авторефераты диссертаций www.x-pdf.ru
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
 

На правах рукописи

КОЛОДИН ПАВЕЛ СЕРГЕЕВИЧ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО КОРРЕКТИРУЕМЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ

МОДЕЛИ ГЕКСАФЕРРИТОВЫХ ГИРОМАГНИТНЫХ РЕЗОНАТОРОВ

Специальность 05.12.04

Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва, 2015

Работа выполнена на кафедре основ радиотехники ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»

Научный руководитель:

Поллак Борис Павлович,

кандидат технических наук, доцент,

доцент кафедры основ радиотехники

ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»

Официальные оппоненты:

Поляков Петр Александрович,

доктор физико-математических наук, профессор,

профессор кафедры общей физики

физического факультета ФГБОУ ВО

«Московский государственный университет

имени М.В. Ломоносова»

Семенов Михаил Гаврилович,

кандидат технических наук,

начальник сектора «Ферритовые развязывающие

приборы» АО «Научно-производственное

предприятие «Исток» имени А.И. Шокина»

Ведущая организация:

АО «Научно-исследовательский институт

«Феррит-Домен» (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится 19 ноября 2015 г. в 15:00 на заседании диссертационного

совета Д 212.157.05 при ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» по адресу 111250, г. Москва,

ул. Красноказарменная, д. 17, аудитория А-402.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по ад-

ресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет ФГБОУ ВО

«НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВО

«НИУ «МЭИ» (www.mpei.ru).

Автореферат разослан «

» октября 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.05

кандидат технических наук, доцент

Р.С. Куликов

2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Освоение коротковолновой части миллиметрового диапазона является од-

ной из решаемых в настоящее время задач радиотехники. В нашей стране акту-

альность этой задачи обусловлена перспективами, которые открывает применение

миллиметровых волн для повышения обороноспособности и для развития таких

отраслей народного хозяйства, как связь, наука и здравоохранение. Решение этой

задачи включает в себя создание различных устройств, в т.ч. гиромагнитных: вен-

тилей, полосовых фильтров, циркуляторов и др.

При создании таких устройств в миллиметровом диапазоне широкое рас-

пространение получили гексаферритовые гиромагнитные резонаторы – образцы

гексаферритовых материалов различной геометрической формы, работающие в

условиях гиромагнитного резонанса. В настоящее время существует большое ко-

личество материалов, отличающихся друг от друга по своим магнитным свойст-

вам, и продолжают появляться новые. Очевидно, что для эффективного примене-

ния гексаферритовых гиромагнитных резонаторов и для создания устройств с

требуемыми техническими характеристиками необходимо знать характеристики и

основные параметры материалов, а в случае новых, еще не достаточно изученных

материалов – уметь их исследовать. Оперативное исследование резонансных ха-

рактеристик необходимо также и для развития технологии изготовления самих

гиромагнитных материалов. Таким образом, исследование гексаферритовых ги-

ромагнитных резонаторов является одной из актуальных задач современной ра-

диотехники.

Хорошо известно, что исследовательская работа включает в себя не только

проведение физического эксперимента с целью измерения характеристик объекта,

но и обработку полученных данных, выполнение расчетов по теоретическим (ма-

тематическим) моделям, а также сопоставление результатов измерения и расчета.

Таким образом, наличие математической модели гексаферритового гиромагнит-

ного резонатора является одним из необходимых условий для выполнения иссле-

дований гексаферритовых материалов.

Следует отметить, что интенсивное и систематическое исследование ферри-

товых и гексаферритовых материалов в мире осуществляется уже более 60 лет. За

это время ощутимый вклад в экспериментальные исследования и разработку тео-

рии резонансных свойств ферритов и гексаферритов внесли различные коллекти-

вы из Европы, США, Японии и Китая. Широко известны «классические» работы

таких ученых, как J. L. Snoek, L. Neel, E. C. Stoner, E. P. Wohlfarth, C. Kittel,

D. Polder, M. T. Weiss, J. Smit, H. P. J. Wijn, H. Suhl, E. Schloemann, B. Lax,

K. J. Button и др. В нашей стране целенаправленное исследование ферритовых ма-

териалов началось в конце 40-х – начале 50-х гг. прошлого века. К работе в этом

направлении подключились различные институты и лаборатории, сформировав-

3

шие впоследствии ведущие научные школы в Москве (НПП «Исток» им. Шокина,

физический

факультет

МГУ

им. М. В. Ломоносова,

ОПЛФ,

ИРЭ

им.

В. А. Котельникова РАН), Санкт-Петербурге (НИИ «Феррит-Домен», АО «Завод

Магнетон», СПбГУТ им. проф. Бонч-Бруевича и СПбГЭТУ «ЛЭТИ» им.

В. И. Ульянова (Ленина)), на Урале (ИФМК УНЦ РАН) и в Сибири (ТГУ, Инсти-

тут физики им. Л. В. Киренского СО РАН). Работа этих научных коллективов и

школ привела к появлению различных гиромагнитных материалов и устройств,

созданию их теоретических моделей и выработке методик их экспериментального

исследования.

