автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.21, диссертация на тему:Исследование и разработка методов синтеза многозвенных СВЧ-структур с частотно-зависимыми связями

тульский государственный университет

На правах рукописи

" /

ЧЕРЕШНЕВ АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ

Исследование и разработка методов снцте!« многозвенных СВЧ-струтур с частатно-завнсгшьши свинти

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.12.21 - Радиотехнические системы специального назначения, включая технику СВЧ и технологию их производств

АВТОРЕФЕРАТ

Тула 1998

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Совершенствование радиотехнических систем специального назначения неразрывна связано с нот,/шепчем точности проектировать устройств на основе многозвенных фнлырующе-согласуюшнх структур техники СВЧ. Эти устройства осуществляют главным обратом предварительную обработку пходного сигнала н поэтому во многом определяют выходные характеристики системы я нелом. Вместе с тем настройка многозвенных структур и подгонка их конструктивных параметров занимает значительную Часть времени как на этапе отработки, так и при производстве новой аппаратуры,

Отсюда следует необходимость ужесточения требований к качеству многозвенных фильтруюше-согдасующнх структур и воспроизводимости их-параметров, что определяет постановку задачи существе/того увеличения точности проектирования указанных структур и достижения на его основе значительного сокращения доводочных и котировочных работ при производстве устройств техники СВЧ. Решению" указанной задачи во многом способствовали работы отечественных ученых: И.П. Лебедева, Л.А. Вайнштейна, А.Л. Микаэляна, Л.В. Алексейчика, М.Е. Ильченко, Б.Ю. Капилевича, В.А. Коробкина, Е.Р. Трубехина, Ю.А. Покровского, а также ряда зарубежных - Дж. Маггея, Л. Янга, Е. Джонса, Дж Роудса, Т. Абеля, Р. Левн и др.

В настоящее время один из основных путей повышения точное™ проектирования - создание более точных методов синтеза на основе моделей резонансных звеньев, адекватных реальным объектам. Существующие модели в большинстве своем либо построены на элементах с сосредоточенными параметрами, либо не учитывают такой важный аспект, как дисперсия связи между компонентами, а если н учитывают, то частично, принимая во внимание лишь частотную зависимость фазы параметра связи. Вместе с тем дисперсный характер элементов связи в значительной степени определяет частотные характеристики многозвенных, особенно широкополосных, избирательных структур техники СВЧ. С учетом возрастания требований к радиотехническим системам, используемым для передачи и приема широкополосных сигналов тема диссертационной работы является актуальной.

Объект исследовании диссертации - многозвенные фильтрутоще-соптасуюшне структуры техники СВЧ с частотно-зависимыми параметрами элементов связи.

Предмет исследования диссертации - взаимосвязанная совокупность методов, моделей и алгоритмов синтеза многозвенных СВЧ структур с частотной избирательностью. ,

Целью работы является сокращение сроков и стоимости отработки устройств техники СВЧ на основе многозвенных резонансных структур путем существенною уменьшения объема настроечных и доводочных работ за счет повышения точности проектирования.

Задачи исследований. -

¡. Установление особенностей многозвенных СВЧ-структур с часто гнозавнеимыми

связями и реализуемых в тнгх волновых явлений. 2. Декомпозиция методов синтеза многозвенных структур техники СВЧ и анализ основных особенностей составляющих метода - прототипов, обобщенных частотных переменных, математического аппарата, математических моделей и алгоритмов синтеза.

'3. Разработка метола л алгоритмов синтеза многозвенных Структур с непосредственными связями, учитывающих фазо-частотные характеристики элементов связи.

4. Разработка метода и алгоритмов синтеза многозвенных структур-с непосредственными связями, учитывающих амплитудно-частотные характеристики элементов связи.

5. Разработка методов и алгоритмов синтеза многозвенных структур с четвертьволновыми частотно-зависимыми связями, имеющими иеидеитичные амплитудные и фазовые характеристики.

•б. Разработка методов и алгоритмов синтеза многозвенных полошо-заграждающих.

фильтров с частопкшвисиммми связями. 7. Разработка математических моделей и методов анализа многозвенных структур с двухмодовыми резонансным» звеньями.

Методы исследопаин!!. Для получения основных теоретических результатов были использованы методы теории дифференциальных уравнений, методы теории функций комплексной переменной и методы матричных алгебры и анализа. Разработка алгоритмов осуществлялась на основе объектно-ориентированного подхода к организации данных и алгоритмов.

Научная новизна работы заключается в распространении теоретических положений и прикладных приемов методов анализа и синтеза на основе фазово?1 .координаты и рекуррентных формул Покровского »а. класс Многозвенных избирательных устройств с нендентичнымн частотными зависимостями параметров связи и ш класс мно-гомодовых многозвенных избирательных устройств. Конкретно, в диссертации получены следующие оригинальные результаты.

1. Исследован, механизм переноса мощности через отрезки запредельного волновода конечной длины. -

2. Установлены особенности математических моделей явлений взаиуодейстии запредельных нолл с различными иагрузкамн.

/ 3,. Разработаны новые 'методы- синтеза Г1ПФ с непосредственными чагтатпо-зависимыми связями обеспечивающие существенное повышение-точности проектирования и отличающиеся:

- -новой частотной переменно», учитывающей не только фазочзстотные характедосп»-кн элементов связи и линии передачи звеньев, но и амплитудно-частотные характеристики элементов связи; ' • .

