Применение метаматериалов в первичных измерительных преобразователях

Анализ применения конструкций на основе метаматериалов в первичных измерительных преобразователях. Создание компьютерной модели сверхвысокочастотных фильтров и сравнение с аналогами на основе метаматериалов.

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………………………….. 15
1 ОБЗОР ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАМАТЕРИАЛОВ ……………….. 18
1.1 Метаматериалы …………………………………………………………………………….. 18
1.2 Основные электродинамические соотношения для левых сред ………… 24
2 ПЕРВИЧНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ……………….. 30
2.1 Классификация ПИП …………………………………………………………………….. 30
2.2 Полосно-заграждающие и полосно-пропускающие фильтры
сверхвысоких частот ………………………………………………………………………….. 32
3 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОЛОСНО-ЗАГРАЖДАЮЩЕГО И ПОЛОСНО-
ПРОПУСКАЮЩЕГО ФИЛЬТРОВ …………………………………………………………. 38
3.1 Проектирование полосно-заграждающего фильтра в программном
комплексе Microwave Office ……………………………………………………………….. 38
3.2 Метаматериал на основе грибовидной полосно-заграждающей
структуры ………………………………………………………………………………………….. 45
3.3 Проектирование полосно-пропускающего фильтра в программном
комплексе Microwave Office ……………………………………………………………….. 49
3.4 Полосно-пропускающий фильтр на плоско-поперечных сдвигах H-
волновода на основе метаматериала ……………………………………………………. 56
4 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ФИЛЬТРОВ С КОНСТРУКЦИЯМИ НА
ОСНОВЕ МЕТАМАТЕРИАЛОВ ……………………………………………………………. 60
4.1 Сравнительный анализ полосно-заграждающего фильтра с
конструкцией на основе метаматериала ………………………………………………. 60
4.2 Сравнительный анализ полосно-пропускающего фильтра с
конструкцией на основе метаматериала ………………………………………………. 62
5 ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ………………………………………………………………………. 65
5.1 Цели проекта ………………………………………………………………………………… 65
5.2 Потенциальные потребители результатов исследования ………………….. 66
5.3 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения ………………………………………. 66
5.4 SWOT – анализ …………………………………………………………………………….. 69
5.5 Оценка готовности проекта к коммерциализации ……………………………. 70
5.6 Методы коммерциализации результатов научно-технического
исследования …………………………………………………………………………………….. 71
5.7 Инициация проекта ………………………………………………………………………. 72
5.8 Планирование управления научно-техническим проектом ………………. 74
5.8.1 Иерархическая структура работа проекта …………………………………. 74
5.8.2 Контрольные события проекта ………………………………………………… 75
4.8.3 План проекта ………………………………………………………………………….. 76
5.9 Бюджет научного исследования …………………………………………………….. 79
5.9.1 Определение стоимости материальных затрат ………………………….. 79
5.9.2 Амортизация ………………………………………………………………………….. 79
5.9.3 Полная заработная плата исполнителей ……………………………………. 80
5.9.4 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) ….. 81
5.9.5 Накладные расходы ………………………………………………………………… 82
5.9.6 Формирование сметы проекта …………………………………………………. 82
5.10 Оценка сравнительной эффективности исследования ……………………. 83
5.11 Заключение по разделу «Финансовый менеджмент» ……………………… 84
6 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ …………………………………………… 86
6.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ….. 86
6.2 Производственная безопасность …………………………………………………….. 89
6.2.1 Анализ выявленных вредных и опасных факторов ……………………. 90
6.3 Экологическая безопасность………………………………………………………….. 97
6.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях ……………………………………….. 99
6.5 Заключение по разделу «Социальная ответственность» …………………. 101
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………… 103
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………… 104
ПРИЛОЖЕНИЕ А (справочное) Metamaterials ………………………………………. 109

В данной ВКР была изучена информация и проведен литературный
обзор о метаматериалах, их классификации и особенностях
электродинамических свойств.
Проанализировано использование структур на основе метаматериалов
в области метрологии, а именно в первичных измерительных
преобразователях. Рассмотрены принцип работы первичных измерительных
преобразователей, их классификация, и выделены полосно-заграждающие и
полосно-пропускающие сверхвысокочастотные фильтры, для дальнейшего
проектирования и создания модели в программном комплексе AWR
Microwave Office. Далее был выполнен анализ схем моделей и получены
сравнительные характеристики зависимости коэффициента отражения и
коэффициента передачи от частоты СВЧ фильтров.