Однако физический эксперимент на миллиметровых волнах дорог и трудо-

емок, а математические модели громоздки, поэтому эффективные исследования

гексаферритовых гиромагнитных материалов немыслимы без автоматизации (пе-

реложения с человека на компьютер) всех частей исследовательского процесса:

физического эксперимента, обработки данных, расчета по модели и сопоставле-

ния результатов эксперимента и моделирования. При этом на рабочем месте ис-

следователя должна существовать тесная связь (интеграция) экспериментальной и

расчетной баз, в противном случае сопоставление результатов эксперимента и

расчета будет затруднено, а сами исследования – малоэффективны.

На современном рынке практически отсутствуют подходящие для этого

предложения. Продукцию подавляющего большинства производителей можно

четко разделить на не связанные между собой категории «автоматизированная

измерительная техника» и «пакеты электродинамического моделирования», по-

этому даже широкие финансовые возможности, позволяющие приобрести дорого-

стоящие оборудование и программное обеспечение, не решают вопроса интегра-

ции физического эксперимента и компьютерного моделирования.

Актуальность проведения исследовательской работы и отсутствие готовых

решений определили основное направление и цель диссертационной работы. Це-

лью работы является создание аппаратно-программного комплекса, предназна-

ченного для автоматизированного исследования гексаферритовых гиромагнитных

резонаторов. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие за-

дачи:

провести обзор литературы по теории гиромагнитного резонанса в гекса-

ферритовых материалах и методам их экспериментального исследования;

разработать алгоритмы и программное обеспечение для расчета характе-

ристик гиромагнитных резонаторов на основе гексаферритового монокристалла и

гексаферритового поликристаллического материала;

провести проверку результатов моделирования;

провести компьютерную автоматизацию лабораторных установок для из-

мерения основных характеристик гексаферритовых гиромагнитных резонаторов;

4

провести интеграцию автоматизированного физического эксперимента и

компьютерного моделирования;

провести апробацию разработанного комплекса.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Для разработки компьютерных моделей гексаферритовых гиромагнитных

резонаторов предложено использовать метод имитационного моделирования.

2. Для обеспечения возможности расчета тензоров магнитной восприимчи-

вости и магнитной проницаемости произвольно ориентированного однодоменно-

го кристалла (частицы в форме эллипсоида вращения) магнитно-одноосного гек-

саферрита в любой точке петли гистерезиса

предложен метод решения статической задачи, отличающийся учетом на-

чального состояния (направления поля анизотропии) кристалла;

разработаны алгоритмы расчета кривых перемагничивания и петель маг-

нитного гистерезиса, отличающиеся учетом магнитной предыстории.

3. Для обеспечения возможности моделирования произвольно намагничен-

ного гиромагнитного резонатора на основе гексаферритового поликристалличе-

ского материала

предложен метод решения статической задачи для ансамбля невзаимо-

действующих произвольно ориентированных однодоменных частиц магнитно-

одноосного гексаферрита, отличающийся учетом начального состояния каждой

частицы в материале;

разработан алгоритм расчета кривых перемагничивания, отличающийся

учетом магнитной предыстории каждой частицы в материале; на его основе раз-

работан алгоритм расчета произвольных (как предельных, так и любых частных)

петель магнитного гистерезиса;

предложен имитационный метод расчета тензоров магнитной восприим-

чивости и магнитной проницаемости материала, отличающийся учетом двух воз-

можных направлений поля анизотропии каждой частицы.

4. Разработана компьютерная модель гиромагнитного резонатора на основе

гексаферритового поликристаллического материала, обобщенная на случай про-

извольно намагниченного и произвольно ориентированного материала с произ-

вольным качеством текстуры.

Теоретическая значимость работы заключается в следующем:

разработана компьютерная модель гиромагнитного резонатора на основе

гексаферритового поликристаллического материала, позволяющая обобщить су-

ществующую приближенную теорию ферромагнитного резонанса на случай про-

извольно намагниченного и произвольно ориентированного материала с произ-

вольным качеством текстуры;

5

разработаны методы и алгоритмы, открывающие путь для создания

обобщенной компьютерной модели многокомпонентного композиционного мате-

риала на основе частиц гексаферрита.

Практическая значимость работы заключается

в создании автоматизированных установок для экспериментального ис-

следования полевых и частотных характеристик гиромагнитных материалов и

устройств в диапазонах частот от 8 до 80 ГГц;

в разработке компьютерных моделей, которые могут быть использованы

для расчета и компьютерного проектирования устройств сверхвысоких и крайне

высоких частот (КВЧ), содержащих гексаферритовые гиромагнитные резонаторы;

в интеграции измерительной и расчетной частей программного обеспече-

ния, позволяющей проводить автоматизированное исследование гексаферритовых

гиромагнитных резонаторов.

Результаты работы используются в учебном процессе кафедры основ радио-

техники ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ», что подтверждено актом о внедрении.

При решении указанных задач в работе использовались следующие извест-

ные методы:

метод Ньютона и метод простой итерации при разработке алгоритма чис-

ленного решения статической задачи для однодоменного кристалла гексаферрита;

метод имитационного моделирования при разработке компьютерных мо-

делей гексаферритовых гиромагнитных резонаторов;

метод функционального преобразования случайной величины при полу-

чении псевдослучайных последовательностей с требуемыми законами распреде-

ления;

метод наименьших квадратов при определении параметров модели, обес-

печивающих наилучшую аппроксимацию экспериментальных данных;

метод Левенберга-Марквардта при поиске координат минимума функции

нескольких переменных;

метод автоматизированного физического эксперимента при измерении

полевых и частотных характеристик исследуемых резонаторов;

метод экспериментально корректируемых математических моделей при

исследовании гексаферритовых гиромагнитных резонаторов.