- новым алгоритмом синтеза, учитывающим .иесиммстричяосц. ке только фазоча-стотных, но и амплитудно-частотных'характеристик элементов связи;

- новым алгоритмом синтеза многозвенных структур с иеидентииными резонансными звеньями ■

4. Разработаны методы синтеза подосно-пропускагащих фильтров с четвсртьволновгл-.

• ми связями, отличающиеся новым прототипом м новым алгоритмом,, учитывающими фазочастотные и амплитудно-частотные характеристики элементов связи, а.также неиденшчность резонансных звеньев и обеспечивающие .повышение точности проектирования многозвенных устройств СБЧ с 'четвертьволновыми связями.

5. Разработал метод синтеза.полоска-затра;(1да:оиц1х фильтров с непосредственными связями, отличающийся учетом частотной зависимости параметров элементов ев«-.! зи и обеспечивающий повышение точности проектирования заграждающих фильтрующих устройств СВЧ с непосредственными евчзлмн.' '. .

6. Разработаны.математические модели ч методы анализа многозвенны* структур с

• Двухмодовыми резонгипиими звенья:-.позволяющие рассчитывать'характерного-'

кн нсми:шмалмш-фазовых фильтров СВЧ с частзно-завпсимымн параметрами . элементов связи.

Практически!! ценность и реализации результатов. Применение разработан' пых методов, моделей и алгоритмов существенно повышает точное и. проектирования многозвенных фильтрующие-согласующих устройств техники СВЧ (для ряда основных параметров в несколько раз).

Достигаемая высокая точность проектирования многозвенных усфонств практически исключает необходимость технологических операций подгонки и подстройки при использовании материалов с разбросом параметров в пределах заданного допуска, что подтверждается малым (не более 5 %) 01 липнем и щеренных в ходе экспериментальных исследовании значений параметров спроектированных устройств от требуемых. '

На основе разработанных методов синтеза многозвенных СВЧ структур с частотно-зависимыми связями создан комплект таблиц для расчета параметров прототипов с чебышевской частотной характеристикой модуля коэффициента отражения. В рассчитанных таблицах исходным является не полоса пропускания, а фазовая координата, что делает их пригодными для синтеза устройств с любой элементной базой. . **

По результатам исследований издано учебное пособие "Автоматизированное , проектирование фнльтрутощнх и согласующих СВЧ устройств на основе ВДСЗС-прототипа" и разработан пакет программ для синтеза фильгрующе-согласу тощих устройств техники СВЧ на основе регулярных многослойных плоских волноводно-диэлектрическнх структур, используемый в учебном процессе кафедры "Радиоэлектроника" ТулГУ при ¡пучении курсов "Электродинамика и распространение радиоволн", "Устройства СВЧ и антенны". • Диссертационная работа выполнена в рамках исследований по Iранту ^Фундаментальные исследования волновых процессов в фильтрующих и согласующих СВЧ устройствах и разработка нового метода их проектирования» (программа «Фундаментальные исследования в области электроники к радиотехники»). На защиту выносятся:

1. Особенности волновых явлений в резонансных звеньях с запредельными волнами. '

2. Особенности математических моделей резонансных и антнре.зонансных звеньев с запредельными связям».'

3: Метод и алгоритмы синтеза многозвенных структур с непосредственными связями, имеющими частотно-злвнсимые фазовые характеристики.

4. Метод и алгоритмы синтеза многозвенных структу р с непосредственными связями, имеющими частотно-зависимые амплитудные характеристики.

5. Метод и алгоритмы синтез?» многозвенных стру ктур с четвертьволновыми частотно-зависимыми связями, имеющими нгидентичныг фазовые и амплитудные характеристики.

6. Математические модели и метод анализа многозвенных структур с дпухмодовгшн резонансными звеньями.

Достоверность результатов работы подтверждаетря* адекватностью полученных математических моделей волновым процессам в многозвенных резонансных структурах и применением строго обоснованных методов:

- ¡анализа линейных цепей с распределенными параметрами;

- Модифицированных рекуррентных формул Покровского для параметров многослойных диэлектрических структур. .

Контроль результатов осуществлялся путем сравнения с известными тестовыми результатами и с экспериментально полученными данными. " >

Публикации и-апробаана работы. По материала?,! диссертации опубликовано 17 печатных работ, сделана 15 докладов 1Ш комфереицдах н сг&шнарах.

Обьсм и структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти разделов и заключения. Содержит 176 страниц основного текста, 22 рисунков, 6 таблиц, библиографию из 83 наименований, 2 приложения, акт о внедрении результатов работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ "

Вй иведешш сформулирована цель диссертационной работу, обоснована ее актуальность, представлен обзор зарубежных и отечественных публикаций, определены задачи исследований, кратко изложено содержание диссертации, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

fi нервом разделе проведено исследование особенностей многозвенных СВЧ-cipyiuyp с частошо-ззаиаши.'iu есязямн н реализуемых в них волновых явлений.

U рамках обобщенного.волнового подхода'к рассматриваймм структурам элементы связи различного вида могут бить опнешм одноткпкымп волновыми параметрами ь б«дс коаффио;гпгх>^ отрккеииа Ч или юракожъжт D, эхвышатиых злс-ментам матрицы рассеяния a Sik .

