21.11.2017

Поиск по сайту

 

  603950, Нижний Новгород, ул. Минина, д.24 Официальная почта: nntu@nntu.ru Факс: +7 (831) 436 94 75     English Instagram Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. АлексееваОфициальная группа ВКонтакте Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. АлексееваNizhny Novgorod State Technical UniversityТелеграмм-канал Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева

Научная деятельность кафедры компьютерных технологий в проектировании и производстве

















  • Введение
    •       На кафедре “Компьютерные технологии в проектировании и производстве” в течении двух десятилетий под руководством проф. Никулина С.М. проводились исследования по автоматизации и развитию методов микроволновых измерений параметров электронных компонентов, антенн и материалов.

           С 1979 по 1997 гг. коллективом сотрудников кафедры в составе Никулина С. М. , Петрова В.В., Лопаткина А.В., Салова А.Н., Блохина С.В. разработана серия анализаторов СВЧ цепей с двенадцатиполюсными рефлектометрами (ААЦ), предназначенных для измерения S-параметров взаимных и невзаимных СВЧ устройств (рис. 1.). Работа анализаторов основана на компьютерной обработке информации, получаемой от простейших датчиков мощности, за счет чего обеспечивается высокая точность измерения при сравнительно низкой стоимости. Разработанные приборы на частотный диапазон от 1 до 50 ГГц внедрены в НПП "Салют"(г. Н.Новгород) и ОКБ МЭИ (г. Москва).

      Ris1.jpg
      Рис.1 Внешний вид анализатора цепей

            В настоящее время Никулин С.М. с аспиранткой Садковой О.В. и студентами дипломниками разрабатывают математическое обеспечение, реализующее сквозное нормирование метрологических характеристик ААЦ, а доценты Петров В.В., Лопаткин А.В. и аспирант Пугин М.В. модернизируют аппаратурную часть анализатора с целью обеспечения панорамных измерений в реальном масштабе времени.

            В 1982-1987 гг. вопросами измерения параметров микрополосковых элементов СВЧ диапазона занимались Никулин С.М., Седельникова И.М., Петров В.В. (рис. 2.). Разработаны методы калибровки в полосковых СВЧ трактах, не требующие знания параметров материала подложки, методики и оснастка для измерения параметров многополюсных микрополосковых устройств.

      Ris2a2.jpg Ris2a1.jpg Ris2b.jpg
      а).
      б).
      в).
      Рис. 2. Измерение параметров многополюсных микрополосковых резистивных структур: а) измеряемые элементы;
      б) отражающие полосковые нагрузки, микроплата с исследуемым элементом;
      в) контактное устройство.
      Ris3.jpg
      Рис. 3. Контактное устройство для измерения параметров СВЧ транзисторов.

      В 1983-1985 гг. Никулин С.М., Салов А.Н., Седельникова И.М. разрабатывали аппаратурные и программные средства для измерения малосигнальных параметров СВЧ транзисторов, внедренные в установке РК4-55 в НПО “Салют” (г. Н.Новгород) (рис. 3.).

      В 1987-1988 гг. совместно с ОКБ МЭИ (г. Москва) Никулиным С.М., Петровым В.В., Лопаткиным А.В., Блохиным С.В. создан стенд для измерения амплитудно-фазового распределения поля в ближней зоне антенн сантиметрового диапазона волн.

      Доцентом Лопаткиным А.В. в 1995 году была разработана автоматизированная установка, реализующая резонансный метод измерений параметров материалов. В дальнейшем работа над установкой продолжена аспирантом М. Пугиным, которому удалось существенно улучшить его технические характеристики.

      С 1988 года Никулин С.М., Петров В.В., Лопаткин А.В., Блохин С.В., Абросимова Е.Б., Лабутин С.А., Кириченко А.Г., Лазарев А.Н., Чесноков С.В. ведут работы по созданию СВЧ влагомеров. Разработаны малогабаритные носимые приборы для экспресс измерения влажности горных пород, древесины, строительных материалов.

  • Анализаторы СВЧ цепей
    • Автоматический анализатор СВЧ цепей с двенадцатиполюсными рефлектометрами

      Автоматический анализатор позволяет проводить различные виды измерений (комплексных коэффициентов отражения оконечных нагрузок, параметры рассеяния четырехполюсников и многополюсников, антенные измерения, измерения электромагнитных параметров сред и т.п. ). Диапазон частот, в котором могут проводится измерения определяется используемым СВЧ оборудованием (генератором гармонических СВЧ колебаний и 12-полюсным рефлектометром). Структура рефлектометра проста, а требования к параметрам составляющих его элементов настолько низки, что реализация возможна практически в любом диапазоне длин волн: дециметровом, сантиметровом или миллиметровом.

      Структурная схема автоматического анализатора цепей с 12-полюсными рефлектометрами представлена на рис. 4. Он включает в себя СВЧ генератор гармонических колебаний, собственно 12-полюсные рефлектометры (один или несколько)(см.рис.5), многоканальный измеритель мощности и микро-ЭВМ для обработки поступающей информации.

