CC BY
3РАЗДЕЛ 5. ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕС
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ
движения посредством изменения характеристик управляющего сигнала. Так, например, нулевое смещение винта свидетельствует о необходимости увеличения амплитуды управляющих сигналов или снижения трения демпфера, а большая величина обратного хода - о необходимости увеличения трения демпфера.
Таким образом, как показало вышеизложенное, интеграция датчика и демпфера в инерционный пьезоэлектрический привод позволяет расширить функциональные возможности в области контроля и управления величиной наноперемещений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гуляев, П.В. Высокоточный инерционный пьезоэлектрический привод вращательно-поступального типа / П.В. Гуляев [и др.] // Электротехника. - 2010. - №10. - С. 8-11.
2. Гуляев, П.В. Автоматизация процесса сближения зондирующей иглы и образца в электрохимическом туннельном микроскопе/ П.В. Гуляев, Н.И. Осипов, М.Р. Гафаров // Ползуновский вестник. - 2011. - № 3. - С. 200203.
3. Гуляев, П.В. Асинхронный режим работы инерционного пьезоэлектрического привода / П.В. Гуляев [и др.] // Ползуновский вестник. -2011. - № 3-1. - С. 86-88.
ЭЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И КОМПОНЕНТЫ
4. Геккер Ф.Р. Динамика машин работающих без смазочных материалов в узлах трения / Ф.Р. Геккер. - М.: Машиностроение. - 1983. - 168 с.
5. Башта, Т.М. Объемные гидравлические приводы / Т.М. Башта [и др.]. - М.: Машиностроение. - 1969. - 628 с. - С.113.
6. Конструкционные свойства пластмасс / Под ред. Бэра Э. - М.: Химия. - 1967. - 464 с.
7. Крагельский, И.В. Коэффициенты трения / И.В. Крагельский, И.Э. Виноградова. - М.: Государственное научно-техническое издател ьство машиностроительной литературы. -1962. - 220 с.
8. Липанов, А.М.Инерционный пьезоэлектрическ ий привод с магнитоиндукционным датчиком скорости/ А.М. Липанов [и др.] // Датчики и системы. - 2012. - № 5. - С. 52-54.
9. Липанов, А.М. Формирование наноперемещений пьезоэлектрическим осцил лятором и кинематической парой вращения/ А.М. Липанов [и др.] // ПЖТФ. - 2011. - Т. 37. - №15. - С. 55-61.
10. Липанов, А.М. Прецизионный пьезодвигатель наноперемещений для сканирующего туннель ного микроскопа / А.М. Липанов, П.В. Гуляев, Е.Ю. Шелковников // Датчики и системы. -2004. - №9. - С. 30-33.
К.т.н., с.н.с. Гуляев П.В., д.т.н., г.н.с. Шелковников Ю.К., к.ф.-м.н., с.н.с. Тюриков А.В., -
(3412) 21-89-55, iit@udman.ru - Институт механики УрО РАН.
УДК 621.369.67
МАЛОГАБАРИТНЫЕ ПАТЧ-АНТЕННЫ ТРЕХСАНТИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
И.Д. Бортников, А.П. Люлякин, А.А. Трубачев, А.В. Юрченко, В.И. Юрченко
В статье представлены результаты теоретического расчета, численного моделирования и экспериментальных исследований характеристик симметричной двухэлементной треугольной микрополосковой антенны 3-см диапазона длин волн.
Ключевые слова: антенна, диаграмма направленности
Актуальность
Во многих областях современной промышленности используются системы контроля, к эксплуатации которых предъявляются высокие требования. Если современный уровень развития методов и средств контроля готовых изделий достаточно высок, то в отношении контроля технологических параметров материалов и изделий в процессе производства достижения ещё незначительны. Особенность неразрушающего контроля
заключается в том, что технологические параметры необходимо определять непосредственно в технологическом процессе. Это условие накладывает на метод контроля существенные ограничения. Наиболее эффективными для этих целей являются радиоволновые, тепловые, радиационные и акустические методы. При этом наиболее информативными являются бесконтактные радиоволновые методы контроля, позволяющие контролировать геометрические размеры, нали-
чие дефектов, содержание компонент, толщину покрытия и другие параметры с высокой точностью при сравнительно малых затратах. Именно поэтому радиолокационный контроль объектов и технологии стал в настоящее время интенсивно развивающимся направлением науки и техники во всех странах мира. Появился новый класс устройств, объединяющий микромеханику и электронику. Ожидаемый на период до 2020 года сдвиг от производства к исследованиям и разработкам в основном обусловлен интенсивным освоением интегральной СВЧ электроники и микромеханики, в том числе для контроля параметров технологических процессов. Генераторы в объемном (волноводном) исполнении не удовлетворяют требованиям по степени миниатюризации, технологичности изготовления и стоимости [1-3].