O'icwiAiio,' чю ь мвоюзшшой структур.;, состоящей и» лесхолькчч резонансных часчошиа шб;;|шглы1ссп, кг;кдого »гиз сбуслог-лг^а ¡w только .чнепергией jjiï-Kipi.окской длины линии передачи резонатор?, в .

3ùw,c;;.4ca от ддпНы резонатора / ! и» ! > с и ' ^ f

wieit фагоьмх сдыпоа yijai отрада i ( •) i \ lup, , :

¡ыхпжион sbcsse опиешмюгея i • i > >t t' » n > > > i} i

рбзпн.'тгорг 7v(ft>)

C::Cr,iUUiQ '»rq частотная крутизна|)гз»!Шора {(V^/So)), спр№;л1ювю<1 его

'¿..еиипа-избнрательние свойству должна учмтисать '.и дкгпорскш фазовых сдвпгсг. при отражении . . '. ' '

(av/Эй) = (3f,/0ûj)t.(5ra/^]-2(aii(a)/3w):-

Однако, в ряде «заестиьк метода» дисперсия фазо-лгх еденгоа г:рк отражении не учитывается вовсе'(с 1упе«чатый протопит) ил;: ипиь частично -{НЧ-прототнп, ВДФ и ВДСЗС-прототипы).

Неучет дисперсии фазовых сдвигов при отраженна вшитое? при проектировании ошибку в ширине 'полосы пропускания от единиц до соте» нрмшпов.

Частичный учет фазочастотных характеристик элементов связн состоит в том, что не учитывается несимметричность этих характеристик, с результате чегр наблюдается значительное (более 10 раз) превышение коэффициента отражения в полосе пропускания по сравнению с ею допустимым значением.

II, наконец, n рамках всех известных методов не учитываются. амплитудно-частотные характеристики элементов связи - /?(су).

Пренебрежение этой зависимостью означает пренебрежение частотной зависимостью добротности резонансных звеньев, которая для широкополосных систем mojwtt приводить к погрешности в ширине полосы пропускания до 30 ... 50 % и превышению коэффициента отражения в полосе пропускании почти на порядок.

Наиболее -существенно дисперсия-фазочастогных н амплтудо-ччетоных -aspan-' тсристнк проявдяется в структурах с эгпредельными сгязями. Поэтому значитсяг-пиЗ интерес представляют особенное ni.волновых палений п таких структур?::; н их ттг'!.> тнческнч моделей, поскольку в ряде случаев эти структуры являются неминимально-фазовыми цепями. Показано, что без нарушения закона сохранен«:'! -»ncprwt гсоффанк- ■ сит отражения запредельной голпм от некоторых неоднородпостей г:о кет з'пчшелик» превышать единицу, а перенос в среднем энгрпт через отрезок запредельного г-опко-вода конечной длш:м сбуслов-тги взаимодействием в средргм электргртгеамо гектара затухающей ¡¡олпм с магнитным вектором г.олнм нарастающей н шпгопгого prsirpv волны затухающей с электрическим ректором нарастагатей волни.

. Пи. втором 5>.t!.w;tí проБСден анализ методов синтеза иного «пенни?: СВЧ-структур. Точный п?рпметрнчес'-ий синтез СВЧ-устпонстп требует подбора граннчтп ¿4 усдотй, соотг.гтетвуюиик icoMcrprpiecKcft структуре связанных элемгчтсп СВЧ • тракта таким обра-ом, чтобы решение урапнеенд Мяйсселля обеспечило бы трсбусму к> чгстотную характеристику системы..- IIa практике задача решается путем »">--. . дель'рагення, a ociione которого летит общность ссноэтйгс физических з^-'-да'.мернп-стен в линейных системах рззиппмх'типоя. Моделирование вкяиугает в ссбл три этапа: •

а) по заданным техническим требедотохм рассчитывается модель (прототип);

б) из конструктивных п других соображений выбирается тип звеньев фильтра СВЧ;

в) обеспечиваются (приблп:; сшга й некоторой, полосе частот) эквивалентность згеяют .. фильтра и прототипа. • •

На современном этапе развития теории проектирования СВЧ-устроРств известные- методы синтеза включают следующие элементы: прототип СВЧ-устройстг?.. сбобтйенггую частотную переменную, мтемйтнчеекпй аппарат, математическую модель, алгоритм и методику синтеза. ' .

П настоящее гремя нашли широкое применение четыре вида прототипов:

- фильтр нижних-частот(ФНЧ) и его производные на сосредоточенных элементах;

- ступенчатый переход на линиях с распределенными параметрами;

- полноводно-диэлектрический фильтр (ВДФ); 1

- ВДСЗС-прототнн.

* ОтоаадёСтвлелие фильтров СВЧ с ЛСЛ-фильтрамн на сосредоточенных элементах при помощи эквивалентных схем позволяет более наглядно и просто представил-'схемы фильтров СВЧ Н использовать ири расчете последних богатый расчетный материал теории цепей с сосредоточенными постоянными и т еории четырехполюсников.

■Параметры эквивалентного четырехполюсника можно определить двумя способами: путем эксперимента и путем непосредственного решения уравнений поля. Чанн: всего пользуются первым из них, как наиболее доступным. Математическое, решение известно лишь для немногих простейших неоднородностей.

