CC BY
54
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 10 (19), 2015 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
31
(колебание уровней и расход воды), гидрографические (лоцманские карты, продольные профили свободной поверхности воды и дна, планы съемки затруднительных участков), гидрометрические данные (распределение скоростей течения и расхода воды по ширине живого сечения и рукавам, состав отложений) и судоходные данные (срывы глубин). Разносторонность знаний курсанты показывают и в период учебно - производственной и производственной практики. Межпредметные связи, как средство обучения особенно требуют согласованности в содержании смежных дисциплин, а это достигается целенаправленным взаимопосещением занятий, совместным планированием, совместным учетом знаний и умений (проведение комплексных контрольных работ) в получаемых курсантами занятия по разным дисциплинам.
В центре обучения гидравлики стоят такие методические приемы, которые содержат элементы исследования и способствуют организации поисковой познавательной деятельности. Это, прежде всего, проблемное обучение на базе межпредметных связей: создание на занятиях проблемных ситуаций, для решения которых нужно использовать знания из различных дисциплин.
Таким образом, межпредметные связи развивают умственные способности курсантов. Перекликающиеся темы стимулируют сотрудничество преподавателей и значительно повышают качество преподавания.
Список литературы:
1. Максимова В.Н., Груздева Н.В. Межпредметные связи в обучении .- М.: Просвещение, 1987.
2. Максимова В.Н. Межпредметные связи в учебно-воспитательном процессе современной школы. -М.: Просвещение, 1986.
3. Роль межпредметных связей в системе развивающего обучения // Матер. Междунар. науч.-практ. конф. Горно-Алтайск, 2001.
4. Гузейкина А.И. Межпредметные связи как фактор, способствующий формированию представления о единой информационной картине мира//«Инфор-матизация образования-2001». Материалы всероссийской научно-практической конференции, Екатеринбург, 13-16 февраля 2001 г./Уральский государственный педагогический университет - Екатеринбург, 2001.- с.53-57.
ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В МЕТАМАТЕРИАЛАХ ПРИ ИЗЛУЧЕНИИ И ОТРАЖЕНИИ НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ
Будагян Ирина Фадеевна
Докт. физ.-мат. наук, профессор кафедры КПРЭС МГТУ МИРЭА, г. Москва
АННОТАЦИЯ
Проблема создания антенн, работающих со сверхкороткими импульсами, связана с решением ряда специфических задач: определение характеристик направленности антенн с учетом временных параметров излучаемых сигналов; синтез сверхширокополосных антенн; создание излучателей, не искажающих форму сигнала. На основе анализа особенностей наносекундных сигналов проведено исследование взаимосвязей между характеристиками излучения и параметрами антенной решетки при работе со сверхкороткими импульсами различной формы. Осуществлено моделирование и оптимизация микрополосковой спиральной антенны в многослойной среде на основе метаматериалов в режиме излучения наносекундных импульсов. Исследованы волновые процессы при распространении наносекундных импульсов в диспергирующих и неоднородных средах, и дан анализ искажения их формы, в том числе при отражении и прохождении через метаматериалы конечной толщины.
ABSTRACT
The problem ofcreating antennas operating with ultrashort pulses, associated with the solution of some specific tasks: defining the characteristics of the antenna pattern taking into account time characteristics of the emitted signals; the synthesis of ultra-wideband antennas; create emitters which do not distort the waveform. Based on the analysis of the nanosecond signal characteristics the research of the relationships between the radiation characteristics and the parameters of the antenna array when working with ultrashort pulses of various shapes is conducted. The modeling and optimization of microstrip spiral antenna in multilayer medium on the basis of metamaterials at radiation nanosecond pulses are realized. Wave processes at propagation of nanosecond pulses in dispersive and inhomogeneous medium are investigated and the analysis of their form distortion, including reflection from metamaterials of finite thickness was made.
