Диссертация (Разработка СВЧ устройств с использованием методов геометрической оптики)

ПРАВИТЕЛЬСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИФедеральное государственное автономное образовательное учреждениевысшего профессионального образованияНАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»На правах рукописиПЕРФИЛЬЕВ ВИКТОР ВЯЧЕСЛАВОВИЧРАЗРАБОТКА СВЧ УСТРОЙСТВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕММЕТОДОВ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИСпециальность 05.12.07–Антенны, СВЧ устройства и их технологииДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель–доктор технических наук,К.Н. КлимовМосква − 20132ОГЛАВЛЕНИЕПостановка задачи............................................................................711.1Современное состояние вопроса и актуальность темы. .....71.2Выбор и обоснование метода исследования......................111.3Основные задачи диссертационной работы.

.....................121.4Научная новизна. ..................................................................131.5Практическая ценность. .......................................................141.6Внедрение. .............................................................................141.7Апробация. ............................................................................151.8Содержание работы. .............................................................16Геометрооптическое приближение. ............................................1822.1Уравнение лучей.

..................................................................182.2МоделированиеЕ-плоскостнойсистемыкакчастотнодисперсной среды. ...............................................................202.3Построение фазовых траектории и лучей в плоско-слоистой среде с зависимостью диэлектрической проницаемостиот одной координаты. .........................................................................232.4Распространение луча в слоистой среде с зависимостьюдиэлектрической проницаемости от двух координат. ....................282.5сПостроение фазовых траекторий и лучей в слоистой средезависимостьюдиэлектрическойпроницаемостиотдвухкоординат. ............................................................................................312.6Определение погрешности моделирования неоднороднойсреды методом геометрической оптики.

..........................................392.7Выводы. .................................................................................4333РеализацияпараллельныхвычисленийнаплатформеNVIDIA CUDA. ......................................................................................443.1Особенности ЦПУ и ГПУ. ...................................................463.2Структура библиотеки CUDA.

..........................................473.3Архитектура графического процессора G80 GeForce8800 GTX. ............................................................................................483.4ОсобенностипрограммированияприиспользованииCUDA. ................................................................................................503.5Основные параметры программы Tamic RT-H Analyzer..513.6Модернизация вычислительного ядра для параллельныхвычислений. .........................................................................................533.74Выводы.

.................................................................................55Электродинамическое моделирование трансформации типовволн в Н-плоскостном волноводном переходе. ...............................5754.1Постановка задачи. ...............................................................584.2Типы распространяющихся мод.

........................................594.3Моделирование волноводного перехода. ..........................604.4Результаты моделирования. ................................................614.5Выводы. .................................................................................68Моделирование E-плоскостного частотного мультиплексора ..............................................................................................................695.1Постановка задачи. ...............................................................705.2Выбор варианта расположения приемных рупоров. ........735.3Моделирование первого частотного диапазона.

...............745.4Моделирование второго частотного диапазона. ...............87465.5Моделирование третьего частотного диапазона. ..............945.6Выводы. .................................................................................97Моделирование H-плоскостных распределительных системоптического типа во временной области для построенияширокополосных многолучевых АФАР. .........................................996.1Постановка задачи.

...............................................................996.2Результаты моделирования распределения электрическогополя во временной области..............................................................1026.3Результаты моделирования сигналов, отраженных отвходов распределительной системы. ..............................................1066.4Результатымоделированияпоразвязкамвходовраспределительной системы.

...........................................................1116.5Результаты моделирования распределения амплитуд и фазэлектрического поля для стационарного режима..........................1146.6Результаты моделирования диаграмм направленностейАФАР при использовании синтезированной распределительнойсистемы оптического типа. ..............................................................1176.77Выводы.

...............................................................................119Развитиеметодикисинтезаквазиоптическойраспределительной системы для многолучевой АФАР. .............1207.1Структура многолучевой АФАР. ......................................1207.2Постановка задачи. .............................................................1227.3Переход к геометрическому решению задачи.................1267.4Геометрическое построение положений приёмных зондовZ1  Z N . ..............................................................................................1287.5Свойство эллипса.