Прототипом фильтра СВЧ может быть выбран фильтр с иными электрическими {i конструктивными параметрами, для которого имеется хорошо р,иработаннач мэто-

дика расчета и обеспечения адекватности прототипа фильтру.

Во-первых, это может быть фильтр нижних частот. В этом случае алгоритм синими фильтров, применяемый в теории испей, претерпевает минимальные изменения при переходе к пеням С'ВЧ. В основе.донной методики лежит замена нормированной текущей чистоты upoioiuiia s,rll,¡ = ja) на некоторую функцию а = j{sm4), вид которой зависит от типа фильтра.

Па С.'НЧ элементы фильтров с сосредоточенными постоянными должны быть заменены э.тсменшмн па распределенных постоянных.

По ншеетнмм добротностям резонаторов определяется геометрия СВЧ элемеи-юп фильтра.

Во-вюрых. для упрощения процедуры синтеза в качестве прототипа может быть пмбраи не ФНЧ. и фильтр того же типа, что и проектируемый, выполненный на сосредоточенных элементах (обычно по лестничной схеме), в которой нормированные сопротивления продольных r e гиен /.„ и проводимость поперечных ветвей )'„,; имеют одинаковою частотную зависимость, а именно:

где 1)-.1 (<») - функция частоты (частотная переменная), к„, А',„и - постоянные, т = 1, 3, 5... - номер веши; первая ветвь лестничной схемы (т = 1.) предполагается, для определенное! и, последовательной.

Сопоставление НЧ-ирототипа с реальными ОЗЧ-структурамн с частотно-завнеимы.чн эле,метами стм позволяет установить следующие его недостатки.

1. Псучет (п общей постановке) дисперсии фазовых сдвигав при отражении от элемен-юо свяли при расчете нагруженной добротности

^^г:/- /(1 -:/f к,

где J-- коэффициент отражения от лсього и правого краев контура; А' = 1, 2,-3... — помер резонанса; Д, Л1л --длина волны'в открыто^ пространстве и в линии. .

2. Неучет отличия длины резонаторов / огполуволновой, что подтверждается отсутствием данного параметра в выражении для нагруженной добротности, (^ледует, однако, заметить, что и ряде случаев первые два недостатка устраняются путем корректировки длины резонаторов, однако подобные корректировки являются частными и методика получения их неясна. .

3. Неучет несимметричности фазочастотной характеристики, как линий передачи ре-. зонансных звеньев, так и элементов связи. ;

4. Неучет амплитудно-частотной характеристики элементов связи, т. е. неучет частотной зависимости добротности резонаторов: Q(a¡ü)^Q(co]1)'ÁQ(0jj), Для широкополосных структур величина АО Ю может достигать 15 и более процентов.

5. При определении числа звеньев в НПФ не учитываются ли дисперсия ЛП, ни частотная зависимость фазовых сдвигов ири отражении от элементов связи:' •

6. При синтезе НПФ с Чсбмшевской характеристикой при четном числе звеньев необходимо рассчитывать и вводить п схему идеальные трансформаторы, что увеличивает сроки и стоимость как ироекгировагшя, так л производства.

7. В качестве частотной переменной используется не фазовая координата Ф и даже не электрическая длина лштии передачи резонатора в. а относительная частотная расстройка Г) - Л'/й-'о ~''■>(> /"■> .'

Неучет нендентичностц резонаторов по фазовой координате Ф, приводит к искажению ЧХ ППФ.и ошибкам проектирования. Следовательно, при переходе от НЧ-прототипа к реальному СВЧ Г1Г1Ф ошибка тем больше, чем больше различие Ф, отдельных, резонаторов.

Кроме перечисленных недостатков необходимо отметить неучет потерь и мно-гомодовостй СВЧ линий передачи.

В ряде методов проектирования многозвенных СВЧ-структур в качестве прото-' тина используется ступенчатый прототип, предложенный Н. Рибле н представляющий собой линию передачи с ТЕМ-волнон и скачкообразным изменением волнового сопротивления р, от ступеньки (ступенчатый переход). •На основе ступенчатого прототипа рассчитаны и широко используются таблицы, в которых указаны значения перепадов волновых сопротивлений i¡¡ — PítJP¡ в функции полосы пропускания перехода 2(А///0) в зависимости от числа звеньев N и вида характеристики (чебышевская или максимально плоская ).

При сравнении ступенчатого прототипа с реальными мнотзвенными структурами с частотно зависимыми элементами связи и линиями передачи в резонаторе обнаруживаются следующие недостатки рассматриваемой модели.

!. Основной и едннствешЮй полной в прототипе считается ТЕК!- волна, для которой дисперсия лшши передачи отсутствует,

2. Волновые сопротивления участков р, не зависят от частоты.

3. Фазовые сдвиги при отражении от звеньев (ступеней) равны 0 или к и не assises* oí частоты..

4. Модули коэффициентов отражения также не зависят от частоты. ,

5. Длина одного звена ступенчатого перехода при резонансе точно кратна нечетному числу Дд/4 ; поэтому длина резонатора в Г1ПФ тбчно рзьна иди кратна Хц/2.

6. Электрическая длина линии звена при резонансе точно равна или кратна я.

7. Нагруженшп добротность резонатора не зависит от частоты.