Ключевые слова: волновые процессы, наносекундные импульсы, метаматериалы, излучение и отражение.
Keywords: wave processes, nanosecond pulses, metamaterials, radiation and reflection.
В настоящее время метаматериалы в технике антенн в для достижения широкополосности и уменьшения размеров основном применяются для: компенсации реактивности элементов антенных решеток и взаимного влияния между электрически малых антенн в широкой полосе частот; из- ними [5]. Кроме того, они используются для создания узкой готовления подложек и излучателей в печатных антеннах пространственной направленности элементарных излуча-
32
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 10 (19), 2015 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
телей, погруженных в метасреду - среду с отрицательной диэлектрической е и (или) магнитной р проницаемостями [4]. Поведение электромагнитных импульсов при взаимодействии их со средой, через которую они проходят, на протяжении длительного времени привлекает внимание исследователей. Применительно к подобным задачам широкое распространение получили методы компьютерного эксперимента, позволяющие оценить характер и степень деформации отраженного импульса. Наличие дисперсии существенно усложняет процессы отражения импульсов вследствие различия в поведении его отдельных спектральных составляющих [2]. В этой связи проведён анализ искажения наносекундных (длительностью ~ 0,5 - 10нс) электромагнитных импульсов различной формы, падающих на полупространство среды с метаструктурой.
1. Особенности волнового процесса в спиральных микрополосковых антеннах на многослойных подложках из метаматериалов
Плоские микрополосковые спиральные антенны на многослойной под-ложке используются в диапазоне частот от
0.2 до 18 ГГц. Для частот более 2 ГГц их изготавливают по технологии гибридных интегральных схем СВЧ, что позволяет миниатюризировать антенны и унифицировать их основные узлы. Достоинствами микрополосковых спиралей и антенных решеток на них являются: малые габариты и масса; небольшая стоимость при высокой точности изготовления и воспроизведения характеристик. Параметрами плоской спирали являются топология ее ветвей, угол намотки (шаг спирали) число витков, а также радиус спирали, ширина ленточного проводника и размер щели на входе.
Численный анализ микрополосковой двухзаходной эквиугольной спирали основан на интегральном уравнении Фредгольма 1-го рода для полного тока спирали [3]. Для слоистой среды в виде диэлектрического слоя, как подложки спирали, расположенной над экраном, моделирующим полость резонатора (рисунок 1), указанные элементы выражаются через коэффициенты отражения на границах слоев и их импедансы.
Рисунок 1. Геометрия задачи
Расчет импедансов проводится по схеме последовательного расчета входных сопротивлений. Сначала пересчитывается импеданс в сечении z= -H, вычисляется импеданс в сечении z=0 и коэффициенты отражения. После этого вычисляются импеданс в сечении (1) при z=H и соответствующие коэффициенты, что полностью определяет элементы тензорной функции Грина. Вычисляя компоненты токов спирали в приближении дальней зоны, можно получить выражения для составляющих поля излучения спирали, которые позволяют вычислить ДН антенны. В случае микрополосковых спиральных антенн важную роль играет широ-кополосность спектра. Плоские спирали обладают двух- и более кратным перекрытием по рабочему диапазону волн. Причем нижняя гра- ничная длина волны X определяется максимальным диаметром спирали, а верхняя X - устройством возбуждения и входа спирали. Развитие сверхширокополосных систем вызывает необходимость совершенствовать антенные устройства. Одно из новых направлений в технологии ЭМА связано с достижениями в области создания метаматериалов. Интерес представляет их применение и к разработке микрополосковых спиральных антенн на многослойных подложках, как с точки зрения уменьшения размеров самой печатной спирали, так и снижения искажений при их использовании в режиме излучения наносекундных импульсов. Реальный метаматериал обладает потерями, т.е. диэлектрическая и магнитная проницаемости