В последней главе был произведен сравнительный анализ СВЧ
характеристик полосно-заграждающего и полосно-пропускающего фильтров
с грибовидной полосно-заграждающей структурой и полосно-пропускающей
структурой H-волновода на основе метаматериалов. Рассматривались
преимущества и недостатки серийных СВЧ фильтров, использующихся в
первичных измерительных преобразователях, а также достоинства и
недостатки технологии полосных фильтров на основе метаматериалов.
В разделе «Социальная ответственность» была рассмотрена 208б
аудитория 10 корпуса НИ ТПУ на предмет возникновения вредных
(отклонение показателей микроклимата, превышение уровня шума,
недостаточная освещенность рабочей зоны) и опасных (повышенное
значение напряжения в электрической цепи) факторов.
В разделе «Финансовый менеджмент»» был произведён анализ
проекта со стороны финансового менеджмента, ресурсоэффективности и
ресурсосбережения. На проведение работ затрачено 346 733 руб. Работы
были проведены за 127 рабочих дней бригадой из двух человек.

1.Шараевский Ю. П. «Левые» среды. Чем они интересны?
//Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. –
2012. – Т. 20. – №. 1.
2.Авдюшин А. С., Власов М. Ю., Пастернак Ю. Г. Применение
метаматериаловвантеннойтехнике//ВестникВоронежского
государственного технического университета. – 2013. – Т. 9. – №. 3-1.
3.Земляков В. В., Заргано Г. Ф. Одно-и многомодовые селективные
СВЧ-устройства на волноводах сложного сечения и перспективы их развития
в структурах многослойных интегральных микросхем // Известия Южного
федерального университета. Технические науки. – 2016. – №. 5 (178).
4.КухаренкоА.С.,ЕлизаровА.А.Анализфизических
особенностей метаматериалов и частотно-селективных СВЧ-устройств на их
основе //T-Comm-Телекоммуникации и транспорт. – 2015. – Т. 9. – №. 5.
5.Гусинский А. В. и др. Разработка и метрологическое обеспечение
измерительной аппаратуры в миллиметровом диапазоне длин волн //Доклады
Белорусскогогосударственногоуниверситетаинформатикии
радиоэлектроники. – 2004. – №. 2 (6).
6.Шарапов, В. М., Полищук, Е. С., Кошевой, Н. Д., Ишанин, Г. Г.,
Минаев, И. Г., & Совлуков, А. С. (2012). ББК 32.96 04 Д21.
7.Чередов А. И., Щелканов А. В. Первичные измерительные
преобразователи. – 2010.
8.ХрамовА.В.Первичныеизмерительныепреобразователи
измерительных приборов и автоматических систем. – Киев, 1988. – 527 с.
9.Данилин А. А. Учебное пособие для вузов. – М.: Радиотехника,
2008. – 184 с.
10. Sievenpiper D. et al. High-impedance electromagnetic surfaces with a
forbidden frequency band //IEEE Transactions on Microwave Theory and
techniques. – 1999. – Т. 47. – №. 11. – С. 2059-2074.
11. БойкоС.Н.идр.Исследованиемалогабаритного
развязывающегоСВЧфильтранаметаматериале//Материалы
международной научно-технической конференции АПЭП-2014. – 2014. –
Т. 1. – С. 218-225.
12. Capolino F. (ed.). Metamaterials handbook. – CRC Press, 2009.
13. Engheta N., Ziolkowski R. W. (ed.). Metamaterials: physics and
engineering explorations. – John Wiley & Sons, 2006.
14. Заргано Г.Ф., Земляков В.В. Электродинамический анализ и
синтез селективных устройств на волноводах сложного сечения для
современных антенно-фидерных систем // Антенны. – 2011. – Вып. 7 (170). –
С. 64-73.
15. Заргано Г.Ф., Земляков В.В., Гадзиева А.А., Крутиев С.В.
Электродинамический анализ и синтез компактных фильтров на L-гребневых
волноводах // Известия вузов. Физика. – 2013. – Т. 56, № 8/3. – С. 48-50.
16. Заргано Г.Ф., Земляков В.В., Пелецкий Р.В. Синтез направленных
ответвителей на П-волноводах, связанных системой круглых отверстий //
Радиотехника и электроника. – 2011. – № 7. – С. 789-795.
17. Metamaterials Handbook: Vol. I. Phenomena and Theory of
Metamaterials, 926 p. Vol. II. Applications of Metamaterials, 724 p. / Ed. by F.
Capolino CRC Press, Taylor & Francis Group, 2009.
