ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ
2 РЕЗУЛЬТАТ ПАТЕНТНОГО ПОИСКА
3 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
4 МЕТОДЫ РАДИОВОЛНОВОГО КОНТРОЛЯ НА СВЧ
4.1 Общие сведения о радиоволновом контроле
4.2 Классификация методов радиоволновогоконтроля диэлектрических изделий и материалов
4.3 Измеряемые параметры и принципыизмерений РВК
5 ВЫБОР МЕТОДА РАДИОВОЛНОВОГО КОНТРОЛЯДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ И МАТЕРИАЛОВ
5.1 Выбор метода РВК. Суть и недостаткивыбранного метода
5.2 Возможности метода модулированногоотражения при технологическом контроле диэлектрических изделий и материалов
6 РАЗРАБОТКА И ОПИСАНИЕ СТРУКТУРНОЙСХЕМЫ УСТРОЙСТВА РВК
7 РАЗРАБОТКА И ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА РВК
8 ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ ИКОНСТРУКТИВНО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ СВЧ ТРАКТА
8.1 Выбор и расчет характеристикволновода
8.2 Элементы и устройства волноводныхтрактов
8.2.1 Изгибы и скрутки волноводов
8.2.2 Конструкция и размеры типовыхконтактных фланцевых соединений
8.2.3 Волноводное разветвление
8.2.4 Волноводные согласованныепоглощающие нагрузки
8.3 Расчет направленного ответвителя
8.4 Резонансный вентиль
8.5 Модулирующий отражатель
8.5.1 Переключательный диод
8.5.2. Диафрагмы в прямоугольномволноводе
8.6 Расчет рупорного облучателя
9 ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РВК ПО МЕТОДУМОДУЛИРУЮЩЕГО ОТРАЖЕНИЯ
10 КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
10.1 Технические требования
10.1.1 Общие требования
10.1.2 Основные параметры и характеристики
10.1.3 Требования по устойчивости квнешним воздействиям
10.1.4 Требования к конструкции
10.1.5 Требования к надежности
10.1.6 Комплектность
10.1.7 Маркировка
10.1.8 Консервация и упаковка
10.1.9 Требования безопасности
10.1.10 Правила приемки
10.1.11 Транспортирование и хранение
10.1.12 Указания по эксплуатации
10.1.13 Гарантии изготовителя
10.2 Оценка технологичности конструкцииКНЭ
10.2.1 Количественные показателитехнологичности конструкции изделия
11 РАЗРАБОТКА БИЗНЕС ПЛАНА ПРОЕКТА
11.1 Резюме
11.2 Описание продукта
11.2.1 Назначение
11.2.2 Форма реализации
11.2.3 Технико-эксплуатационныепараметры
11.3 План маркетинга
11.3.1 Описание характеристик товара
11.3.2 Достоинства и недостатки товараконкурента
11.3.3 Предполагаемые потребители
11.3.4 Разработка маркетинговыхстратегий
11.4 Организационный план
11.5 Производственный план
11.6 Финансовый план
11.6.1 Расчет и анализ экономическойэффективности инвестиционного проекта
12 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ИСАНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ТРУДА НА РАБОЧЕМ МЕСТЕ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ ПЭВМ –РАЗРАБОТЧИКА РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ
12.1 Безопасность труда при эксплуатациипроектируемой аппаратуры, разработка средств защиты
12.2 Параметры микроклимата на рабочемместе
12.3 Электрическая опасность
12.4 Требования к пожарной безопасности
12.5 Безопасность труда при работе наустановке с использованием источника излучения электромагнитных полейрадиочастот
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
/>ВВЕДЕНИЕ
Высококачественный объект долженотличаться постоянством химического состава, микро- и макроструктурой,электрических и магнитных характеристик материалов, неизменными геометрическимиразмерами, повышенными механическими и другими свойствами. Для исследованияразличных свойств изделий, материалов и полуфабрикатов могут быть использованывсе известные виды электромагнитных излучений. Особенно успешно можноиспользовать методы радиоволнового контроля (РВК) материалов на сверхвысокихчастотах (СВЧ).
Создание высокоточных и надежныхизмерителей параметров технологических процессов, способных работать в сложныхэксплуатационных условиях, является одной из актуальных проблем.
Таким образом, актуальностьпроекта обуславливается тем, что применяя средства неразрушающего радиоволновогоконтроля, можно полностью автоматизировать многие производственные процессыизготовления изделий, повысить производительность и качество выпускаемойпродукции.
Целью данного дипломного проектаявляется разработка устройства для неразрушающего радиоволнового контролядиэлектрических материалов, выполненных в виде пластин, которые в дальнейшембудут использоваться в различных целях.
Задачами дипломного проектаявляются разработка конструкции устройства радиоволнового фазометрическогоконтроля радиопрозрачных изделий, выбор метода контроля, разработка конструкциииндикаторной части устройства с целью минимизации погрешностей контроля, оценкатехнической и экономической эффективности.
1 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ
По техническому заданию кдипломному проекту требуется разработать устройство радиоволновогофазометрического контроля радиопрозрачных диэлектрических пластин (образцов) вусловиях лаборатории. Изделия и конструкции из диэлектриков могут иметь в себе дефектыследующих типов:
· нарушения сплошности (расслоения, отслоения, непроклеиность,воздушные включения, трещины и т.п.);
· инородные включения (металлические и диэлектрические с отличнымиот основного материала диэлектрическими свойствами), имеющие разнообразныеформы и размеры;
· структурные неоднородности (изменение плотности и пористости, отсутствиеили недостаток связующего, неравномерное распределение вещества –негомогенность состава или смеси, технологические или эксплуатационныепроявления анизотропии и т.д.).
Схема устройства должнапредусматривать возможность автоматической записи результатов контроля. Контролируемымипараметрами являются электрическая толщина стенки, изменения электрическойтолщины.
Основными исходными даннымиявляются: длина электромагнитной волны, радиус кривизны стенки в зоне контроля,характерные размеры контролируемого участка стенки, чувствительность фазометрическогоустройства к изменению электрической толщины. Также известно, что электрическаятолщина контролируемых радиопрозрачных стенок θ кратно λ0/2√ε,где ε=2…5 (относительная диэлектрическая проницаемость материала стенки).
Таким образом, был проведенанализ технического задания, из которого был сделан вывод, что дляпроектирования устройства все нужные данные известны.
/>2 РЕЗУЛЬТАТ ПАТЕНТНОГО ПОИСКА
Был произведен патентный поискглубиной 14 лет по материалам патентов России. Источником служил основнойиндекс МПК. В результате поиска был найден следующий патент:
Устройство для измеренияпараметров диэлектриков.
Регистрационный номер заявки: 2066457.
Дата публикации: 10.09.1996.
Страна публикации: Россия.
Основной индекс МПК: G01R27/26.
Использование: техника измеренийСВЧ параметров материалов и антенных обтекателей.
Сущность изобретения: вустройстве, для измерения параметров диэлектриков вдоль всей образующейантенного обтекателя, достигается высокая точность измерений за счет выполненияприемо-передающей антенны в виде зеркальной двухфокусной антенны, согласованнойсо свободным пространством использования модулированного отражателя,содержащего модулирующий диод и диафрагму малых размеров, и поглотитель,размещенного внутри исследуемого антенного обтекателя в любой его части.
/>3 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
В диапазоне сверхвысоких частот(СВЧ) применяются разнообразные по своему назначению и принципу действияприборы, предназначенные для народного хозяйства, военного дела и научныхисследований. Существует ряд устройств СВЧ, в которых применяютсядиэлектрические материалы. Примером таких устройств являются:
· антенные обтекатели и антенные окна летательных аппаратовавиационной, ракетной и космической техники;
· СВЧ антенны (линзовые, диэлектрические, поверхностных волн ит.п.);
· герметизирующие окна, оболочки малых размеров, вставки, заглушкив каналах ненаправленных излучателей;
· генераторные устройства, устройства управления электромагнитнымполем, фазовращатели, ограничители мощности, неотражающие нагрузки;
· индикаторные антенны, зонды, контактные индикаторы комплексов дляразличных физических исследований.
Необходимым применяемым методомобеспечения качества диэлектрических изделий является их радиоволновый контроль(РВК). По условиям дипломного проекта контроль параметров радиопрозрачных образцов(стенок) должен осуществляться при одностороннем подходе, из-за невозможностиразмещения приемной антенной системы позади исследуемого образца. В связи сэтим, одной из задач дипломного проекта является выбор метода РВК и схемыэлементной базы. Также, основываясь на выбранном методе, необходимо разработатьструктурную и принципиальную электрическую схемы, провестиконструктивно-электрический расчет основных функциональных устройств СВЧтракта.
Основной целью дипломного проектаявляется разработка конструкции СВЧ модулирующей отражающей части устройства сцелью минимизации погрешностей контроля в сравнении с существующими методами.
/>4 МЕТОДЫ РАДИОВОЛНОВОГО КОНТРОЛЯНА СВЧ
4.1 Общие сведения о радиоволновом контроле
Радиоволновый контроль – этоопределение методами и средствами измерительной техники на сверхвысокихчастотах фактических характеристик и параметров объекта контроля. Получаемаяпри этом информация дает возможность объективно судить о фактическом состоянииисследуемых изделий и материалов.
Физической основой радиоволновогоконтроля на СВЧ является взаимодействие электромагнитных волн диапазона СВЧ собъектом контроля. Поэтому возможности и ограничения РВК зависят от вида иотносительной интенсивности такого взаимодействия, которое может бытьустановлено экспериментально методами и средствами измерений на СВЧ.
Все измерения на СВЧ при РВК –это косвенные измерения, так как характеристики и параметры объекта контроляопределяются путем соответствующих дополнительных вычислений через измеряемыерадиотехнические характеристики электромагнитного поля или радиоволны.
Радиоволновые методы основаны наиспользовании взаимодействия радиоизлучений с материалами контролируемымиизделиями. Это взаимодействие может носить характер взаимодействия толькопадающей волны (процессы поглощения, дифракции, отражения, преломления),относящиеся к классу радиооптических процессов или взаимодействия падающей иотраженной волн (интерференционные процессы). Диапазон длин волн, используемыхв РВК, составляет 1…100 мм (в вакууме), что соответствует частотам 300…3 ГГц.
Отдельные устройстварадиоволнового контроля могут работать на частотах f, выходящих за пределыэтого диапазона, однако чаще всего для неразрушающего контроля используюттрехсантиметровый диапазон (fср ≈ 10 ГГц) и восьмимиллиметровый диапазон(fср ≈ 35 ГГц). Эти два диапазона наиболее освоенные и обеспеченныехорошим набором элементов и измерительной аппаратурой.
Особенности радиоволн СВЧдиапазона:
· СВЧ диапазон обеспечен большим перепадом мощностей генерируемыхволн, что позволяет контролировать материалы и среды различной степенипрозрачности;
· радиоволны СВЧ могут быть генерированы в виде когерентныхполяризованных гармонических колебаний (волн), а это дает возможностьобеспечивать высокую чувствительность и точность контроля, используяинтерференционные явления, возникающие при взаимодействии когерентных волн сдиэлектрическим слоем;
· с помощью радиоволн СВЧ можно осуществить бесконтактный контролькачества при одностороннем расположении аппаратуры по отношению к объекту;
· радиоволны СВЧ могут быть остро сфокусированы, что позволяетобеспечить локальность контроля, минимальный краевой эффект, помехоустойчивостьпо отношению к близко расположенным предметам, исключить влияние температурыобъекта контроля на измерительные датчики;
· информация о внутренней структуре, дефектах и геометриисодержится в большом числе параметров СВЧ зондирующего сигнала: амплитуде,фазе, коэффициенте поляризации, частоте;
· применение радиоволн СВЧ обеспечивает весьма малую инерционностьконтроля, что позволяет наблюдать и анализировать быстропротекающие процессы;
· аппаратура СВЧ диапазона может быть выполнена достаточнокомпактной и удобной в эксплуатации.
С точки зрения теоретическойэлектродинамики задача контроля сред методами СВЧ может быть сформулирована ввиде граничной задачи во взаимодействии конкретных типов электромагнитных волнопределенного вида поляризации с ограниченными или полуограниченными впространстве объемами этих сред, имеющими разнообразные геометрические формы,свойства поверхности и диэлектрические свойства, изменяющиеся при измененииструктуры сред. Результаты взаимодействия зависят от геометрии объектовконтроля от значений их диэлектрической проницаемости и тангенса угладиэлектрических потерь, которые, в свою очередь, определяются кристаллическойструктурой, степенью однородности, влагосодержанием материала объекта контроляи др [1].
4.2 Классификация методов радиоволнового контроля диэлектрическихизделий и материалов
По своим характерным признакамрадиоволновый контроль может быть разрушающим, неразрушающим (не повреждающимизделие), аналитическим и метрологическим. Наибольшее распространение получилиразрушающие и аналитические методы контроля, основное достоинство которыхзаключается в возможности определять абсолютные параметры и характеристики (впервую очередь прочность) изделий и материалов.
В последнее время все болееширокое применение находят неразрушающие физические методы контроля. Им присущисвойства, которыми не обладают разрушающие и аналитические методы контроля,поэтому неразрушающие физические методы контроля могут включаться в технологическиепроцессы производства [5].
Приборы радиоволнового контролямогут быть классифицированы по различным признакам. По информативному параметруразличают приборы:
· амплитудные;
· фазовые;
· амплитудно-фазовые;
· поляризационные;
· резонансные;
· лучевые;
· частотные;
· преобразовательные (вид волны);
· спектральные.
По схемам расположения приемникаи излучателя энергии СВЧ относительно контролируемого образца могут быть:
· на прохождение (двусторонний доступ);
· на отражение (односторонний доступ);
· комбинированные.