Положения и основные результаты диссертационной работы, выносимые

на защиту:

метод решения статической задачи с учетом начального состояния частиц

и разработанные на его основе алгоритмы позволяют рассчитывать предельную и

частные петли гистерезиса поликристаллического материала при произвольных

значениях параметров, описывающих качество текстуры, разброс частиц по зна-

чению поля анизотропии и пространственную ориентацию материала во внешнем

поле;

6

имитационный метод, учитывающий два возможных направления поля

анизотропии каждой частицы, позволяет рассчитывать тензоры магнитной вос-

приимчивости и магнитной проницаемости гиромагнитного резонатора на основе

гексаферритового поликристаллического материала в любой точке произвольной

петли гистерезиса;

проведен расчет высокочастотных характеристик гиромагнитного резона-

тора на основе гексаферритового поликристаллического материала при измене-

нии положения рабочей точки на петлях гистерезиса, качества текстуры материа-

ла и его пространственной ориентации;

имитационная компьютерная модель гиромагнитного резонатора на осно-

ве гексаферритового поликристаллического материала позволяет обобщить суще-

ствующую приближенную теорию ферромагнитного резонанса (существующую

математическую модель) на случай произвольно ориентированного и произвольно

намагниченного материала с произвольным качеством текстуры;

компьютеризованные лабораторные установки позволяют проводить ав-

томатизированное экспериментальное исследование полевых и частотных харак-

теристик гиромагнитных материалов и устройств в диапазонах частот от 8 до

80 ГГц;

результаты исследования тестовых образцов по методу экспериментально

корректируемых математических моделей согласуются с результатами, получен-

ными обработкой экспериментальных данных «традиционным» методом, и с ре-

зультатами независимых исследований.

Достоверность результатов расчета обусловлена использованием при раз-

работке компьютерных моделей апробированных теоретических представлений и

методов и подтверждена хорошим соответствием известным теоретическим ре-

зультатам и экспериментальным данным.

Основные результаты диссертационной работы были представлены на

17-й, 18-й, 19-й и 20-й международных научно-технических конференциях сту-

дентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва,

2011 – 2014 гг.), на XIX, XX, XXI и XXII международных конференциях «Элек-

тромагнитное поле и материалы» (Москва-Фирсановка, 2011 г.; Москва 2012 –

2014 гг.), на I и II Всероссийских микроволновых конференциях (Москва, 2013,

2014 гг.), на XXI и XXII международных заочных научно-практических конфе-

ренциях «Научная дискуссия: вопросы технических наук» (Москва, 2014 г.). Все-

го по теме диссертации опубликовано 18 работ, среди которых 4 статьи в науч-

ных изданиях из перечня ВАК и 14 публикаций в сборниках трудов конференций.

Диссертация состоит из титульного листа, оглавления, введения, четырех

глав, заключения, списка литературы из 149 наименований и приложения. Работа

содержит 197 страниц, 107 рисунков и 4 таблицы.

7

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы исследования, кратко изложе-

но современное состояние вопроса, сформулированы цель и задачи работы, пере-

числены использованные для их решения методы, указаны научная новизна и

значимость диссертационной работы, а также положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена разработке компьютерной модели гиромагнитно-

го резонатора на основе однодоменного кристалла магнитно-одноосного гекса-

феррита. Представлены результаты обзора литературы по теории ферромагнитно-

го резонанса (ФМР) в однодоменном кристалле гексаферрита, предложена новая

(имитационная) методика решения статической задачи и расчета основных магни-

тостатических характеристик, разработаны алгоритмы расчета высокочастотных

характеристик резонатора.

Одним из главных факторов, влияющих на ФМР в кристалле гексаферрита,

является магнитная анизотропия. В литературе для учета магнитной анизотропии

часто используют представление о внутреннем эффективном магнитном поле –

поле анизотропии. Поле анизотропии магнитно-одноосного кристалла и частицы

в форме эллипсоида вращения, ось симметрии которого совпадает с гексагональ-

ной осью, можно представить в виде1:

(1)

где HA1, HA2 – первая и вторая константы поля анизотропии, c – орт условно-

положительного направления гексагональной оси, – угол отклонения вектора

намагниченности от c (рис.1).

Рис. 1. К пояснению основных геометрических обозначений

Поскольку свойства кристалла гексаферрита на КВЧ зависят от внешнего

постоянного магнитного поля, перед расчетом резонансных характеристик необ-

ходимо решить статическую задачу – определить направление вектора статиче-

ской намагниченности M0 . Из-за двух возможных направлений поля анизотропии

(1) направление вектора статической намагниченности в общем случае определя-

ется неоднозначно и характеризуется гистерезисом.

HAHA1  HA2 sin2  cosc ,

1

Pollak B. P., Hanamirow A. E., Korneew I. W. Mono- und polykristalline hexagonale Ferrite als Materialien fuer

Resonanzeinrichtungen in der Mikrowellentechnik // Nachrichtentechnik Elektronik. 1976. B. 26. H. 7. S. 245–250.