18. Вендик И.Б. Метаматериалы и их применение в технике
сверхвысоких частот (обзор) / И.Б. Вендик, О.Г. Вендик // Журнал
технической физики. 2013. Т. 83. Вып. 1. С. 3-28.
19. БойкоС.Н.идр.Исследованиемалогабаритного
развязывающегоСВЧфильтранаметаматериале//Материалы
международной научно-технической конференции АПЭП-2014. – 2014. –
Т. 1. – С. 218-225.
20. ОфициальныйсайткомпанииAppliedWaveResearch
[Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.awrcorp.com/ru
21. Ривас-Торрес У. Эффективное использование S-параметров.
Эммулирование поведения электронных компонентов на определенных
частотах //Компоненты и технологии. – 2006. – №. 10. – С. 164-167.
22. Нефедов, В. И., Сигов, А. С., Битюков, В. К., & Хахин, В. И.
(2006). Метрология и радиоизмерения. Высш. шк.
23. Беляков А. Ю. и др. Расчет СВЧ полосовых фильтров с
частотными характеристиками специального вида // Вестник Новгородского
государственного университета им. Ярослава Мудрого. – 2015. – №. 8 (91).
24. Кузьмина Е.А, Кузьмин А.М. Методы поиска новых идей и
решений “Методы менеджмента качества” №1 2003 г.
25. Лютиков, И. В., Фомин, А. Н., Леусенко, В. А., Викторов, Д. С.,
Филонов, А. А., Лященко, Л. И., & Копылов, В. А. (2016). Метрология и
радиоизмерения.
26. Попова С.Н. Управление проектами. Часть I: учебное пособие /
С.Н. Попова; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во
Томского политехнического университета, 2009. – 121 с.
27. Кузьмина Е.А, Кузьмин А.М. Функционально-стоимостный
анализ. Экскурс в историю. “Методы менеджмента качества” №7 2002 г.
28. Трудовой кодекс Российской Федерации от 30.12.2001 N 197-ФЗ
(ред. от 27.12.2018).
29. Федеральный закон от 24 июля 1998 г. N 125-ФЗ “Об
обязательномсоциальномстрахованииотнесчастныхслучаевна
производстве и профессиональных заболеваний.
30. Федеральный закон N 426-ФЗ “О специальной оценке условий
труда” от 28.12.2013.
31. ГОСТ 12.2.061-81 «Оборудование производственное. Общие
требования безопасности к рабочим местам».
32. СанПиН 1.2.3685-21 Гигиенические нормативы и требования к
обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов
среды обитания.
33. ГОСТ 12.2.032-78. «ССБТ. Рабочее место при выполнении работ
сидя. Общие эргономические требования».
34. ГОСТ Р 50923-96. Дисплеи. Рабочее место оператора. Общие
эргономические требования и требования к производственной среде. Методы
измерения.
35. ГОСТ 12.2.032-78. Система стандартов безопасности труда
(ССБТ). Рабочее место при выполнении работ сидя. Общие эргономические
требования.
36. ГОСТ Р ИСО 9241-4-2009. Эргономические требования к
проведению офисных работ с использованием видеодисплейных терминалов
(VDT). Часть 4. Требования к клавиатуре.
37. СанПиН 2.2.4.548-96. Гигиенические требования к микроклимату
производственных помещений.
38. ГОСТ12.1.003-2014ССБТ.Шум.Общиетребования
безопасности.
39. СН 2.2.4/ 2.1.8.562-96 Шум на рабочих местах, в помещениях
жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки. Санитарные
нормы.
40. СНиП 23-05-95* Естественное и искусственное освещение.
41. СанПиН 1.2.3685-21 Гигиенические нормативы и требования к
обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов
среды обитания.
42. Правила устройства электроустановок. – СПб.: Изд-во ДЕАН,
2001. – 928 с.
43. ГОСТ 12.1.030-81 Система стандартов безопасности труда
(ССБТ). Электробезопасность. Защитное заземление. Зануление.
44. ГОСТ 12.1.038-82 Система стандартов безопасности труда
(ССБТ). Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений
прикосновения и токов.
45. ГОСТ Р 53691-2009 Ресурсосбережение. Обращение с отходами.
Паспорт отхода I-IV класса опасности. Основные требования.
46. СП 12.13130.2009 Определение категорий помещений, зданий и
наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности (с
Изменением N 1).
47. ГОСТ 12.1.004-91 Система стандартов безопасности труда
(ССБТ). Пожарная безопасность. Общие требования.
48. ППР РФ (Правила противопожарного режима в Российской
Федерации).