Таким образом, ступенчатый прототип весьма существенно отличается от реальных. устройств с '¡¡CTOTIIO зависимыми элементами связи. »

Особенность пспользосашм ВДФ-прсмотппя для синтеза многозвенных фильтрующих н согласующих устройств со'стоиг з том, что мноюзьенныг структуры с непосредственными связями в. рамках этого прототипа рассматриваются как структуры с четвертьволновыми связями. Исследованы фазовые и амплитудные условия адекватности ЦДФ с непосредственными и четвертьволновыми связями. Установлено, что оба условия выполняются тппС в частном случае определенного соотношения между фазовыми сдвигами от элементов связи (г35 + г53.='лг) при определенном выборе парз-. метров волновода, материалов и рел.пмз работы волновода.

Анализ показал, что для ВДФ-проготнпа данное условие при изменении частоты не выполняется, что нарушает адекватность моделей. Так, коэффициент отражения на резонансной частоте точно спроектированного дву-звенного Г1Г1Ф с максимально плоской характеристикой вместо нулевого значения определяется выражением: . |Г| > 0,5С: = 0,5 - 0,25(1-cos ).

Прн = ,т / 2 и rzl - 30° соответственно имеем |Г]| = 0,5-0,25(1-0) = 0,25 и |Г2) = 0,5 - 0,25(1 - 0,5) = 0,375 . - '

То есть, "амплитудные" условия адекватности выполняются только при условии /•£= >35 + г53 — /Г. Невыполнение этих условий на других частотах приводит к значительным погрешностям - КСВ на резонансной частоте может достигать значений мною больше допустимого, а величина |Г) может превышать требуемое значение в полосе

пропускания более чем. на порядок!

Что касается фазовых условии адекватности ПНФ с непосредственными и четвертьволновыми связями, то неточное их выполнение в общем случае приводит к смещению полосы пропускания ПНФ на величину, зависящую как от расстройки Лг, так. и от ширины полосы пропускания, причем это смещение может составлять от 10 до 100 % о т полосы пропускания.

Дальнейшим шагом в разработке более эффективного прототипа многозвенных СВЧ-структур можно считать ВДСЗС-протогип (рис. 1).

п Г1-1 11-2 | 4 5 4 3 2 1

Вход

Выход

г г г г

'N ' N I ' 1 'О •

Рис. 1.

И качестве основною тина волны рассматривается воина Ню, которая, как известно, обладает дисперсией.

В качестве обобщенной частотной переменной г 'таком прототипе используется фазовая координата . , .

Таким образом, в отлнчне'от рассмотренных винте прототипов ВДСЗС прототип действительно учитывает дцеперсито фазовых сдвтнотз ripsi отражении, что существенно повышает точность проектировать, но не устраняет, необходимость дальнейшего совершенствования методов проектирования, поскольку- обладает следующими недостатками. . .'■"'..• 1. Нсучет амнлтттудно-частотттых характеристик элементов связи. .2. llcyier тыйапи'птттфаювькюср^июгияалв многозвенной структуры. 3 Неучег многоходовое™ СВЧ линий передачи.

1С дополнительным недостаткам ВДСЗС-прототипа и методов синтеза на его ос-1шм- можно о шести:

- отсутствие метода стшуеза многозвенных ППФ с четвертьволновыми связями;

- отсутствие метода синтеза многозвенных ПЗФ;

- отсутствие метода синтеза многозвенных согласующих устройств;

- неучег мпогомодовостн линий передачи.

В теории проектирования любых устройств одной из важнейших составляющих .является математический аппарат, обеспечивающий как достаточную точность,'так-и противодтпельность процесса проектирования. Дополнительным требованием, предъявляемым к математическому аппарату, должна быть информативность математиче-

ских моделей, построенных ты его основе, облегчающая физическое осмысление про-, цесса синтеза.

В методах аналитического синтеза многозвенных СВЧ-структур исходной является математическая модель всей многозвенной структуры. •

В результате особое значение приобретают алгоритмы построения этих моделей, соответствующие процедуре наращивания числа звеньев всей структуры.

В зависимости от физических моделей проготнпоп многозвенных СВЧ-устр'онсти в теории их проектирования используется как аппарат различного рода матриц, так и аппарат рекуррентных формул.

В синтезе многозвенных СВЧ-структур на основе НЧ-проготнпа естественно использовать матрицы, оперирующие характеристиками пеней с. сосредоточенными постоянными - матрицы сопротивлений [г], матрицы проводимоеги [у], матрицы передачи [и].

Достоинством аппарата матриц является его универсальность и простота определения элементов некоторых матриц для каскадного соединения четырехполюсников и восьмиполюсников.

Дополнительным усовершенствованием аппарата матриц 'можно считать аппарат теории графов, позволяющий на основе готовых графов отдельных элементов, входящих в рассчитываемое устройство, построить ориентированны]! трлф всего-устройства и определить ею электрические параме1ры. .

Недостатком математического аппарата как матриц, так и графов, .является нх сложность и невозможность извлечения некоторых фундаментальных соотношений между -обобщенными параметрами волновых структур.

Другим направлением в развитии аппарата как анализа, гак н синтеза многозвенных СВЧ-усгройсто издается аппарат рскурреиших формул, в рамках которою обобщенными волновыми характеристиками полей являются комплексные амплитуды волн (падающих, офхкеиныч ¡1 прохолтших), а такаге обобщенные солиор.ые трамет-ры структур — гаэффнцнеиш отражения К - или /' и коэффициент прохождения /') или Л по комплексным амплитудам этих волн.

