Диссертация (1103230), страница 21

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 21)

Дополнительно для наглядности на рисунках 2 и 3 показана огибающаяпадающего сигнала, уменьшенная по оси U в несколько десятков раз.100а)б)Рисунок 4.4 — Численно рассчитанные огибающие отраженного сигнала: для падающего им­пульса c трапецеидальной огибающей (а) и с супергауссовой огибающей (б) от двухслойногофильтра (1 – без учета потерь; 2 – с учетом потерь; 3 – огибающая падающего сигнала)Как и ожидалось, для структуры без потерь отраженный сигнал состоит из серии уеди­ненных импульсов. Четко заметно наличие четырех импульсов в отраженном сигнале, в от­личие от двух импульсов в случае однослойной структуры [17, 18, 22, 25].

Четыре импульса вотраженном сигнале, как видно на рисунке 4.4, соответствуют четырем точкам максимумавторой производной огибающей падающего импульса.Также можно заметить, что при учете потерь в структуре появляется дополнитель­ный отраженный сигнал, как в области постоянной амплитуды, так и в области линейногонарастания фронтов. В этом случае можно только приближенно считать, что огибающаяотраженного сигнала является второй производной от огибающей падающего. Численноемоделирование показывает, что при отражении электромагнитного импульса от фильтра смаксимально плоской АЧХ с потерями всегда существует момент времени, когда амплитудаотраженного сигнала стремится к нулю.

Из рисунка 4.4 видно, что процесс нестационарно­го отражения от трехслойного фильтра с максимально плоской АЧХ существенно изменяетсвой характер относительно однослойной системы [25].4.2Экспериментальное исследование явления нестационарногоотражения импульсов от многослойных интерференционныхфильтровДля экспериментальной проверки описанного явления использовался полосовойфильтр, состоящий из двух волновых пластинок. В качестве материала для изготовления101пластинок был выбран фторопласт. Фторопласт имеет малые потери в микроволновом диа­пазоне частот [106, 108].

Пластинки были установлены на расстоянии четверть длины волныдруг от друга в прямоугольном волноводе. Волновод имел прямоугольное сечение 23 х 10 мм2 .Фильтр был настроен на частоту 8,4 ГГц и имел следующие геометрические размеры: толщи­на фторопластовых пластинок − 30,0 мм, толщина воздушного зазора между пластинками —14,5 мм. Диэлектрическая проницаемость фторопласта для данной частоты была предвари­тельно измерена согласно методике, описанной в работе в пункте 2.3.2 главы 2, и составила1 = 2,05 − 0,015.Измерительный стенд состоял из векторного анализатора цепей Rohde&SchwarzZVB-20, к которому коаксиальным кабелем через КВП подключался отрезок прямоуголь­ного волновода (рисунок 4.5). Многослойный фильтр устанавливался посередине волновода,чтобы максимально снизить влияние щелевых волн на измеряемый коэффициент отражения.С противоположной стороны от КВП волновод нагружался на согласованную волноводнуюнагрузку.

В ходе эксперимента измерялся комплексный коэффициент отражения от струк­туры. Для получения огибающей отраженного сигнала использовалось обратное преобразо­вание Фурье. Данный процесс подробно описан в пункте 2.3.4 главы 2.Рисунок 4.5 — Структура экспериментальной установкиНа 4.6 представлен результат теоретического моделирования и экспериментально из­меренные огибающие импульса, отраженного от исследуемой структуры. Как видно, резуль­таты теоретического расчета хорошо согласуются с экспериментальными данными. Экспе­риментальные результаты показали, что в процессе нестационарного отражения электро­магнитного импульса от трехслойного фильтра с максимально плоской АЧХ формируютсячетыре коротких импульса.

Положения импульсов совпадают с максимумами производнойогибающей падающего сигнала.102а)б)Рисунок 4.6 — Огибающая отраженного сигнала для падающего импульса c трапецеидальнойогибающей (а) и с супергауссовой огибающей (б) от трехслойного фильтра (1– огибающаяпадающего сигнала; 2 – эксперимент; 3 – теория)Сигнал, сформированный в процессе нестационарного отражения от рассмотреннойструктуры, принципиально отличается от сигнала, отраженного от однослойного фильтра.Как и в случае полуволнового фильтра, потери в слоях структуры оказывают существен­ное влияние на процесс нестационарного отражения.