Неразрушающий метод контролядиэлектрических изделий и материалов, размещаемых в свободном пространстве(метода свободного пространства), состоит в сравнении параметровэлектромагнитной волны, прошедшей через геометрически правильный диэлектрическийобразец (метод на прохождение), или им же отраженной, с параметрами волны,проходящей то же пространство без образца, либо с волной, отраженной отидеального отражателя (метод на отражение). Данные примеры методов приведены нарисунке 4.1.
Под идеальным отражателемпонимается плоский металлический экран, практически не создающий при отраженииэлектромагнитной волны потерь и фазовых искажений её фронта. При измерениях поэтой методике диэлектрический образец располагается в свободном пространстве, т.е.он не имеет непосредственного механического контакта с какими-либо узламиизмерительной или вспомогательной аппаратуры, кроме элементов крепления самогообразца, находящихся практически вне электромагнитного поля и не оказывающихсущественного влияния на результаты измерений. Сравнение параметров указанныхволн позволяет вычислить собственные параметры диэлектрика. В принципедиэлектрический образец и фазовый фронт падающей электромагнитной волны могутбыть любой формы, однако в таком общем случае установить достаточно точнуюсвязь между параметрами волны и электрическими параметрами взаимодействующего сней диэлектрика становится весьма затруднительно. Задача решается достаточноточно для немногих частных случаев.
а)/>
б)/>
в)/>
Рисунок 4.3 – Метод РВК в свободномпространстве:
а – метод на прохождение(двусторонний доступ). Исследуемый образец размещается между приемной ипередающей антеннами.
б – метод на отражение(односторонний доступ) с использованием отражателя (металлического экрана).Исследуемый образец размещается на некотором расстоянии от передающей иприемной антенн.
в – метод на отражение(односторонний доступ) с использованием отражателя (металлического экрана).Исследуемый образец размещается на некотором расстоянии от приемопередающейантенны.
Обычно в практике исследованийиспользуется так называемое «плосковолновое приближение» – фазовый фронтэлектромагнитной волны в зоне взаимодействия с диэлектрическим образцом долженбыть приближенно плоским. Это приближение приемлемо не только с точки зренияматематического описания процесса, но и с технической точки зрения, т.е.возможности формирования приближенно плоской (квазиплоской) волны. Еслиизмеряются параметры волны, проходящей через образец, или волны, отраженной отего передней и задней поверхности, то диэлектрический образец выполняется приэтом, как правило, в виде плоскопараллельной пластины. Если же измеряютсяпараметры волны, отраженные только передней поверхностью, то диэлектрическомуобразцу с теневой стороны придается такая форма (например, форма клина), прикоторой волны, отраженные задней поверхностью или прошедшие через этуповерхность, не попадают в приемное устройство. В любом случае, чтобы исключитьявление дифракции и возникающие при этом дополнительные ошибки измерения, краяобразца должны находиться вне облучающего электромагнитного поля. С этой цельюна образец направляется не безграничная плоская волна, а конечный волновойпучок, при этом размеры самого образца в зоне взаимодействия должны превышатьразмеры поперечного сечения волнового пучка.
Метод свободного пространстваможет быть применен в следующих случаях:
· для измерений в миллиметровом и сантиметровом диапазонах, вкоторых другие (например, резонаторные или волноводные) методы становятсянеприемлемыми;
· при исследовании параметров однородных, неоднородных и слоистыхлистовых материалов, как в условиях лаборатории, так и в производственныхусловиях, когда изготовление образцов специальной формы из листового материалане целесообразно;
· при исследовании пленочных материалов;
· при исследовании готовых изделий из диэлектриков (например,обтекателей антенн, антенных окон и других радиопрозрачных оболочек), которыенельзя разрушать для изготовления из них образцов, в целях проведенияизмерений;
· при исследовании диэлектриков в процессе воздействия на нихкаких-либо внешних факторов: радиации, механических усилий, тепловых потоков,плазменных сред, при которых любая другая измерительная аппаратура,контактирующая с диэлектрическими образцами, становится либо помехой длядействия этих факторов, либо сама разрушается под их воздействием [14].
4.3 Измеряемые параметры и принципы измерений РВК
В технике СВЧ для формальногоописания свойств диэлектриков принято пользоваться несколькими парамипараметров, а именно:
· относительной диэлектрической проницаемостью ε ипроводимостью материала σ;
· действительной ε′ и мнимой ε″ частямиабсолютной комплексной диэлектрической проницаемости:
έа = ε′а- јε″а, (4.1)
· действительной n и мнимой nk частями комплексного коэффициента преломления ń = n(1 — jk) либо коэффициентомпреломления n и коэффициентом поглощения k;
· относительной диэлектрической проницаемостью ε и тангенсомугла диэлектрических потерь tg δ.
Между названными параметрамисуществует однозначная связь, в результате чего одни могут быть выражены черездругие, например:
ε′ = εа =εεо; ε″ = σ / w; tgδ = ε″/ ε′ = σ / w εа; έа = n², (4.2)
где εεо= εа –абсолютная диэлектрическая проницаемость;
εо ≈ 8,86∙10‾¹² Ф/м – электрическая постоянная;
έ = έа/εо –относительная комплексная диэлектрическая проницаемость.
Приведенные параметры удобны дляописания свойств однородных материалов. Для неоднородных материалов (например,слоистых) либо с дефектами необходимо найти поле электрических параметров (ихраспределение). В подобных случаях удобно характеризовать не материал сэлектрическими (ε и tg δ), а изделие,диэлектрический слой с радиотехническими параметрами, в частности комплекснымикоэффициентами прохождения Т (метод на прохождение) либо отражения R (метод на отражение):
/>, (4.3)
/>, (4.4)
где |Т| и |R|- модули комплексных коэффициентов,
φ и ψ – соответственноих фазы.
Так как в практике измерений вбольшинстве случаев используется квадратичное детектирование, при которомпоказания токового индикатора пропорциональны мощности детектируемого сигнала,то удобно использовать не модули, а квадраты модулей коэффициентов прохожденияи отражения, т.е. |Т|² и |R|². Эти величиныобычно называются просто коэффициентами прохождения и отражения по мощности ипоказывают, какая часть мощности падающей волны проходит или отражается отдиэлектрического образца. Величины φ и ψ показывают, как меняетсяфаза волны при её прохождении или отражении от объекта.
Комплексные коэффициенты T и R являются функцией несколькихпеременных, а именно:
Т = f1(ε, tgδ, d/λε), (4.5)
R = f2(ε, tgδ,d/λε), (4.6)
где ε и tgδ – электрические параметры материала;
d –геометрическая толщина образца в зоне измерения;
λε– длина волны в диэлектрике.
При известном отношении d/λε междукомплексными величинами T и R ипараметрами материала существует определенная аналитическая связь. Поэтому поизвестным значениям T или Rмогут быть вычислены ε и tgδи наоборот. Если материал неоднороден, то измеренные значения Tили R позволяют перейти к эффективным значениямэлектрических параметров εэфф tgδэфф.Значения эффективных электрических параметров зависят не только от толщиныпластины и длины волны, но и от угла падения электромагнитной волны, а также отвыбранного параметра (T или R),по которому они определяются.
Таким образом, в дипломномпроекте будет использовать ряд параметров: электрические – ε и tgδ, относящиеся к однородному материалу; ирадиотехнические –T, |T|, |Т|²,φ (метод на прохождение), R, |R|,|R|², ψ (метод на отражение), относящиеся кизделию (диэлектрической пластине) из однородного либо неоднородного материала,и, наконец, εэфф и tgδэфф, применяемыеиногда для характеристики только неоднородных диэлектрических пластин(например, для слоистых пластин или пластин, подвергающихся действию тепловогоудара).
Перейдем к рассмотрению известныхспособов измерения электрических и радиотехнических параметров методомсвободного пространства. Если на плоскопараллельную пластину под некоторымуглом φпад падает плоская, определённым образом поляризованная,электромагнитная волна, то амплитуда и фаза отраженной и прошедшей волн несутинформацию о комплексной диэлектрической проницаемости материала.Соответственно существуют две основные группы методов измерения ε и tgδ в свободном пространстве: первые основаны нанаблюдении волн, отраженных диэлектрическим объектом, вторые – прошедшихдиэлектрический объект.
Как известно, комплексныйкоэффициент отражения /> границы раздела воздушной идиэлектрической среды определяется формулами Френеля. Эти формулы являютсяисходными и в теории некоторых методов, основанных на анализе отраженных волн.Как видно, искомая диэлектрическая проницаемость ε связана функциональнойзависимостью с φпад, />,/>, которые в принципе могут бытьопределенны экспериментально [2, 3].
Сравнение результатов работразличных авторов показывает, что минимальная величина tgδ,которую удалось измерить, используя отраженные волны, составляет 0,001 – 0,002,что, видимо, говорит о реально достижимой чувствительности применяемойаппаратуры.
Сравнение комплексныхкоэффициентов отражения различно поляризованных волн лежит в основе «поляризационного»метода исследования диэлектриков в свободном пространстве. Суть этого методазаключается в следующем. Если на поверхность раздела двух сред падаетэлектромагнитная волна с круговой или эллиптической поляризацией, то отраженнаяволна меняет поляризационную структуру [4]. Комплексный коэффициент поляризацииотраженной волны p равен отношению коэффициентовФренеля для параллельно и перпендикулярно поляризованной волны.
/> . (4.7)
Таким образом, экспериментальноенахождение р, например, по амплитудам вертикальной и горизонтальнойсоставляющих поля и углу ориентации поляризационного эллипса также даетвозможность вычислить ε.
Другой вариант поляризационногометода определения ε состоит в измерении угла Брюстера и отношения модулейкоэффициентов отражения параллельно и перпендикулярно поляризованных волн.Основная ошибка измерений по углу Брюстера и поляризационными методамиобусловлено тем, что теория этих методов учитывает отражение волн только отграницы раздела двух сред и предполагает отсутствие внутренних многократныхотражений, вызываемых теневой поверхностью образца.
Комплексные коэффициентыпрохождения параллельно и перпендикулярно поляризованных волн через границураздела «свободное пространство — диэлектрик» согласно формулам Френелязаписываются в виде:
/>, (4.8)
/>. (4.9)
Выражения (4.8), (4.9) позволяютвычислить комплексный коэффициент прохождения волны через плоскопараллельнуюпластину определенной толщины, по значению которого затем можно найти и ε.Иллюстрацией сказанного может быть методика определения ε, в которойиспользуется тот факт, что модуль коэффициента прохождения являетсяосциллирующей функцией толщины плоской диэлектрической пластины [4]. Задачаопределения ε сводится к экспериментальному нахождению такой толщины, прикоторой приемная антенной воспринимается максимум или минимум мощности, приэтом найденная осциллирующая функция, представляемая графически, позволяетопределить и tgδ. Естественно, что определениеε в общем случае может производиться и по одновременно наблюдаемымпрошедшей и отраженной волнам.
Радиотехнические параметры T и R функционально связаны сэлектрическими параметрами ε и tgδ, которыемогут быть вычислены по результатам измерений первых. Аналитическая связь междуэтими параметрами может быть найдена различными способами. В частности,необходимый результат дает последовательное суммирование многих волн,отраженных и прошедших через образец, возникающих в результате многократногопереотражения от передней и задней поверхностей образца [8, 9].
Пользуясь упомянутым методомможно найти, что фаза коэффициента прохождения перпендикулярно и параллельнополяризованных волн может быть выражена следующим образом:
/>, (4.10)
/>. (4.11)
При нормальном падении волны обауравнения приводятся к одному.
Для вычисления модуля коэффициентапрохождения применяются выражения:
/> , (4.12)
/>, (4.13)
/>, (4.14)
где />.
При выводе формул (4.10) – (4.14)не учитывались потери в диэлектрике, однако можно показать, что при tgδ ≤ 0,1 их достоверность снижается весьманезначительно [10].
/>
Рисунок 4.4 – Эквивалентныйчетырехполюсник, отображающий диэлектрическую пластину, находящуюся в свободномпространстве
При нормальном падении волнывыражения для вычисления модуля и фазы коэффициента прохождения (или отражения)пластины из диэлектрика с потерями можно получить, используя следующую модель.Диэлектрический слой (рис. 4.4) толщиной d можнопредставить в виде отрезка линии передачи с комплексным волновым сопротивлением:
/>, (4.15)
а свободное пространство по обестороны от пластины в виде линии передачи без потерь с волновым сопротивлением:
/>. (4.16)
Комплексные коэффициентыотражения и прохождения могут быть найдены при этом волновой матрицы передачиэквивалентного четырехполюсника, образованного двумя скачками волновыхсопротивлений (Z02) и отрезком линии с потерями(Ż02). При выводе этих выражений необходимо произвести замену параметровε и tgδ на n(коэффициент преломления) и k (коэффициент поглощения),причем связь между ними определяется соотношением />, т.е. />, откуда:
/>,
/>. (4.17)
В развернутом виде полученныевыражения для коэффициента прохождения и его фазы имеют следующий вид:
/>, (4.18)
/>, (4.19)
для коэффициента отражения и егофазы:
/>, (4.20)
/>, (4.21)
где
/>,
/>. (4.22)
Из выражений (4.18) – (4.22)находим соответствующие выражения и для диэлектриков без потерь:
/>, (4.23)
/> , (4.24)
/>, (4.25)
/>. (4.26)
Выражения (4.18) – (4.21), атакже (4.23) – (4.26) являются исходными для установления количественной связиэлектрических и радиотехнических параметров диэлектриков, измеряемых всвободном пространстве при нормальном падении плоской электромагнитной волны.