8

x



где x = cos θ0, А1 = НА1/Н0, А2 = НА2/Н0. При произвольных значениях параметров Θ,

А1 и А2 это уравнение имеет либо один, либо два корня, соответствующих устой-

чивым положениям вектора статической намагниченности. Если корней два, то

они имеют разные знаки, что соответствует разным направлениям поля анизотро-

пии. В тех случаях, когда неоднозначность решения недопустима, из двух корней

уравнения (2) автором предложено оставить один, выбрав его на основе информа-

ции о начальном направлении поля анизотропии. Таким способом можно учесть

магнитную предысторию системы «кристалл – внешнее поле», что позволяет

имитировать перемагничивание кристалла при произвольном изменении внешне-

го магнитного поля. Такая имитация, для однодоменного кристалла приводящая к

тем же самым результатам, что и метод Стонера и Вольфарта (рис. 2), существен-

но упрощает решение статической задачи для гексаферритового поликристалли-

ческого материала.

Рис. 2. Нормированные петли гистерезиса при HA2 = 0, Θ = 0°, 10°, 45°, 80°, 90°

(слева – расчет Стонера и Вольфарта,

справа – результаты компьютерного моделирования)

Знание направления вектора M0 позволяет рассчитать реакцию кристалла на

поле КВЧ. Основой для такого расчета является уравнение Ландау-Лифшица. Со-

гласно этому уравнению, изменение внешнего магнитного поля вызывает в кри-

сталле переходный процесс в виде затухающей прецессии вектора намагниченно-

9

Известные из литературы методы не могут быть использованы в компью-

терной модели: предложенный Стонером и Вольфартом параметрический метод

расчета петель гистерезиса не приспособлен для решения прямой статической за-

дачи, а итерационный алгоритм1 не всегда обладает сходимостью и не учитывает

двух возможных направлений поля анизотропии.

При решении статической задачи автором получено трансцендентное урав-

нение:

A1  A2  1 x2  x  cos

,

(2)

2

A1  A2  1 x2  x  2 A1  A2  1 x2  xcos 1

сти вокруг нового статического положения. Если напряженность внешнего поля

периодически меняется по гармоническому закону, то при определенной поляри-

зации поля и на определенных частотах затухание прецессии может быть ском-

пенсировано за счет энергии этого поля. В этом случае может наблюдаться явле-

ние ФМР, приводящее к интенсивному поглощению кристаллом энергии элек-

тромагнитного поля.

При малой амплитуде внешнего поля из уравнения Ландау-Лифшица можно

получить тензор магнитной восприимчивости , связывающий векторы перемен-

ной напряженности и переменной намагниченности. В компьютерной модели для

расчета компонент тензора использованы выражения1. Компоненты тензора име-

ют резонансный характер зависимости от частоты переменного и от напряженно-

сти постоянного магнитного поля; для моделирования резонансных характери-

стик разработаны алгоритмы компьютерных процедур и создано программное

обеспечение. Проведен расчет характеристик при варьировании различных пара-

метров модели. Проведено сопоставление результатов компьютерного моделиро-

вания с известными теоретическими результатами (с кривыми Вейсса (рис. 3) и с

законом Снука).

Рис. 3. К сравнению расчета частотных характеристик кристалла при изменении напряженности

постоянного поля (справа) с кривыми Вейсса (слева)

Вторая глава посвящена разработке компьютерной модели гиромагнитного

резонатора на основе гексаферритового поликристаллического материала. Пред-

ставлены результаты обзора литературы по теории ФМР в гексаферритовом по-

ликристаллическом материале, предложены имитационные методики расчета

магнитостатических характеристик и тензорных параметров, разработаны алго-

ритмы расчета высокочастотных характеристик резонатора.

Поликристаллический материал представляет собой конгломерат большого

количества частиц. Неидентичность частиц по форме, размерам и пространствен-

ной ориентации приводит к отличию свойств поликристаллических материалов от

свойств монокристаллов аналогичного химического состава. При теоретическом

анализе неидентичность значений геометрических и других параметров частиц

описывают с применением аппарата теории вероятностей.

10

В литературе решение статической задачи и расчет тензора магнитной вос-

приимчивости материала обычно проводят путем усреднения вектора M0 и тензо-

ра монокристаллической частицы гексаферрита по всем возможным направле-

ниям гексагональной оси. Однако такой способ расчета не является универсаль-

ным и потому не используется для создания компьютерной модели. При разра-

ботке компьютерной модели применяется метод имитационного моделирования,

поскольку поликристаллический материал является системой большого числа

элементов-частиц. Моделью материала является ансамбль виртуальных частиц.

Перед расчетом характеристик ансамбля его необходимо инициализировать

– присвоить параметрам виртуальных частиц конкретные числовые значения; при

этом для учета особенностей структуры реальных материалов виртуальные час-

тицы должны обладать случайными значениями параметров, отвечающих за про-

странственную ориентацию, форму и размеры. С этой целью разработаны алго-

ритмы и компьютерные процедуры для формирования псевдослучайных последо-

вательностей с законами распределения, используемыми при описании зернистой

структуры поликристаллических материалов.