являются комплексными. Коэффициент преломления и характеристическое сопротивление среды в этом случае также комплексные. Таким образом, отрицательные значения диэлектрической и магнитной проницаемостей для материалов подложки требуют учесть эти изме- нения в формулах для расчета импедансов, а также коэффициентов отражения для E- и H-волн, и, в конечном счете, при нахождении диаграмм направленности микрополосковых антенн на многослойных подложках. Численный эксперимент показал, что параметрами, наиболее сильно влияющими на данные характеристики, являются диэлектрическая проницаемость материалов подложки и верхнего слоя, толщины этих слоев подложки, а также геометрические параметры спирали: начальный радиус, длина плеча, коэффициент раскрутки и ширина ленточного проводника. Расчет формы излученного сигнала при работе антенн с наносекундными импульсами осуществлялось с использованием быстрого преобразования Фурье. Применен оригинальный подход к анализу диаграмм путем изучения частотной зависимости величины главного лепестка (ЧЗГЛ) полевой ДН с точки зрения малого уровня изменения этой величины. Затем осуществлялось нахождение оптимизированных конструктивных решений спиральных антенн на многослойной подложке и отображение происходя- щих в них волновых процессов при постоянстве формы полевой ДН в широ- ком частотном диапазоне и минимальных искажениях формы излученных наносекунд-
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 10 (19), 2015 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
33
ных сигналов. Длительность прямоугольного импульса во всех случаях принята равной 0,5 нс. При этом полуширина ленточного проводника принята й?=0,5мм, напряжение Г=5В, импеданс экрана ZS = 70+70, а диэлектрическая проницаемость среды между подложкой и экраном er3 =1. Эти параметры не сильно влияют на результат, поэтому не были внесены в численный эксперимент, чтобы не увеличивать сложность восприятия и анализа полученной информации. Толщины слоев H. можно принять фиксированными и ограниченными некоторой приемлемой величиной, а оптимальный набор параметров искать, основываясь на заданной толщине слоев. Для эквиугольной спирали плотность намотки определяется коэффициентом раскрутки а, который в свою очередь при фиксированной ширине ленточного проводника обратно пропорционален начальному радиусу спирали b. В общем случае, чем плотнее спираль, тем лучше ее характеристики излучения, поэтому значение параметра b изменялось в небольших пределах, при которых спираль имеет удовлетворительные размеры.
Последующий анализ проведен для подложек из метаматериалов. Два варианта антенн (l - длина ленточного проводника) представлены на рисунке 2:
- слева топология антенны с параметрами
е,! = -4; ег2 = 2; ErJ 0,5мм; Н2 — 1.2мм; Н3 -1.1мм;
Ь = 10 мм; d = 0,5 мм; I = 11.2 см; а = 0,049; Д_п = 1.55 см.
- справа топология антенны с параметрами
ег1 = -4,4; ег1 = 2; е,3 = 15; Нх = 0,42мм; Н2 = 0,9мм; Н3 = 2мм;
Ь = 5мм; d = 0,5мм; I = 30см; а= 0,07; Д_ = 2,6см.
Рисунок 2. Варианты намотки спирали Энергетическая ДН антенны меньшего радиуса (рисунок 2, слева) шире, чем ЭДН антенны большего радиуса (рисунок 2, справа) - излучается прямоугольный импульс длительностью 0,5 нс.
Рисунок 3. ЭДН для двух вариантов антенн
ДН антенны меньшего радиуса для Е0 и E^ составляющих в диапазоне частот от 1 ГГц до 141 ГГц имеет стабильную форму с небольшими побочными максимумами или без них (рисунок 4, слева). Такая антенна обеспечивает достаточно хорошее сохранение формы излученных прямоугольных импульсов при изменении их длительности от 0,1 до 2нс (рисунок 4, справа). Видно, что импульс сохраняет прямо-
угольную форму даже для длительности 100 пс, при этом имея ровные короткие фронты.
