CC BY
22
Рисунок 2 - Технологическая модель (фрагмент) конструкции печатной платы
Особенно большую роль микромеханические системы играют в сфере телекоммуникационных технологий. Это направление направлено на разработку устройств микросистемной техники.
На основе технологии МЭМС создаются радиочастотные элементы радиоэлектронной аппаратуры, которые имеют малые потери, высокую изоляцию седла выводами, усиленный удельный уровень мощности.
Главные проблемы микромеханических систем является:
обеспечение высокой надёжности; герметизация в условиях низкой температуры; реализация «горячей» коммутации. Если решить указанные выше проблемы можно добиться создания радиочастотных и сложных микромеханических систем, имеющие значительное превосходство перед традиционными электронными устройствами по таким параметрам как: вносимые потери, степень интеграции, функциональные возможности. Можно прийти к следующему выводу, что технология является одной из перспективных при создании и проектировании сверхвысокочастотных, радиоэлектронных устройств.
ЛИТЕРАТУРА
1. Eloe J.C. MEMS and Nano Divrgence: Statusof MEMS INDUSTRY.—yOLEdEVELOPMENT, sEPT.2009.
2. Рилей Джордж А. Мир микро- и наноэлектроники: Учебное пособие по современным технологиям в производстве микросистем. Ч. 1/Пер. сангл./Общ. ред. ООО "Совтест АТЕ": "Экспромт",2 0 0 9.
3. The temperature influence on the propagation characteristics of the signals in the printed conductors/Pavel Andreyev; Alexey Grishko; Nikolay Yurkov/2016 13th International Conference on Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Sci-ence (TCSET)/Year: 2 016/Pages: 376 - 378/ DOI: 10.1109/TCSET.2016.7452063
4. Special features of structural design for a fiber-optic microdisplacement transduc-er/S. A. Brostilov; T. Yu. Brostilova; A. K. Grishko; N. K. Yurkov; I. I. Kochegarov/2018 14th In-ternational Conference on Advanced Trends in Radioelecrtronics, Telecommunications and Computer Engineering (TCSET)/Year: 2018/Pages: 431 - 435/ DOI: 10.110 9/TCSET.2 018.833 623 4
Микроэлектромеханическая система (МЭМС) предполагается наличие элементов, которые совершают механическое пространственное перемещение, поэтому они рассматриваются как 3D - конструкция. В основе проектирования и создания интегральных схем лежат различные материалы (кремний, полимеры), которые ранее рассмотрены. В МЭМС используются подобные материалы и набор их физических свойств, поэтому появляются проблемы селективности методов обработки, а так же технологической и конструкционной совместимости. Микромеханический модуль должен контактировать с окружающей средой, поэтому наряду с изоляцией от воздействия внешних вредных факторов в процессе функционирования, корпус такой системы должен обеспечивать наилучшие возможности контакта с окружением. Поэтому важно учитывать процесс кор-пусирования уже на этапе функционального проектирования. Все это достаточно усложняет процесс создания САПР микромеханического модуля по сравнению с САПР интегральных схем.
УДК 621.396.677: 519.711.3 Якимов А.Н.
ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения», С.-Петербург, Россия
ТЕХНОЛОГИЯ ОЦЕНКИ ДЕПОЛЯРИЗАЦИИ, ВОЗНИКАЮЩЕЙ ПРИ ДЕФОРМАЦИИ МИКРОВОЛНОВЫХ АНТЕНН
Деполяризация электромагнитных волн, возникающая в результате деформации микроволновых антенн при внешних механических и тепловых воздействиях, оказывает существенное влияние на электрические характеристики таких антенн. Математическое моделирование процесса деполяризации и оценка ее влияния на характеристики антенн являются обязательными при их проектировании. Предложено математическое описание пространственного положения вектора электрического поля излучения через поляризационный множитель, связанный с пространственной ориентацией конечных элементов (КЭ) излучающей поверхности антенны. Изменение пространственного положения узловых точек КЭ излучающей поверхности при деформации проводит к изменению поляризационных множителей каждой компоненты поля излучения микроволновой антенны, являющегося суперпозицией полей КЭ ее излучающей поверхности. Построенная математическая модель позволяет не только оценить деполяризацию, возникающую в антеннах при деформации, но и исследовать ее влияние на характеристики излучения Ключевые слова:
МИКРОВОЛНОВАЯ АНТЕННА, ВНЕШНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ, ДЕФОРМАЦИЯ, ДЕПОЛЯРИЗАЦИЯ, ДИАГРАММА НАПРАВЛЕННОСТИ Введение воздействия, которые приводят к деформации их
Микроволновые антенны, размещенные на подвиж- конструкций и изменению электрических характе-ных объектах, испытывают внешние возмущающие ристик. Одним из эффектов, отрицательно влияющих
на электрические характеристики, является деполяризация электромагнитных волн, возникающая в результате деформации микроволновых антенн при внешних механических и тепловых воздействиях. В связи с этим, математическое моделирование процесса деполяризации и оценка ее влияния на характеристики антенн являются обязательными при их проектировании.
