авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Ферритовые элементы квч-устройств бортовых рлс: расчет конфигурации и технология изготовления

На правах рукописи

Светлаков Юрий Александрович ФЕРРИТОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КВЧ-УСТРОЙСТВ БОРТОВЫХ РЛС:

РАСЧЕТ КОНФИГУРАЦИИ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Специальность 05.12.07 - Антенны, СВЧ-устройства и их технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород – 2009

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии федеральный научно-производственный центр «Научно-исследовательский институт измерительных систем им. Ю.Е. Седакова», г. Нижний Новгород

Научный консультант: доктор технических наук, старший научный сотрудник Козлов Валерий Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент Орлов Олег Сергеевич кандидат технических наук, доцент Щербаков Владимир Викторович

Ведущая организация: ФГУП Нижегородский научно-исследовательский приборостроительный институт «Кварц», г. Нижний Новгород

Защита состоится 11 ноября 2009 года в 15.00 часов на заседании диссерта ционного совета Д 212.165.01 в Нижегородском государственном техниче ском университете им. Р.Е. Алексеева по адресу: 603950, г. Нижний Новго род, ул. Минина, 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГТУ.

Автореферат разослан октября 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Назаров А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Диссертационная работа включает в себя на учные и технические результаты, полученные автором лично и под его руко водством в течение ряда лет при выполнении НИР и ОКР, проводившихся в ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова», в том числе в соответствии с Федеральными целевыми Программами «Развитие ядерного оружейного комплекса на 1998-2005 гг.», «Развитие ядерного оружейного комплекса на 2007-2010 и на период до 2015 гг.», утвержденными Постановлениями Пра вительства РФ, и «Государственной программой вооружения на период до 2010 года», утвержденной Указом Президента РФ.

Разработчиками современных бортовых радиолокационных систем (РЛС) большое внимание уделяется освоению КВЧ диапазона радиоволн с целью создания малогабаритных радиолокаторов, имеющих высокие точно стные характеристики [Л.1 – Л.4]. Особенно актуально это направление ис следований в плане создания бортовых радиолокационных комплексов, предназначенных для измерения расстояния от летательного аппарата до по верхности Земли и определения радиояркостных характеристик подстилаю щей поверхности [Л.3, Л.5,]. Определяющее значение при создании приборов этого класса имеет разработка малогабаритных приемопередающих уст ройств (ППУ), обеспечивающих требуемые электрические характеристики. В составе высокочастотных блоков ППУ традиционно широко используются развязывающие устройства. В КВЧ диапазоне радиоволн существенно воз растает роль отключающих и переключающих ферритовых устройств (ФУ) [Л.6 – Л.8], поскольку их габариты сравнимы с габаритами полупроводнико вых устройств аналогичного назначения. По допустимым уровням мощности, и устойчивости к радиационным воздействиям переключающие ФУ имеют преимущества перед полупроводниковыми устройствами. Эти качества пере ключающих ФУ делают их использование предпочтительным, особенно в со ставе антенно-фидерных систем (АФС) с управляемыми диаграммами на правленности [Л.6 – Л.7]. Следует отметить, что использование переклю чающих ФУ в бортовых РЛС КВЧ диапазона обусловлено не только устой чивостью самих ферритов к воздействию радиационных облучений и СВЧ сигналов высокого уровня мощности, но еще и возможностью создания уст ройств с «магнитной памятью» [Л.8], в которых энергопотребление необхо димо только в моменты переключения.

В КВЧ диапазоне радиоволн возможности расширения номенклатуры ФУ ограничены, поскольку ограничен сам выбор ферритовых материалов по намагниченности насыщения (не более 5000 Гс), а для намагничивания фер ритов требуются достаточно большие магнитные поля (более 1000 Эрстед).

Однако пути повышения эффективности использования ФУ в составе высо кочастотных блоков ППУ бортовых РЛС есть. Один из таких путей - улуч шение основных технических характеристик базовых ФУ (в том числе цир куляторов, вентилей, переключающих устройств), а именно, уменьшение га баритов и массы, расширение полосы рабочих частот, повышение допусти мых уровней мощности и т.д. Данные возможности опираются на совершен ствование методик проектирования базовых ФУ и создание новых техноло гических процессов, позволяющих выполнять обработку с высокой степенью точности ферритовых элементов и феррит-диэлектрических элементов (далее в тексте - ФЭ), являющихся неотъемлемой частью ФУ.

Таким образом, потенциальные возможности использования ФУ в со ставе бортовых РЛС, пути повышения эффективности их разработки и при менения в составе высокочастотных блоков и АФС известны. Однако их практическая реализация до настоящего времени остается ограниченной.

Существенными сдерживающими факторами являются отсутствие методик инженерного расчета конфигурации и технологических процессов изготов ления основного компонента устройств – ФЭ.

Целью исследований, результаты которых приведены в диссертации, является создание научно обоснованных методик расчета геометрической конфигурации ФЭ, входящих в состав ФУ КВЧ диапазона радиоволн, и раз работка технологических процессов их изготовления.



Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. На основе строгого электродинамического расчета характеристик собственных волн для базовой электродинамической структуры, используе мой при проектировании ФЭ - круглого открытого продольно намагниченного ферритового волновода, составлено дисперсионное уравне ние (ДУ) и разработан алгоритм его численного решения;

2. Разработана методика инженерного расчета конфигурации ФЭ КВЧ раз вязывающих ФУ на металлических волноводах на основе численного решения ДУ для круглого открытого продольно-намагниченного ферритового волновода;

3. Разработана методика инженерного расчета конфигурации ФЭ пере ключающих ФУ на металлических волноводах на основе выделения в нем рабочей части и вспомогательного магнитопровода;

4. Разработаны технологические процессы размерной обработки ФЭ развязывающих и переключающих ФУ для реализации их изготовления с не обходимой точностью в условиях производства;

5. Определен станочный парк и разработан комплект средств техноло гического оснащения, необходимых для изготовления ФЭ.