..............................................................132587.6Доказательство свойства эллипса. ....................................1347.7Следствие свойства эллипса. .............................................1377.8Условие по углу направления луча. .................................1397.9Выводы. ...............................................................................142Сравнение расчетных и экспериментальных характеристиксинфазного балансного делителя антенной насадки АФАР. .....1438.1Постановка задачи. .............................................................1498.2Рассмотрениехарактеристиксинфазногобалансногоделителя.

............................................................................................1498.3Предложения по изменению конструкции и уточненюрасчетной модели балансного синфазного делителя мощности. 1528.49Выводы. ...............................................................................153Заключение. ...................................................................................155Список литературы ............................................................................156Приложение 1.

Программные комплексы. ....................................1611.1.OptisWorks. ..........................................................................1611.2.TracePro................................................................................1661.3.ANSYS. ................................................................................1681.4.FEKO ....................................................................................169Приложение 2. Исходный текст вычислительной процедуры дляорганизациивекторныхвычисленийнавидеокартепроизводителя NVidia. .......................................................................172Приложениепостроения3.Текстфазовоговычислительнойпортретасистемыпроцедурыидлятраекториираспространения луча........................................................................186Список докладов на конференции.

.................................................2006Список научных работ.......................................................................202Список учебно-методических работ................................................203Акты внедрений. .................................................................................20471 Постановка задачи.1.1 Современное состояние вопроса и актуальность темы.Данная работа посвящена разработке вычислительных алгоритмов, основанных на методах геометрической оптики, которыеиграют важную роль при анализе волновых полей, обеспечивая хорошее количественное описание чрезвычайно широкого круга волновых явлений различной физической природы. Число прикладныхисследований, опирающихся на метод геометрической оптики,огромно [1, 2, 3, 4, 5].

Даже краткий обзор занял бы слишком многоместа [6, 7, 8, 9, 10]. Особенно широко этот метод применяется в оптике и радиофизике, в физике 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 излучениемволн в волноводах с неоднородным заполнением и в нерегулярныхволноводах.Тематика диссертационной работы в наибольшей степенистимулировалась необходимостью проведения работ по созданиюдиапазонного частотного селектора и диаграммообразующей системы (ДОС) для современных многолучевых активных фазированныхантенных решеток (АФАР). Разработанные устройства используютсвойства самого пространства для распределения СВЧ энергии, поэтому они имеют более простую структуру, лучшие характеристики,меньшую стоимость и большую надежность.Для решения задач электродинамического анализа систем, вкоторых характерные размеры неоднородности гораздо больше длины волны, применяется геометрическая оптика [11, 12].

При моде-8лировании задач с использованием геометрической оптики требуется на порядки меньше времени и оперативной памяти вычислительного комплекса, по сравнению с прямыми методами моделированияна основе уравнений Максвелла [13]. Некоторые задачи вообще немогут быть решены прямыми методами без использования геометрооптического приближения [14]. Геометрооптическое приближениетакже целесообразно использовать для повышения эффективностипроектирования при построении нулевого приближения разрабатываемых систем [11, 12, 15].Рассмотрим мультиплексор, приведенный на рис.

1.1, представляющий из себя полость в металле, имеющую плавно изменяющуюся высотуh[16], с одним излучающим (вход 1) и четырьмяприемными рупорами (вход 2, 3, 4, 5). Геометрия мультиплексорасостоит из 6 областей: a, b, c, d , e, f (см. рис. 1.1). В данном устройстве осуществляется частотная селекция сигналов четырех частотных диапазонов. На вход 1 поступают сигналы, перекрывающие четыре частотных диапазона: I − 13,5 - 20 ГГц, II − 20 - 26 ГГц, III −26 - 40 ГГц, IV − 40 - 60 ГГц, при этом сигналы частотного диапазона I проходят на 2 вход, сигналы частотного диапазона II проходятна 3 вход, сигналы частотного диапазона III проходят на 4 вход, сигналы частотного диапазона IV проходят на 5 вход.