5 ВЫБОР МЕТОДА РАДИОВОЛНОВОГО КОНТРОЛЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХОБРАЗЦОВ И МАТЕРИАЛОВ
5.1Выбор метода РВК. Суть и недостатки выбранного метода
По условиям дипломного проекта,разрабатываемое устройство, предназначенное для неразрушающего контролякачества радиопрозрачных изделий, должно иметь ограниченно-односторонний доступ,из-за невозможности размещения приемной антенной системы позади исследуемогообразца. Поэтому, для реализации контроля качества радиопрозрачных изделий(пластин) возникает необходимость использования метода «на отражение».
В применяемом методе исследуемыйобразец размещается на некотором расстоянии от приемо-передающей антенны, а кзадней поверхности образца должна примыкать отражающая поверхность, выполненнаяиз проводящего материала или диэлектрика с значительно большей диэлектрическойпроницаемостью. В данном случае измеряемым параметром является фаза волновогокоэффициента передачи диэлектрического слоя S12=|S12|exp(jφ12),рассматриваемого как эквивалентный четырехполюсник, включенный между источником(передающая антенна) и нагрузкой (отражатель), причем электромагнитная волнападает на исследуемый образец нормально к его поверхности.
В методе «на отражение» искомаявеличина φ12 вычисляется по измеренному значениюкомплексного коэффициента отражения системы «диэлектрический образец –отражатель», что связано со значительными погрешностями, вызванными отражениямиэлементов измерительного тракта и неопределенностью значения коэффициентаотражения отражателя, а также дополнительными трудностями, возникающими приналичии заметных потерь в исследуемом образце. Таким образом, в данном методеимеется ряд недостатков и для их устранения предлагается воспользоватьсяметодом модулированного отражения, сочетающего в себе компактность обычногометода «на отражение» и высокую точность измерения, приближающуюся к точностиметода «на отражение».
Таким образом, вместо отражающейповерхности, необходимо разработать и установить модулирующий отражатель,который позволит уменьшить погрешности при контроле и наиболее точно определитьконтролируемыми параметрами диэлектрических материалов.
5.2Возможности метода модулированного отражения при технологическом контроледиэлектрических изделий и материалов
Метод модулированного отражения втечение многих лет используется в измерительной технике и позволяетосуществлять как фазовые, так и амплитудные измерения. Сущность выигрыша,обеспечиваемого данным методом, можно пояснить следующим образом. Известно, чтовходной коэффициент отражения произвольного взаимного четырехполюсника, нагруженногона нагрузку с коэффициентом отражения Гн, равен:
Гвх=S11+S212Гн/(1-S22Гн), (5.1)
где S11, S22, S12 – комплексные коэффициентыотражения и передачи четырехполюсника, причем S12 –параметр, подлежащий измерению.
Как видно, информация о параметреS12 в обычном измерении «на отражение» теряется на фонедругих отраженных сигналов, так как не отличается от них по структуре. В методемодулированного отражения Гн модулируется по амплитуде или фазе, что позволяетвыделить полезный сигнал S212Гн на фоне мешающихнемодулированных отраженных сигналов (S11, отражения вСВЧ – тракте и т.д.) и затем непосредственно измерить φ12, выделяя изполного отраженного сигнала ту его часть, которая соответствует основнойчастоте модуляции Гн.
Очевидно, что необходимым условиемреализации метода является малость величины Гн, иначе нарушается прямая связьмежду измеренным значением Гвх и искомой величиной S12.Однако в реальной установке уменьшение Гн возможно лишь до некоторого предела,связанного хотя бы с ограниченностью мощности СВЧ – генератора исоответствующим увеличением ошибки за счет собственных шумов измерителя.
Суммарная ошибка измеренияметодом модулированного отражения зависит также от схемного решенияфазометрической части измерителя, в особенности от выбора схемы фазовогодискриминатора, преобразующего входные СВЧ – сигналы в напряжение низкойчастоты (равной частоте модуляции коэффициента отражения отражателя), амплитудакоторого зависит от фазового сдвига, вносимого исследуемым образцом, т.е. отφ12.
Рассмотрим характерную ошибкуметода, предположив вначале, что основным элементом схемы СВЧ – фазометраявляется простой суммирующий дискриминатор, состоящий из трехдецибельного мосталюбой конструкции, на два взаимно развязанных входа которого поступают опорныйи измеряемый сигналы, и детектора в одном из выходных плеч моста (рисунок 5.1, а).
/>
Рисунок 5.1 – Фазовыедискриминаторы: а – простой суммирующий; б – балансный (суммо-разностный)
Введем следующие обозначения:
а1=| а1| – амплитуда опорногосигнала на входе фазового дискриминатора;
а2=| а2| exp(j φ12)– комплексная амплитуда измеряемого сигнала на входе исследуемого образца;
S11=S22=|S11| exp(j φ11)– коэффициент отражения образца;
S12= |S12| exp (j φ12) – коэффициент передачи(прохождения) образца;
Гн=Г0(1+m(t)) exp (j φг) – коэффициент отражениямодулятора, модулируемый по амплитуде, причем m
а′2= а2S122Гн– комплексная амплитуда измеряемого сигнала на входе фазового дискриминатора.
Поскольку амплитуды сигналов а1 иа2 малы, то можно считать, что детектор фазового дискриминатора работает врежиме квадратичного детектирования и его выходное напряжение равно
U=|a1+a2Гвх|2=|а1|2|1+К(S11+S212Гн/(1-S22Гн))|2≈
≈а21|1+К|S11| expj(φ2+φ11)+K|S212Гн|exp j (2φ12+φг+φ2)+
+К|S212Г2нS11| exp j(2φ12+2φг+φ11+φ2)|2, (5.2)
где К=|a2|/|a1|, а |S11Гн|
Выделяя из выходного сигнала теего составляющие, которые содержат m(t)в первой степени, и опуская промежуточные вычисления, получим
U(t)=2а21mК′[cos(φ2+2φ12+φг)+ К′(1+p)+2|S11Г0|cos (φ2+2φ12+φг+φ11)], (5.3)
где К′=|а′2|/a1; p=2|S11Г0|+|S11|cos (2φ12+φг-φ11)+ |S11/S12|2×cos(2φ12+2φг)+3| S11Г0/S212|cos(φ11+ φг).
Точностные возможности методанаиболее полно реализуются при компенсационном измерении φ12. При этомочевидно, что
cos(φ2+2φ12+φг)+К′(1+p)+2|S11Г0|cos(φ2+2φ12+φг+φ11)=0.
Так как фазовые углы первого ивторого членов здесь можно считать независимыми, то в наихудшем случае cos(φ 2+2φ 12+φг+ φ11)=±1, т.е.
cos(φ2+2φ12+φг)±2|S11Г0|+ К′(1+p)=0.
Последний член этого выраженияпредставляет собой известное отклонение фазового сдвига при балансе отπ/2, вызванное конечным отношением амплитуд сигналов a2и a1, однако в данном случае это отношение можетизменятся в процессе измерения. Поэтому для полного устранения ошибки должнобыть К′
/>. (5.4)
Если основным элементом схемыфазометра является балансный, или суммо-разностный, фазовый дискриминатор(рисунок 5.1, б), то напряжение на его входе:
U=|a1+a2Гвх|2-|a1- a2Гвх|2. (5.5)
Составляющая выходного напряжения,содержащая m(t) в первойстепени, теперь оказывается равной:
U(t)=4a21mК′[cos(φ 2+2φ 12+φг)+ 2|S11Г0|cos(φ2+2φ12+2φг+ φ11)], (5.6)
а условием баланса будет:
/> (5.7)
6 РАЗРАБОТКА И ОПИСАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВАРВК
На рисунке 6.1 представленаструктурная схема устройства, предназначенного для контроля электрическойтолщины радиопрозрачных диэлектрических стенок методом свободного пространствана отражение с использованием модулирующего отражателя. На схеме присутствуютследующие элементы:
1 – СВЧ генератор;
2 – направленный ответвитель(НО);
3 – фазовращатель;
4 – направленный ответвитель (НО);
5 – фазовый дискриминатор;
6 – индикатор нуля;
7 – эллипсоидный отражатель;
8 – облучатель приемопередающейантенны;
9 – приемопередающая антенна;
10 – диэлектрический образец;
11 – модулирующий отражатель;
12 – модулирующий диод;
13 – поглотитель согласованнойнагрузки.
14 – импульсный генератор;
/>
Рисунок 6.1 – Структурная схемаустройства микроволнового фазометрического контроля радиопрозрачных изделий
Устройство для контроляэлектрической толщины радиопрозрачных диэлектрических стенок (рисунок 6.1) работаетследующим образом. Непрерывный СВЧ сигнал от СВЧ генератора 1 проходит черезнаправленный ответвитель (НО) 2, где разветвляется на опорный и исследуемыйсигналы.
Опорный СВЧ сигнал черезобразцовый фазовращатель 3 поступает на первый (опорный) вход фазовогодискриминатора 5.
Исследуемый сигнал поступает кприемопередающей антенне 9, а именно на ее облучатель 8, излучается в видеэлектромагнитной волны в свободное пространство, которая падает и отражаетсяэллипсоидным отражателем 7, затем собирается в узкий волновой пучок луч врайоне второго фокуса эллипсоидного отражателя 7. Волновой пучок проходит черезконтролируемый диэлектрический образец 10 и отражается модулирующим отражателем11. Фазовая модуляция отраженной электромагнитной волны осуществляется спомощью металлической диафрагмы и модулирующего диода 12, встроенных вволновод, и поглотителя (согласованной нагрузки) 13. Модулирующий диод питаетсяот импульсного генератора 14.
Отраженные волны проходят черездиэлектрическую стенку, изменяя свою фазу, принимаются приемопередающейантенной 9 и в виде электромагнитного сигнала, содержащего информацию опараметрах контролируемого образца 10, ответвляются направленным ответвителем 4и поступают на второй (измерительный) вход фазового дискриминатора 5. Эти двасигнала (отраженный модулированный и опорный от СВЧ генератора) сравниваются вфазовом дискриминаторе по фазе, в результате чего выделяется необходимаяинформация о модуле (Т) и фазе фи коэффициента прохождения диэлектрическойстенки. Электромагнитная волна, отражаемая от наружной поверхностидиэлектрической стенки, является не модулированной и не создает погрешностиизмерения. Поглотитель 13 служит для повышения точности измерений путемпоглощения паразитных отражений волны от элементов конструкции модулированногоотражателя 11, а также для поглощения волн, прошедших за металлическуюдиафрагму с модулирующим диодом.
7 РАЗРАБОТКА И ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙСХЕМЫ УСТРОЙСТВА РВК
Принципиальная схема устройстваРВК диэлектрических образцов представлена на рисунке 7.1. На этой схемефункциональные устройства образуют измерительную СВЧ схему, предназначенную дляконтроля электрической толщины стенки диэлектрического образца, расположенногов свободном пространстве между фокусирующей приемопередающей антенной имодулирующим отражателем.
/>
Рисунок 7.1 – Принципиальнаясхема устройства микроволнового фазометрического контроля радиопрозрачныхизделий
СВЧ генератор (Г1) представляетсобой стандартный генератор лабораторного типа миллиметрового илисантиметрового диапазона волн, мощностью 5-10 мВт и с относительнойнестабильностью частоты 10-3-10-4. Нужный уровень выходной мощности генератораопределяется необходимой суммарной мощностью, подаваемой к фазовомудискриминатору по опорному и измерительному каналам с учетом затухания мощностив элементах схемы. Допустимая нестабильность частоты генератора определяетсястепенью согласования и широкополосностью элементов СВЧ тракта, а такжеотличием электрических длин опорного и измерительного канала. Чтобынестабильность частоты оказывала пренебрежимо малое влияние на точность контролякроме конструктивного выравнивания длин каналов, имеет смысл стабилизироватьчастоту СВЧ генератора до 10-4-10-5. Такая стабилизация может быть достигнутаразличными способами, предпочтительным (при условии работы на фиксированнойчастоте) является стабилизация клистронного генератора внешним резонатором свысокой добротностью. По дипломному проекту, генератор настраивается на рабочуючастоту 9,38 ГГц, генератор работает в режиме амплитудной модуляции.
Непрерывный СВЧ сигнал разветвляетсяв опорный и измерительный каналы при помощи направленного ответвителя (НО). Основнымипараметрами НО являются направленность (D), переходноеослабление (С), входной КСВ и широкополосность ответвителя, котораяопределяется рабочим диапазоном частот Δf = f2 — f1, в пределах которогопараметры НО не выходят за допустимые значения. Вторичная линии передачи НОнагружена на встроенную согласованную нагрузку.
При измерении модуля и фазыкоэффициента прохождения применяется образцовый фазовращатель. Фазовращательсостоит из отрезка прямоугольного волновода, внутри которого параллельновектору Е электромагнитного поля помещена тонкая пластина извысококачественного диэлектрика. При ее перемещении от узкой стенки к центруволновода происходит концентрация поля в месте расположения пластины, чтоэквивалентно увеличению фазового сдвига.
Выходные НЧ сигналы фазовогодискриминатора, значения которых пропорциональны синусу и косинусу измеряемойразности фаз φ, могут регистрироваться каждый в отдельности, при этом длянахождения φ необходимо вычислить величину tgφ, взяв отношение этих сигналов. Отношение сигналов можно получитьавтоматически с помощью специального устройства – измерителя отношениянапряжений, выход которого может быть соединен с записывающим либо цифровымотсчетным устройством, проградуированным непосредственно в единицах измеряемойразности фаз.
8 ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ И КОНСТРУКТИВНО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙРАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ СВЧ ТРАКТА
8.1Выбор и расчет характеристик волновода
Для передачи энергии источника кприемнику излучения применяют волноводные линии.