6. Проведено экспериментальное исследование технических характери стик опытных образцов ФЭ в составе ФУ, созданных на основе разработан ных методик инженерного расчета и технологических процессов.

Методы исследования. Представленные в диссертационной работе ре зультаты были получены с использованием метода частичных областей, ме тода укороченных уравнений, численных методов решения трансцендентных уравнений в комплексной плоскости, а также технологических методов по стоянства и совмещения технологических баз при разработке технологиче ских процессов изготовления ФЭ.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. На основе строгой постановки краевой задачи для круглого открыто го продольно намагниченного ферритового волновода выведено дисперсион ное уравнение и разработан алгоритм его решения;

2. Созданы новые методики расчета геометрической конфигурации ФЭ для развязывающих и переключающих устройств КВЧ диапазона радиоволн с исполь зованием решения краевой задачи для круглого открытого продольно намагни ченного ферритового волновода в строгой электродинамической постановке;

3. Создан новый комплекс технологических процессов прецизионной обработки малоразмерных ФЭ, позволяющий обеспечить получение ФЭ ци линдрической формы для развязывающих КВЧ ФУ;

4. Создан новый комплекс технологических процессов прецизионной обработки малоразмерных ФЭ, позволяющий обеспечить получение требуе мой геометрической конфигурации ФЭ призматической формы с отверстия ми для управляющего витка провода для переключающих КВЧ ФУ с магнит ной «памятью».

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов, ре комендаций, сформулированных в диссертации подтверждается:

использованием при составлении дисперсионного уравнения направ ляющей структуры теоретически обоснованных методов;

использованием строгой электродинамической модели, отражающей особенности рассматриваемой резонансной структуры;

применением практически обоснованных технологических методов и способов при изготовлении ФЭ достаточно точным совпадением результатов расчета с эксперимен тальными данными.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Созданы методики инженерного расчета геометрических размеров ФЭ, реализуемые при проектировании ферритовых КВЧ развязывающих и переключающих устройств для бортовых РЛС;

2. Разработаны и внедрены в производство технологии размерной об работки деталей цилиндрической и призматической формы из ферритовых заготовок, обеспечивающих заданную точность изготовления;

3. Сформулированы требования к парку технологического оборудования и технологическому оснащению для изготовления ФЭ в соответствии с разра ботанными и внедренными в производство технологическими процессами.

Реализация и внедрение результатов. Полученные в процессе вы полнения диссертационной работы результаты нашли применение при созда нии (в части расчета и изготовления ФЭ) КВЧ развязывающих и переклю чающих ФУ для различных типов ППУ бортовых РЛС в рамках НИР и ОКР, выполненных и выполняемых ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова».

Положения, выносимые на защиту:

1. Полученное на основе строгой постановки краевой задачи дисперси онное уравнение для круглого открытого продольно-намагниченного ферри тового волновода и предложенный алгоритм его численного решения, позво ляют рассчитывать характеристики собственных волн данной структуры, не обходимые для расчета геометрической конфигурации ФЭ развязывающих и переключающих КВЧ устройств бортовых РЛС.

2. Созданные на основе результатов решения дисперсионного уравнения для открытого ферритового волновода методики расчета геометрических раз меров ФЭ дают возможность практической реализации развязывающих и пере ключающих ФУ высокочастотных блоков ППУ бортовых РЛС с использовани ем разработанных технологических процессов прецизионной обработки ФЭ.

3. Созданный сквозной технологический процесс размерной обработки деталей в форме цилиндра позволяет получать малоразмерные ФЭ для развязы вающих ФУ КВЧ диапазона длин волн с необходимой точностью изготовления.

4. Созданные технологические процессы размерной обработки деталей из ферритов позволяют получать малоразмерные ФЭ в форме призмы с от верстиями для витка провода перемагничивания для переключающих ФУ КВЧ диапазона длин волн с необходимой точностью изготовления.

5. Основные результаты диссертации позволяют разрабатывать и вы пускать ФЭ для ФУ высокочастотных блоков современных бортовых РЛС.





Апробация работы. Результаты работы докладывались и получили положительную оценку на следующих научно-технических конференциях:

- IV Международная научно-техническая конференции «Физика и техниче ские приложения волновых процессов», г. Нижний Новгород, 2005 г.;

- Международная научно-техническая конференции «Информационные сис темы и технологии», ИСТ-2007, Нижний Новгород, НГТУ, 2007 г.;

- XV координационный семинар по СВЧ технике, Нижний Новгород, 2007 г.;

- VI Международная научно-техническая конференции «Физика и техниче ские приложения волновых процессов», г. Казань, 2007 г.;

- Научно-техническая конференция «Радиолокация. Теория и практика», Нижний Новгород, ННИИРТ, 2008 г.