Поляризационные потери, возникающие в процессе распространения электромагнитных волн в системах связи и радиолокации, хорошо изучены и описаны в технической литературе. К таким потерям относят, например, энергетические потери вследствие паразитного возбуждения кросс-поляризационной составляющей в зеркальной параболической антенне, потери из-за деполяризации (изменения поляризации) электромагнитной волны каплями дождя или кристаллами льда в облаках, а также при отражении электромагнитных волн от объектов сложной формы. Однако деполяризации излучения антенн вследствие их деформации не уделено должного внимания.
Степень деполяризации электромагнитных волн при одних и тех же внешних воздействиях зависит от многих факторов: вида конструкции антенны, способа ее крепления, вида внешнего воздействия, используемого материала конструкции, типа поляризации волны и т. п. Однако подход к оценке изменения пространственного положения вектора электрического поля вследствие деполяризации, а также ее влияния на характеристики микроволновых антенн может быть единым для всех видов антенн.
Перспективным подходом к решению этой задачи является использование методов математического моделирования, в частности метода конечных элементов. Использование этого метода позволяет не только оценить деформации микроволновой антенны при механических и тепловых воздействиях, но и их влияние на характеристики излучения антенны [1-3].
Основная часть
При проектировании микроволновых антенн различных типов целесообразно использовать единую технологию оценки влияния деформации конструкций
на пространственное положение векторов электрического поля Е, формируемых каждым КЭ излучающей поверхности, и возникающей при этом деполяризации. Для реализации такой технологии необходимо, чтобы излучающие поверхности этих антенн в результате дискретизации были разбитых на КЭ одного вида. В качестве КЭ разбиения излучающей поверхности целесообразно выбрать плоский треугольный элемент. По сравнению с прямоугольным элементом, он аппроксимирует излучающую поверхность более точно, так как позволяет учесть, что треугольники, составляющие прямоугольный элемент, при их расположении на криволинейной излучающей поверхности оказываются некомпланарными. При этом метод аппроксимации излучающей поверхности можно рассматривать как двумерное обобщение методов кусочно-линейной аппроксимации, а гладкая поверхность заменяется многогранной поверхностью аппроксимации (рис. 1).
Применение такого подхода обеспечивает непрерывность исходной функции, описывающей форму излучающей поверхности, на границах между треугольными КЭ, которая гарантируется равенством значений функции в совпадающих вершинах треугольников, а также позволяет сохранить независимость аппроксимации от расположения КЭ по отношению к глобальной правой декартовой системе координат Охуг. При этом поверхность локально определяется значениями функции в вершинах треугольников и поэтому не изменяется при переопределении осей х, у и г.
Если в плоскости Оху правой декартовой системы координат О2ху задать некоторую квадратную рабочую область, состоящую из МхN дискретных элементов, то проекции дискретизирован-ных излучающих поверхностей на эту область примут для зеркальной, волноводно-щелевой и микро-полосковой антенн виды, представленные на рис. 1, а, б и в, соответственно. Здесь приняты следующие обозначения: т , п - номера столбца и строки матрицы рабочей области; р1 , р2 , р3 -узловые точки треугольного КЭ излучающей поверхности.
