Конструктивний синтез компактних хвилевідних пристроїв перетворення поляризації електромагнітних хвиль
Вантажиться...
Дата
2024
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Булашенко А.В. Конструктивний синтез компактних хвилевідних пристроїв перетворення поляризації електромагнітних хвиль. — Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.13 — «Радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій». — Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Київ, 2024.
У дисертації вирішено актуальну науково-технічну задачу створення методів наближеного конструктивного синтезу компактних пристроїв перетворення поляризації електромагнітних хвиль на основі діафрагм та штирів у квадратному хвилеводі. У першому розділі зроблено огляд методів розробки пристроїв перетворення поляризації. Розглянуто переваги та недоліки пристроїв перетворення поляризації електромагнітних хвиль. У другому розділі дисертації здійснено параметричний наближений конструктивний синтез пристроїв перетворення поляризації на основі діафрагм та штирів у хвилеводі. Були створені математичні моделі для наближеного синтезу таких поляризаторів та синтезовані відповідні пристрої. У третьому розділі дисертації виконано розробку аналітико-числового методу наближеного конструктивного синтезу поляризаційних пристроїв на основі квадратного хвилеводу із діафрагмами з максимально плоскою фазочастотною характеристикою. Четвертий розділ дисертації містить розробку аналітичного методу наближеного конструктивного синтезу поляризаторів на основі двох та трьох діафрагм та штирів у квадратному хвилеводі. Були отримані аналітичні формули для здійснення конструктивного синтезу поляризаторів з максимально плоскою фазо-частотною характеристикою. Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що: 1. Удосконалено параметричний метод наближеного конструктивного синтезу компактних поляризаторів на основі реактивних елементів у квадратному хвилеводі, в якому, на відміну від існуючих, у математичних моделях фазозсувних елементів враховано вищі типи хвиль, а параметрична оптимізація здійснюється шляхом поєднання створених математичних моделей поляризаторів на основі діафрагм та/або штирів у квадратному хвилеводі та методу довірчого інтервалу, що дозволяє значно підвищити точність та ефективність конструктивного синтезу. 2. Уперше запропоновано та розроблено аналітико-числовий метод наближеного конструктивного синтезу пристроїв перетворення поляризації ЕМХ на основі трьох діафрагм у квадратному хвилеводі, в якому, на відміну від існуючих, параметрична оптимізація здійснюється, виходячи зі створеної математичної моделі у вигляді однохвильової матриці розсіювання та сформульованої системи рівнянь четвертого порядку, яка містить умови синтезу і розв’язком якої є геометричні розміри синтезованого поляризатора, що забезпечує у заданій смузі частот мінімальне відхилення диференціального фазового зсуву від 90°, максимально плоску ФЧХ та найкраще узгодження. 3. Уперше запропоновано та розроблено аналітичний метод наближеного конструктивного синтезу компактних пристроїв перетворення поляризації ЕМХ на основі двох та трьох діафрагм або штирів у квадратному хвилеводі, в якому, на відміну від існуючих, спочатку здійснюється аналітичний синтез поляризатора на основі математичної моделі, створеної шляхом розв’язання задачі поширення електромагнітної хвилі у хвилеводі з трьома недисипативними неоднорідностями методом багатократних відбиттів в однохвильовому наближенні, в результаті чого визначаються необхідні значення параметрів фазозсувних елементів (провідності та елементи матриці розсіювання) та електрична відстань між ними, при яких забезпечується заданий (потрібний) фазовий зсув та відсутність відбиття, а потім здійснюється конструктивний синтез, виходячи з умови рівності необхідних та реальних значень параметрів фазозсувних елементів та їх похідних на центральній частоті робочого діапазону частот. В результаті визначаються реальні оптимальні (в околі глобального екстремуму) геометричні розміри поляризаторів, які забезпечують максимально плоску фазо-частотну характеристику і які можна використати як самостійно в наближеному конструктивному синтезі, так і в якості початкових розмірів поляризатора (фазозсувача) в процесі його багатокритеріальної оптимізації з метою кардинального пришвидшення пошуку глобального екстремуму при високоточному конструктивному синтезі такого пристрою на електродинамічному рівні з урахуванням вищих типів хвиль та взаємодії між неоднорідностями на вищих типах хвиль. Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що: 1. Удосконалений параметричний метод наближеного конструктивного синтезу можна використовувати для синтезу компактних поляризаторів на основі 3-х та 4-х неоднорідностей (діафрагм, штирів) у квадратному хвилеводі. Сформульовано рекомендації щодо вибору початкових геометричних розмірів конструкції компактних поляризаторів з огляду на мінімізацію обчислювальних ресурсів для досягнення оптимальних співвідношень між електричними характеристиками пристрою. На основі дослідження чутливості електричних характеристик поляризатора до відхилень його геометричних розмірів від оптимальних дано рекомендації щодо допусків на його виготовлення. За допомогою запропонованого методу синтезовано поляризатори С-діапазону частот (3,4–4,2 ГГц) та Ku-діапазону частот (11,7–12,5 ГГц), придатні для застосування на практиці. 2. Розроблений аналітико-числовий метод наближеного конструктивного синтезу хвилеводних поляризаторів може слугувати ефективним інструментом для розробки компактних поляризаторів на основі трьох діафрагм у квадратному хвилеводі з максимально плоскою фазо-частотною характеристикою. Ефективність цього методу у порівнянні з методом скінчених елементів підтверджено на прикладах синтезу хвилеводних поляризаторів Хдіапазонів частот 7,25–8,6 ГГц, 7.75-8,5 ГГц та 8.0-8.5 ГГц для антенних систем земних станцій супроводження низькоорбітальних супутників дистанційного зондування Землі. 3. Розроблений аналітичний метод наближеного конструктивного синтезу поляризаторів на основі двох та трьох реактивних елементів у квадратному хвилеводі є ефективним інструментом для синтезу поляризаторів з максимально плоскою фазо-частотною характеристикою. Складова частина цього методу – аналітичний синтез – дає можливість однозначно визначити параметри реактивних елементів (значення їх провідностей та елементів матриці розсіювання) та електричну відстань між ними, які забезпечують потрібні електричні характеристики пристрою. Метод дозволяє швидко отримати геометричні розміри пристрою, що є близькими до оптимальних в околі глобального екстремуму. Цим методом здійснено конструктивний синтез оригінального керованого поляризатора на основі трьох ємнісних штирів у круглому хвилеводі для робочого діапазону частот 8,8-9,6 ГГц. Розроблений метод можна рекомендувати для синтезу таких компактних поляризаторів, а також для отримання початкових значень параметрів пристрою при пошуках глобального екстремуму в процесі багатокритеріальної оптимізації характеристик поляризаторів на електродинамічному рівні з урахуванням вищих типів хвиль та взаємодії між фазозсувними елементами по вищих типах хвиль. 4. Встановлено, що у випадку побудови поляризатора на основі двох або трьох металевих штирів у квадратному хвилеводі можна отримати максимально плоску ФЧХ і сумістити на середній частоті робочого діапазону частот екстремальне значення ДФЗ 90° та відсутність відбиттів. Показано, що можна синтезувати поляризатор на основі двох ємнісних штирів у квадратному хвилеводі із максимально плоскою ФЧХ у смузі частот 4% при значенні КСХН 1.22 (відбивається менше 1% енергії) і ДФЗ =90°1° та у смузі частот 10% із значенням КСХН1.91 (відбивається менше 10% енергії) та ДФЗ =90°2°. Також показано, що на основі трьох ємнісних штирів у квадратному хвилеводі можна синтезувати поляризатор з максимально плоскою ФЧХ у смузі частот 10% при значенні КСХН 1.22 і ДФЗ = 90° 1° та у смузі частот 18% при допустимому відбитті до 10% енергії і ДФЗ = 90° 2° .
Опис
Ключові слова
поляризаційний пристрій, поляризатор на основі діафрагм, поляризатор на основі штирів, синтез поляризаторів, електричні характеристики, диференціальний фазовий зсув, коефіцієнт стійної хвилі за напругою, коефіцієнт еліптичності, кросполяризаційна розв’язка, коефіцієнт передачі, коефіцієнт відбиття, polarizing device, polarizer based on a square waveguide, polarizer with diaphragms, polarizer with posts, synthesis of polarizers, electrical characteristics, differential phase shift, voltage standing wave ratio, axial ratio, crosspolar discrimination
Бібліографічний опис
Булашенко, А. В. Конструктивний синтез компактних хвилевідних пристроїв перетворення поляризації електромагнітних хвиль : дис. … канд. техн. наук : 05.12.13 – Радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій / Булашенко Андрій Васильович. – Київ, 2024. – 197 с.