- Международная научно-техническая конференции «Информационные сис темы и технологии», ИСТ-2009, Нижний Новгород, НГТУ, 2009 г.;

- VIII Международная научно-техническая конференции «Физика и техниче ские приложения волновых процессов», г. Санкт-Петербург, 2009 г.;

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 19 работ, в том числе 6 статей в изданиях рекомендованных ВАК для опуб ликования основных результатов диссертационных работ на соискание уче ной степени доктора и кандидата наук.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной ли тературы и приложения. Объем диссертации составляет 177 страниц основ ного текста, в том числе 51 рисунок и 20 таблиц, 15 страниц списка литера туры (105 наименований), 6 страниц приложения, содержащего акт внедре ния результатов диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается анализ современного состояния вопроса, ставится цель диссертационной работы, обосновывается ее актуальность, формулиру ются задачи исследований, определяются новизна полученных результатов и их практическая ценность, формулируются основные положения, выносимые на защиту, кратко излагается содержание диссертации.

В первой главе дается строгая постановка краевой задачи для базовой направляющей структуры - круглого открытого продольно намагниченного ферритового стержня, на основе которой строится математическая модель для расчета параметров ФЭ. Задача решается методом частичных областей [Л.9].

С использованием метода укорочения уравнения [Л.10] система урав нений Максвелла, записанной для рассматриваемой среды, сводится к урав нению Гельмгольца относительно скалярной функции, объединяющей продольные компоненты электрического и магнитного полей:

0, которое преобразуется в систему двух однородных дифференциальных урав нений относительно функций 1 и 2.

Рассматривается двухслойная цилиндрическая направляющая структу ра – продольно намагниченный постоянным магнитным полем ферритовый волновод радиуса a с диэлектрической проницаемостью 1 и магнитной про t ницаемостью 1, представляющей собой тензор второго ранга, находящийся в поперечно неограниченной изотропной среде с параметрами 2, µ2 (рису нок 1).

Рисунок Продольные компоненты поля в феррите (область I) выражаются через функции 1 и 2, имеющие амплитудные коэффициенты А1 и В1. Решение уравнений типа Гельмгольца относительно функций 1 и 2 с учетом ограни ченности поля в точке r=0 можно представить в виде:

Jn ( 1 r) Jn ( r) in in r, A1 e, r, B1 e, 1 J n ( 1 a) Jn ( a) где Jn(x) - функция Бесселя.

Внешний слой направляющей структуры (область II) образуется изо тропной диэлектрической средой. В открытом волноводе он не ограничен по радиальной координате. Электромагнитное поле в нем описывается обычным уравнением Гельмгольца относительно комплексных амплитуд продольных составляющих электрического и магнитного векторов Герца, решение кото рого в случае открытого ферритового волновода может быть представлено в виде:

H n 2) ( r ) ( e i(n z) A2 e, H n 2) ( a ) ( z H n 2) ( r ) i ( n z ) ( m B2 e, H n 2) ( a ) ( z где А2 и В2 - неизвестные амплитудные коэффициенты;

– поперечное вол новое число в области II;

H n2 ) ( r ) – функция Ханкеля второго рода.

( На границе r=a рассматриваемой структуры должны выполняться ус ловия непрерывности касательных составляющих электромагнитного поля:

Ez 1 ( r a) Ez 2 (r a ), H z1 (r a) H z 2 (r a), E 1 (r a) E 2 (r a ), H 1 (r a) H 2 (r a).

В результате реализации граничных условий получается система ли нейных однородных алгебраических уравнений (СЛАУ) относительно неиз вестных амплитудных коэффициентов А1, А2, В1, В2. Условие нетривиально сти решения полученной СЛАУ (равенство нулю ее главного определителя) приводит к ДУ волн круглого открытого ферритового волновода, находяще гося в неограниченной изотропной среде.

Определяется алгоритм численного решения ДУ. Показывается, что с помощью предложенного алгоритма решения дисперсионного уравнения можно рассчитывать волновые числа всего дискретного спектра волн, необ ходимого для решения дифракционных задач, связанных с расчетом и проек тированием КВЧ устройств на базе открытых ферритовых волноводов. Рас сматриваемый алгоритм и программа численного решения дисперсионного уравнения позволяют получить в табличном или графическом виде значения волновых чисел на заданной частоте как функций диаметра ферритового стержня. Представленные материалы составляют теоретическую базу для разработки приближенных методик расчета геометрической конфигурации ФЭ развязывающих и переключающих КВЧ устройств на металлических волноводах.

Во второй главе приводятся результаты исследований по созданию методик инженерного расчета геометрических параметров ФЭ развязываю щих ФУ и переключающего ФУ с магнитной «памятью».

Для развязывающих ФУ рассматривается Н-плоскостная компактная турникетная конструкция [Л.11], выполненная на основе симметричного Y-разветвления трех волноводов, наиболее часто используемая для развязы вающих КВЧ ФУ бортовых РЛС. На рисунке 2 схематично показано сечение волноводного Y-разветвления в вертикальной плоскости, проходящей через середину широкой стенки одного из волноводов.

Рисунок Математическая модель для расчета параметров ФЭ развязывающих ФУ основывается на численном решении ДУ для двух собственных волн открыто го цилиндрического ферритового волновода с вращающейся плоскостью по ляризации электромагнитного поля HE 1 1 и НЕ 1 1. Аналогичный подход ис пользуется в [Л.12]. Отличием является то, что параметры входного волновода (характеристический импеданс Z0 и высота hin) не рассчитываются, а одно значно задаются. Исходными данными для расчетов являются физические па раметры используемого феррита, заданная рабочая частота fo, величина стати ческого магнитного поля H0 и геометрия волноводного разветвления.

Сущность разработанной методики расчета заключается в следующем:

1. Вычисляются средние значения нормированных намагниченности насыщения ms и внутреннего поля намагничивания для центральной рабо чей частоты заданного диапазона f0.