Основными физцчеехкц явдеинем, о%сл5н.чцпан>ншя. частотную избирательность шш«0гге»шы£ СВЧ-стру кгур, зидчгтея «шгерфгретщч. однотипных (а.тижа-правлеиных) волн. .

• Как изкесшо, и ;:ел:шш интерференции основную, роль шргтот ке столько амплитудные, сколько фазовые соотношения между взаимодействующими волнами.

Именно поэтому наиболее информативными оккзы.здггея те.модели волновых структур, а которых - фазошле еоогношлшя • между в киггедейлвуюпшмп волнами представлены в явном виде. .

В методах синтеза на основе НЧ, ступенчатого и ВДФ протогштоз модели СВЧ-структур образованы па основе аппарата матриц ц используют переменные Ричардса' ют Ри'бле,. являющиеся.фуикщ?ей электрической длины линий передач!! резонатора в

В летоде синтеза на основе' ВДСЗО-протопша исходными являются модели ■ многозвенных структур но отраженной волне; т.е. коэффициенты отражения по амплитуде Гм(Ф) в функции фазовой координаты Ф. Так дм N=1, 3 эти выражения имеют вид:

Г (ф) = Йа ~- + /?1)£ШФ = сокФ + /Л)! ?тп Ф 1 {\-11г11^оиФ~ )(\ + 11г11х)&тФ~ ВйХсо5Ф +]Вп$тФ'

f (ф) - A.3 C0->'1' '*' >ЛП siil Ф + ¿23 cosCfi sin 2 Ф + )Ап sin3 Ф -3 /У03 cos<;> + jün pin Ф + Вп cos Ф sin2 Ф + yv;,, sill' Ф В общем случае, с учетом замены Р = —jtgcP •

Таким'образом, в данных моделях дается полная информация о фазовых соотношениях между взаимодействующими волнами, что выгодно отличает эта модели от всех предыдущих моделей.

На основе результатов, полученных в разделах 1 и 2, определены основные пути совершенствования методов синтеза структур с частотно-зависимыми связями:

- разработка более информативной частотной переменной, учитывающей все виды частотной зависимости основных параметров элементов резоиаисных'звеньев;

- разработка единого-прототипа для ППФ и ПЗФ, в частности для ППФ с непосредственными и четвертьволновыми связями; -

- разработка таблиц синтеза единого прототипа в функции наиболее информативной переменной;

.- разработка моделей резонансных звеньев в ьщогомодовом приближении.

1! третьем - разделе разрабатываются высокоточные методы синтеза пэлосно-нронускающих, и полосно-заграждающих многозвенных СВЧ-фидьтров.

В соответствии с результатами разделов 1 н 2, вместо■ условия равенства фазовых гоордннзт на границах полосы 'пропускания, используемого в настоящее время, необходимо применять более точное условие, которое в расширенном виде описывается соотношением - . -

Установлено, что наиболее информативной обобщенной частотной переменной -в отличие от фазовой координаты Ф является обобщенная расстрой:,! у, вкл.чЛаютдая в себя н фазовую координату, и модули коэффициентов отражения от барьеров,

л Повышение точности проектирования в рамках павой 'перецепкой.достигается na основе фиктивной фазовой координаты определяемой щуслоття

и отличающейся от истинной фазовой координаты Ф, следующим образом:

г]-]12рК{рЛ

2/"ЧГ

sin Ф,

vi-%%

Дтя узкополоеных НПФ .это соотношение может быть представлено в виде

1 -

ф„,.-ф-J iJkdk.

1-Я, А

= Ф,М(-.

ЧР'ЧРХ > ~ "2¡nV )) Синтез устройства проводится по средней фиктивной фазовой координате ФфП

Фф„ -0,5|фф1|, ! + |ФфИ |)-о,5(л/1Ь|Фп,( + л/и..|Фи.!).

Введение фиктивной фазовой координаты позволяет с наименьшими затратами1 использовать имеющиеся методы и алгоритмы синтеза на основе ВДСЗС-прототипа для.реализации более точных методов на основе новой переменной. Отмстим достоинства прелдоженно! о метода синтеза.

Во-первых, в сто рамках учитываются реальные фазо-частотные характеристики как элементов связи, так и линий передачи резонаторов, в том числе их несимметричность. Во-вторых, учитывается реальная частотная зависимость модулей коэффициентов отражения, п том числе н их несимметричность.

Для повышения точности проектирования много шейных структур с непосредственными связями и неидентичными резонансными звеньями вводится эффективная фазовая координата на границах полосы пропускания структуры Фц,,!,, равная фазовой

координате гипотетической структуры с идентичным;! звеньями и такой же, как у реального устройства, АЧХ

.Эффективная фазовая координата определяется через истинную расстройку и корректирующий множитель а : — а Ф\\-

Для установления возможных значений корректирующего множителя необходимо определить максимальное знамение перепада фазовых координат зненьеч Ф|,ГО1Х/ФПюЬ . Как правило, в многозвенных ППФ с непосредственными связями минимальной фазовой .координатой обладают крайние резона юры, а максимальной -центральные (центральный). Следует учесть, что на величину корректирующего множителя оказывают влия'ние амплитудно-частотные характеристики элементов связи. Для случая, когда эти характеристики не обладают дисперсией, возможные значения коэффициента п определяются соотношением.1 ) < а < (ФПшч /Ф П1Ш11 Пр" иалнлии

дисперсии: 1 < а < (ФПпт/фп,шп)- 2(Л/П+ ■

При синтезе структур с непдентичнымн звеньями и наличии дисперсии амплитудно-частотных характеристик элементов связи проектирование устройства необходимо проводить по уточненной эффективной фазовой координате, т.е. по "эффективной фиктивной" фазовой координате. В этом случае в алгоритмах синтеза фазовая координата Фп должна быть заменена на фиктивную фазовую координату ФФП .