Численное моделирование характеристик симметричной двухэлементной треугольной микрополосковой антенны
Было проведено численное моделирование и экспериментальные исследования характеристик симметричной двухэлементной треугольной микрополосковой антенны для использования в измерительном оборудовании 3-см диапазона длин волн.
При выборе типа антенны, как и других частей радиотехнической системы, использовали следующие параметры:
- полоса пропускания в пределах 1 ГГц;
- ширина диаграммы порядка 10 градусов в обеих плоскостях;
- высокое значение коэффициента усиления;
- малые габариты (около 5*5 мм);
Активный элемент диода Ганна в антенне имеет симметричное включение, выполнен в виде бескорпусного кристалла [4]. Антенна представляет собой два треугольника, обращенные друг к другу вершинами в виде симметричного вибратора с углом 20 = 60 и диодом в центре между ними. Диаграмма направленности для этого угла представлена на рисунке 1.
На диаграмме отложено к = 2л/к ,где а = I - длина плеча и I = 3К/2п = 14,3 мм. Толщина подложки Л = 1 мм и проводника ¿= 35 мкм.
Для распространения волны ТМ11 при симметричном возбуждении необходимо, чтобы вдоль одного плеча антенны укладывалась половина длины волны. Для уменьшения потерь использован СВЧ диэлектрик ФЛАН-5.0 с диэлектрической проницаемостью 5 и толщиной 1мм. Учитывая характеристики материала и длину волны, имеем гео-
метрию антенны, представленную на рисунке 2а.
Рисунок 1 - Теоретическая диаграмма направленности антенны.
Конструктивная особенность, которую учитываем при разработке антенны: микро-полосковая антенна имеет симметричный вход (см. рисунок 26), измерительные приборы имеют коаксиальный вход. Поэтому необходимо использовать переход для трансформации типа волны и волнового сопротивления, выполненный на неоднородных линиях при полосе пропускания трансформатора заведомо шире рабочей полосы частот антенны. Полосковая линия плавно переходит в симметричную двухпроводную линию: микрополосок на верхнем слое диэлектрика меняет свое сечение по экспоненциальному закону, преобразуясь в верхнее плечо симметричной линии. Заземленная пластина микрополоско-вой линии также меняет свое сечение, преобразуясь в нижнее плечо симметричной линии.
а)
6)
Рисунок 2 - Модель патч-антенны в САПР:
а) геометрия антенны на материале с диэлектрической проницаемостью £=5;
6) проводящие линии в конструкции антенны.
Конструкция исследуемой модели построенной в САПР показана на рисунке 5.
Рисунок 3 - Зависимость коэффициента отражения от расстояния между линиями.
Из приведенных на рисунке 3 зависимостей следует, что внесение в конструкцию возбуждающих линий не влияет на диаграмму направленности, но существенно влияет на коэффициент отражения антенны. При увеличении расстояния между линиями резонансная частота смещается вниз; наименьшее отражение происходит при расстоянии порядка 4,7 мм при наиболее широкой полосе пропускания. Для того чтобы подключить трансформатор, его нужно согласовать с антенной по волновому сопротивлению, то есть спроектировать геометрию антенны, при которой ее волновое сопротивление, и оптимальные направляющие характеристики сохраняются в достаточно широкой полосе частот.
Микрополосковый трансформатор спроектирован таким образом, чтобы одним концом он соединялся с коаксиальным кабелем на 50 Ом, а другим концом к антенне, согласованной с трансформатором на 45 Ом. Трансформатор имеет геометрию, изображенную на рисунке 4
Рисунок 5 - Вид модели в собранном виде.
Частотная зависимость коэффициента отражения от входа приведена на рисунке 6.
Рисунок 4 - Геометрия трансформатора на материале с диэлектрической проницаемостью £=10 и толщиной 2мм.
Рисунок 6 - График частотной зависимости коэффициента отражения от входа.
Ширина главного лепестка диаграммы направленности (рисунке 7), рассчитанной на частоте 8,3 ГГц, в Е-плоскости составила 77 градусов при уровне боковых лепестков -12,5 дБ, и 74 градуса при уровне боковых лепест-
ков -9 дБ в H-плоскости. Коэффициент усиления составил 4,8 дБ.
Farfield Drectivity Abs (Phi=90)
О
Thêta / Degree
Рисунок 7 - Диаграммы направленности антенны в двух плоскостях.
По рассчитанной модели методом фотолитографии и травления были выполнены образцы антенны и трансформатора (рисунок 8).
Рисунок 8 - Внешний вид антенны.
В эксперименте использовался измеритель модуля коэффициента передачи и отражения Р2М-18/2, который являлся основ-
ной частью установки для измерения диаграммы направленности антенны. На рисунке 9 представлена структурная схема измерительной установки.