Волновод, по которомураспространяется электромагнитная волна, представляет собой металлическую трубупрямоугольного или круглого сечения. Волноводы характеризуются поперечнымиразмерами (а – ширина, b – высота для прямоугольного волновода; а – радиус, φ– угол поворота для круглого волновода), критической длиной волны λкр,длиннее которой волны не распространяются в данном волноводе, и длиной волны вволноводе λв. Волна, распространяющаяся по волноводу, определяется видомколебаний и обозначается с помощью индексов (Еmn и Нmn), соответствующих числуполуволновых изменений напряженностей Е и Н вдоль широкой (индекс m) и узкой(индекс n) стенок волновода.
В данном дипломном проекте выбранпрямоугольный тип волновода с поперечными размерами (а=23 мм и b=10 мм), и соответствующий тип волны H10.Критическая длина волны типа H10 рассчитывается поформуле:
λкрН10=2а, (8.1)
где а – размер широкой стенкиволновода.
Известна длина электромагнитнойволны λ0=3,2 см. Соответственно можно найти длину волны в волноводе,которая рассчитывается по формуле:
/>. (8.2)
Рабочее значение частотырассчитывается по формуле:
/>, (8.3)
где с=3·108 – скоростьсвета.
Таблица 8.1 – Характеристикипрямоугольных волноводовСечение волновода, мм Предельные значения Рабочие значения Затухание дБ/м Ширина Высота Частота, ГГц Длина волны, см Частота, ГГц Длина волны, см 23,0 10,0 6,56 4,57 8,2 – 12,4 3,66– 2,42 1,38 19,0 9,5 7,87 3,81 10,0 – 15,0 3,0 – 2,0 1,67 16,0 8,0 9,5 3,16 12,4 – 18,0 2,42 – 1,67 2,2 13,0 6,5 11,57 2,59 15,0 – 22,0 2,0 – 1,36 2,9 9,0 4,5 17,4 1,73 22,0 – 33,0 1,36 – 0,91 5,5 7,2 3,4 21,1 1,43 26,5 – 40,0 1,13 – 0,75 7,4
Таким образом, был произведенрасчет необходимых данных: критическая длина волны типа H10λкрН10=46 мм; длина волны в волноводе λв=44 мм; рабочее значениечастоты f=9,38 ГГц.
8.2Элементы и устройства волноводных трактов
8.2.1Изгибы и скрутки волноводов
Изгибы и скрутки волноводов используютсяв качестве вспомогательных соединительных элементов при монтаже тракта. Изгибыпрямоугольных волноводов выполняются по широкой (Е-изгиб) и узкой (Н-изгиб)стенкам и делятся на плавные или радиусные (рисунок 8.1) и уголковые с однимповоротом и многоступенчатые. При резком изгибе тракта возникают отражения, дляуменьшения которых изгиб выполняется на участках длиной в несколько длин волн вволноводе.
/>
Рисунок 8.1 – Изгибы волноводов
Плавные изгибы обладаютминимальными отражениями при длине L ≈ 0,5nλв (n = 1,3,5, …), чтообусловлено взаимной компенсацией отражённых волн от концов изгиба. Высокиезначения КБВ достигаются при величине внутреннего радиуса изгиба R > λв. Основные размеры и параметры плавных изгибов стандартных прямоугольныхволноводов в плоскостях Е и Н приведены в таблице 8.2.
Таблица 8.2. – Параметрырадиусных изгибов прямоугольных волноводов в плоскостях Е и Н.Номинальные размеры волновода, мм Номинальный радиус изгиба и допустимые отклонения, мм Номинальный (А, Б) угол изгиба и допустимые отклонения, град. КСВН в плоскости изгиба, не более Е Н Е Н 11 × 5,5
5 ± 0,3
7 ± 0,3
11 ± 0,5
20 ± 0,5
–
7 ± 0,3
12 ± 0,5
20 ± 0,5
А ± 1
Б ± 0,5
1,1
1,07
1,05
1,1
–
1,05 23 × 10
9 ± 0,3
15 ± 0,3
23 ± 0,5
40 ± 0,5
–
15 ± 0,3
25 ± 0,5
40 ± 0,5
А ± 1
Б ± 0,5
1,1
1,07
1,05
–
1,1
–
1,05
– П р и м е ч а н и е. А соответствует значениям угла изгиба 15, 30,45, 60, 75, 90°, б – значениям 15, 30, 60, 75, 90, 105, 120, 135, 150, 165, 180°. Допустимые отклонения сечения в зоне изгиба +0,3…–0,2 мм.
Отражения от изгибов в сильнойстепени зависят от тщательности изготовления и деформации стенок волновода приизгибе; по всей длине изгиба необходимо обеспечить постоянство внутреннейполости волновода и высокую чистоту токонесущих поверхностей; в многократноизогнутых волноводах малого сечения рекомендуется серебрить присоединительныеповерхности фланцев, внутренние поверхности покрывать лаком УР-231 или ВЛ-831.
Скрученные секции предназначеныдля поворота плоскости поляризации волны в волноводе. Плавно скрученная секцияпрямоугольного волновода с волной Н10 показана на рисунке 8.2. Длина Lскрученного отрезка волновода выбирается равной L > 2λв (1+ 0,25n) (n =0, 1, 2, …).
/>
Рисунке 8.2. — Конструкцияскрученной секции прямоугольного волновода
8.2.2Конструкция и размеры типовых контактных фланцевых соединений
Различают три основных видасоединения волноводов: неразъемные, разъемные для редкой и частой разборки.Соединения характеризуются следующими основными электрическими параметрами:величиной КСВН, коэффициентом электрогерметичности, дБ, Nг = 10lg(P0/Pизл) икоэффициентом вносимых потерь α = 10lg(Pпот/P0 ) (Р0 – мощность в местесоединения; Ризл – мощность паразитного излучения через соединение; Рпот –активные потери из-за несовершенства конструкции и ошибок монтажа).
Разъемные соединенияпрямоугольных волноводов осуществляются при помощи фланцев двух основных типов:контактных и дроссельных.
Контактные соединения просты поконструкции, широкополосны, требуют высокой точности изготовления, обладаютнизкой надежностью при многократных переборках тракта; электрогерметичность ивносимые потери сильно зависят от размера зазора между фланцами. Повышениеэлектрогерметичности достигается использованием тонких контактных прокладок избериллиевой бронзы БрБ2Т. Конструктивные размеры контактных прокладок иконтактных фланцев даны на рисунке 8.3, а рекомендуемые посадки для установочныхэлементов представлены в таблице 8.3. Для герметизации соединений используютсяпрокладки из резины ИРП-1267 или резиновой смеси ИРП-1354.
/>
Рисунке 8.3 – Конструкция иразмеры типовых контактных фланцевых соединений (а) и соответствующих имконтактных прокладок (б)
Таблица 8.3 – Рекомендуемыепосадки для установочных элементов фланцевых соединений прямоугольныхволноводов для конструкций серийного производстваВиды соединений Посадки Штифтовые (для двух установочных штифтов) Н9/b8
Винтовые:
для 2-, 4-установочных винтов
для многорядного соединения
Н9/b11
Н13/b12 или Н13/b11
Болтовые:
для установочных болтов
для 2-, 4-установочных болтов
для многорядного соединения
Н9/b11
Н9/b11
Н13/b12 или Н13/b11
8.2.3Волноводное разветвление
ДвойнойТ-образный мост (рисунок 8.4) состоит из совмещенных Е- (плечи А, Б, В) и Н-(плечи А, В, Г) тройников. Мощность, поступающая в волновод Б, делится поровнумежду волноводами А и В и не попадает в волновод Г; аналогично, мощность изплеча Г делится пополам между волноводами А и В и не попадает в плечо Б. ПлечиГ и Б оказываются развязанными (величина развязки > 40 дБ), что позволяет,например, к плечу Г подключить приёмную антенну, к плечу Б – Г гетеродин, кплечам А и В – детекторы. Для согласования плеч двойного Т-образного мостаприменяются индуктивный штырь в плече Б и ёмкостный – в плече Г.
/>
Рисунок 8.4 — Двойной Т-образный мост
8.2.4Волноводные согласованные поглощающие нагрузки
Волноводные согласованныепоглощающие нагрузки предназначены для поглощения СВЧ энергии и обеспечивают приминимальном уровне КСВН в заданном диапазоне частот рассеяние определенногоуровня мощности – от низкого (до 10 кВт) или высокого. Конструктивновыполняются в виде короткозамкнутого на одном конце отрезка волновода срасположенным внутри поглощающим элементом. Различают согласованные нагрузки споверхностным и объемным поглощающими сопротивлениями из специальногопоглощающего материала, называемого ферроэпоксидом. Эти нагрузки отличаютсямалыми габаритами, простотой конструкции и изготовления, низким значением КСВ иширокополосностью (рисунок 8.5).
/>
Рисунок 8.5 – Волноводныепоглощающие клинья сантиметровых и миллиметровых волн из ферроэпоксида:
а – расположение одно- идвуэкспоненциального клина в волноводе (разрез в плоскости Е); б – размерыклина, используемые при расчете экспоненциального профиля
Основными компонентамиферроэпоксида являются карбонильное железо и эпоксидная смола, используемые ввесовом соотношении 5:1. Он механически обрабатывается подобно пластмассам, атакже может отливаться в формы сложной конфигурации. Интервал рабочихтемператур от –60 до +150 °С. Малая длина поглощающего клина при низком КСВдостигается благодаря использованию экспоненциального профиля клина вЕ-плоскости. Экспериментальные исследования показали, что на сантиметровыхволнах при использовании стандартных сечений волноводов для получения ρнаг
Расчет экспоненциального профиляклина h(l) при заданной его длине l0 (рисунок 8.5, б) производится по формулеэкспоненты h = n(eγl −1), где n –коэффициент, а γ определяется заданными значениями l0 и h0:
/>. (8.4)
Для одноэкспоненциального клина h0 = b, для двуэкспоненциального h0 = b/2. Коэффициент n, имеющий размерность длины, определяет величину «прогиба»экспоненты. Графический анализ влияния его величины на форму экспоненциальногопрофиля, измерение КСВ двух клиньев одинаковых размеров, отличающихсязначениями n (0,5 и 1), и соображения технологичностиизготовления привели к выводу о целесообразности выбора n= 1. Это значение n используется на практике во всехслучаях. При креплении поглощающего клина в волноводе (приклеиванием эпоксиднойсмолой или другим способом) необходимо следить за тем, чтобы остриеодноэкспоненциального клина плотно прилегало к широкой стенке волновода, алиния острия двуэкспоненциального клина проходила через середины узких стенокволновода. При этих условиях получаются минимальные КСВ.
8.3Расчет направленного ответвителя
Направленным ответвителемназывается четырехплечее устройство, состоящее из двух отрезков линии передачи,между которыми с помощью «элементов связи» или области связи осуществляетсянаправленная передача электромагнитной энергии. Линия, из которой исходитэнергия, называется основной или первичной; линия в которую поступает энергия –дополнительной или вторичной. Термин «направленная передача энергии» означает,что если в основной линии передачи распространяется бегущая волна определенногонаправления, то во вторичной линии будет возбуждаться тоже бегущая волна,распространяющаяся от области связи только в одном определенном направлении. Видеальном случае, в противоположном направлении от области связи во вторичнойлинии волна вообще не распространяется. Если в основной линии передачи изменитьнаправление движения бегущей волны, то во вторичной линии направление движенияответвленной волны также изменится на обратное. Таким образом, НО является«взаимным » устройством (рисунок 8.6).
/>
а)
/>
б)
/>в)
Рисунок 8.6 – Изображение НО напринципиальных электрических схемах (а); направление движения энергии восновной и вторичной линиях передачи (б, в)
Основными параметрами НО являютсянаправленность (D), переходное ослабление (С), входнойКСВ, допустимая рабочая мощность Pmax и широкополосностьответвителя, которая определяется рабочим диапазоном частот Δf = f2 — f1, в пределах которого параметры НО не выходят за допустимыезначения.
Переходным ослаблением называетсялогарифмическая мера отношения мощности бегущей (падающей) волны на входеосновной линии передачи (P1) к ответвленной мощности навыходе вторичной линии перед (P3) при условии, чтоостальные плечи НО (2 и 4) нагружены на согласованные нагрузки:
/>, (8.5)
где />.
Собственной направленностьюназывается логарифмическая мера отношения мощностей, выходящих из плечвторичной линии передачи (3 и 2, рис.4. б), при условии, что основная линияпередачи (плечо 4) нагружена на согласованную нагрузку и в ней существуетбегущая волна. Таким образом:
/>, (8.6)
где />.
Эффективная направленность (Dэфф), которая считается с учетом переотражений, при условиичто НО нагружен на согласованную нагрузку. Эффективная направленностьопределяется как:
/>, (8.7)
где ас – погрешность измеренияКСВ;
Г3 – коэффициент отражения отнагрузки.
На практике известно, чтореальное достижимое значение коэффициента отражения нагрузки составляет0,02…0,03.
Зададимся значением Г3=0,025. ВыберемКСВ – 1,05…6, ас – 0,02…0,1 и переходное ослабление С=20 дБ. Также известнарабочая частота f=9,38 ГГц. Зная переходное ослаблениеи погрешность измерения КСВ можно определить направленность. Таким образом былиполучены следующие значения направленностей: Dэфф=38,1дБ и Dсоб=80 дБ.
Произведем расчет конструкции НО:
1. Выбираем значения частот f1=8,2ГГц и f2=12,5ГГц, находящиеся на границах рабочей полосы НО. По ними по рабочей частоте fраб=9,38 ГГц рассчитываемзначения длин волн:
λ=с/f, (8.8)
где с=3·108 м/с.