Рисунок 1 - Дискретизация излучающих поверхностей различных антенн: а - зеркальных; б - волноводно-щелевых: в - микрополосковых
Такая дискретизация приводит к необходимости формирования двух матриц КЭ излучающей поверхности (для верхних и нижних КЭ), для оценки суммарного поля всех источников, составляющих излучающую поверхность. При этом математическое описание позволяет определить пространственное положение векторов электрического поля Е, формируемых каждым из КЭ излучающей поверхности. Это является основой для расчета поля излучения антенны в дальней зоне, представляемого суперпозицией полей, формируемых КЭ с учетом амплитуд и фаз, а также их векторного характера [4, 5].
В результате деформации микроволновых антенн, возникающей при внешних воздействиях, КЭ их излучающих поверхностей могут принимать произвольную пространственную ориентацию (рис. 2).
Здесь Oxyz - правая глобальная прямоугольная
декартова система координат;
Рт
расстояние
до точки Отп , являющейся центром локальной системы координат тп-го КЭ излучающей поверхности;
от точки О (центра глобальной системы координат)
Рисунок 2 - Конечный элемент дискретизации
излучающей поверхности антенны в локальной и декартовой системах координат
Труды Международного симпозиума «Надежность и качество», 2018, том 2
'де гу = ^(хр1 - хтп ? + (Ур1 - Утп )2 + (гр1 - гтп )2 ;
Хтп , Утп , гтп - координаты точки Отп в системе координат Охуг ; К - расстояние от начала координат О до точки наблюдения Р ; г - единичный вектор в направлении на точку наблюдения Р из центра глобальной системы координат; К -
расстояние от точки Отп на излучающей поверхности до точки наблюдения Р ; р1 , р2 , р3 - узловые точки треугольного излучающего элемента; Г - единичный вектор вдоль К ; х, у , г - оси локальной прямоугольной декартовой системы координат; п - единичный вектор в направлении оси
г , являющийся нормалью к излучающему элементу; СХ>Х , (%У , - углы отклонения осей х , у и г
локальной системы координат ОтпХуг относительно соответствующий осей глобальной системы координат Охуг .
Расчетные выражения, полученные для зеркальной параболической антенны, позволяют с учетом поляризации создаваемой облучателем электромагнитной волны оценить ее амплитуду, фазу и пространственную ориентацию вектора электрического поля Е , формируемого в результате переотражения каждым КЭ излучающей поверхности, в точке наблюдения Р как до деформации антенны, так и после нее [5, 6].
Такой подход позволяет оценить деполяризацию как отдельных КЭ компонент электромагнитного излучения, так и формируемого в результате суперпозиции итогового излучения антенны. Применительно к волноводно-щелевым и микрополосковым антеннам существуют особенности, которые необходимо учитывать.
Рассмотрим особенности оценки деполяризации электромагнитных волн в этих антеннах с учетом того, что КЭ компоненты электромагнитного излучения формируются самими излучающими элементами, а не в результате переотражения. Рассмотрим вол-новодно-щелевые и микрополосковые антенны с линейной поляризацией электромагнитных волн. В
этом случае вектор Е электромагнитной волны, формируемой КЭ, до деформации в глобальной системе координат Охуг может быть представлен в соответствии с рис. 3.
Так как узловые точки р1, р2, р3 излучающей поверхности связаны с конкретным КЭ, то после деформации антенны этот КЭ уже будут принадлежать не плоскости Оху глобальной системы координат, а плоскости Отпху локальной системы координат. Например, учитывая, что исходный вектор Е ориентирован вдоль оси Оу, то его можно обозначить как Еу , а его проекцию на ось у новой системы координат как Е- . Тогда справедливо, что
Е- = Е со$,а1 .
Таким образом, с08сСу можно считать в данном
случае некоторым поляризационным множителем Т, учитывающим деполяризацию вектора электрического поля Е , формируемого КЭ при деформации антенны и ориентированного вдоль оси у .
Величина со$,сУ при этом определяется для
каждого КЭ с узловыми точками Отп и р1 в системе координат Охуг (см. рис. 2) [7]:
(1)
у ур1 Утп cos ау = —-
(2)
ур1
V
- координаты узловой точки р1 в декар-
товой системе координат.
