрической оптики;- соответствием полученных результатов фундаментальным физическим принципам (таким как закон Снеллиуса, закон полного внутреннего отражения);- проведением аналитических исследований по оценке точности определения траектории лучей, в результате которых показана сходимостьрезультатов к точным значениям;-проведением численных экспериментов и тестированием созданныхпрограмм на примерах, для которых известны точные аналитическиерешения.Практическая ценность.

Предложенная методика была реализована впрограммном комплексе MathCAD, который позволяет, при заданном значениипогрешности, эффективно решать задачи построения траектории лучей в средахс произвольным распределением диэлектрической проницаемости с помощьюперсональных компьютеров. По предложенной методике было проведено электродинамическое моделирование сверхширокополосного мультиплексора оп5тического типа с коэффициентом перекрытия по частоте более 3 и ДОСОТ длямноголучевой АФАР. Разработанная методика позволяет уменьшить времяпроектирования систем оптического типа (ДОСОТ, мультиплексор), создатьустройство с меньшими габаритными размеры, упростить конструкцию, увеличить надежность проектируемых устройств.Реализация и внедрение результатов работы.Результаты диссертационной работы были использованы на НПО «Лианозовский электромеханический завод» при создании диаграммообразующейсистемы оптического многолучевой АФАР в ВВО АП.Выпущены методические указания к лабораторным работам, разработаныи внедрены в учебный процесс на кафедре "Радиоэлектроники и телекоммуникаций" МИЭМ НИУ ВШЭ вычислительные процедуры, реализованные на программном комплексе MathCAD, которые используются при проведении лабораторных работ по курсу "Техническая электродинамика" в 7, 8 семестре длягрупп по специальности 211000 "Конструирование и технология электронныхсредств".Результаты диссертационной работы были использованы на «НПО им.С.А.

Лавочкина».Положения, выносимые на защиту.1)Методика численного построения траектории лучей, обеспечивающая выбранные значения точности по каждой переменной в многомерной пространственной задаче, интегрирование на каждом шаге вычислительногопроцесса осуществляется по той переменной, которая обеспечивает максимальное значение точности.2)Эффективные численные процедуры, обеспечивающие заданную степеньточности нахождения траектории лучей в двумерной неоднородной среде.63)Методика моделирования сверхширокополосного частотного мультиплексора оптического типа с коэффициентом перекрытия более 3-х.4)Методика синтеза квазиоптической ДОСОТ, позволяющая сократить время моделирования и габариты при сохранении технических характеристик,по сравнению другими моделями ДОС.5)Проведена оценка точности и показана сходимость предложенных алгоритмов, создан программный комплекс, реализующий предложенные алгоритмы, который был протестирован на задачах, имеющих точное аналитическое решение.Апробация работы.

Результаты работы, изложенные в настоящей дис-сертации, были доложены автором на следующих конференциях:1) Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, Москва, 2011 г.2) Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, Москва, 2012 г.3) Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, Москва, 2013 г.Содержание диссертации было представлено также на следующих конференциях:1) 18-ой Международной студенческой конференции-школы-семинар «Новыеинформационные технологии», Крым, 2010 г.;2) Международная научно-практическая конференция «Перспективы развитиянауки и образования», Тамбов, 2012 г.По теме диссертации опубликовано, в соавторстве, 3 статьи в журнале“Антенны”, 1 статья в журнале “Радиотехника электроника”, 2 монографии виздательстве “Lambert Academic Publishing ”, часть материала была использо-7вана в методических указаниях к лабораторным работам, выпущенных на кафедре РЭТ МИЭМ НИУ ВШЭ.Объем и структура диссертации.

Работа состоит из 9 глав (первая глава– введение, девятая глава – заключение), содержит 155 страниц основного текста, 5 страниц списка литературы (52 наименования), 112 рисунков, 3 таблицы,46 страниц приложений, содержащих 3 акта внедрения результатов диссертационной работы.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВ первой главе (введение) излагаются: постановка задачи и обоснованиевыбора методики ее решения, основные задачи диссертационной работы в теоретическом и практическом плане, ее научная новизна и практическая ценность.Вторая глава посвящена разработке методики и вычислительных процедур для построения траекторий лучей в неоднородных диэлектрических средах,обеспечивающих выбранное значение точности по каждой переменной в многомерной пространственной задаче.

Рассмотрено геометрооптическое приближение задачи о распространении электромагнитных волн в сверхширокополосном частотном мультиплексоре оптического типа. Принцип действия мультиплексора основывается на следующем свойстве: если точечные источники поместить в один из фокусов эллипса, то после отражения от стенок эллипса вселучи пройдут через второй фокус.