Также видно, что существует моментвремени, когда амплитуда отраженного сигнала стремится к нулю.4.3Выводы к четвертой главеКомплекс проведенных исследований показал наличие более сложного процесса неста­ционарного отражения в многослойных структурах неотражающего класса с максимальноплоской АЧХ по сравнению с однослойными структурами. При малых потерях в слоях струк­туры огибающая отраженного сигнала может быть приближенно описана -производной отогибающей падающего сигнала.Было обнаружено, что определяющим фактором, влияющим на характер процессанестационарного отражения короткого электромагнитного импульса от многослойной струк­туры, является функциональная зависимость коэффициента отражения многослойной струк­туры от частоты в окрестности несущей частоты падающего импульса.

Заметим, что разныемногослойные структуры могут иметь одинаковые коэффициенты отражения в некотороминтервале частот. В этом случае короткие электромагнитные импульсы, отраженные от раз­ных структур, будут совпадать с высокой точностью.Установлено, что потери в многослойных интерференционных фильтрах с максималь­но плоской АЧХ существенно влияют на процесс нестационарного отражения.

Теоретиче­103ски было продемонстрировано, что при отражении амплитудно-модулированного сигнала отфильтров с максимально плоской АЧХ всегда существует момент времени, когда амплитудаотраженного сигнала стремится к нулю.104ЗаключениеВ диссертационной работе проведены теоретические и экспериментальные исследова­ния явления нестационарного отражения электромагнитных импульсов малой длительностиот многослойных интерференционных структур. Основные результаты заключаются в сле­дующем.1.

Создан экспериментальный стенд, и разработана методика обработки сигналов, поз­воляющие проводить исследования явления нестационарного отражения коротких исверхкоротких электромагнитных импульсов от многослойных интерференционныхструктур в СВЧ-диапазоне.2. Впервые были получены результаты экспериментального наблюдения явления неста­ционарного отражения амплитудно-модулированного сигнала от многослойной ин­терференционной структуры в СВЧ-диапазоне.3.

Аналитические, численные и экспериментальные исследования явления нестацио­нарного отражения амплитудно-модулированного сигнала от слоистой структуры спотерями показали, что огибающая отраженного сигнала существенно изменяет свойвид при наличии даже малых потерь в слоях неотражающей многослойной струк­туры. Причем амплитудный коэффициент отражения линейно зависит от величиныпотерь, в то время как формирование фазовой картины интерферирующих волнпроисходит в этом случае так же, как и в отсутствии потерь.4. Аналитически – методом импедансных характеристик и численно – методом конеч­ных разностей во временной области было показано, что при отражении амплитудно­модулированного сигнала от полуволнового слоя с потерями всегда существует мо­мент времени, когда, при ненулевой амплитуде падающего сигнала, амплитуда отра­женного сигнала стремится к нулю, а его фаза изменяется на .5.

Решена задача согласования высокоотражающей нагрузки с волноводом за счет силь­ной волноводной дисперсии. Получены точные и приближенные формулы, позволя­ющие рассчитать характеристики многослойной интерференционной структуры со­гласующей высокоотражающую нагрузку с волноводом за счет сильной волноводнойдисперсии. В результате решения задачи показана возможность обеспечения полнойлокализации энергии падающей волны в практически любой нагрузке с помощьюсогласующей структуры, состоящей всего из одного слоя, толщина которого близкак четвертьволновой.6.

Теоретические и экспериментальные исследования показали, что в многослойныхинтерференционных структурах с сильной волноводной дисперсией может проис­ходить существенное усиления амплитуды импульсов, сформированных в процессенестационарного отражения. Наличие волноводной дисперсии в многослойной струк­туре приводит к увеличению длительности импульсов, которые сформировались впроцессе нестационарного отражения, по сравнению со структурами без дисперсии.1057.