Поскольку применяемые в коротковолновой части миллиметрового диапа-

зона гексаферритовые поликристаллические материалы обычно характеризуются

высоким полем анизотропии и низкой намагниченностью насыщения, частицы в

них довольно слабо связаны друг с другом. По этой причине решение статической

задачи и расчет тензорных параметров материала в компьютерной модели осуще-

ствляется в приближении независимых зерен.

Расчет статической намагниченности M0 поликристаллического материала

осуществляется по формуле

M0  ρ

M0

k,

(3)

k

kk

где ρ – относительная плотность материала, M0 – вектор статической намагни-

k

ченности k-й частицы, Vk

– объем k-й частицы. При решении статической задачи

для каждой частицы используется методика из главы 1. Благодаря учету двух

возможных направлений поля анизотропии каждой частицы, расчет по (3) позво-

ляет найти направление вектора статической намагниченности материала в любой

точке как предельной, так и частной петли гистерезиса.

На основе такого метода решения статической задачи разработан алгоритм

расчета кривых перемагничивания, в котором при решении статической задачи

для каждого нового значения напряженности поля используется информация о

магнитной предыстории каждой частицы в поликристаллическом материале. Это

позволяет рассчитывать кривые перемагничивания, относящиеся не только к пре-

дельной, но и к произвольной частной петле гистерезиса; при этом ориентация

материала и качество текстуры могут быть любыми (рис. 4).

11

V

V

k

(4)

(5)

где Е – единичная матрица.

На основе этих формул разработаны алгоритмы расчета резонансных харак-

теристик материала. Проведен расчет характеристик при изменении различных

параметров модели (например, при изменении положения рабочей точки на пет-

лях гистерезиса (рис. 5)); проведено сопоставление результатов моделирования с

известными теоретическими результатами.

Рис. 5. К расчету резонансных характеристик произвольно намагниченного материала

Третья глава посвящена компьютерной автоматизации лабораторных ус-

тановок для исследования гексаферритовых гиромагнитных резонаторов. Пред-

ставлены результаты обзора литературы, посвященной методам эксперименталь-

ного исследования гексаферритовых гиромагнитных резонаторов. Составлены ал-

горитмы и разработано программное обеспечение для автоматизации физического

12

Рис. 4. Расчет частной и предельной петель гистерезиса при ориентации оси текстуры материа-

ла по направлению внешнего полю (слева) и при отклонении оси текстуры на угол 60° (справа)

Знание вектора статической намагниченности в любой точке петли гистере-

зиса позволяет рассчитать тензорные магнитные параметры произвольно намаг-

ниченного материала. Восприимчивость χ и проницаемость μ материала рассчи-

тываются по формулам

χ  ρ

χk

k,

kk

V

V

k

μ E χ ,

эксперимента и для компьютерного моделирования прямоугольного металличе-

ского волновода с гексаферритовым гиромагнитным резонатором; проведена ин-

теграция расчетной и измерительной частей программного обеспечения.

При исследовании гексаферритовых гиромагнитных резонаторов наиболее

информативными считаются их частотные (зависимость от частоты переменного

поля) и полевые (зависимость от напряженности постоянного поля) характери-

стики. Исследование резонаторов обычно проводят с использованием прямо-

угольных металлических волноводов.

Основу лабораторной установки для измерения частотных характеристик

составляет панорамный измеритель КСВН и ослабления. Этот прибор формирует

электромагнитное колебание с перестраиваемой частотой и измеряет уровень его

мощности в тракте с исследуемым объектом. Частотная характеристика высвечи-

вается на экране прибора; измерение координат ее точек осуществляется вруч-

ную, при помощи индикаторной метки.

Для автоматизации измерений к прибору подключается компьютер (рис. 6).

Рис. 6. Структурная схема автоматизированной установки

для измерения частотных характеристик

В процессе работы на специальном разъеме измерителя формируются сиг-

налы, несущие информацию о частотной характеристике. Эти сигналы синхронно

оцифровываются устройством сопряжения и передаются в компьютер. Для изме-

рения и обработки сигналов разработано программное обеспечение; после обра-

ботки на экране компьютера можно наблюдать характеристику, подобную изо-

бражению на экране панорамного измерителя, но уже целиком проградуирован-

ную по осям абсцисс и ординат (рис. 7).

Рис. 7. К сопоставлению изображений на экране панорамного измерителя (слева) и компьютера

(справа)

13

При измерении полевой характеристики частота колебания остается посто-

янной, а изменение магнитных параметров резонатора осуществляется перестрой-

кой внешнего магнитного поля. При изменении поля меняется частота ФМР и, как

следствие, интенсивность поглощения колебания. Напряженность поля и мощ-

ность колебания фиксируются приборами.

Для автоматизации эксперимента к установке подключается компьютер

(рис. 8).

Рис. 8. Схема автоматизированной установки для измерения полевых характеристик

(Ген. – генератор колебания, Ат-р – аттенюатор, ТИМ – термисторный измеритель мощности,

ИМП – измеритель магнитного поля, ИП – источник питания, ПК – персональный компьютер,

УС – устройство сопряжения)

При помощи разработанного программного обеспечения компьютер осуще-

ствляет управление источником питания электромагнита, а также считывание и

обработку сигналов с измерительных приборов. Измеренная характеристика вы-

водится на экран.