2. По рассчитанным значениям mS,, заданной f0 и диэлектрической проницаемости феррита ф определяется Dф. Для этого используются числен ные решения ДУ для продольных волновых чисел +=+(Dф) (волны НЕ11 ) и =(Dф) (волны НЕ11 ). На рисунке 3 представлены графические данные, полученные для открытого продольно намагниченного электрода из феррита марки М1СЧ4 при =8 мм, ms=0,354.

Рисунок Условием циркуляции является [Л.12] выражение, 3(2n 1) где n=1, 2, 3, …- номера резонаторной моды HE1,1,n-1/2 для конструкции цир кулятора, приведенной на рисунке 2.

Поскольку в результате решения ДУ зависимости +(Dф) и (Dф) зада ны численно, либо графически, значение Dф выбирается из указанного соот ношения, которое также можно представить графически (рисунок 4) или чис ленно.

Рисунок Физически выбор диаметра ФЭ на основе численных решений диспер сионного уравнения означает обеспечение необходимых для режима цирку ляции фазовых соотношений, а именно равенство значению 2/3 фазового сдвига между собственными значениями матрицы рассеяния циркулятора.

3. Определяются длина ферритового элемента lф [Л.11, Л.13] и, по выве денным аналитическим выражениям, остальные геометрические и физические параметры феррит-диэлектрического элемента, которые с учетом результи рующих геометрических размеров должны обеспечивать резонанс вдоль его оси с учетом краевых полей и эффективной диэлектрической проницаемости.

Строгой теории, позволяющей рассчитывать и оптимизировать геомет рию ФЭ для переключающих ФУ, в настоящее время не существует, так как для решения соответствующей краевой задачи электродинамики конфигура ция ФЭ очень сложная. Поскольку в статическом состоянии переключающие ФУ функционально не отличаются от развязывающих ФУ, анализируется возможность условного выделения в ФЭ переключающих ФУ областей, ана логичных по режиму работы ФЭ развязывающих ФУ.

В общем виде сущность разработанной методики заключается в сле дующем:

1. ФЭ условно разделяется на две части: центральную рабочую и пери ферийную (рисунок 5). При этом предполагается, что центральная часть функционально аналогична цилиндрическому ФЭ развязывающих ФУ, по этому ее размеры должны соответствовать размерам ФЭ развязывающего ФУ рассматриваемого частотного диапазона, а периферийная часть функцио нально представляет собой замыкатель магнитного потока с такими геомет рическими размерами, чтобы обеспечивалась замкнутость и однородность магнитного потока внутри ФЭ.

Рисунок 2. Допускается, что условие однородности магнитного потока в ФЭ обеспечивается равенством геометрических площадей центральной части и периферийных частей ФЭ в сечении, параллельном плоскости основания ФЭ.

3. Из условия однородности выводятся выражения для определения ос новных геометрических размеров ФЭ, как функций от диаметра или длины (высоты) ФЭ, рассчитанных по методике для ФЭ развязывающих ФУ.

Приводится вывод аналитических выражений для определения основ ных размеров ФЭ для переключающих ФУ с различным сочетанием, как внешних образующих поверхностей, так и внутренних.

Дается теоретическая оценка необходимой точности изготовления ФЭ.

Показывается, что допустимая относительная погрешность линейных разме ров ФЭ для развязывающих ФУ определяется точностью задания централь ной частоты рабочей полосы частот. Центральная частота обычно задается с точностью ±1%. Следовательно, с такой же точностью должны изготавли ваться ФЭ. Учитывая, что, например, в восьмимиллиметровом диапазоне длин волн диаметр ФЭ Dф=1,5…2,0 мм и его длина (высота) lф=1,5…2,5 мм, величина поля допуска на изготовление диаметра и длины ферритового эле мента не должна превышать 0,04 мм. С повышением рабочей частоты и, со ответственно, уменьшением линейных размеров ФЭ, величины полей допус ков уменьшаются. Предполагается, что точность изготовления ФЭ для пере ключающих ФУ должна быть одного порядка, что и для ФЭ развязывающих ФУ соответствующего диапазона длин волн.

В таблицах 1 и 2 представлены характерные размеры (с допусками на изготовление) ФЭ, используемых в разработках циркуляторов (вентилей) (таблица 1) и переключателей (таблица 2) на металлических волноводах раз личных сечений.

Таблица Диапазон длин волн Dф, мм lф, мм (сечение волновода, мммм) Восьмимиллиметровый (7,23,4) 2-0,025 2-0, Пятимиллиметровый (3,61,8) 1-0,014 1,5-0, Трехмиллиметровый (2,41,2) 0,5-0,01 0,9-0, Таблица Сечение волновода, А, мм C, мм В, мм b, мм Н, мм h, мм мммм 7,23,4 0,98±0,03 0,5±0,03 1,8-0,025 0,81±0, 1,9-0,025 1,9-0, 3,61,8 1,0-0,014 1,21±0,014 0,7±0,01 0,4±0,025 1,3-0,014 0,4±0, 2,41,2 0,6-0,014 1,0±0,014 0,65±0,01 0,4±0,025 0,85-0,014 0,4±0, Примечание. Обозначение размеров см. на рисунке На основе приведенных оценок формулируются основные технические требования к размерам и точности изготовления ФЭ для развязывающих и переключающих КВЧ ФУ на металлических волноводах с учетом современ ных технологических возможностей.

В третьей главе рассматриваются внедренные в производство базовые, вспомогательные, и сквозные технологические процессы для изготовления ФЭ развязывающих и переключающих ФУ и приводятся их параметры.