Показано, что определяющим фактором, влияющим на процесс нестационарного от­ражения, является функциональная зависимость коэффициента отражения МИС вокрестности несущей частоты импульса. Так как разные многослойные структурымогут иметь одинаковые коэффициенты отражения в некотором интервале частот,то короткие электромагнитные импульсы, отраженные от разных структур, будутсовпадать с высокой точностью.8. Теоретические и экспериментальные исследования показали наличие более сложногопроцесса нестационарного отражения в многослойных структурах неотражающегокласса с максимально плоской амплитудно-частотной характеристикой по сравне­нию с другими многослойными структурами. При малых потерях в слоях структурыогибающая отраженного сигнала может быть приближенно описана -производнойот огибающей падающего сигнала.106БлагодарностиВ первую очередь автор настоящей работы выражает огромную благодарность и при­знательность своему научному руководителю Козарю Анатолию Викторовичу за мудрое ру­ководство и постоянную помощь и поддержку при выполнении исследований и написаниидиссертации.

За время совместной работы Анатолий Викторович стал для автора эталономученого высочайшего уровня, сочетающего в себе качества колоссальной работоспособностии требовательности к себе и огромное терпение и такт в отношении к своим подопечным, вчастности – к автору.Также автор хотел бы поблагодарить Анатолия Федоровича Королева за многолетнююплодотворную совместную работу и создание приятной и дружественной атмосферы в лабо­ратории, за мотивацию и поддержку при написании диссертации, выразить благодарностьколлективу лаборатории «Распространения радиоволн и беспроводной связи в урбанизиро­ванной среде» за помощь в организации проведения экспериментальных исследований.Отдельно автор благодарит Биленко Игоря Антоновича за неоценимую помощь приизготовлении экспериментальных образцов и моральную поддержку, а также Горохова ПавлаНиколаевича за плодотворное обсуждение экспериментальных и теоретических результатовв процессе выполнения диссертационной работы.Огромная благодарность автором выражается Трофимову Виктору Николаевичу запостоянную помощь и мотивацию при написании диссертации.Автор выражает свою благодарность Колмакову Павлу за консультации при проведе­нии теоретических расчетов, Авельевой Елене за постоянную помощь при верстке статей итекста диссертации.Также автор благодарит своих родных и друзей, чьи поддержка и интерес к его работебыли очень важны для него.107Список сокращений и условных обозначенийАЧХ — Амплитудно-частотная характеристика.МИС — Многослойная интерференционная структура.КРВО — Метод конечных разностей во временной области.СВЧ — Cверхвысокая частота.ЧМ — Частотная модуляция.ФМ — Фазовая модуляция.ТИС — Тонкослойные интерференционные согласователи.КВП — Коаксиально-волноводный переход.КСВн — Коэффициент стоячей волны по напряжению.108Приложение АМногослойные структуры с максимально плоскойамплитудно-частотной характеристикойРассмотрим многослойную структуру, состоящую из четвертьволновых слоев, согла­сующую две среды c импедансами 0 , .

Приближение слабого контраста позволяет рассмат­ривать каждый из коэффициентов отражения на границе сред внутри МИС как независимыйпараметр. Если мы выберем коэффициенты отражения внутри структуры так, что:− () = (1 + −2 ) = [+] = (2−() ) ,(А.1)то коэффициент отражения всей структуры станет удовлетворять следующему условию: | ()|= 0, при=2для, = 1,2,... − 1.(А.2)Условие рассматривается для коэффициента отражения на центральной частоте, опре­деляемой выражением: = =2⇒=0,4(А.3)0 - длина волны на центральной частоте 0 . Условие (А.1) определяет особенность поведениякоэффициента отражения в области полного согласования.

При выполнении условия (А.1)на коэффициенты отражения на границе между слоями структуры, амплитудно-частотнаяхарактеристика будет иметь максимально гладкую (плоскую) амплитудно-частотную харак­теристику (АЧХ).Обратим внимание на то, что условие (А.1) эквивалентно тому, что коэффициентыотражения 1 ,2 . . . c точностью до константы являются биномиальными коэффициентами.В общем виде в приближении слабого контраста коэффициенты отражения для рас­сматриваемой МИС, состоящей из слоев, могут легко быть записаны в терминах биноми­нального ряда в соответствии с выражением: () = 0 + 1 −2−4+ 2 + · · · + −2 =∑︁ −2 ,(А.4)=0где - нормировочный коэффициент, а - биномиальный коэффициент, задаваемый выра­жением: =!.!( − )!(А.5)Приравнивая коэффициенты в биномиальном ряде и коэффициенты отражения, получаем:109 = .(А.6)Нормировочный коэффициент может быть определен путем взятия предела в выражениидля коэффициента отражения при частоте, стремящейся к нулю.

Характеристики

Список файлов диссертации