Автоматизация лабораторных установок позволяет повысить скорость вы-

полнения физического эксперимента. Для обеспечения возможности сопоставле-

ния результатов физического эксперимента и компьютерного моделирования про-

ведена интеграция измерительной и расчетной частей программного обеспечения.

При этом расчетная часть дополнена математическими моделями В. Г. Калины,

Б. Лакса и К. Баттона, преобразующими тензорные параметры резонатора в коэф-

фициент прохождения волноводного тракта. Это позволяет наблюдать расчетную

и измеренную характеристики на одном графике, сравнивать их и корректировать

параметры модели на основе экспериментальных данных.

Четвертая глава посвящена экспериментальной проверке результатов мо-

делирования и апробации созданного аппаратно-программного комплекса.

Для проверки компьютерной модели проведено сопоставление результатов

моделирования с известными экспериментальными данными. При этом основное

внимание уделено высококоэрцитивным материалам, представляющим практиче-

ский интерес для изготовления малогабаритных устройств КВЧ (рис. 9).

14

Рис. 9. Примеры сопоставления результатов эксперимента и расчета

частотных характеристик резонансного вентиля (а) и полевых характеристик Н-пластины (б)

По результатам сопоставления сделан вывод о качественном и количествен-

ном соответствии результатов моделирования экспериментальным данным на

частотах выше и в небольшой окрестности (до 10%) ниже частоты естественного

резонанса. Таким образом, в определенных условиях компьютерная модель впол-

не адекватна реальным гексаферритовым гиромагнитным резонаторам и может

быть применена для их исследования.

Для подтверждения такой возможности проведено исследование образцов

из материала марки 05СЧА4В в 6-мм диапазоне (рис. 10).

Рис. 10. Сопоставление результатов эксперимента и моделирования при исследовании материа-

ла 05СЧА4В

15

На основе экспериментальных данных проведен подбор параметров модели,

обеспечивающих хорошую аппроксимацию семейства измеренных характеристик

на разных частотах. Полученные таким способом значения параметров модели

хорошо согласуются с результатами обработки данных «традиционным» методом

и с результатами независимых исследований, что позволяет сделать вывод о дос-

товерности полученных результатов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Разработана компьютерная модель гиромагнитного резонатора на основе

однодоменного монокристалла гексаферрита. Модель отличается имитационной

методикой решения статической задачи и расчета основных магнитостатических

характеристик. Модель позволяет рассчитывать петли гистерезиса однодоменного

кристалла гексаферрита при произвольной ориентации гексагональной оси во

внешнем магнитном поле. В любой точке петли гистерезиса модель позволяет

рассчитать (в линейном приближении, при малых потерях) тензоры магнитной

восприимчивости и магнитной проницаемости, а также зависимости их компо-

нент от напряженности постоянного и частоты переменного магнитных полей.

Модель может быть использована для исследования гексаферритовых монокри-

сталлов и частиц, а также для расчета и компьютерного проектирования уст-

ройств КВЧ на их основе.

При создании компьютерной модели автором

предложен новый метод решения статической задачи, отличающийся от

известных методов учетом начального состояния (направления поля анизотропии)

кристалла;

разработаны алгоритмы расчета кривых перемагничивания и петель маг-

нитного гистерезиса, отличающиеся от известных аналогов учетом магнитной

предыстории;

разработаны алгоритм расчета тензоров магнитной восприимчивости и

магнитной проницаемости в любой точке петли гистерезиса и алгоритмы расчета

резонансных (частотных и полевых) характеристик;

разработано программное обеспечение для компьютерного моделирова-

ния;

проведено сопоставление результатов компьютерного моделирования с

известными теоретическими результатами; установлено, что в рассмотренных

случаях результаты компьютерного моделирования соответствуют известным ре-

зультатам.

2. Разработана компьютерная модель гиромагнитного резонатора на основе

гексаферритового поликристаллического материала. Модель отличается имита-

16

ционными методиками учета зернистой структуры, расчета основных магнитоста-

тических характеристик и тензорных магнитных параметров. Модель позволяет

рассчитывать (в приближении независимых однодоменных частиц) произвольные

(как предельные, так и любые частные) петли гистерезиса при произвольном ка-

честве текстуры материала и произвольной ориентации оси текстуры во внешнем

поле. В любой точке петли модель позволяет рассчитывать тензоры магнитной

восприимчивости и магнитной проницаемости материала, а также зависимости их

компонент от напряженности постоянного и частоты переменного магнитных по-

лей. Модель может быть использована для исследования гексаферритовых поли-

кристаллических материалов, а также для расчета и проектирования устройств

КВЧ на их основе.