Так, технологический маршрут изготовления цилиндрических ФЭ для развязывающих ФУ включает в себя следующие основные операции:

1. Бесцентровое круглое шлифование ферритовых стержней в размер по диаметру на бесцентровошлифовальном станке 3Е180В.

2. Резка ферритовых стержней на станке для резки малогабаритных де талей П19.592.00.00 с припуском под плоское шлифование.

3. Плоское шлифование торцов заготовки в размер по высоте согласно чертежу с двух сторон поочередно на плоскошлифовальном станке 3Д710В-1.

4. Приемочный контроль.

Следует отметить, что данный технологический процесс разработан с применением метода постоянства технологических баз и обеспечивает изго товление ФЭ с точностью 0,01 мм для волноводов стандартных сечений.

Дается оценка технологичности изготовления ФЭ для переключающих ФУ. В частности, показывается, что оптимальным конструктивным исполне нием ФЭ, с точки зрения возможности изготовления, является ФЭ, выпол ненный в виде Y-разветвления. Схематическое изображение конструкции та кого ферритового элемента (с центральной частью в виде девятигранной призмы) с обозначением основных размеров, контролируемых при его изго товлении, представлено на рисунке 6.

Рисунок Приводятся параметры технологических процессов изготовления призматических ФЭ для пяти и восьми миллиметрового диапазона длин волн.

Технологический маршрут изготовления призматических ФЭ для пере ключающих ФУ, состоит из следующих основных операций:

1. Круглое наружное шлифование заготовок (стержней) на бесцентро вошлифовальном станке модели 3В180Е в технологический размер.

2. Резка заготовок на диски на плоскошлифовальном станке модели 3Д710В-1 по высоте Н (см. рисунок 6) с припуском под плоское шлифование (операция 3).

3. Плоское шлифование заготовок (дисков) по высоте в размер Н на плоскошлифовальном станке модели 3Д710В-1.

4. Профильное шлифование Y-конфигурации элемента (выполнение размеров А и, см. рисунок 6) на универсальном заточном станке модели Helitronic 30NC.

5. Плоское шлифование образующих граней в размер С (см. рисунок 6) на плоскошлифовальном станке модели 3Д710В-1.

6. Ультразвуковая размерная обработка прямоугольных сквозных от верстий bh, выполнение размера В (см. рисунок 6) и углублений по пери метру центральной части ферритового элемента на универсальном ультра звуковом станке модели 4Б771Ф11.

7. Приемочный контроль.

Все технологические операции по данному маршруту обработки ведут ся по рассмотренным в диссертации базовым технологическим процессам с использованием вспомогательных технологических процессов.

Основными особенностями данных технологических процессов явля ются обработка с высокой точностью внешней конфигурации ФЭ (до 0,01 мм для линейных и 10 - для угловых размеров) при профильном шлифовании и ультразвуковая обработка отверстий и пазов с формированием центральной части ФЭ с точностью 0,02 мм. Рассматриваются и обосновываются выбор технологических схем обработки отдельных элементов ФЭ, маршрутов обра ботки, разработки оригинальных приспособлений, применение технологиче ских методов и приемов и др.

Рассматривается особенности технологических процессов изготовле ния ферритовых элементов разных типоразмеров (зависящих от рабочего диапазона длин волн КВЧ устройства) и различной конфигурации.

Анализируются статистические данные размеров цилиндрических и приз матических ФЭ, изготовленных по разработанным технологическим процессам.

Полученные результаты подтверждают возможность изготовления ФЭ для КВЧ ФУ на базе созданной производственной и технологической базы в соответствии со сформулированными техническими требованиями к изготовлению ФЭ с вы сокой повторяемостью выполнения размеров, что необходимо для снижения трудоемкости настройки ФУ.

Даются общие рекомендации по выбору технологического оборудова ния для изготовления ферритовых элементов для развязывающих и переклю чающих КВЧ устройств на металлических волноводах. Определяется мини мальная номенклатура основного технологического оборудования, необхо димого для изготовления ФЭ.

В четвертой главе производится сравнение расчетных геометрических размеров феррит-диэлектрических элементов КВЧ устройств заданных диапа зонов с фактическими геометрическими размерами экспериментальных образ цов ФЭ, полученных в результате изготовления по разработанной технологии.

Приводится анализ электрофизических параметров экспериментальных образ цов в составе КВЧ устройств. Обосновывается методика экспериментальной подстройки ферритовых развязывающих устройств посредством изменения статического магнитного поля, определяющего режим работы ФЭ.

Определяются пределы, в которых возможна плавная подстройка развя зывающих ФУ, если из-за неточности расчетов параметров феррит диэлектрического элемента высота входного волновода стандартного сечения не соответствует оптимальным характеристикам ФУ.

Из полученного соотношения показывается, что для относительного приращения высоты hin/hin входного волновода 2 hi n d hi n 31 mS mS, hi n d hi n 1 mS 4 mS 1 mS mS при изменении величины внутреннего поля в пределах 10 %, можно полу чить hin/hin до 5 %, что на практике достаточно для плавной подстройки па раметров циркулятора.

Кроме того, рассматривается процедура приближенной оценки усред ненного размагничивающего фактора N подстраиваемого параметра – вели чины магнитного поля, необходимой для намагничивания феррита [Л.14] вдоль оси ферритового цилиндра. При этом предлагается, использовать в инженерных расчетах развязывающих ФУ графические результаты [Л.15], выполнив замену цилиндра эквивалентным эллипсоидом вместо того, чтобы рассчитывать величину N в соответствии с аппроксимацией Зоммерфельда [Л.16] и усреднять ее по длине цилиндра.