λ1=3·108/(8,2·109)=36мм,
λ2=3·108/(12,5·109)=24мм,
λраб=3·108/(9,38·109)=32мм.
2. Определим соответствующие значения длин волн в волноводе:
λв=λ/√1-(λ/2·а)2, (8.9)
λв1=36/√1-(36/2·23)2=60,4(мм),
λв2=24/√1-(24/2·23)2=28,1(мм),
λвраб=32/√1-(32/2·23)2=58,2(мм).
Таким образом λвсрравна:
λвср=2·λв1·λв2/(λв1+λв2),
λвср=2·60,4·28,1/(60,4+28,1)=38,38(мм).
3. Определим расстояние между центрами отверстий связи:
l=λвср/4, (8.10)
l=38,38/4=9,6(мм).
4. По рассчитанной минимальной собственной направленности НО определяетсяколичество отверстий связи:
N≥-Dmin/(20·lg(cos(2·π·l/ λвраб))+1, (8.11)
N≥-80/(20·lg(cos(2·π·9,6/32))+1=6 шт.
5. Далее определяется коэффициент передачи в прямом направлении:
K∑+=10-C/20, (8.12)
K∑+=10-20/20=0,1.
Коэффициент передачи для первогоотверстия:
K1= K∑+/2N-1, (8.13)
K1=0,1/26-1=3,125·10-3.
Коэффициент передачи остальных отверстий:
Ki=(N-1)!·K1/((i-1)!·(N-i)!), (8.14)
K2=(6-1)!·3,125·10-3/((2-1)!·(6-2)!)=1,563·10-2,
K3=(6-1)!·3,125·10-3/((3-1)! ·(6-3)!)=3,125·10-2,
K4=(6-1)!· 3,125·10-3/((4-1)!·(6-4)!)=3,125·10-2,
K5=(6-1)!·3,125·10-3/((5-1)!·(6-5)!)=1,563·10-2.
Таким образом, наибольшеезначение Kmax=3,125·10-2.
6. Диаметры отверстий определяются из формулы:
K±=(π∙d3λв/12a3b) ∙Фм, (8.15)
где Фм = [1+Pm∙th(2∙t∙qm/d)]-1-[1+Pm∙cth(2∙t∙qm/d)]-1/,(8.16)
где Pm=1,729,
qm=0,92.
Таким образом, диаметры отверстийравны:
d1 = d6 = 3,30 мм,
d2 = d5 = 4,40 мм,
d3 = d4 = 6,30 мм.
8.4Резонансный вентиль
радиоволновойдиэлектрический волноводный
В прямоугольном волноводе,работающем на волне Н10, существуют две продольные плоскости х = const (рис.8.4.1), параллельные узкой стенке волновода, где магнитное поле имеет круговуюполяризацию. Эти плоскости находятся на расстоянии /> от узких стенок волновода.
Направление вращения вектора Н вкаждом из указанных продольных сечений взаимно противоположно и зависит отнаправления движения волны по волноводу. Поместим в волноводе в одной из двухуказанных плоскостей ферритовую пластинку, намагниченную перпендикулярноширокой стенке волновода (рис. 8.6). Если напряжённость постоянного магнитногополя выбрать равной или близкой к величине Нрез, то феррит поглощает мощностьволны, создающей правополяризованное высокочастотное магнитное поле. Волна,распространяющаяся вдоль волновода в противоположном направлении (прямая волна,рис. 8.8), испытывает малое затухание. Серийно выпускаемые ферритовые вентилиобеспечивают в полосе частот 10…15 % f0 затухание в прямом направлении не более0,5 дБ, затухание в обратном направлении 20 дБ и имеют Kcт = 1,08…1,1 ( Kcт –коэффициент стоячей волны).
/>
Рисунок 8.6 – Рассмотрениеобластей с круговой поляризацией магнитного поля волныН10 в различных сеченияхпрямоугольного волновода
/>
Рисунок 8.7 – Эскиз конструкциирезонансного вентиля
/>
Рисунок 8.8 – Вентиль сосмещением поля:
а – эскиз конструкции; б –распределение напряжённости электрического поля
8.5Модулирующий отражатель
Модулирующий отражательпредставляет собой прямоугольный волновод с поперечными размерами (а=23 мм и b=10 мм), открытый конец которого плотно примыкает кисследуемому диэлектрическому образцу. Фазовая модуляция отраженнойэлектромагнитной волны осуществляется с помощью металлической диафрагмы имодулирующего диода (p-i-n диода), встроенных в волновод. Другой конец волновода согласованна нагрузку (поглотитель).
8.5.1Переключательный диод
Переключательныйполупроводниковый диод — это полупроводниковый диод, предназначенный дляприменения в устройствах управления уровнем сверхвысокочастотной мощности.
Принципдействия переключательного диода основан на большом различии полногосопротивления СВЧ сигналу при прямом постоянном токе через диод и при обратномпостоянном напряжении на диоде. Именно поэтому СВЧ тракт (волноводная,коаксиальная или полосковая линия), следующий за переключательным устройством сдиодом, может быть либо открыт, либо закрыт для СВЧ сигнала. Например, врадиолокационных станциях с фазированными решетками, содержащими тысячиидентичных антенных элементов, переключательные диоды должны обеспечить подачумощного СВЧ импульса на каждый элемент в определенные моменты времени. При этоммощные импульсы передатчика не должны попадать в канал чувствительного приемника.
Отсюда ясныосновные требования к переключательным СВЧ диодам. Они должны с минимальнымипотерями пропускать СВЧ мощность в состоянии пропускания и не пропускать — всостоянии запирания, обладать большой допустимой мощностью рассеяния, большимпробивным напряжением, малой собственной емкостью и достаточно большойскоростью переключения.
Обобщенным параметромпереключательного диода является критическая частота fкp, которая характеризует эффективность переключательногодиода и определяется по формуле:
/> (8.17)
где Сстр —емкость структуры; rпр — прямое сопротивление потерь(активная составляющая полного сопротивления диода) при определенном прямомтоке смещения; rобр — обратное сопротивление потерь приопределенном обратном напряжении смещения.
Дляувеличения допустимой мощности рассеяния диода необходимо увеличивать площадьвыпрямляющего электрического перехода, что влечет за собой увеличение барьернойемкости. Поэтому большинство переключательных СВЧ диодов имеет p-i-n-структуру,толщина p-n-перехода которойсущественно увеличена из-за наличия между р- и n-областями слоя высокоомного полупроводника с собственной электропроводностью(рис. 8.9).
Практически p-i-n-структурудля переключательных СВЧ диодов формируют на исходном кристалле кремния спроводимостью, близкой к собственной, т. е. либо с небольшой концентрациейакцепторов (π-слой), либо с небольшой концентраций доноров (ν-слой). Энергетическая диаграмма, распределениепримесей, плотность объемного заряда и электрического поля в p-i-n- и p-π-n-структурах показаны на рисунке8.9. Методы формирования этих структур различны: вплавление и диффузияпримесей, эпитаксиальное наращивание, ионное легирование.
/>
Рисунок 8.9 – Диод с p-i-n-структурой(a), энергетическая диаграмма (б), распределениепримесей (в), плотность объемного заряда (г) и напряженности электрическогополя (д)
Диоды с p-i-n-структуройотличаются меньшей барьерной емкостью, которая к тому же очень слабо зависит отнапряжения (особенно при больших концентрациях примесей в р- и n-областях). Практическая независимость емкости структуры отнапряжения оказывается важным свойством переключательных диодов, так какизменение емкости с напряжением может вызвать дополнительные частотныеискажения полезного сигнала.
Пробивноенапряжение диодов с p-i-n-структурой достигает нескольких сотен вольт, чтосущественно превышает пробивное напряжение диодов с обычным р-п-переходом и стаким же уровнем легирования прилегающих областей.
Дляпереключательных СВЧ диодов некоторых марок (2А523А-4 и др.) максимальнодопустимая мощность, которую может рассеять диод в непрерывном режиме, равна 20Вт. Такие диоды представляют собой бескорпусные приборы с жесткими выводами — кристаллодержателями — и защитным покрытием. Диаметр их 2 мм, длина 3,6 мм.
ПереключательныйСВЧ диод может работать при последовательном и при параллельном включении слинией передачи. В параллельной схеме при прямом смещении диод имеет небольшоесопротивление, шунтирующее линию, и большая часть СВЧ мощности отражаетсяобратно. Таким образом, при параллельной схеме для переключения СВЧ трактаиспользуют разницу в отражении, а не в поглощении. В самом диоде при этомпоглощается незначительная часть падающей на него СВЧ мощности, что позволяетотносительно маломощному прибору управлять десятками и сотнями киловаттимпульсной СВЧ мощности.
Недостаткомпереключательных СВЧ-диодов с p-i-n-структурой является инерционность процесса рассасыванияносителей заряда (электронов и дырок) из i-слоя припереключении диода c прямого направления на обратное,так как толщина i-слоя может составлять несколькодесятков микрометров, а скорость движения носителей заряда ограничена.
Значительно большую скоростьпереключения можно получить при использовании диодов Шотки, изготовленных наоснове арсенида галлия. Однако уровень переключаемой СВЧ мощности при этом нанесколько порядков ниже, чем при применении переключательных СВЧ диодов с p-i-n-структурой.
8.5.2Диафрагмы в прямоугольном волноводе
Диафрагмами называют тонкиеметаллические перегородки, частично перекрывающие поперечное сечение волновода.В прямоугольном волноводе наиболее употребительны симметричная индуктивная,симметричная емкостная и резонансная диафрагмы, показанные на рисунке 8.10.
а)/>
б)/>
В)/>
Рисунке 8.10 – Диафрагмы впрямоугольном волноводе
В индуктивной диафрагме (рис. 8.5.2,а) поперечные токи на широких стенках волновода частично замыкаются черезпластины, соединяющие эти стенки. В магнитном поле токов, текущих по пластинкамдиафрагмы, запасается магнитная энергия. Схема замещения индуктивной диафрагмыпредставляет собой индуктивность, включенную параллельно в линию передачи.Нормированную реактивную проводимость индуктивной диафрагмы bL определяют поприближенной формуле:
bL≈-(λв/а)ctg2(πdL/2а), (8.18)
где λв – длина волны вволноводе;
а – размер широкой стенкиволновода;
dL – ширина зазора диафрагмы.
Емкостная диафрагма (рисунок 8.10,б) уменьшает зазор между широкими стенками волновода, между кромками диафрагмыконцентрируется поле Е и создается некоторый запас электрической энергия.Поэтому схемой замещения емкостной диафрагмы является емкость, включеннаяпараллельно в линию передачи. Нормированная реактивная проводимость емкостнойдиафрагмы bс определяется по приближенной формуле:
bС≈- (4b/λв)ln cosec(πdC/2b), (8.19)
где b – размер широкой стенкиволновода;
dC – ширина зазора диафрагмы.
Емкостная диафрагма сильно снижаетэлектрическую прочность волновода.
Резонансная диафрагма(резонансное окно) — металлическая пластинка с отверстием прямоугольной илиовальной формы (рисунок 8.10, в), содержащая в себе элементы индуктивной иемкостной диафрагм. Размеры отверстия резонансной диафрагмы могут быть выбранытак, чтобы на заданной резонансной частоте диафрагма не оказывала влияния нараспространение волны Н10 в волноводе, т. е. имела нулевую проводимость. Схемазамещения резонансной диафрагмы имеет вид параллельного резонансного контура,включенного в линию передачи параллельно. Приближенно резонансную частотурезонансной диафрагмы определяют из условия равенства волновых сопротивленийлинии передачи, эквивалентной волноводу, и отверстия диафрагмы на основанииформулы (8.20):
/>, (8.20)
/>. (8.21)
Можно убедиться, что выбраннойрезонансной длине волны λ0 в формуле (8.5.2.4) соответствует множестводиафрагм с отверстиями различных размеров, начиная с узкой щели длинойλ0/2 и кончая полным поперечным сечением волновода. Эти резонансныедиафрагмы обладают разной внешней добротностью, т. е. добротностьюэквивалентного колебательного LC-контура /> с учетом влияния согласованной сдвух концов линии передачи, в которую включен этот контур.
8.6Расчет рупорного облучателя
Для полученияболее острой диаграммы направленности и большего усиления сечение стандартноговолновода можно плавно увеличивать, превращая волновод в рупор. Рупоробеспечивает согласование волновода с открытым пространством и коэффициентотражения волны обратно в волновод стремиться к нулю. Для волноводов с круглымсечением применяются конические рупоры (рисунок 8.11, г). Для волноводов спрямоугольным сечением, в зависимости от того в какой плоскости происходитрасширение применяются секториальные (рисунок 8.11, а, б) и пирамидальные(рисунок 8.11, в).
Пирамидальныерупоры имеют расширение в обеих плоскостях. В дальнейшем, пойдет речь именно напирамидальных, так как они позволяют сужать диаграмму направленности в обеихплоскостях и, по сравнению с секторальными, равной длинны, имеют большуюплощадь раскрыва следствии чего их коэффициент усиления больше. Коническийрупор имеет свои особенности, достаточно незначительного изменения профиляконического рупора, чтобы в нём изменилась структура поля и поляризация волныпо эффективности он близок к пирамидальному. Достоинством рупорных антеннявляется большая широкополосность, КПД близкий к 100 % очень слабые боковыелепестки и практическое отсутствие заднего лепестка в диаграмме направленности.
