Конструктивний синтез компактних хвилевідних пристроїв перетворення поляризації електромагнітних хвиль

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorДубровка, Федір Федорович
dc.contributor.authorБулашенко, Андрій Васильович
dc.date.accessioned2024-09-12T13:45:00Z
dc.date.available2024-09-12T13:45:00Z
dc.date.issued2024
dc.description.abstractБулашенко 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° .
dc.description.abstractotherBulashenko A.V. Constructive synthesis of compact waveguide devices for transformation of electromagnetic waves polarization. — Qualification manuscript. The dissertation for the scientific degree of candidate of engineering sciences in the speciality 05.12.13 — “Radio technical devices and means of telecommunications”. — National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute” Ministry of Education and Science of Ukraine, Kyiv, 2024. The dissertation solves the actual scientific and technical problem of creating methods of approximate constructive synthesis of compact devices for converting the polarization of electromagnetic waves based on diaphragms and posts in a square waveguide. In the first chapter, an overview of the methods of developing polarization conversion devices is made. Advantages and disadvantages of electromagnetic wave polarization conversion devices are considered. In the second chapter of the dissertation, a parametric approximate constructive synthesis of polarization conversion devices based on diaphragms and posts in the waveguide is carried out. Mathematical models for the approximate synthesis of such polarizers were created and corresponding devices were synthesized. In the third chapter of the dissertation, an analytical-numerical method of approximate constructive synthesis of polarizing devices based on a square waveguide with diaphragms with a maximally flat phase-frequency characteristic was developed The fourth chapter of the dissertation contains the development of the method of analytical approximate constructive synthesis of polarizers based on two and three diaphragms and posts in a square waveguide. Analytical formulas for the constructive synthesis of polarizers with maximally flat phase-frequency characteristics were obtained. The scientific novelty of obtained results is as follows: 1. The parametric method of the approximate constructive synthesis of compact polarizers based on reactive elements in a square waveguide has been improved, in which, unlike the existing ones, higher types of waves are taken into account in the mathematical models of phase-shifting elements, and parametric optimization is carried out by combining the created mathematical models of polarizers based on diaphragms and /or posts in a square waveguide and the confidence interval method, which allows to significantly increase the accuracy and efficiency of constructive synthesis. 2. For the first time, an analytical-numerical method of approximate constructive synthesis of EMW polarization conversion devices based on three diaphragms in a square waveguide was proposed and developed, in which, unlike the existing ones, parametric optimization is carried out based on the created mathematical model in the form of a single-wave scattering matrix and a formulated system of equations of the fourth order, which contains the conditions of synthesis and the solution of which is the geometric dimensions of the synthesized polarizer, which ensures in a given frequency band the minimum deviation of the differential phase shift from 90°, the maximally flat PFC and the best matching. 3. For the first time, an analytical method of approximate constructive synthesis of compact EMW polarization conversion devices based on two and three diaphragms or posts in a square waveguide was proposed and developed, in which, unlike the existing ones, the polarizer is first analytically synthesized based on a mathematical model created by solving the problem of propagation of an electromagnetic wave in a waveguide with three non-dissipative inhomogeneities by the method of multiple reflections in the single-wave approximation, as a result of which the necessary values of the parameters of the phase-shifting elements (conductivity and elements of the scattering matrix) and the electrical distance between them are determined, at which the specified (required) phase shift is ensured and absence of reflection, and then a constructive synthesis is carried out, based on the condition of equality of the required and real values of the parameters of the phase-shifting elements and their derivatives at the central frequency of the working frequency range. As a result, the real optimal (in the vicinity of the global extremum) geometric dimensions of the polarizers are determined, which provide the most flat phase-frequency characteristic and which can be used both independently in the approximate constructive synthesis and as the initial dimensions of the polarizer (phase shifter) in the process of its multi-criteria optimization with the aim of dramatically speeding up the search for the global extremum during the highprecision constructive synthesis of such a device at the electrodynamic