Приводятся результаты расчетов конструктивных параметров состав ляющих компонентов Т-циркуляторов и требуемой величины магнитного поля, а также их экспериментальные значения. Данные для циркулятора, вы полненного на волноводе сечением 7,23,4 мм, приведены в таблице 3.

Таблица mS Dф/0 Dф, lф, Dд, lд, Dmp, lmp, N He, Параметр мм мм мм мм мм мм Э Результаты 0,39 0,25 2,23 1,77 2,23 0,95 6,58 0,68 0,38 расчета Экспериментальные - - 2,12 1,95 2,12 0,80 6,80 0,65 - данные При расчете конструктивных параметров циркулятора, приведенных в таблице 3, использованы характеристики конкретного феррита М1СЧ4 с на магниченностью насыщения 4MS=4750 Гс и диэлектрической проницаемо стью ф=13,6. В качестве материала диэлектрических прокладок на торцах феррита был выбран фторопласт-4 с диэлектрической проницаемостью д=2,1. По результатам расчетов были изготовлены опытные образцы цирку лятора, у которых отклонение центральной частоты от заданной частоты f составило до 5%. После точной настройки данные образцы в полосе рабочих частот f0 ± 2 ГГц имели следующие электрические характеристики: вносимые потери Рпр 0,5 дБ;

развязки Робр 21 дБ;

КСВн 1,25.

Рассматривается методика определения поправочных коэффициентов при расчете размеров призматических ФЭ с использованием статистических данных, полученных при изготовлении партий отключающих ФУ. Определе ние поправочных коэффициентов для конкретного выбранного диапазона частот включает в себя прецизионное измерение величин основных геомет рических параметров ФЭ нескольких экспериментальных образцов переклю чающих ФУ, работающих на центральной рабочей частоте f0, вычисление средних значений и определение их отношений к величинам тех же парамет ров, рассчитанных по разработанной методике для той же самой частоты f0.

Использование поправочных коэффициентов позволяет снизить по грешность расчетов по методике расчета размеров призматических ФЭ для переключающих ФУ до 3-4 %.

Анализируются технические характеристики ФУ, в состав которых вхо дят ФЭ, рассчитанные по предлагаемым методикам и изготовленные по разра ботанным технологиям, обосновывается пригодность использования предло женных инженерных методик расчета ФЭ при проектировании и изготовлении развязывающих и переключающих ФУ на металлических волноводах.

Приводятся основные технические характеристики развязывающих и переключающих КВЧ ФУ, в разработке и изготовлении которых были исполь зованы разработанные методики расчета конфигурации ФЭ и технологические процессы их изготовления.

Приведенные данные в этой главе показывают, что выполнение техни ческих требований, сформулированных в главе 2, по точности изготовления призматических ферритовых элементов и обеспечение необходимой техно логической базой являются основой при организации проектирования и вы пуска переключающих ФУ с «внутренней» магнитной памятью. В данном случае отступление от заданной точности изготовления ФЭ вследствие от сутствия соответствующих технологических процессов или станочного парка приводит не просто к снижению выхода годных элементов или ухудшению параметров ФУ, а к технической и экономической нецелесообразности ис пользования таких ФУ. Экспериментальные исследования показали, что вы бранные критерии по точности изготовления ферритовых элементов являют ся предельными, при которых отклонение от симметричности линейных и угловых размеров может быть скомпенсирована введением подстроечных элементов в плечи ФУ. При снижении технических требований по точности изготовления ФЭ возникают ситуации, в которых симметричная настройка плеч ФУ невозможна. Следствием этого являются проблемы с взаимозаме няемостью переключающих устройств и резким ростом их стоимости.

В заключении приведены основные результаты, полученные в процес се выполнения диссертационной работы и их практическое применение.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ В процессе выполнения диссертации разработаны инженерные методи ки расчета ферритовых элементов развязывающих и переключающих уст ройств КВЧ диапазона длин волн, разработаны базовые и сквозные техноло гические процессы изготовления ферритовых элементов, сформулированы рекомендации по внедрению в производство технологических процессов прецизионного изготовления ферритовых элементов КВЧ устройств.

Основные результаты, полученные в проведенных исследованиях, сле дующие:

1. Дана строгая постановка краевой задачи для круглого открытого ферритового волновода. Составлено дисперсионное уравнение, разработан алгоритм его решения.

2. Получено численное решение дисперсионного уравнения, позво ляющее определить зависимость постоянных распространения электромаг нитных волн от диаметра феррита и рабочей частоты.

3. Разработана методика инженерного расчета геометрических разме ров феррит-диэлектрических элементов для развязывающих КВЧ устройств турникетного типа на металлических волноводах.

4. Разработана методика инженерного расчета геометрических разме ров ферритовых элементов для переключающих КВЧ устройств на металли ческих волноводах с «магнитной памятью».

5. Разработан комплекс технологических процессов прецизионной об работки ферритовых элементов для развязывающих и переключающих КВЧ устройств.

6. Изготовлены ферритовые элементы для экспериментальных и опыт ных образцов развязывающих и переключающих ферритовых устройств на металлических волноводах, используемые в составе КВЧ приемопередатчи ков бортовых радиолокаторов.

Полученные в процессе выполнения результаты использованы в разра ботках ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова» в ОКР и НИР.

