РАЗДЕЛ 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ СХЕМ РЕЗОНАТОРА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ
В настоящем разделе исследованы диагностические структурные схемы микроволновых
устройств, содержащие в общем случае однородные и неоднородные, взаимные и
невзаимные 2 - х, 4 - х и восьмиполюсники. Схемы устройств имеют или могут
иметь сложное внутреннее строение с элементами, имеющими различное
функциональное назначение, и соединены таким образом, что образуют
микроволновое устройство с активным резонатором бегущей волны. В процессе
исследования использованы известные методы теории цепей и матричной алгебры
учитывающие специфику процессов в СВЧ цепях в линейном режиме [18, 58, 105]. По
известным комплексным матрицам рассеяния СВЧ узлов схемы, раздельно,
последовательно определяется комплексная матрица рассеяния сложного
микроволнового устройства для радиоволновой диагностики электрических свойств
твердых высококачественных, жидких диэлектрических, а также ферритовых
материалов.
2.1. Алгоритм анализа, синтеза и оптимизации микроволнового устройства
с активным резонатором
Разработанный алгоритм (рис. 2.1), объединяет операции анализа, синтеза и
оптимизации расчета активного резонаторного измерителя материалов на СВЧ (АРБВ
СВЧ, далее АРБВ) на основе РБВ [10].
На первом этапе алгоритма, как показано на рис. 2.1 формулируем технические
требования (ТТ) к выходным и внутренним электродинамическим (ЭД) параметрам
АРБВ. К ним, в основном относятся: условия возникновения резонанса и режима
бегущей волны в кольцевом РБВ, коэффициенты отражения и передачи, как внутри
резонатора, так и, на входных и выходных контактах, оптимальные величины
коэффициентов связи сложного узла компенсации потерь в кольце резонатора с
участком измерительной цепи устройства, оптимальный коэффициент стоячей волны
напряжения (КСВн) по входу и выходу устройства, величина коэффициента усиления
СВЧ - усилителя (Кус), величины оптимальных постоянных распространения и фазо-
вых сдвигов. Синтезируем структуру измерителя и в первом приближении
рассчитываем его характеристики. Синтез структуры измерителя заключается в
определении его типа, конфигурации, компонентов из которого АРБВ
изготавливается. Разрабатываем математическую модель (ММ) устройства для
параметрического синтеза АРБВ и выполняем расчет с помощью этой ММ значений
коэффициентов отражений и передачи, вентильного отношения между усилителем и
измерительной цепью АРБВ методом теории цепей и матричных преобразований [11].
нет
да
Рис. 2.1. Алгоритм анализа, синтеза и оптимизации микроволнового устройства
с активным резонатором.
На втором этапе проводимый компьютерный эксперимент заключается в установлении
зависимости между входными и выходными параметрами АРБВ, а также в формировании
матричной модели анализа и оптимизации, выходных ЭД характеристик исследуемого
АРБВ. Проводя в АРБВ вариацию входных параметров, диапазон варьирования
выбираем с учетом условий решаемой задачи выбранных на 1- м этапе. Для
рассматриваемого примера АРБВ, учитывая, что место включения СВЧ усилителя уже
выбрано на первом этапе процедуры этапов 3 и 5 сводятся к исследованию
получаемых эффектов и процессов в РБВ. При исследовании структуры и
характеристик РБВ использовался принцип математического программирования [12].
В соответствии с этим принципом ищем вектор параметров Х, обращающий в минимум
целевую функцию F(Х) при наложенных ограничениях. В данном случае регулируемыми
параметрами являются Х 1 - величины регулируемых коэффициентов связи k1, k2, k3
направленных ответвителей НО1, НО2, НО3 соответственно, Х2 - коэффициент
усиления Кус, Х3 - степень развязки СВЧ усилителя от кольца РБВ, при заданном
частотном диапазоне и вида конфигурации АРБВ. Целевая функция представляет
собой сумму парциальных функционалов Fj (X) с весовыми коэффициентами рj
F (X) =(X). (2.1)
Для построения парциальных функционалов F j (X) используем, например
среднеквадратичный критерий:
F j(Х ) = , (2.2)
где M,N,K - число вариаций величин кэффициентов связи, коэффициентов усиления
СВЧ - усилителя, степень развязки СВЧ - усилителя от кольца, соответственно; f1
- расчетный уровень накапливающейся в кольце резонатора энергии; f2 - к.п.д.
АРБВ с учетом компенсации потерь в кольце резонатора; f j о - заданные значения
соответствующих параметров. На 3-м - 5-м этапах проводим анализ и оптимизацию
характеристик АРБВ в соответствии с математической моделью, разработанной на 2
- м этапе см. (2.1) - (2.2). Для удовлетворения ТТ на этапе 5 корректируем
регулируемые параметры Х в заданных пределах. Если не удается удовлетворить ТТ
на этапах 1 и 2, на этапе 3 переходим к процедуре 5 и с целью корректировки
общей структуры АРБВ можно вновь вернуться к этапу 1 например, изменяя
параметры M, N, K. При положительном результате переходим к этапу 4.
2.2. Вывод матричных выражений описывающих исследуемые кольцевые структуры
микроволновых устройств
Как известно, при разработке нового реального СВЧ устройства исследование
состоит в определении его матрицы рассеяния (МР) и нахождении всех свойств,
которые вытекают из этой матрицы. МР отражает свойства данного многополюсника
как высокочастотной цепи на заданной частоте. Используем наиболее важные
свойства МР симметрию и унитарность. Применим в исследовании в качестве
выходного параметра мощность и фазу измерительного сиг