--->п
Вх
i 3
5
Рисунок 9 - Структурная схема экспериментальной установки: 1 ) передающая рупорная антенна; 2) исследуемая патч-антенна; 3) поворотный механизм; 4) измеритель комплексных коэффициентов передачиР2М-18/2; 5) ЭВМ
выхода измерителя 4 подаётся сигнал на рупорную антенну 1, а на его выходе измеряется мощность, приходящая с исследуемой антенны 2.Приемная антенна закреплена на вращающемся штативе 3, в ходе эксперимента осуществляющего поворот антенны вокруг своей оси с шагом 5 градусов. На каждом шаге на ЭВМ приходят данные с измеренной мощностью на всем диапазоне (8-12 ГГц), и сохраняются в соответствующем файле. Далее данные обрабатываются и обретают форму диаграмм. На рисунке 10 представлены рассчитанные и полученные экспериментальным путем диаграммы направленности антенны. В диапазоне от 9 до 10 ГГц диаграмма направленности совпадает с расчетной, с некоторым сдвигом по частоте. Выше и ниже этого диапазона растет уровень боковых лепестков.
Достигнуть сходимости результатов удается корректировкой модели, а именно уменьшением величины диэлектрической проницаемости на 18% от значения этой величины, указанной в паспорте материала, выбрав величину 4,1. На рисунке 11 представлены графики зависимостей коэффициента отражения от входа антенны от частоты, полученной при измерениях, моделировании и моделировании с поправкой по диэлектрической проницаемости материала.
Рисунок 10 - Диаграмма направленности антенны на частоте 9,7 ГГц. Ри|, ДБ О
-10
-20
-30
и И, ■ч^яу^ц. ^ 1 * 1
Расчет при е = 5 к
„ / Расчет при е = 4.1 /ц И змерения при е = 5
5 ю /;ггц
Рисунок 11 - Коэффициент отражения от входа антенны.
Данная закономерность в проектировании микрополосковых СВЧ устройств на диэлектрической подложке и моделировании их характеристик с использованием алгоритма расчета во временной области, очевидно, проявляется повсеместно в работе программного продукта. Возможно, это связано с использованием академической версии, предназначенной для освоения программы. Тем не менее, зная поправку на значение диэлектрической проницаемости материала, можно использовать расчеты на моделях при
изготовлении антенн и других микрополоско-вых устройств.
Выводы
В статье был рассмотрен процесс проектирования активной микрополосковой патч-антенны 3-х сантиметрового диапазона длин волн. По результатам исследования антенны можно сделать следующие выводы:
1. Активная микрополосковая антенна может быть широко применима для работы в СВЧ диапазоне длин волн за счёт простоты
изготовления и наиболее подходящих характеристик.
2. Двухэлементная патч-антенна с треугольными плечами с модой ТМ11 наилучшим образом подходят для монтажа бескорпусных диодов Ганна.
3. При моделировании характеристик резонансных микрополосковых СВЧ устройств на диэлектрической подложке в академической версии программы CST Microwave Studio с использованием алгоритма расчета во временной области для обеспечения сходимости расчетов и экспериментальных данных необходимо на 18% уменьшать диэлектрическую проницаемость материала подложки по сравнению с паспортным значением.
Работа при поддержке грантом президента РФ МД-5352.2013.8
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник [Текст] / Под ред. В.В. Клюева.2-е изд., испр. и доп. - М.: Машиностроение, 2003. - 686 с.: ил.
2. Воторопин, С.Д. Автодинные минирадары КВЧ диапазона [Текст] / С.Д. Воторопин,
В.Я.Носков // XV Международная Крымская Микроволновая Конференция «КрыМи-Ко'2005»: материалы конференции, Севастополь, 12-16 Сентября 2005. - Севастополь: Вебер, 2005. - С. 937-938.
3. Люлякин, А.П. Активные автодинные КВЧ датчики для контроля различны объектов и технологических процессов [Текст] / А.П. Люлякин, А.А. Трубачев, В.И. Юрченко// Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч. тр. / под ред. А. И. Громыко, Г. С. Патрина; Сиб. федер. ун-т. - Красноярск, 2012. - С. 348-352.
4. Пат. 2064718 Российская Федерация, МКИ Н 01 L 47 / 02. Диод Ганна / Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов. - №5046020/25, заявл. 04.06.1992, опубл.27.07.1996.
Студент-магистрант Бортников И.Д, idb1@tpu.ru; д.т.н, проф. Юрченко А.В., niipp@inbox.ru - Томский политехнический университет, кафедра информационно-измерительной техники; аспирант Люлякин А.П.; аспирант Трубачев А.А. - Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, office@tusur.ru, tusur.ru, (3822) 51-05-30; начальник отдела Юрченко В.И., Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов.