Основные результаты диссертационной работы используются в разра ботке бортовых РЛС. В частности, развитые в диссертационной работе мето дики инженерного расчета и технологии изготовления ФЭ развязывающих и переключающих ФУ использованы при разработке КВЧ приемопередатчиков и многолучевых АФС при создании самолетных радиолокационных исследо вательских комплексов, доплеровских измерителей скорости.

Использование результатов диссертации в конкретных разработках под тверждается актом внедрения, приведенным в приложении к диссертации.

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ:

1. Козлов, В.А. Расчет и технология изготовления ферритовых элементов КВЧ-переключателей с «внутренней» магнитной памятью / В.А. Козлов, Ю.А. Светлаков // Антенны. – 2005. – Вып. 5 (96). - с. 18-23.

2. Козлов, В.А. Метод расчета и технология изготовления ферритовых эле ментов КВЧ переключателей / В.А. Козлов, Ю.А. Светлаков // Физика и технические приложения волновых процессов: Тезисы докладов IV Международной научно-технической конференции. – Нижний Новго род, 2005. – с. 219-220.

3. Гудина, Т.Л. Технология изготовления ферритовых элементов для пере ключающих КВЧ-устройств / Т.Л. Гудина, Ю.А. Светлаков, А.Ю. Седаков // Новые промышленные технологии. – 2006. - №3. - с. 22-23.

4. Козлов, В.А. Расчет и технология изготовления феррит-диэлектрических элементов волноводных КВЧ циркуляторов и вентилей В.А. Козлов, А.В. Назаров, Ю.А Светлаков // Антенны. – 2007.- Вып. 2 (117). - с. 25-30.

5. Козлов, В.А. Выбор конфигурации ферритового элемента переключаю щего КВЧ устройства / В.А. Козлов, Ю.А. Светлаков // Информационные системы и технологии ИСТ-2007: Материалы Международной научно технической конференции. – Нижний Новгород, НГТУ, 2007. - с. 65.

6. Козлов, В.А. Исследование возможности применения ферритовых эле ментов составной конструкции в переключающих КВЧ устройствах / В.А. Козлов, Ю.А. Светлаков // Информационные системы и технологии ИСТ-2007: Материалы Международной научно-технической конферен ции. – Нижний Новгород, НГТУ, 2007. - с. 67.

7. Зефиров, В.Л. Разработка технологии заполнения вспененными диэлек триками полостей волноводных СВЧ устройств / В.Л. Зефиров, В.А. Козлов, Ю.А. Светлаков // Информационные системы и технологии.

ИСТ – 2007: материалы Международной научно-технической конферен ции – Нижний Новгород, НГТУ, 2007, - с. 66.

8. Козлов, В.А. Расчет и технология изготовления ферритовых элементов Y образной формы для КВЧ переключателей / В.А. Козлов, Ю.А. Светлаков // Материалы XV координационного семинара по СВЧ технике.– Нижний Новгород, 2007. - с. 85-87.

9. Козлов, В.А. Метод расчета и технология изготовления феррит диэлектрических элементов волноводных КВЧ-циркуляторов и вентилей / В.А. Козлов, Ю.А. Светлаков // Физика и технические приложения волно вых процессов: Тезисы докладов VI Международной научно-технической конференции. – Казань, 2007. – с. 227-229.

10. Светлаков, Ю.А. Расчет компонентов колебательной системы для ультра звуковой обработки отверстий в ферритовых элементах КВЧ переключа телей / Ю.А. Светлаков // Физика и технические приложения волновых процессов: Тезисы докладов VI Международной научно-технической конференции. – Казань, 2007. – с. 235-236.

11. Светлаков, Ю.А. Ультразвуковая размерная обработка отверстий в фер ритовых элементах КВЧ переключателей / Ю.А. Светлаков // Физика и технические приложения волновых процессов: Тезисы докладов VI Международной научно-технической конференции. – Казань, 2007. – с. 236-238.

12. Козлов, В.А. Расчет и технология изготовления ферритовых элементов волноводных развязывающих и переключающих КВЧ устройств / В.А. Козлов, Ю.А. Светлаков // Вопросы радиоэлектроники. Серия Ра диолокационная техника (РЛТ) – 2008. - Вып. 3 – с. 181-188.

13. Светлаков, Ю.А. Разработка технологий механической обработки деталей из твердых хрупких неметаллических материалов / Ю.А. Светлаков // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2008, №1 (90), - с. 46-51.

14. Денисенко, А.А. Определение размеров ферритовых элементов волно водных КВЧ циркуляторов и вентилей / А.А. Денисенко, В.А. Козлов, А.В. Назаров, Ю.А. Светлаков // Информационные системы и технологии - ИСТ-2009: материалы XV Международной научно-технической конфе ренции - Нижний Новгород, НГТУ – 2009.- с. 75-76.

15. Козлов, В.А. О точности изготовления ферритовых элементов волновод ных развязывающих КВЧ устройств / В.А. Козлов, Ю.А. Светлаков // Ин формационные системы и технологии - ИСТ-2009: материалы XV Меж дународной научно-технической конференции - Нижний Новгород, НГТУ – 2009. - с. 63.

16. Козлов, В.А. О точности метода расчета геометрических размеров ферри товых элементов волноводных переключающих КВЧ устройств / В.А. Козлов, Ю.А. Светлаков // Информационные системы и технологии ИСТ-2009: материалы XV Международной научно-технической конфе ренции - Нижний Новгород, НГТУ – 2009. - с. 62.