Сравнительный анализ спиральных антенн, выполненных на подложках с применением метаматериалов и без, показал, что первые обеспечивают большую широкополос-ность и намного меньшее искажение излученных наносекундных импульсов при значительной компактности.
34
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 10 (19), 2015 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Рисунок 4. ДН и форма излученных импульсов
2. Процессы отражения ндносЕКУндных импульсов от
МЕТАМАГЕРИАЛОВ
Как отмечено в разделе 1 метаматериалы благодаря своим свойствам перспективны для применения в устройствах СВЧ и антенной технике. Все это вызывает повышенный интерес к технологиям исследования волновых процессов в метаматериалах [1]. Методы спектрального анализа позволяют разработать эффективные алгоритмы для миними-
зации искажений наносекундных импульсов различной формы, установить закономерности между их длительностью и параметрами метаструктур. Изучаются следующие виды наносекундных импульсов: прямоугольный импульс, импульс в виде разности полиномов Лаггера, импульс гауссовой формы с меньшей и большей крутизной (рисунок 5).
Ниже приводятся результаты численных экспериментов в среде MathCAD, проводимых на математических моделях с учетом реальной дисперсии при отражении наносекундных импульсов, и осуществлен анализ результатов.
1. Отражение от е-негативных метаматериалов: e(w) = 1 — W2pjга2 - плазменных слоев полубесконечной и конечной толщины без потерь (таблица), полубесконечных слоев композитного метаматериала c плазменной частотой w2 = Pnc2/(a2ln a/2nr) в виде набора тонких металлических проводников радиуса r с межпроводным расстоянием a, погруженных в поддерживающий диэлектрик. N=d/cT -нормированная к длительности импульса толщина слоя.
Изменение формы прямоугольного импульса (первый столбец)), импульса в виде разности полиномов Лаггера (второй столбец) и гауссова импульса с большей крутизной (третий столбец) при отражении от слоя плазмы полубесконечной (пунктирная кривая) и конечной (сплошная кривая) толщины для различной нормированной к длительности импульса толщине слоя N представлено в таблице.
В случае полубесконечных слоев композитного метаматериала наименьшие искажения формы показал при отражении импульс в виде разности полиномов Лаггера, как и для плазменных слоев.
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 10 (19), 2015 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
35
Таблица.
Динамика изменения отраженных импульсов от плазмы
Влияние размеров метаструктуры на плазменную частоту: с уменьшением радиуса проводника и расстояния между ними частота возрастает, при сохранении радиуса и увеличении расстояния - уменьшается, т.е. зависимость имеет обратно пропорциональный характер. Выявлено, что форма отражённого импульса зависит от произведения коэффициента N и длительности импульса T. Если изменять множители данного произведения так, что оно остаётся постоянным, изменяется форма импульсов гауссовой формы (изменяется амплитуда) и прямоугольной. С увеличением длительности импульса его частотный спектр сжимается и необходимо проводить корректировку плазменной частоты с целью получения импульсов близкой формы для разных длительностей импульсов. При уменьшении толщины слоя форма импульса начинает расплываться, а амплитуда уменьшается.
2. Отражение от р-негативных метаматериалов: p(w) = 1 — w2 jw2 - полубесконечных слоев без потерь и с потерями композитного метаматериала в виде двойного кольцевого резонатора с
31 + . 2ст
n2r3w2p0s0s p0rw
включая конечные слои метаматериала, и при изменении топологических параметров метаструктуры - внутреннего радиуса r меньшего из колец и зазора l между разрезными кольцами в поперечном сечении. При уменьшении параметра r наблюдается значительное уменьшение амплитуды для всех типов отраженных импульсов с учетом потерь, тогда как без потерь - изменений нет. Уменьшение параметра l в 10 раз приводит к небольшому изменению формы отраженного импульса прямоугольной формы (при падении амплитуды больше чем в 2 раза с учетом потерь); в случае без потерь амплитуда отраженного импульса гауссовой формы с меньшей крутизной не изменилась, а с большей крутизной
уменьшилась на 15%, тогда как с учетом потерь у импульсов обеих форм амплитуда упала ~ на 60-70% (рисунок 6). Амплитуда импульса в виде разности полиномов Лаггера снижается ~ на 50%.