      Ris4.gif
      Рис. 4. Структурная схема анализатора цепей.

      Ris5-1.jpg Ris5-3.jpg
      Ris5-2.jpg
      Рис. 5. Двенадцатиполюсные рефлектометры на различные частотные диапазоны.

      Управляющая программа работает в операционной среде Windows 3.1 или Windows 95 и предназначена для организации пользовательского интерфейса, управления аппаратурой и обработки данных. Главное окно программы, представлено на рис. 6.

      Ris6.gif
      Рис. 6. Пользовательский интерфейс анализатора цепей.

      Анализатор отличается высокими метрологическими характеристиками при сравнительно низкой стоимости. Это обусловлено тем, что основная обработка измерительной информации производится с помощью персонального компьютера, а погрешности изготовления измерительного тракта и временной дрейф параметров учитываются в процессе калибровки анализатора.

      Разработано большое количество вариантов измерительного тракта, предназначенных для использования в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн.

      Основные технические характеристики:
      Диапазоны частот, ГГц: 1,7 … 2,5; 8,2 … 12; 37 … 52 *
      Измеряемые параметры:
      Параметр Диапазон измерения Погрешность измерения
      Модуль коэффициента отражения Г 0,02 - 1 ±(0,0 1+ 0,05Г)
      Модуль коэффициента передачи А 0 - 30 dB ±(0,2+0,1А) dB
      Фазовый сдвиг 0 - 180 град ±1 град
      * Определяется используемым генератором СВЧ и СВЧ трактом

      Материал подготовили: Лопаткин А.В., Никулин С.М., Петров В.В.

  • Антенные измерения
    • Измеритель амплитудно-фазового распределения поля антенн

      Планарное сканирование ближнего поля является наиболее точным и удобным способом оценки характеристик антенн. Помимо получения удовлетворительного соответствия между предсказанной и реально существующей диаграммами направленности в дальней зоне данные из ближней зоны могут предоставить полезную диагностическую информацию относительно фазовых ошибок в апертуре антенны и ухудшения диаграммы направленности.

      Точность восстановления диаграммы направленности антенны по результатам амплифазовых измерений в ближней зоне напрямую связана с погрешностью измерения амплитуды и фазы поля в плоскости зонда. Использование ААЦ, обладающих высокой точностью и необходимой для освоения миллиметровых частот простотой конструкции, позволяет добиться хороших результатов в разработке антенных систем различного назначения.

      В установке использован метод гомодинного детектирования и вычислительные алгоритмы обработки измерительной информации. В ее состав входит многоканальный измеритель мощности, двухкоординатное сканирующее устройство, СВЧ тракт и персональная ЭВМ.

      Схема СВЧ тракта (рис. 7). содержит СВЧ генератор G, сигнал которого, делится между опорным и измерительным каналами с помощью моста А1. В измерительном канале он модулируется по амплитуде и поступает в исследуемую антенну А3. Излучение антенны принимается зондом А4, подключенным к квадратурному мосту А2, где смешивается с сигналом опорного канала. Напряжения U1 и U2 с датчиков VD1, VD2 используются для определения амплитуды и фазы волны в апертуре зонда.

      Ris7a.gif
      а). структурная схема
      Ris7b.jpg
      б). синфазно-противофазные мосты
      Рис. 7. Стенд для антенных измерений: а) структурная схема; б) синфазно-противофазные мосты.

      Зонд А4 вместе с мостом А2 установлен на каретке механического сканирующего устройства. Для обеспечения их подвижности относительно исследуемой антенны часть СВЧ тракта опорного канала выполнена в виде гибкого диэлектрического волновода.

      Материал подготовили: Лопаткин А.В., Никулин С.М., Петров В.В.

  • Измерение параметров диэлектриков резонансным методом
    • Установка для измерения электрофизических параметров материалов

      Автоматизированная установка построена на базе панорамных измерителей КСВН и ослаблений серии Р2-67. Использование аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и ПЭВМ позволяет существенно улучшить их метрологические и эксплуатационные характеристики. Измерения параметров диэлектриков сводятся к определению резонансных частот объемного резонатора и добротностей по форме резонансной кривой.

      Относительная диэлектрическая проницаемость er и тангенс угла диэлектрических потерь tg d рассчитываются из соотношения

      er = 1 + 2(F0  - F1)/F0  и tg d = 1/Q1 -1/Q0,

      где F0 , Q0 - резонансная частота и добротность пустого резонатора;
      F1, Q1-резонансная частота и добротность резонатора, заполненного диэлектриком.

      Структурная схема установки показана на рис. 8.