17. Козлов, В.А. Требования к точности изготовления ферритовых элементов для КВЧ устройств на металлических волноводах / В.А. Козлов, Ю.А. Светлаков // Физика и технические приложения волновых процес сов: материалы докладов VIII Международной научно-технической кон ференции: Приложение к журналу «Физика волновых процессов и радио технические системы» / Под ред. В.Ф. Дмитрикова, В.А. Неганова, Г.П.

Ярового и А.С. Ястребова – СПб.: Политехника, 2009. – с. 182-184.

18. Козлов, В.А. Расчет и выбор конфигурации ферритового элемента для КВЧ переключателей / В.А. Козлов, Ю.А. Светлаков // Физика и техниче ские приложения волновых процессов: материалы докладов VIII Между народной научно-технической конференции: Приложение к журналу «Физика волновых процессов и радиотехнические системы» / Под ред.

В.Ф. Дмитрикова, В.А. Неганова, Г.П. Ярового и А.С. Ястребова – СПб.:

Политехника, 2009. – с. 184-185.

19. Светлаков, Ю.А. Разработка комплекса технологий размерной обработки конструкционных деталей из ферритов / Ю.А. Светлаков, А.Ю. Седаков // Вопросы атомной науки и техники, 2009, № 1 (26), - с. 82-84.

ЛИТЕРАТУРА Л.1. Быстров, Р.П. Проблемы распространения и применения миллиметро вых радиоволн в радиолокации / Р.П. Быстров, [и др.] // Зарубежная ра диоэлектроника: Успехи современной радиоэлектроники. – 1997. - №1.

– с. 4-19.

Л.2. Борзов, А.Б. Радиолокационные системы: научно-технические дости жения и проблемы развития техники мм диапазона радиоволн / А.Б. Борзов [и др.] // Зарубежная радиоэлектроника: Успехи современ ной радиоэлектроники. – 2001. - №5.

Л.3. Козлов, В.А. Приемопередающие устройства для бортовых импульс ных РЛС миллиметрового диапазона / В.А. Козлов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. – 2002. – Т. 5, № 4. – С. 44-47.

Л.4. Быстров, Р.П. Пассивные радиолокационные системы скрытого обна ружения наземных объектов / Р.П. Быстров, А.Д. Краснянский, С.С. Новиков, Потапов А.А., Соколов А.В.// Электромагнитные волны и электронные системы. – 1996. – № 1. – С. 64.

Л.5. Козлов, В.А. Опыт разработки приемопередающих устройств для бор товых импульсных РЛС миллиметрового диапазона / В.А.Козлов, А.Л. Кунилов, Д.Р. Шишкин // Новые технологии в радиоэлектронике и системах управления: Труды международной специализированной вы ставки-конференции военных и двойных технологий. – Н.Новгород, 2002. – С. 46-48.

Л.6. Козлов, В.А. Многоканальные ферритовые антенные переключатели миллиметрового диапазона волн / В.А. Козлов // Физика волновых про цессов и радиотехнические системы. – 2004. – Т.7, № 3. – С. 64-66.

Л.7. Бородин, В.Н. Многоканальные ферритовые антенные переключатели миллиметрового диапазона / В.Н. Бородин, В.А. Козлов // Новые тех нологии в радиоэлектронике и системах управления: Труды междуна родной специализированной выставки-конференции военных и двой ных технологий. – Т. 4. – Н.Новгород, 2002. – С. 49-50.

Л.8. Воронков, В.Д. Быстродействующие ферритовые переключатели с маг нитной памятью миллиметрового диапазона длин волн / В.Д. Воронков, В.А. Сильванович // Ферритовые СВЧ приборы и материалы: тезисы докладов конференций. Серия: Электроника СВЧ. – М.: ЦНИИ Элек троника. – 1984. – Т. 3. – С. 88-89.

Л.9. Неганов, В.А. Линейная макроскопическая электродинамика / В.А. Неганов, С.Б. Раевский, Г.П. Яровой – М.: Радио и связь, 2001. – 575 с.

Л.10. Назаров, А.В. Электромагнитные волны в структурах, содержащих продольно намагниченные ферритовые слои / А.В. Назаров, С.Б. Раевский // Физика волновых процессов и радиотехнические сис темы – 2007. – Т.10, № 1. – С. 76-82.

Л.11. Слободин, Г.Б. Ферритовые развязывающие приборы миллиметрового диапазона длин волн / Г.Б. Слободин // Обзоры по электронной техни ке. Серия: Электроника СВЧ. – М.: ЦНИИ Электроника. – 1988. – Вып.

21(1416). – 82 с.

Л.12. Denlinger, E.J. Design of Partial Height Ferrite Waveguide Circulators / E.J. Denlinger // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. – 1974. – V. MTT-22, No 8. – P. 810-813.

Л.13. Piotrowski, W.S. Low-Loss Broad-Band Circulator / W.S. Piotrowski, J.E/ Raue // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. – 1976. – V. MTT-24, Nо 11. – P. 863-866.

Л.14. Микаэлян, А.Л. Теория и применение ферритов на сверхвысоких час тотах / А.Л. Микаэлян – М.: Госэнергоиздат, 1963. – 662 с.

Л.15. Лакс, Б. Сверхвысокочастотные ферриты и ферримагнетики / Б. Лакс, К. Батон;

перевод с англ. под ред. А.Г. Гуревича. – М.: МИР, 1965. – 675 с.

Л.16. Зоммерфельд, А. Электродинамика / А. Зоммерфельд – М.: ИЛ. – 1958.

– 542 с.

Подписано в печать 30.09.09. Формат 60 84 1/16. Бумага офсетная.

Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 281.

Отпечатано в ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова».

603950, г Нижний Новгород, ГСП-486.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.