Рисунок 6. Формы отраженных прямоугольного и гауссовых импульсов при изменении зазора l в 10 раз (пунктирная кривая)
3. Отражение от бинегативных метаматериалов. Угол 9=0 характеризует угол полного преломления волны, когда отраженная волна отсутствует. Поэтому для моделирования выбираются достаточно большие углы падения. Исследована динамика изменения форм импульсов (при падении под углом 9 = 750), отраженных от слоя конечной толщины при
nr I
=1——I1'
36
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 10 (19), 2015 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
изменении его толщины и длительности импульса для двух вариантов (рисунок 7).
Качественных различий при отражении импульсов разной длительности нет. Чуть лучше других сохраняет форму при отражении импульс, представленный в виде разности полиномов Лаггера, и заметно хуже других - прямоугольный сигнал. Форма отраженного импульса наиболее хорошо сохраняется, когда нормированная толщина слоя d/c=NT составляет 2,5...5*10-9.
Проведенный анализ полученных результатов показал эффективность алгоритма: выявлены закономерности между соотношением длительности импульса, плазменной частотой, и размерами метаструктуры. Оценено влияние размеров ее элементов без и с учетом потерь.
Список литературы:
1. Будагян И.Ф., Илюшечкин М.Н. Моделирование процессов распространения наносекундных импульсов в слоях конечной толщины на основе е-негативных сред // T-Comm, №10. 2012. - с.23-29.
2. Будагян И.Ф., Илюшечкин М.Н., Щучкин Г.Г. Анализ формы наносекундных сигналов. Излучение и распространение. LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG. 2012. - 132 с.
3. Будагян И.Ф., Максимов М.А., Чебышев В.В. Моделирование характеристик излучения микрополосковых спиральных антенн при работе со сверхкороткими импульсами // Электросвязь, №3. 2011. - с.41-42.
4. Гуляев Ю.В., Лагарьков А.Н., Никитов С.А. Метаматериалы: фундаментальные исследования и перспективы применения // Вестник Российской академии наук, 78, № 5. 2008. - с.438-449.
5. Слюсар В., Метаматериалы в антенной технике: история и основные принципы // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес №8. 2009. - с.66-70.
Рисунок 7. Изменение формы гауссова импульса для N =0,1; T=10-8 (слева) и N =5; T=0,5109 (справа)
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Валиуллина Алиня Айдаровна
Казанский Национальный Исследовательский Технологический Университет, студент 3 курса, г.Казань
Каратаев Оскар Робиндарович
Доцент - Кафедра «Машиноведения» КНИТУ, г.Казань
АННОТАЦИЯ
Рассмотрены виды резьбового соединения. Приведены примеры из истории, примеры соединений с помощью резьбовых деталей. Преимущества и недостатки резьбовых соединений. Использование резьбовых соединений в различных отраслях. Область применения резьбовых соединений.
ABSTRACT
Types of a threaded connection are considered. Examples from history, examples of connections with the help of carving details are given. Advantages and shortcomings of threaded connections. Use of threaded connections in various branches. Scope of threaded connections.
Ключевые слова: резьбовое соединение, болт, гайка, характеристика соединений.
Keywords: threaded connection, bolt and nut, characteristic of connections.
Резьбовое соединение является одной из разновидно- ния. К счастью, в период эпохи Ренессанса была изобретена стей крепежа. Тяжело представить себе, на каком этапе тех- резьба, которая заключается в нанесении на металлическую нологического прогресса находилось бы на данный момент поверхность выступов. Существует мнение, что подобные человечество, если бы не был придуман этот вид соедине- элементы были известны еще во времена Римской империи.