/>
Рисунок. 8.11 – Рупорныеоблучатели:
а, б – секториальные; в –пирамидальный; г – конический
Чем ужедиаграмма направленности и больше коэффициент усиления рупорной антенны, тембольше её апертура, то есть. раскрыв рупора. Для конического рупора это егодиаметр D, а для пирамидального размер а и b. Но если увеличивать раскрыврупора при неизменной его длине R, то вскоре возникнут большие фазовыеискажения и коэффициент усиления начнёт падать, а диаграмма направленностираздваиваться. Поэтому, увеличивая раскрыв рупора мы должны увеличивать егодлину, чтобы фазовые искажения оставались незначительными. Допустим, приопределённом раскрыве рупора мы достигли определённого минимума фазовыхискажений и продолжаем увеличивать его длину. В этом случае коэффициентусиления будет всё ещё расти за счёт дальнейшего уменьшения фазовых искажений,но уже намного медленней, нежели как при увеличении величины раскрыва итеоретически не может превысить 20% от нынешнего. На лицо противоречие, с однойстороны увлечение раскрыва ведёт к увеличению усиления и сужению диаграммынаправленности, с другой к росту фазовых искажений сводящих всё на нет, нокоторые компенсируются увеличением длинны рупора. Следовательно, есть некотороеоптимальное соотношение этих параметров.
Оптимальнымназывается рупор, размеры раскрыва a и b которого подобраны таким образом, чтобыпри заданной длине рупора R получить максимальный КНД. Максимальные значения DEи DH на графиках (рисунок 8.12, а, б) соответствуют оптимальным параметрамсекторальных рупорных антенн. Анализ показывает, что в Е — секторальном рупоремаксимум КНД достигается при:
/> (8.22)
где />– оптимальнаядлина и ширина раскрыва рупора.
В H — секторальном
/> (8.23)
где bp –ширина раскрыва рупора.
На таблице вершины этих линийсоответствуют оптимальным рупорам при их заданной длине R от шести длин волн до100. Горизонтальная шкала проградуирована размерами раскрыва в длинах волн ap/λ т.е. Раскрыв в 2 длинны волны в 2.5 в 3 и так далее. Вертикальная шкалапоказывает теоретическое усиление антенны в Дб, без учёта раскрыва рупора в плоскостиE на величину bp, но чтобы учесть влияние от раскрыва рупора в плоскости Е иполучить практическое реальное усиление, надо умножить значение на вертикальнойоси на значение bp/ λ. Например по горизонтальной оси выбирается антеннас раскрывом в 5λ, это соответствует 40 Дб по вертикальной шкале. Еслипринять, что bp=9см, а длинна волны λ =12 см 3мм, то bp/ λ =0.73тогда d=40х0.73=29.2 Дб усиление реальной антенны. Положение с расчетамиЕ-сектороиального рупора, аналогично.
/>
а б
Рисунок 8.12 –Зависимость коэффициента направленного действия Е – секториального рупора (а) иН – секториального рупора (б) от относительной ширины раскрыва при различнойдлине волны рупора
Пирамидальныйрупор будет оптимальным, если оптимальны соответствующие ему Е- иН-секторальные рупоры. Формулы (8.22) и (8.23) применимы к пирамидальномурупору с размерами раскрыва a в Н-плоскости и b в Е-плоскости. При определения оптимальной длины пирамидальногорупора следует выбрать большую из величин и, найденных из формул (8.22) и (8.23).
9общее описание устройства
Разработка конструкции устройстварадиоволнового фазометрического контроля радиопрозрачных изделий представленана чертеже общего вида.
Волновод, по которомураспространяется электромагнитная волна, представляет собой металлическую трубупрямоугольного сечения (а=23 мм и b=10 мм). Толщина стенок волновода 2 мм. Длина волны в волноводе λв= 44 мм; критическая длина волны типа H10 λкрН10=46 мм;рабочее значение частоты f=9,38 ГГц. Для соединения волноводов и функциональныхустройств СВЧ тракта используются типовые контактные фланцевые соединения.
Направленная передача электромагнитнойволны осуществляется с помощью направленного ответвителя. Были произведенырасчеты основных характеристик: переходное ослабление направленного ответвителяС=20 дБ; эффективная направленность Dэфф=38,1 дБ;собственная направленность Dсоб=80 дБ. Также былпроизведен расчет конструкции НО, в котором было определено: расстояние междуцентрами отверстий связи l=9,6 (мм); количествоотверстий связи в общей стенке НО N≥-=6 шт;диаметры отверстий связи d1 = d6 = 3,30 мм, d2 = d5 = 4,40 мм, d3 = d4 = 6,30мм. Конец вторичной линии волновода нагружен на встроенную согласованнуюнагрузку с КСВ=1,05.
При измерении модуля и фазыкоэффициента прохождения применяется образцовый фазовращатель (φ0=360°,Δφ=0,2°).
Основным элементом схемыфазометра является балансный (или суммо-разностный) фазовый дискриминатор,состоящий из Двойного Т-образного моста, на два взаимно развязанных входакоторого поступают опорный и измеряемый сигналы. К двум выходным плечамприсоединяются волноводные смесительные камеры с низкочастотным выходом.
Исследуемый сигнал поступает кприемопередающей антенне, которая состоит из рупорного облучателя иэллипсоидного отражателя. Рупорный облучатель и эллипсоидный отражателькрепятся регулируемыми держателями на платформах. Платформы устанавливаются наоптической скамье.
Конструкции СВЧ модулирующейотражающей части устройства представляет собой прямоугольный волновод споперечными размерами (а=23 мм и b=10 мм). Открытыйконец волновода плотно примыкает к исследуемому диэлектрическому образцу.Фазовая модуляция отраженной электромагнитной волны осуществляется с помощьюметаллической диафрагмы и модулирующего диода (p-i-n диода), встроенных в волновод.Другой конец волновода нагружен на согласованную нагрузку с КСВ=1,05.
10 ОЦЕНКАЭФФЕКТИВНОСТИ РВК ПО МЕТОДУ МОДУЛИРУЮЩЕГО ОТРАЖЕНИЯ
Метод модулированного отраженияобеспечивает точность измерения параметров диэлектрических материалов,сравнимую с точностью измерения «на просвет», но при этом для его реализациитребуется простое оборудование.
Благодаря небольшим размерамотражателя метод модулированного отражения может быть использован длялокального технологического контроля диэлектрических изделий.
При измерениях методоммодулированного отражения простой суммирующий дискриминатор непригоден, так какусловие баланса зависит от соотношения амплитуд опорного и измеряемогосигналов; применение балансного дискриминатора позволяет полностью устранитьэту ошибку.
Дополнительным преимуществомбалансного фазового дискриминатора, по сравнению с простым суммирующим,является удвоенная чувствительность.
В процессе контроля необходимосохранять неизменным фазовый угол коэффициента отражения отражателя (φг),при этом нет необходимости знать величину и фазу коэффициента отражения.
Независимо от схемы фазовогодискриминатора измерения сопровождаются ошибкой, максимальная величина которойравна ±|S11Г0| радиана. Эта ошибка может рассматриваться как ошибка метода. Дляеё уменьшения следует прежде всего уменьшать среднее значение коэффициентаотражения отражателя, что легче обеспечить при амплитудной, а не фазовоймодуляции коэффициента отражения.
11 КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Настоящие технические условияраспространяются на стенд микроволнового контроля радиопрозрачныхдиэлектрических образцов.
11.1Технические требования
11.1.1Общие требования/>
Стенд должен соответствоватьтребованиям настоящих технических условий и комплекта конструкторскойдокументации.
Принцип действия стендамикроволнового контроля радиопрозрачных диэлектрических образцов должензаключатся в контроле параметров диэлектрических образцов, выполненных в видепластин методом свободного пространства.
11.1.2Основные параметры и характеристики
Стенд должен работать в сетяхпеременного тока напряжением 220В.
Стенд должен обеспечиватьизмерения параметров:
· электрическая толщина образца на локальных участках;
· отклонение электрической толщины от номинала;
· диэлектрическая проницаемость материала (при заданной толщинеобразца).
· Стенд должен обеспечивать:
· чувствительность по электрической толщине = 0,2º;
· погрешность определения электрической толщины ≤ ±0,1º.
11.1.3 Требования поустойчивости к внешним воздействиям
Стенд должен устойчиво работатьпри следующих значениях внешних факторов:
· относительная влажность воздуха />% и температура 1500 0С;
· температура окружающей среды от 0 до плюс 45 />;
· устройство должно эксплуатироваться в лабораторных условиях.
11.1.4Требования к конструкции
Конструкция должна обеспечиватьудобство монтажа и замены комплектующих изделий.
11.1.5 Требования кнадежности
Требования к надежности устройства:
· назначенный срок службы устройства – 10 лет;
· назначенный ресурс – 90000 ч;
· вероятность безотказной работы за 2000 ч наработки должна быть неменее 0, 97.
11.1.6 Комплектность
В комплект поставки устройствадолжны входить:
· стенд для контроля диэлектрических образцов методом свободногопространства – 1 шт.;
· комплект для крепления стенда – 1 компл.;
· одиночный комплект ЗИП – 1 компл.;
· комплект эксплуатационных документов – 1 экз.
· В комплект эксплуатационных документов должны входить:
· руководство по эксплуатации – 1 экз.;
· паспорт – 1 экз.;
· ведомость ЗИП – 1 экз.
11.1.7Маркировка
Маркировка должна производиться сучетом требований ГОСТ 18620-80 и ОСТ 5.6083-82.
Таблички с маркировочными даннымидолжны быть закреплены на наружной поверхности корпуса.
Маркировка должна быть нанесенана таблички способом, обеспечивающим ясность и сохранность надписей в течениевсего срока эксплуатации.
· На табличках должны быть указаны:
· товарный знак предприятия изготовителя;
· условное наименование изделия в соответствии с настоящимитехническими условиями;
· заводской номер;
· год изготовления.
11.1.8 Консервация иупаковка
Консервация и упаковка должныпроизводиться с учетом требований ГОСТ 9.014-78 и ОСТ 5.6083-82.
Стенд для контролядиэлектрических образцов методом свободного пространства и запасные частидолжны быть подвержены консервации и иметь упаковку, предохраняющую их отповреждения при транспортировании и хранении.
11.1.9Требования безопасности
Стенд должен соответствоватьтребованиям «Правил устройства электроустановок».
Стенд должен иметь заземляющееустройство и знаки заземления по ГОСТ 21130-75.
На лицевой панели корпуса стендадолжна быть световая сигнализация о включении его в работу.
Температура нагрева поверхностивнешней оболочки стенда не должна превышать 350С при оговоренной температуреокружающей среды.
Пожарная безопасность стендадолжна обеспечиваться применением надежных контактных соединений, не требующихобслуживания в течение периода непрерывной работы, закрытием кабельных вводов,максимальным применением негорючих и трудно горючих материалов, соблюдением электрическихзазоров и расстояний утечки по поверхности изоляции.
11.1.10Правила приемки
Правила приемки должны быть всоответствии с ГОСТ5.6083-82.
Объем и последовательностьиспытаний должны быть в соответствии с ГОСТ5.6083-82.
11.1.11Транспортирование и хранение
Условия транспортирования погруппе 2 ГОСТ 15150-69. Погрузку, крепление и транспортирование стендаосуществлять в закрытом подвижном составе в соответствии с «Правилами перевозкигрузов» и «Техническими условиями погрузки и крепления грузов», утвержденнымиМПС.
Условия хранения по группе 2 ГОСТ15150-69.
11.1.12Указания по эксплуатации
Эксплуатация КНЭ должнапроизводиться в соответствии с «Руководством по эксплуатации».
11.1.13Гарантии изготовителя
· Изготовитель гарантирует соответствие стенда требованиямнастоящих технических условий при соблюдении потребителем правилтранспортирования, хранения, монтажа и эксплуатации.
· Гарантийный срок службы 1 год со дня установки стенда при условиисоблюдения требований по эксплуатации, но не более 1,5 лет со дня отгрузкиизготовителем.
· В течение гарантийного срока эксплуатации изготовитель своимисилами и средствами устраняет дефекты, выявленные в этот период, при условиисоблюдения потребителем правил транспортирования, хранения, монтажа иэксплуатации.
· После истечения гарантийного срока эксплуатации изготовитель всеработы по ремонту производит при наличии соответствующего договора.
11.2 Оценкатехнологичности конструкции КНЭ
11.2.1Количественные показатели технологичности конструкции изделия
Абсолютный технико-экономическийпоказатель трудоемкости изготовления изделия /> выражается суммой нормо-часов,затраченных на изготовление изделия:
/>. (11.1)
Подсчет трудоемкости изделия,состоящего из большого числа составных частей, следует вести укрупнено поформуле:
/>, (11.2)
где />-трудоемкость изготовления />-той сборочной единицы;
/> - трудоемкость изготовления /> - той детали;
/> - количество />-ых деталей;
/> - трудоемкость общей сборкиизделия;
/> - трудоемкость испытаний;
/> - трудоемкость прочих работ.
Таблица 11.1 – Время изготовлениядеталейНаименование детали Количество, шт. Время изготовления, нормо-час Направленный ответвитель 2 1,5 СВЧ модулирующий отражатель 1 3 Фазовый дискриминатор 1 5
/>.
Наиболее распространеннойявляется оценка технологичности по комплексному показателю. Уровеньтехнологичности конструкции изделия определяется как отношение достигнутогокомплексного показателя технологичности к значению базового или нормативногокомплексного показателя:
/>, (11.3)
где /> - уровень технологичности;
/> - достигнутый комплексныйпоказатель;
/> - базовый показатель, равный дляконструкторской документации 0,5 – 0,6.
Достигнутый комплексныйпоказатель рассчитывается по формуле:
/>, (11.4)
где /> - величина частного показателя;
/> - функция, нормирующая весовуюзначимость показателя;
/> - общее число относительныхчастных показателей.