При создании компьютерной модели автором

разработаны алгоритмы для формирования псевдослучайных последова-

тельностей с законами распределения, используемыми в теоретических работах

для описания текстуры гексаферритовых поликристаллических материалов;

предложен метод решения статической задачи для ансамбля невзаимо-

действующих произвольно ориентированных однодоменных частиц магнитно-

одноосного гексаферрита, отличающийся от известных аналогов учетом началь-

ного состояния каждой частицы;

разработан алгоритм расчета кривых перемагничивания, отличающийся

учетом магнитной предыстории каждой частицы в материале; на его основе раз-

работан алгоритм расчета произвольных (как предельных, так и любых частных)

петель гистерезиса;

предложен имитационный метод расчета тензоров магнитной восприим-

чивости и магнитной проницаемости материала, отличающийся учетом двух воз-

можных направлений поля анизотропии каждой частицы и позволяющий рассчи-

тывать тензоры в любой точке произвольной петли гистерезиса; на основе этого

метода разработаны алгоритмы расчета резонансных (частотных и полевых) ха-

рактеристик материала;

разработано программное обеспечение для компьютерного моделирова-

ния;

проведен расчет резонансных характеристик гексаферритового поликри-

сталлического материала в различных точках петель гистерезиса, при варьирова-

нии качества текстуры материала и его ориентации во внешнем поле;

проведено сопоставление результатов компьютерного моделирования с

известными теоретическими результатами; установлено, что в рассмотренных

случаях результаты компьютерного моделирования соответствуют известным ре-

зультатам.

3. Проведена компьютерная автоматизация лабораторных установок для ис-

следования гексаферритовых гиромагнитных резонаторов. Компьютеризованные

17

лабораторные установки отличаются возможностью проведения автоматизиро-

ванного физического эксперимента при измерении частотных и полевых характе-

ристик в диапазонах частот от 8 до 80 ГГц, выполнения расчета по известным ма-

тематическим моделям прямоугольных волноводов, содержащих гексаферрито-

вые гиромагнитные резонаторы, и сопоставления результатов измерения и расче-

та для коррекции параметров модели. Компьютеризованные лабораторные уста-

новки позволяют проводить исследования гексаферритовых гиромагнитных резо-

наторов, сочетая методы автоматизированного физического эксперимента и ком-

пьютерного моделирования.

При работе над установками автором

разработано программное обеспечение для автоматизации процессов из-

мерения основных (частотных и полевых) характеристик гексаферритовых гиро-

магнитных резонаторов;

программно реализованы известные математические модели прямоуголь-

ных металлических волноводов, содержащих гексаферритовые гиромагнитные

резонаторы в форме малого эллипсоида и в форме тонкой пластины;

проведена интеграция измерительной и расчетной частей программного

обеспечения.

4. Проведена экспериментальная проверка компьютерной модели гиромаг-

нитного резонатора на основе гексаферритового поликристаллического материа-

ла:

проведено сопоставление результатов компьютерного моделирования с

известными экспериментальными данными. Установлено, что на частотах выше

частоты естественного резонанса расчеты по компьютерной модели хорошо со-

гласуются с результатами эксперимента. Установлено, что для высококоэрцитив-

ных материалов результаты моделирования согласуются с экспериментальными

данными в некотором диапазоне частот (до 10%) ниже частоты естественного ре-

зонанса;

проведена апробация разработанного аппаратно-программного комплекса

в реальных исследованиях. Установлено, что результаты исследования тестовых

образцов по методу экспериментально корректируемых математических моделей

согласуются с результатами, полученными обработкой экспериментальных дан-

ных «традиционным» методом, и с результатами независимых исследований.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Колодин П. С. Алгоритм расчета кривых перемагничивания одно-

доменной частицы гексаферрита // Журнал радиоэлектроники: электронный

журнал. 2013. № 8. URL: http://jre.cplire.ru/jre/aug13/14/text .pdf (дата обращения:

17.09.2013).

18

2. Учебно-лабораторный комплекс для автоматизированного исследо-

вания электрических

цепей и сигналов /

Б. П. Поллак, Л. И. Пейч,

Ю. К. Смирнов, Д. А. Точилин, П. С. Колодин // Вестник МЭИ. 2013. № 5.

С. 93–97.

3. Колодин П. С., Поллак Б. П., Раков А. В. Имитационная компью-

терная модель гиромагнитного материала на основе частиц гексаферрита //

Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. 2014. № 3. URL:

http://jre.cplire.ru/jre/mar14/6/text .pdf (дата обращения: 03.04.2014).

4. Автоматизация исследований гиромагнитных материалов и уст-

ройств в диапазоне крайне высоких частот / П. С. Колодин, Б. П. Поллак,

В. С. Фланден, А. В. Раков // Вестник МЭИ. 2014. № 1. С. 59–63.

5. Колодин П. С., Точилин Д. А., Поллак Б. П. Развитие математическо-

го моделирования в системе автоматизированного физического эксперимента //

Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Семнадцатая междунар. науч.-

техн. конф. студентов и аспирантов : тез. докл. В 3 т. Т. 1. М.: Издательский дом

МЭИ, 2011. С. 12–13.

6. Колодин П. С. Развитие метода экспериментально корректируемых ма-

тематических моделей в системе автоматизированного физического эксперимента

// Сб. тр. XIX междунар. конф. «Электромагнитное поле и материалы». М.: Аль-

янсинвест, 2011. С. 429–440.

7. Колодин П. С., Точилин Д. А., Поллак Б. П. Наращивание возможно-

стей компьютерного лабораторного комплекса для исследования радиотехниче-

ских цепей и сигналов // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Восем-

надцатая междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов : тез. докл. В 4 т. Т.

1. М.: Издательский дом МЭИ, 2012. С. 9.