Для повышения точности и производительности процесса проектирования ППФ с четвертьволновыми связями разработаны методы синтеза, в рамках которых ППФ с четвертьволновыми связями синтезируются как ППФ с непосредственными связями с введением некоторых изменений.

Первое из них.состоят в том, что после вычисления коэффициентов отражения внутренних барьеров ППФ с непосредственными связями производится замена непосредственной связи на четвертьволновую в соответствии с соотношением

Второе изменение-¿остоит в учете дополнительного фазового сдвига ДФ5 и замене фазовых сдвигов при отражении от внутренних барьеров по алгоритму

■ г -г- [№(!Д7з|-КЗ|)япДФ5 1 . (1-!Л75|М*»»АФ5

37 35 ••(%| + !*;1!)еочЛФ, .(|' + !/?,5|«я[)со,яДФ5/

. .Предложенный метод позволяет, синтезировать ППФ с четвертьволновыми свя зямй с учетом реальных фазо-частотных. и амплитудно-частотных харамериешк эле-

мешов связи при любом числе звеньев как для максимально плоской, так и чебышев-скон характеристик. -

По разделу 3 сделаны следующие выводы. .

1. Разработаны новые методы синтеза 11ПФ с непосредственными частогно-завнсимымп связями, обеспечивающие существешюе повышение точности проектирования и отличающиеся:

- повои частотной переменной, учитывающей не только фаючасютые характеристики элементов связи и линий передачи звеньев,, но и амплитудно-частотные характеристики элементов связи;

- новым алгоритмом" синтеза, учитывающим несимметричность не только фазоча-• стошых, но н амплитудно-частотных характеристик элементов связи;„

- новым алгоритмом синтеза многозвенных структур с неидешштчнышт резонанстц.:-мн звеньями. - '

2. Разработаны новые методы синтеза 11Г1Ф с четвертьволновыми частотнозавнсимшш связями, отличающиеся от известных:

- новым прототипом (модифицированный ВДСЗС-прототнн);

- новой обобщенной частотной переменной (фиктивная фэзоеал координата);

- новым алгоритмом синтеза (синтез НПФ с четвертьволновыми связями на основе прототипа с непосредственными связями), и обеспечивающие как повышение точности проектирования, так и расширение возможности методов.

Б рамках предложенных методов оказывается возможным синтез Ш1Ф с четвертьволновыми связями с чебышевскон характеристикой для чет нош числа звеньев без введения дополнительных трансформаторов.

3. Разработан метод синтеза ПЗФ, отличающийся, .новым прототипом (ВДСЗС-нрототип), новой частотной переменной, новым алгоритмом'синтеза и обеспечивающий повышение точности и производительности процесса проектирования.

4. Рассчитаны таблицы синтеза единого прототипа для чебшиеьской характеристики в полосе пропускания в функции фазовой координаты, применение которых позволяет унифицировать технологию проектирования многозвенных СВЧ-структур. - .

5. Применение разработанных методов синтеза позволяет увеличить точность и производительность процесса проектирования, сократив тем самым сроки и стоимость разработки и изготовления новых образцов техники СВЧ.

В четиертом разделе проведена разработка моделей и алгоритмов анализа и сшт-теза многозвенных структур с двухмодовыми резонансными звеньями.'

Наименее сложным из 'многомодовых- резонансных звеньев можно считать двухмодовое резонансное звено, в котором преобразовать мод осуществляется лишь в одттой ю неоднородностен - элементе связи резонатора с линией передачи. Схема звена представлена на рис. 2. ■'■.".'

1 2 3 4 5- '

■> / 1 ——*■• а ~

« Ь . '«

Рис. 2.

Анализ взаимодействия воли в резонаторе 3 с учетом нх преобразования ношола-ет определить выражение для коэффициентов отражения R и прохождения I) перкой м второй мод при питании структуры первой модой;

'As (2.0 =

L5l 6 " 1 Г 4 Ч1 6 "Ч J( 4

АО ,0+ +

'QC6 -С\СЛ

¡ш=До .о а

L 5* 6 ~ 4 1 51 б ~L 21 4 .

где коэффициента () определяются через коэффициенты передачи линии резо-

•шПра для пер:;

оПТ,

и второй '/j мод, коэффициенты отражения и прохождения n-oü иеодворсдиссш для ш-сЗ чоди R„(r.t,m), 1\(ш,т) п кгоффицнгтм нргсб-р-дэовшп /?|(in,к), I\(т,к), т.о. преобразования моды и в моду к.

Г, •/.>,|1.!У/12/.4(1.1). (ц2 =А(2,1)7;27?2(1,1); (\ = !Щ2)Т?П2(2,2),

II v

"^lU-ii'f/'.vVi <"' 1 /'idn/j'v'ii) i' -'-/',(

и

! 1 I

И 1 \

М

n

,2)t?!)2(2,2).