Исходные данные для расчетаприведены в таблице 10.2
Таблица 11.2 – Исходные данныедля расчета показателей технологичности конструкцииНаименование параметров Обозначение параметра Значение параметра Количество унифицированных деталей в изделии
/> 13 Количество деталей в изделии
/> 16 Количество сборочных элементов
/> 4 Количество операций в ТП
/> 15 Количество операций, которые могут осуществляться механизированным или автоматизированным способом
/> 8 Количество деталей, требующих настройки и повторной установки
/> Количество типоразмеров
/> 4 Количество типоразмеров элементов
/> 4 Количество типоразмеров в изделии без учета креплений
/> 4 Количество типовых технологических процессов
/> 4 Общее число применяемых технологических процессов
/> 7
Состав дополнительных показателейтехнологичности конструкции приведен в табл. 11.3.
Таблица 11.3 – Составдополнительных показателей технологичности конструкцииНаименование показателя Обозначение и расчетная формула
Весовой коэффициент /> Коэффициент унификации
/> 1 Коэффициент автоматизации
/> 1 Коэффициент автоматизации и механизации подготовки навесных элементов к монтажу
/> 0.75 Коэффициент автоматизации и механизации контроля и настройки
/> 0.5 Коэффициент повторяемости деталей
/> 0.31 Коэффициент повторяемости элементов
/> 0.14 Коэффициент применения типовых технологических процессов
/> 0.11
Определим величины частных показателейсогласно таблице 11.2, используя данные таблицы 11.3:
/>,
/>,
/>,
/>,
/>,
/>,
/>,
/>. (11.5)
Тогда величина комплексногопоказателя технологичности изделия:
/>.
Нормативный показательтехнологичности на стадии технического проекта составляет />.
Уровень технологичности изделия:
/>.
Полученный нами результатпоказывает, что уровень технологичности конструкции удовлетворяет предъявляемымтребованиям.
12 РАЗРАБОТКА БИЗНЕС ПЛАНА ПРОЕКТА
12.1Резюме
В дипломном проекте разрабатываетсяустройство микроволнового контроля диэлектрических образцов, методом свободногопространства. В состав устройства входит СВЧ – генератор. Генератор работает вСВЧ диапазоне, мощностью 5-10 мВт и с относительной нестабильностью частоты 1×10-3 — 1×10-4.Разработаем бизнес-план производства и сбыта устройства микроволновогофазометрического контроля радиопрозрачных изделий. Для этого необходимо, преждевсего, четко сформулировать назначение прибора, обрисовать рынки сбыта и т.д.
12.2Описание продукта
12.2.1Назначение
По условиям дипломного проекта,разрабатываемое устройство, предназначенное для неразрушающего контролякачества радиопрозрачных изделий, должно иметь ограниченно-одностороннийдоступ, из-за невозможности размещения приемной антенной системы позадиисследуемого образца. Поэтому, для реализации контроля качества радиопрозрачныхизделий и материалов возникает необходимость использования метода «наотражение».
12.2.2Форма реализации
Устройство, предназначенное длянеразрушающего контроля качества радиопрозрачных изделий.
12.2.3Технико-эксплуатационные параметры
Устройство должно обеспечиватьизмерения параметров:
· электрическая толщина образца на локальных участках;
· отклонение электрической толщины от номинала;
· диэлектрическая проницаемость материала (при заданной толщинеобразца).
12.3План маркетинга
12.3.1Описание характеристик товара
Описание характеристик товараприведены в таблице 12.1.
Таблица 12.1 – Описаниехарактеристик товараСущность товара Контроль радиопрозрачных изделий и материалов Фактические характеристики товара
Устройство должно работать в сетях переменного тока напряжением 220В – не более 50 ВА
Устройство должно обеспечивать:
-чувствительность по электрической толщине = 0,2º;
-погрешность определения электрической толщины ≤ ±0,1º Добавленные свойства товара Применяется метод модулированного отражения, что позволяет избавиться от ряда существенных недостатков (уменьшение погрешностей измерения при отражении от металлической пластинки)
12.3.2Достоинства и недостатки товара конкурента
Достоинства и недостатки товара конкурентаприведены в таблице 12.2
Таблица 12.2 – Достоинства инедостатки товара конкурентаТовар конкурент Сильные стороны
Слабые
стороны Характеристики нового товара Устройство фазометрического контроля диэлектрических материалов Используется метод на прохождение, который имеет большую точность Данное устройство хорошо в учебных целях, но в промышленных масштабах не может быть использовано, так как имеет ряд технических недостатков Устройство имеет ограниченно-односторонний доступ и не требует больших затрат в использовании громоздкой системы приемной антенны
12.3.3Предполагаемые потребители
Потенциальными покупателямиданной продукции являются высшие учебные заведения, и предприятия, отвечающиеза качество материалов при создании различных устройств, где могутиспользоваться диэлектрики. Цена на продукт и её окупаемость будет определенадалее в финансовом плане.
12.3.4Разработка маркетинговых стратегий
Скрытый спрос характеризуетсостояние рынка, когда многие потребители не удовлетворены существующимипродуктами. При скрытом спросе используют развивающую стратегию, задачейкоторой является оценка размера потенциального рынка и разработка эффективныхпродуктов, способных превратить скрытый спрос в реальный.
Развитие товара — создание новыхили модификация имеющихся для продажи товаров на существующем рынке. При всейсвоей привлекательности у данной стратегии есть и недостатки. Можно добесконечности переделывать устройство (систему), довести её до совершенства, нов конкурентной борьбе выиграет производитель более дешевой системы. Необходимовсегда помнить: потребитель покупает не товар, а удовлетворение потребности.
Внедрение на рынок — продажабольшого количества товара большому количеству покупателей одной категории.Реализация данной стратегии осуществляется с помощью интенсификациитовародвижения, активной рекламы, стимулирования сбыта и продажи, сервисныхмероприятий и других способов воздействия на потребителя.
Расширение рынка — поиск новыхтипов потребителей или новых каналов для распространения. Стратегиистимулирования сбыта (увеличение продаж).
Проталкивание — стратегия нацеленана распределительные каналы (агенты по продаже, дистрибьюторы, розничныеторговцы, оптовые продавцы)
Притягивание — стратегия нацеленана увеличение потребительского спроса при использовании рекламы или припоощрении потребителя.
Стратегия ценообразования.
Стратегии определения цены длясуществующих товаров:
Следование за ценой — организации,которые не являются лидерами на рынке, обычно определяют свои цены вблизидоминирующей цены.
Стратегии определения цены дляновых товаров:
Вторжение цены — если товарявляется версией товара/услуги, которые уже известны потребителю, то его можнозапускать по низкой цене для того, чтобы добиться признания и высоких объёмовпродаж.
12.4Организационный план
Для воплощения любого продуктатребуется ряд этапов, включающих разработку проекта, его производство и последующуюэксплуатацию. Нормальная деятельность на каждом из этих этапов требует вложенияопределенных сумм денежных средств.
На этапе разработки – этостоимость проведения научно-исследовательских работ (НИР).
На этапе производства – этозатраты на выпуск деталей, т. е. фактически себестоимость единицы продукции, ивложения в основные фонды и оборотные средства, обеспечивающие этот выпуск. Атак же затраты на покупные комплектующие и полуфабрикаты производится всоответствии с количеством одноименных деталей, рассчитанном в ходепроектирования принципиальной схемы прибора.
На этапе эксплуатации – этозатраты, связанные с текущим использованием нового объекта (годовые издержкиэксплуатации) и сопутствующие капитальные вложения.
Сумма всех этих затрат,вычисленная по годам каждого из трех этапов, и характеризует последовательностьпервоначальных вложений, или инвестиций. Источниками могут быть собственные изаёмные средства. И в том и в другом случаях весьма важным для вкладчикаявляется определение эффективности предполагаемых инвестиций.
12.5Производственный план
Общая продолжительность на этаперазработки равна 82 дням. Сметная стоимость работ, выполняемых в течение этоговремени, определяется методом расчета по отдельным статьям сметной калькуляциина основе анализа данных по технической подготовке производства.
Календарный график проведенияработ представлен в таблице 12.3. Исходные данные представлены в таблице 12.4.
Таблица 12.3 – Календарный графиквыполнения работ № Действие Ai, дней Bi, дней M0i, дней 1. Аналитический обзор по теме дипломного проекта 8 12 10 2 Библиографический анализ 4 6 5 3 Разработка вариантов построения стенда и выбор варианта для реализации 8 12 10 4 Разработка и расчет электрической и принципиальной схемы стенда 16 20 18 5 Проект конструкции стенда 14 18 16 6 Чертежи и плакаты 8 14 11 7 Подготовка документации 10 14 12 Итог: 68 96 82
12.6Финансовый план
Сметная стоимость работ,определяется методом расчета по отдельным статьям сметной калькуляции на основеанализа данных по технической подготовке производства.
Таблица 12.4 – Исходные данныеНаименование Значение Ед. изм. Стенд Есть в наличии Персональный компьютер 12000 руб Среднемесячная зарплата программиста 20000 руб Среднемесячная зарплата сборщика 20000 руб Объем инженерных ресурсов для разработки 70 дней Объем машинных ресурсов для разработки 12 дней
12.6.1Расчет и анализ экономической эффективности инвестиционногопроекта
Существует несколько критериевоценки экономической эффективности проекта:
· Срок окупаемости – показывает, через, сколько времени проектначинает приносить прибыль.
· Внутренняя норма доходности – задает норму прибыли проекта.Используется в антикризисном управлении для накопления средств для вложения иливозврата кредита.
· Критерий дисконтированного денежного потока (NPV).Дисконтирование – приведение будущих денежных потоков к их современнойстоимости.
/>, (12.1)
где t – номер периода; t = 0 – время освоения инвестиций,
Тж – срок жизни проекта,
Dt –денежный поток в соответствующем периоде,
/> – дисконтный множитель,
r –ставка дисконтирования.
/>. (12.2)
Чистый поток денежных средств –Д, генерируемых инвестиционным проектом за каждый год жизни проекта,рассчитывается по формуле:
Д=ЧП + А – ИЗ, (12.3)
где ЧП – годовая чистаяприбыль от реализации продукции, созданной инвестиционным проектом;
А – годовые амортизационныеотчисления;
ИЗ – инвестиционные затраты.
Амортизация не является потокомплатежей или поступлений, но это инвестиционный ресурс, который остается вкомпании.
Годовая чистая прибыль может бытьрассчитана по формул:
ЧП=(ВР – ЭР )*(1-Т), (12.4)
где ВР – годовой объем продаж;
ЭР – годовые эксплуатационные(операционные) расходы (расходы на хозяйственную деятельность);
Т – ставка налога на прибыль(20%).
Для расчета годовыхэксплуатационных расходов необходимо провести предварительный расчетсебестоимости изделия.
В качестве метода расчетасебестоимости изделия выберем метод укрупненной нормативной калькуляции.
Метод укрупненной нормативнойкалькуляции предполагает определение себестоимости изделия на основе расчета,по крайней мере, основных статей: материальных затрат, основной идополнительной заработной платы, отчислений на социальные нужды и накладныерасходы.
Расчет стоимости комплектующихпокупных изделий и полуфабрикатов показан в таблице 12.4.
Таблица 12.4 – Расчет стоимостикомплектующих покупных изделий и полуфабрикатовНаименование покупных материалов
Кол-во
/>
Цена за единицу />, руб.
Общая сумма,
руб. Обоснование цены СВЧ генератор 1 35 000 35 000
Розничные
2007 г. НЧ генератор 1 18 000 18 000 Балансный модулятор 1 7 000 7 000 Фокусирующая антенна с рупором 1 8 000 8 000 Рупорная антенна 1 3 000 3 000 Измеритель отношения НЧ напряжений 1 6 000 6 000 Фазовый дискриминатор 1 15 000 15 000 Записывающее устройство 1 5 000 5 000 Прочее (стойка, крепления и др.) 4 000 4 000 Итого: 101 000
Заработная плата сборщика наединицу изделия рассчитывается по формуле:
/>, (12.5)
где З0 – среднемесячная зарплатаработника,
m –среднее количество рабочих дней в месяце (≈ 22),
tр –длительность сборки,
0,262 – коэффициент начисления насоциальные нужды.
/>руб.
В таблице 12.5 представленакалькуляция себестоимости единицы изделия.
Таблица 12.5 – Калькуляциясебестоимости единицы изделияСтатьи затрат Затраты на единицу, р. Обоснование I. Переменные затраты 1. Материальные затраты 101 000 По данным предприятия 2. Основная заработная плата производственных рабочих 94 076 По данным предприятия 3. Дополнительная заработная плата производственных рабочих 9 408 10% от п.2 4. Отчисления на социальные нужды 27 113 26,2% от п.п.2,3 II. Постоянные затраты 5. Накладные расходы 329 266 350% от п.2 6. Амортизация 39 512 12% от п.5 Итого полная себестоимость C n 560 863
В соответствии с рекомендациямимаркетинговых исследований выбираем метод формирования цены «издержки плюснадбавка» с учетом цен конкурентов. Поскольку цены конкурентов на аналогичныеизделия составляют 625 000р./шт., выходить на рынок планируется с ценой 610 000р./шт., что обеспечит конкурентоспособность продукции.
В этом случае годовой объемпродаж составит:
ВР=610 000*10=6 100 000 р./год.
Годовые эксплуатационные(операционные) расходы:
ЭР=Сn*10=560863*10=5 608 630.
Годовая чистая прибыль:
ЧП=(ВР-ЭР)*(1-Т)=(6 100 000-5 608630)*(1-0,20)=393 096.