8.

Поллак Б. П., Колодин П. С., Фланден В. С. Новая версия измери-

тельной части программного обеспечения системы для автоматизированного ис-

следования гиромагнитных материалов и устройств диапазона СВЧ // Сб. тр. XX

междунар. конф. «Электромагнитное поле и материалы». М.: Альянсинвест, 2012.

С. 477–491.

9. Колодин П. С., Фланден В. С., Поллак Б. П. Обобщенная математиче-

ская модель гиромагнитного материала на основе частиц гексаферрита // Радио-

электроника, электротехника и энергетика: Девятнадцатая междунар. науч.-техн.

конф. студентов и аспирантов : тез. докл. В 4 т. Т. 1. М.: Издательский дом МЭИ,

2013. С. 8.

10. Колодин П. С. Способы формирования псевдослучайных последова-

тельностей для имитации неодинаковой пространственной ориентации частиц в

компьютерной модели поликристаллического гексаферритового материала // Сб.

тр. XXI междунар. конф. «Электромагнитное поле и материалы (фундаменталь-

ные физические исследования)». М.: РПЦ Офорт, 2013. С. 463–482.

19

11. Колодин П. С., Поллак Б. П. Алгоритм расчета кривых перемагничи-

вания ансамбля однодоменных частиц гексаферрита // Там же. С. 483–500.

12. Колодин П. С., Поллак Б. П. Вероятностная компьютерная модель ги-

ромагнитного материала на основе частиц гексаферрита // Сб. докл. I Всероссий-

ской микроволновой конференции. М.: Изд-во ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН,

2013. С. 54–58.

13. Колодин П. С., Поллак Б. П. Экспериментальная проверка вероятност-

ной компьютерной модели гиромагнитного материала на основе частиц гексафер-

рита // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Двадцатая междунар. на-

уч.-техн. конф. студентов и аспирантов (27–28 февраля 2014 г., Москва) : тез.

докл. В 4 т. Т. 1. М.: Издательский дом МЭИ, 2014. С. 16.

14. Колодин П. С., Поллак Б. П., Фланден В. С. Автоматизированная ла-

бораторная установка для исследования гиромагнитных материалов в трехсанти-

метровом диапазоне // Сб. статей по материалам XXI междунар. заочной научно-

практич. конф. «Научная дискуссия: вопросы технических наук». М.: Междуна-

родный центр науки и образования, 2014. С. 105–114.

15. Колодин П. С. К вопросу о применимости имитационной компьютер-

ной модели гиромагнитного материала на основе частиц гексаферрита // Сб. ста-

тей по материалам XXII междунар. заочной научно-практич. конф. «Научная дис-

куссия: вопросы технических наук». М.: Международный центр науки и образо-

вания, 2014. С. 65–74.

16. Колодин П. С., Поллак Б. П. Экспериментально корректируемая ком-

пьютерная модель гиромагнитного резонатора на основе гексаферритового поли-

кристаллического материала // Сб. тр. XXII междунар. конф. «Электромагнитное

поле и материалы (фундаментальные физические исследования)». М.: Техполи-

графцентр, 2014. С. 499–510. ISBN 978-5-94 385-119-3.

17. Колодин П. С., Поллак Б. П., Фланден В. С. Автоматизированный

комплекс для исследований гиромагнитных материалов и устройств диапазонов

сверхвысоких и крайне высоких частот // Там же. С. 516–524.

18. Колодин П. С., Фланден В. С., Поллак Б. П. Аппаратно-программный

комплекс для автоматизированного исследования гексаферритовых гиромагнит-

ных материалов и устройств в шестимиллиметровом диапазоне // Сб. докл. II Все-

российской микроволновой конференции. М.: Изд-во ИРЭ им. В. А. Котельникова

РАН, 2014. С. 57–62.

20



Похожие работы:

«Маслова Марина Валентиновна ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ТИТАНСОДЕРЖАЩИХ СОРБЕНТОВ ИЗ СФЕНОВОГО КОНЦЕНТРАТА Специальность 05.17.01 Технология неорганических веществ Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Апатиты 2015 Научный консультант: Официальные оппоненты: Ведущая организация: Герасимова Лидия Георгиевна, доктор технических наук, ИХТРЭМС КНЦ РАН, зав. сектором Блохин Александр Андреевич, доктор технических...»

«Новикова Анна Николаевна СЕТЕВАЯ ФОРМА ОРГАНИЗАЦИИ АРХИТЕКТУРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ 05.23.20 – Теория и история архитектуры, реставрация и реконструкция историко-архитектурного наследия А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени кандидата архитектуры Нижний Новгород – 2015 РАБОТА ВЫПОЛНЕНА В ФГБОУ ВПО КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Научный руководитель Крашенинников Алексей Валентинович доктор архитектуры, профессор...»

«ШИРИЯЗДАНОВ Рустэм Рафисович ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МОБИЛЬНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ПУТЕМ СОГЛАСОВАНИЯ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК С УСЛОВИЯМИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ Специальность 05.20.01 — Технологии и средства механизации сельского хозяйства Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Казань 2015 2 Работа выполнена на кафедре тракторы, автомобили и энергетические установки Федерального государственного бюджетного...»





 
© 2015 www.x-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

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.