level, taking into account higher types of waves and the interaction between inhomogeneities on higher types of waves Practical importance of obtained results is as follows: 1. The improved parametric method of approximate structural synthesis can be used to synthesize compact polarizers based on 3- and 4-inhomogeneities (diaphragms, posts) in a square waveguide. Recommendations for the selection of the initial geometric dimensions of the design of compact polarizers have been formulated, taking into account the minimization of computing resources to achieve optimal ratios between the electrical characteristics of the device. Based on the study of the sensitivity of the electrical characteristics of the polarizer to deviations of its geometric dimensions from the optimal ones, recommendations are given regarding the tolerances for its manufacture. Using the proposed method, C-band (3.4–4.2 GHz) and Ku-band (11.7–12.5 GHz) polarizers suitable for practical use were synthesized. 2. The developed analytical-numerical method of approximate constructive synthesis of waveguide polarizers can serve as an effective tool for the development of compact polarizers based on three diaphragms in a square waveguide with maximally flat phase-frequency characteristics. The effectiveness of this method in comparison with the finite element method is confirmed on the examples of the synthesis of waveguide polarizers of X-band frequencies of 7.25–8.6 GHz, 7.75–8.5 GHz and 8.0–8.5 GHz for antenna systems of earth stations supporting low-orbit Earth remote sensing satellites. 3. The developed analytical method of approximate constructive synthesis of polarizers based on two and three reactive elements in a square waveguide is an effective tool for the synthesis of polarizers with maximally flat phase-frequency characteristics. An integral part of this method - analytical synthesis - makes it possible to unambiguously determine the parameters of the reactive elements (values of their conductivities and elements of the scattering matrix) and the electrical distance between them, which provide the required electrical characteristics of the device. The method allows you to quickly obtain the geometric dimensions of the device, which are close to the optimal ones in the vicinity of the global extremum. Using this method, the constructive synthesis of the original controllable polarizer based on three capacitive posts in a round waveguide for the operating frequency range of 8.8-9.6 GHz was carried out. The developed method can be recommended for the synthesis of such compact polarizers, as well as for obtaining the initial values of the device parameters when searching for the global extremum in the process of multi-criteria optimization of the characteristics of polarizers at the electrodynamic level, taking into account higher types of waves and the interaction between phaseshifting elements according to higher types of waves. 4. It has been established that in the case of building a polarizer based on two or three metal posts in a square waveguide, it is possible to obtain the most flat FCR and combine the extreme value of DFS 90° and the absence of reflections at the middle frequency of the operating frequency range. It is shown that it is possible to synthesize a polarizer based on two capacitive pins in a square waveguide with a maximally flat PFC in the frequency band of 4% at the value of VSWR 1.22 (reflected less than 1% of the energy) and DFS =90°1° and in the frequency band of 10% with the value of VSWR1.91 (less than 10% of the energy is reflected) and DFS =90°2°. It is also shown that on the basis of three capacitive pins in a square waveguide, it is possible to synthesize a polarizer with a maximally flat PFC in the frequency band of 10% with the value of VSWR 1.22 and DFS = 90° 1° and 11 in the frequency band of 18% with an allowable reflection of up to 10% energy and DFSZ = 90° 2°.
dc.format.extent197 с.
dc.identifier.citationБулашенко, 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.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/68920
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectполяризаційний пристрій
dc.subjectполяризатор на основі діафрагм
dc.subjectполяризатор на основі штирів
dc.subjectсинтез поляризаторів
dc.subjectелектричні характеристики
dc.subjectдиференціальний фазовий зсув
dc.subjectкоефіцієнт стійної хвилі за напругою
dc.subjectкоефіцієнт еліптичності
dc.subjectкросполяризаційна розв’язка
dc.subjectкоефіцієнт передачі
dc.subjectкоефіцієнт відбиття
dc.subjectpolarizing device
dc.subjectpolarizer based on a square waveguide
dc.subjectpolarizer with diaphragms
dc.subjectpolarizer with posts
dc.subjectsynthesis of polarizers
dc.subjectelectrical characteristics
dc.subjectdifferential phase shift
dc.subjectvoltage standing wave ratio
dc.subjectaxial ratio
dc.subjectcrosspolar discrimination
dc.subject.udc621.396
dc.titleКонструктивний синтез компактних хвилевідних пристроїв перетворення поляризації електромагнітних хвиль
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
BulashenkoAV_dys.pdf
Розмір:
9.57 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (РІ)
Дисертації (вільний доступ)