      Ris8.gif
      Рис. 8. Структурная схема панорамного измерителя

      Технические характеристики измерительной системы:
      Диапазоны частот, ГГц: 2-4 (зависит от ГКЧ)
      Период развертки, с 1
      Относительная погрешность измерения er, % ± 1
      Относительная погрешность измерения tg d, % ± 10-12
      Количество точек преобразования 50-200
      Диаметр резонатора, мм 75
      Высота резонатора, мм 80

      Указанные величины погрешностей достигаются при использовании метода наименьших квадратов и усреднении 100 значений измеренных добротностей и резонансных частот как для пустого резонатора, так и для резонатора с исследуемым материалом. Для сравнения укажем, что наиболее высокоточные радиоволновые системы измерений диэлектрических параметров материалов имеют относительные погрешности измерений 0,2 - 0,3% и 3 - 6% для er и tg d, соответственно.

      Для управления процессом измерения и обработки его результатов на языке Паскаль в среде DELPHI была написана программа для ПЭВМ IBM PC, главное окно которой показано на рис. 9.

      Ris9.gif
      Рис. 9. Основная форма программы управления

      Материал подготовили: Лопаткин А.В., Никулин С.М., Петров В.В.

  • Измеритель влажности
    • Микроволновый измеритель влажности материалов

      Микроволновый метод определения физических параметров материалов, основанный на регистрации ослабления электромагнитного поля при взаимодействии с исследуемым образцом, позволил создать малогабаритный контактный измеритель для экспресс-анализа влажности твердых и сыпучих материалов, состоящий из двух функциональных блоков: выносного датчика на основе несимметричной неэкранированной многослойной полосковой линии передачи и базового измерительного модуля (рис. 10).

      Ris10.gif
      Рис. 10. Микроволновый измеритель влажности.
      1. Базовый измерительный модуль;
      2. Выносной микроволновый датчик;
      3. Соединительный кабель;
      4. Кнопочные переключатели;
      5. Индикатор
      Основные преимущества измерителя - высокое быстродействие, малые габариты и масса, автономность питания, возможность легко перестроиться с одного вида материала на другой (соответствующие данные представлены в таблице).

      Технические характеристики
      Базовый измерительный модуль
      Выносной микроволновый датчик
      Габариты
      240 х 80 х 30 мм 70 х 50 х 30 мм
      Масса
      0,5 кг 0,25 кг
      Напряжение питания
      9 В
      Потребляемая мощность
      0,18 Вт
      Температурный диапазон
      от +5 до +40 °С
      Время непрерывной работы
      > 3 час
      Длительность единичного измерения
      4 с
      Предел измерения влажности
      0 - 80 %
      Абсолютная погрешность измерения влажности
      0,5 - 2 %

      Высокая чувствительность прибора к влажности связана с большим различием комплексной диэлектрической проницаемости воды и сухого вещества. Информационным параметром является отношение выходных сигналов детектора в отсутствии и при наличии исследуемого образца. Показания прибора I зависят от со держания влаги и от толщины слоя исследуемого материала:

      где x(x) - пространственная чувствительность к влажности (по глубине образца)
      ,- влажность, h0 - толщина материала.

      Микроволновый экспресс-измеритель влажности представляет собой многофункциональное устройство, с помощью которого стало возможным более широкое исследование физических параметров материалов. Проведены эксперименты по определению толщины слоя материала, наличия растворимых примесей (солей) в песках, исследованы некоторые параметры нестационарных процессов влагообмена (впитывания воды, сушки и испарения).

      Как показали исследования, чувствительность микроволнового датчика к толщине материала носит экспоненциальный характер, а расстояние, на котором чувствительность уменьшается в e раз составляет величину порядка 2..4 мм в зависимости от вида материала. Достаточно высокая чувствительность прибора позволяет определять толщину образца с абсолютной погрешностью 0,08 мм.

      Изучение влияния химических примесей на результаты микроволновых измерений позволило создать методику определения процентного содержания растворимых солей в веществе по заранее полученным градуировочным характеристикам. Преимущество данной методики заключается в высокой точности при значительной простоте использования, что подтверждено соответствующими метрологическими исследованиями.

      В результате исследований нестационарных процессов влагообмена выявлен преобладающий характер капиллярных явлений при впитывании влаги древесиной, а на основании полученного выражения определены средние значения радиусов капилляров для различных пород древесины.

      ,

      где , r - средний радиус капилляров (поры, сосуды и др.) в древесине, s- коэффициент поверхностного натяжения воды, rм - средний радиус кривизны мениска воды в капилляре, h - коэффициент вязкого трения воды, L - параметр чувствительности прибора (для древесины L = 3,8 мм).

      Экспериментальное изучение процессов сушки и испарения показало сложный характер испарения для некоторых материалов (древесина, кирпич), связанный с периодическим изменением скорости процесса и высокую эффективность сушки при сравнительно низкой температуре (+50 °С). Таким образом, описанный микроволновый метод измерения и реализованное на его основе устройство позволяет:
      • определять влажность твердых и сыпучих материалов;
      • определять процентное содержание солей в различных материалах;
      • определять характер влагонасыщения различных материалов и получать информацию об их внутреннем строении;
      • определять толщину образцов.

      Материал подготовили: Лопаткин А.В., Никулин С.М., Петров В.В.