Инвестиционные затраты ИЗопределяются суммой затрат в основной и оборотный капитал:
ИЗ = ИЗо + ИЗоб, (12.6)
где ИЗо – инвестиционныезатраты в основной капитал (определяются итогом капитального бюджета);
ИЗоб – инвестиционные затраты воборотный капитал (начальный оборотный капитал ).
Таблица 12.6 – Капитальный бюджетпроектаЭлементы затрат Стоимость, руб. 1. Инвестиции в основное технологическое оборудование 80 000 2. Инвестиции во вспомогательное оборудование 40 000 3. Монтаж и пуско – наладка 45 000 4. Стоимость транспортировки оборудования 29 000 5. Прочие инвестиционные расходы 45 000 Итог: ИЗО = К0 + КВ + КМ + КТР + КПР 239 000
Если предположить, что для тогочтобы запустить проект требуется 10% эксплуатационных расходов, то:
ИЗоб = 5 608 630*0,1= 560 863р.
Общая сумма инвестиционных затратсоставит:
Из=ИЗо+ИЗоб = 239 000+560 863=799 863р.
В таблице 12.7 приведенукрупненный прогноз потоков денежных средств проекта.
Таблица 12.7 – Укрупненныйпрогноз потоков денежных средств проектаПоказатель, тыс. рублей Интервал, год 1 2 3 4 5 6 1 Годовой объем продаж 6 100 6 100 6 100 6 100 6 100 6 100 2 Инвестиционные затраты -800 3 Годовые эксплуатационные расходы -5609 -5609 -5609 -5609 -5609 -5609 4 Валовая прибыль 491 491 491 491 491 491 5 Налог на прибыль -98 -98 -98 -98 -98 -98 6 Чистая прибыль 393 393 393 393 393 393 7 Амортизация 39,83 39,83 39,83 39,83 39,83 39,83 8 Чистый поток денежных средств -800 432,8 432,8 432,8 432,8 432,8 432,8 9 Дисконтный множитель i=0,1 1 0,91 0,83 0,75 0,68 0,62 0,56 10
Приведенный чистый поток
денежных средств -800 393,9 359,3 324,6 294,3 268,4 242,4 11 NPV -800 -406,1 -46,9 277,8 572,1 840,5 1083
Вывод: из таблицы 12.7 следует,что проект выходит на положительную величину NPV в третьемгоду. За срок жизненного цикла, равный шести годам, значение NPVсоставит 1 083 100 рублей, что свидетельствует об экономическойцелесообразности проекта.
13 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ИСАНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ТРУДА НА РАБОЧЕМ МЕСТЕ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ ПЭВМ –РАЗРАБОТЧИКА РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ
13.1Безопасность труда при эксплуатации проектируемой аппаратуры, разработкасредств защиты
В дипломном проекте разрабатываетсястенд микроволнового контроля диэлектрических образцов, методом свободногопространства. В состав устройства входит СВЧ – генератор. Генератор работает вСВЧ диапазоне, мощностью 5-10 мВт и с относительной нестабильностью частоты 1×10-3 — 1×10-4.
В процессе непосредственнойэксплуатации данный стенд располагается вблизи человека, на расстоянии удобномдля работы. При нормальной работе стенд не представляет угрозы экологии ижизнедеятельности человека. Техническое обслуживание стенда требуетнепосредственного присутствия лаборанта.
На пользователя, работающего состендом, постоянно или периодически действуют следующие опасные и вредныефакторы:
· использование СВЧ генератора, работа с СВЧ излучением;
· опасность поражения электрическим током.
Необходимости разрабатыватьсредства защиты от этих вредных факторов нет, поскольку все приборыэкранированы и уровень излучения не превышает нормального.
/>/>/>/>
13.2Параметры микроклимата на рабочем месте
Микроклимат производственногопомещения определяется температурой (˚С), относительной влажностью (%) искоростью движения воздуха (м/с). Согласно требованиям СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03нормирование параметров микроклимата в рабочей зоне производится в зависимостиот времени года, категории работ по энергозатратам.
По энергозатратам работа сиспользованием устройства относится к категории – легкая физическая (ккатегории 1а относятся работы, производимые сидя и не требующие физическогонапряжения, при которых расход энергии составляет до 120 ккал/ч).
Оптимальные значения параметровмикроклимата в вычислительной лаборатории приведены в таблице 13.1.
Таблица 13.1 – Оптимальныезначения параметров микроклиматаПериод года Категория работ Температура воздуха, С0 не более Относительная влажность, % Скорость движения воздуха, м/с Холодный Легкая – 1а 22-24 40-60 0,1 Теплый Легкая – 1а 23-25 40-60 0,1
/>/>/>
13.3Электрическая опасность
Стенд питается от сети 220 В (счастотой 50 Гц) с наглухо заземленной нейтралью. Для защиты персоналанеобходимо заземлить всю электроаппаратуру. При подключении стенда к сетипредусмотрена 3-х штыревая вилка и используются евророзетки. Сопротивлениеизоляции не менее 0,5 Мом.
Таблица 13.2 – Типы помещенийТип помещения Сухое Класс помещения по степени опасности поражения человека электрическим током Без повышенной опасности Частота тока 50 Гц Род тока Переменный Питающее напряжение 220 В Ток 0,5 А
Для обеспеченияэлектробезопасности при работе необходимо проведение соответствующихорганизационных мер. К ним относятся учеба, инструктаж, экзамен по техникебезопасности, правильная организация рабочего места и режима труда, применениезащитных средств, предупредительных плакатов и сигнализации, подбор кадров сучетом профессиональных особенностей и т.д.
13.4Требования к пожарной безопасности
Применение автоматических средствобнаружения пожаров является одним из основных условий обеспечения пожарнойбезопасности, так как позволяет своевременно известить о пожаре и принять мерык быстрой его ликвидации.
Система электрической пожарнойсигнализации включает: извещатели, линии связи, приемную станцию (коммутатор),источник питания, звуковые и световые средства сигнализации.
Пожарные извещатели преобразуютфизические параметры, характеризующие пожар (тепло, дым, свет) в электрическиепараметры.
В нашем случае более всегоподходят дымовые пожарные извещатели. Они устанавливаются в закрытых помещенияхв зоне наиболее вероятного загорания и возможного скопления дыма.
Первичными средствамипожаротушения являются:
Углекислотный огнетушитель 1шт:ОУ-2. Углекислотные огнетушители допускается заменять порошковыми.
13.5Безопасность труда при работе на установке с использованием источника излученияэлектромагнитных полей радиочастот
Электромагнитные излучения имеютместо в естественных условиях или создаются искусственно. Воздействие их наорганизм человека зависит от интенсивности излучения и длины волны источника. Вданном случае при установке, первичной настройке и испытании стенда возникаетопасность попадания обслуживающего персонала в область электромагнитногоизлучения СВЧ с λ=32 мм. Применительно к данному случаю источникомизлучению является СВЧ – генератор. Интенсивность излучения оцениваетсявеличиной плотности потока мощности (ПЛМ). При малой плотности потока мощностиизлучения его влияние выражается в нагревании тканей и органов человека. Нагреввызывается тем, что в значительном диапазоне волн ткани организма являютсядиэлектриками со значительными потерями вследствие высокого содержания воды ворганизме. Наиболее чувствительны к облучению и подвержены повреждению тканислабо выраженным механизмом терморегуляции, так как они имеют небольшое числокровеносных сосудов или недостаточное кровообращение. Наиболее уязвимы для СВЧглаза. При их облучении может произойти необратимое помутнение хрусталика,влекущее за собой потерю зрения.
Если отдельные органы соизмеримыс длиной волны излучения, то возможно полное резонансное поглощение энергииизлучения даже при малых дозах (ГОСТ 12.1.006-84).
С целью защиты обслуживающегоперсонала и создания благоприятных условий труда производится нормирование СВЧизлучения. Согласно «Санитарным требованиям при работе с источникамиэлектромагнитных полей высоких, ультравысоких и сверхвысоких частот» определеныследующие предельно допустимые дозы облучения:
Таблица 13.3 – Дозы облученияДлительность облучения Допустимая интенсивность в течение рабочего дня
10/> не более двух часов
(10…100)/> не более 15…20 минут
(10…1000)/>
При настройке и последующемконтроле работы СВЧ генератора необходимо применять следующие способы защиты:
· защита временем;
· экранирование источника излучения;
· применение средств индивидуальных средств защиты.
Генератор работает периодически.Работа с генератором не превышает пяти часов в день. Рассчитаем допустимую нормуна СВЧ излучение:
/> , (13.1)
где /> — предельно допустимое значениеплотности потока энергии, />;
/> — предельно допустимая величинаэнергетической нагрузки за рабочий день, равная />;
К – коэффициент ослаблениябиологической эффективности, в данном случае равный 1;
Т – время пребывания в зонеобучения за рабочую смену, ч.
Рассчитаем плотность потокаэнергии:
P=10мВт=0,01 Вт.
Сечение открытого излучающеговолновода 23×10 мм.
S=23·10=230 мм2=0,23 м2.
Плотности потока энергии в данномслучае равна: />.
Вывод: плотность потока энергиине превышает допустимую норму на СВЧ излучение />.
Заключение
Создание высокоточных и надежныхизмерителей параметров технологических процессов, способных работать в сложныхэксплуатационных условиях, является одной из актуальных проблем. Применяясредства неразрушающего контроля можно полностью автоматизировать многиепроизводственные процессы изготовления изделий. Повысить производительность икачество выпускаемой продукции.
В данном дипломном проектерассмотрены теоретические основы методов радиоволнового контроля на СВЧ, данырасчеты основных элементов конструкции разрабатываемого устройства,предназначенного для неразрушающего контроля качества радиопрозрачных изделий,имеющего ограничено-односторонний доступ.
В результате выполнения проектабыло успешно разработано устройство неразрушающего микроволнового контролядиэлектриков. Спроектированы принципиальная и структурная схемы устройства. Также в ходе проекта были поставлены условия безопасного использования устройства.Произведен расчет себестоимости изделия и анализ экономической эффективности.
Таким образом, все поставленные втехническом задании к дипломному проекту выполнены. Цель – разработатьустройство неразрушающего микроволнового контроля диэлектриков, достигнута.
Списоклитературы
1. Стреттон Дж. А. Теория электромагнетизма. М., Гостехиздат, 1948.
2. Орлов В. Г., Панченко В. С. Об одной возможности измерениядиэлектрической проницаемости веществ в миллиметровом диапазоне радиоволн. –«Вопросы радиоэлектроники. Сер. VI», 1966, вып. 1.
3. Брандт А. А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М.,Физматгиз, 1963.
4. Радиоволновый контроль судовых радиотехнических конструкций иматериалов. – Ленинград: Судостроение, 1986. Воробьев Е.А.
5. Доброхотов Б.А. Изиерения в электронике. 1985 г. «Энергия»
6. Харвей А.Ф. Техника сверхвысоких частот. 1966 г. «Сов. радио»
7. Мировицкий Д. И. Техника измерений коэффициента отражения в свободномпространстве на сверхвысоких частотах. – «Приборы и техника эксперимента»,1959, № 4.
8. Бреховских Л. М. Волны в слоистых средах. Изд-во АН СССР, 1957.
9. Лебедев Ю.В., Негурей А.В. Определение комплексной диэлектрическойпроницаемости диэлектриков на СВЧ при измерениях диэлектрических образцов всвободном пространстве.-«Изв. Вузов СССР. Радиоэлектроника», 1975г., №7.
10. Мировицкий Д. И., Будягин И. Ф., Валеев Г. Г. СВЧ рефрактометр на линияхповерхностных волн. – «Приборы и техника эксперимента», 1961, № 1.
11. Мировицкий Д. И., Дубровин В. Ф. Измерение малых образцовдиэлектрических материалов в свободном пространстве на дециметровых волнах. –«Приборы и техника эксперимента», 1960,№ 3.
12. Воробьев В. А. Интерферометр для измерения диэлектрической постояннойдиэлектриков в миллиметровом диапазоне волн. – «Изв. ВУЗов СССР. Радиотехника»,1966, т. IX, № 1.
13. Воробьев Е. А., Михайлов В. Ф., Харитонов А. А. СВЧ даэлектрики вусловиях высоких температур. М.: Сов. Радио, 1977. — 208 с., ил.
14. Бахрах Л.Д., Кременский С.Д. Некоторые задачи фокального синтеза.-«ТрудыЛИАП», 1971, №7
15. Машкович Б.М., Яковлев В.П. Теория синтеза антенн. М., «Сов. радио»,1969.
16. Маликов М. Ф. Основы метрологии. М., Комитет по делам мер и измерительныхприборов, 1949.
17. Негурей А. В. Исследование метода измерения фазовых сдвигов СВЧчетырехполюсников, работающих в импульсном режиме. Канд. дис., ЛИТМО, 1966.
18. Рубин С. Б. Некоторые теоретические вопросы работы фазометра на СВЧ. –«Радиотехника и электроника», 1961, т. 6, № 1.
19. Гладышев Г. И., Егоршин Ю. А. О способе определения малых измененийдиэлектрической проницаемости материала. – «Вопросы радиоэлектроники. Сер. VI», 1964, вып. 3.
20. Федотов А. П. Шембель Б. К. Прибор для измерения разности фаз вдиапазоне дециметровых волн. – «Измерительная техника», 1955, № 6.
21. Негурей А. В. О погрешности двойного волноводного тройника прикомпенсационном измерении фазы. – «Вопросы радиоэлектроники. Сер. Х», 1962,вып. 4.
22. Чернетский А. В., Зиновьев О. А., Козлов О. В. Аппаратура и методыплазменных исследований. М., Атомиздат, 1965.