Рисунок 3 - Оценка деполяризации электромагнитного излучения на КЭ излучающей поверхности антенны
Координаты точки Отп в декартовой системе координат, являющейся при строгом подходе геометрическим центром КЭ, определяются в результате совместного решения уравнений медиан треугольного КЭ [5], однако при малом шаге дискретизации могут быть заменены координатами одной из узловых точек, например р2 , как показано на рис. 3.
Таким образом, введение поляризационного множителя Т в выражение, описывающее составляющую
электрического поля Ертп , создаваемую тп - м
излучателем в направлении точки наблюдения Р c учетом пространственного положение каждой элементарной площадки излучающей поверхности может быть определена как
/1-^Кгтп
Е
Е0тп ■ Ттп ■ РV в ) •
ртп 0тп тп
, (3)
тп тп Гт_
где Е - амплитуда напряженности электрического поля, создаваемого тп - м излучателем у поверхности антенны; Т - поляризационный множитель поляризационный множитель, характеризующий направление вектора напряженности электрического поля создаваемого тп - м излучателем у
поверхности антенны; втп ) - уровень ДН
тп -го излучателя в направлении точки наблюдения; ^ , в - углы наблюдения точки Р отно-тп тп
сительно нормали к тп - тому элементарному излучателю в сферической системе координат;
, 2ж
к =- - волновое
Я
число электромагнитной волны; Я - длина электромагнитной волны; г - расстояние от центра
тп -го излучателя до точки наблюдения Р .
Вектор напряженности электрического поля Е , создаваемого системой элементарных излучателей микроволновой антенны в точке наблюдения Р ,
]
= 4-1
- мнимая единица;
сводится к суммированию полей
Ег
с учетом их
векторного характера, амплитуд и фаз электромагнитных волн:
М N
Ер2=ЕЕЕртп • (4)
т=1 п=1
Такое представление позволяет оценить деполяризацию электромагнитного излучения микроволновых антенн и поляризационные потери, возникающие при этом.
Заключение
Таким образом, полученные результаты показали, что рассмотренное математическое описание пространственного положения вектора электрического поля с учетом поляризационного множителя,
связанного с пространственной ориентацией КЭ излучающей поверхности микроволновой антенны, позволяет оценить деполяризацию электромагнитного излучения вследствие деформации антенны при тепловых и механических воздействиях на нее, а также возникающие при этом поляризационные по-
тери. Матричное представление оказывается удобным для расчета микроволновых антенн конечно-элементным методом в пакете МАТЬАБ.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (РФФИ), проекты №17-07-00005 А, №17-07-00024 А, №18-07-00110 А, №18-07-00111 А
ЛИТЕРАТУРА
1. Радиотехнические и радиооптические системы/Э.А. Засовин, А.Б. Борзов, Р.П. Быстров, Е.П. Илясов и др. ; под ред. Э.А. Засовина. - М.: Круглый стол, 2001. - 752 с.
2. Семенов, А.А. Теория электромагнитных волн/ А.А. Семенов. - М.: Изд-во МГУ, 1968. - 320 с.
3. Якимов, А.Н. Проблемы моделирования излучения антенн с учетом влияния возмущающих воздействий/ А.Н. Якимов// Труды Международного симпозиума Надежность и качество.- 2013. - Т 1 - С. 8689.
4. Якимов, А.Н. Дискретное представление - основа моделирования антенн сложной конфигурации/ А.Н. Якимов, Э.В. Лапшин, Н.К. Юрков // Известия Самарского научного центра РАН. - 2014. - Т. 16. -№ 4(2). - С. 454-458.
5. Якимов, А.Н. Технология определения пространственной ориентации локальных участков деформированных поверхностей / А.Н. Якимов// Труды Международного симпозиума Надежность и качество.- 2016. - Т 1 - С. 49-52
6. Якимов, А.Н. Анализ трёхмерной излучающей структуры методом физической оптики/ А.Н. Якимов, А.В. Неробеев// Оптический журнал.- 2017. - № 2 (84). -С. 3-9.
7. Корн, Г. Справочник по математике: Для научных работников и инженеров/ Г. Корн, Т. Корн. -М.: Наука, 1974. - 832 с.
УДК 544.01
Доросинский1 А.Ю., Недорезов? В.Г.
гООО НПП «Сонар», Пенза, Россия
2ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
ПРОВОДЯЩИЕ ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ РЕЗИСТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПОТЕНЦИОМЕТРОВ
Обозначены актуальность, перспективы и области применения токопроводящих полимеров. Выполнена классификация полимерных материалов. Рассмотрены особенности технологических процессов при получении проводящих пластмасс. Приведены композиции используемые в качестве полупроводящих материалов. Показаны особенности получения электропроводной пластмассы из порошка полистирола, покрытого электропроводным слоем металла. Ключевые слова:
ТОКОПРОВОДЯЩИЙ ПОЛИМЕР, РЕЗИСТИВНЫЙ МАТЕРИАЛ, ПЛАСТМАССЫ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС
В цепях переменного тока непроволочные потенциометры работают лучше, чем проволочные. В отличие от проволочных они обладают меньшей индуктивностью и емкостью между обмоткой и корпусом. Потенциометры с пластмассовыми и угольными ре-зистивными элементами могут, благодаря более высокому удельному сопротивлению, иметь меньшие размеры при тех же значениях сопротивления.
Наибольшее число поворотов ротора до внезапного отказа обеспечивает пластмассовый элемент, в котором используется большой объем резистив-ного материала и обеспечивается ровная поверхность дорожки.
Пластмассовый резистивный элемент содержит токопроводящий материал с изоляционным пластмассовым наполнителем, который обычно наносят на пластмассовую не подложку. Скрепление резистив-ного элемента с подложкой достигается путем термообработки под давлением [1].
Большое практическое значение, которое приобрели в последнее время токопроводящие полимерные материалы, обусловило постановку ряда серьезных исследований факторов, определяющих электропроводность этих материалов.
В последнее время круг полимерных материалов, используемых для получения электропроводящих систем, непрерывно расширяется. Однако фундаментальных разработок токопроводящих структур материалов, созданных на основе синтетических смол, до сих пор не предпринималось, хотя токо-проводящие полимеры имеют неоспоримо хорошие свойства такие как: низкую стоимость, хорошую формуемость, малый удельный вес, регулируемую проводимость и др.
Наибольшее применение находят токопроводящие полимеры, в которых проводимость достигается введением таких наполнителей как сажа, графит, а так же драгоценные (серебро и др.) металлы. Известны токопроводящие полимеры, в которых проводимость вызывается движением ионов или электронов в самом полимере.
Пластики с наполнителями могут быть: а) полупроводящими — содержат графит или сажу;
б) проводящими — содержат серебро и др. драг.металлы.
Связующими токопроводящих полимеров служат эпоксидные, фенольные, диаллилфталатные, ви-нильные (сшитые), кремнийорганические и урета-новые смолы, а также полистирол и полиэтилен.
Для клеев, припоев, мастик наиболее часто применяются эпоксидные смолы с серебром. Отверждение можно производить при 20°С или лучше при 95°С.
Формующиеся составы на фенольных и диаллил-фталатных смолах могут быть только полупроводящими, но они имеют высокую тепло- и влагостойкость и хорошие механические свойства.
Токопроводящие полимеры на кремнийорганиче-ских смолах можно получить с широкими пределами проводимости, и они могут работать при температуре от -60 до +300°С в качестве прокладок, уплотнений и герметизирующих составов. Токопро-водящие полимеры с хорошей проводимостью имеют весьма высокую морозостойкость (до - 90%).
Токопроводящие полимерные материалы с электронной проводимостью разрабатываются пока только в лабораториях, а не содержащие наполнителя, обладающего ионной проводимостью, излучают в очень небольших количествах.
По областям применения все полимерные материалы можно подразделить на 5 групп:
Электроизоляционные материалы (р = 1018 - 1020 Ом-см);
обладающие р = 1010 - 106 Ом-см;
антистатические электропроводные полимерные материалы, применяемые для снятия электростатического заряда, возникающего при трении поверхностей (р = 106 - 103 Ом-см);
Высокопроводящие полимерные материалы, используемые для эластичных электродов, гальванопластики, нагревательных элементов (р = 103 - 1 Ом-см.);
Сверхпроводящие полимерные материалы, применяемые в радиотехнике и телевидении для волноводов, печатных окон и т.п. (р = 1-10-2 Ом-см).
Для температур больших, чем 30-80°С вместо резины применяют отверждающие смолы.