сриич мояеле!» rb;:p.;tl.'-; ВДФ S ки да !5lv>-■ 14 ;v-i г ч ^олтрогиж-

п > !, т.) и. "<о:и?:о l< ) II " 1 [ i " 1 о.чо ко-

* i" - -1

n cnucnnn-

S « л,(2,1) + --35(1,1) + $>„{1,0 + r3tQ,2)-2K.nlr-, /?-r}Vi2,l) + r31(l,2)+ г35(1Л)-- l/^ii^STi^i^J/^Vil^^isOJ^asiU)! •

Установлены качественные и к&лячест^еинме пошуцюи гммкиз згиредгдмюй паразитной-моды ist характеристики рвзокзнсного кепа, ¡вторые позполчют внести корревдиа'в.алюртмн синтеза .мнэгозйеш!1 к ППФ'а pVK.\x ;жу\гл-едо?'ого пркблн-

Разработанные модели тюззодхюу npomsecisj уточненный синтез мг.огозшших структур с учетом многомодоаости-лшши передачи, порысив тем самым точность проектирования.

ч

Нйтьш раздел носвящеи анализу результатов экспериментов - натурного, при котором определялись .частотные характеристики полосовых СВЧ-фильтров, спроектированных по разработанным и традиционно применяемым алгоритмам.

Проведённые исследования подтверждают эффективность разработанных методов синтеза при проектировании селективных многозвенных СВЧ устройств.

В ходе проведения экспериментов исследованы частотные характеристики моделей фильтров, спроектированных с'использованием разработанных методов, в частотном диапазоне 1,0 - 10,0 см. Экспериментальные результаты отличаются от требуемых значений параметров не более, чем на 5%, что подтверждает отсутствие необходимости настройки и, следовательно, возможность повышения производительности технологического процесса.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы и указаны перспективы дальнейшего развития и внедрения разработанных методов и алгоритмов в высокоточные технологические системы производства СВЧ техники.

В приложении приведены таблицы для синтеза ВДСЗС-прототипа с чебышев-ской частотной характеристикой н акты внедрения. . •

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

В результате выполнения диссертационной работы решена задача существенного увеличения точности проектирования многозвенных резонансных структур СВЧ-усгройств, чю позволяет повысить эффективность технологии производства техники СВЧ путем значительного сокращения доводочных и юстировочных работ.

В работе получены следующие основные результаты:

1. Выполнена декомпозиция методов синтеза многозвенных структур СВЧ диапазона и проведен анализ основных особенностей элементов синтеза, что позволило определив ключевые моменты в повышении точности проектирования многозвенных фкльгрующе-согласующих устройствдехники СВЧ.-

2. Разработаны методы и алгоритмы синтеза многозвенных структур с непосредственными связями, отличающиеся учетом частотной зависимости фазовых и амплитудные характеристик элементов связи, что обеспечивает повышение точности проектирования многозвенных устройств СВЧ с непосредствен!«.»!« связями и снижение трудоемкости и стоимости настроечных работ..

3. Разработан методы и алгоритмы синтеза многозвенных структур с четвертьволновыми связями, отличающиеся учетом неидентнчностн элементов связи и частотной заыгсимости их характеристик, что обеспечивает повышегшг точности проектирования многозвенных устройств СВЧ с четвертьволновыми связями к снижение трудоемкости и стоимости настроечных работ. -

4. Создан комплект таблиц для расчета параметров прототипов полосно-пропускающих фильтров и согласующих устройств с чебышевской частотной ха-раюсристикой, учитывающего дисперсию элементов связи!

5. Разработаны математические модели и методы анадиза многозвенных структур с .двухмодовымн резонансными звенмОД позволяющие рассчитывать характеристики неминимально-фазовых фильтров СВЧ с частотно-зависимыми параметрами элементов связи.

6 Разработаны мет оды синтеза многозвенных структур с двухмодовымн резонансными звеньями, обеспечивающие повышение точности проектирования неминимально-фазовых фильтров СВЧ с часто то-зависимыми параметрами элементов связи.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Иолынкш! A.B., Покровский Ю.А., Черепшев A.B. Ра-р:>.боткд ниформанлон-ио-вычислителышх комплексов для высокоточных техио.тогнчееютх систем СВЧ и рз-диооптического Приборостроения // Сб..тезисов докл. 51-;Ч изучи, сзссин. посз. Дгю радио. Часть 1. - М.: 1996 - С. 37-88.

2. Покровский Ю.А., Полынки» A.D., Покровская Л.Ю.. Череишез A.B. Автоматизированное проект иройаиме фильтрукнЦнх и согласующих СВЧ-устройств на основе ВДСЗС-прототина: Учебное, пособие. - Тупа, ТулГУ, 1997. - Н9с.

3. Черешнев A.B., Бедим A.B. Пути .повышения эффективности физико-математического обеспечения »ычяслнтелыгых систем ннфор'.'г.игсш.'о-вычнелнтельны» комплексов СВЧ приборостроения // Известит ТулГУ. Рядкоепг:ка п радиотехника СВЧ, - 1597.~вып.1.-С 4S-.53.

4. Покровсг.нй 10. Л., Поли икон A.B., Покропская Л.Ю., Черешнев A.B. Совершенствование фазико-математкческого обеспгчетгая вьгчислптеЛы'тых систем инфо;!-иавд'онно-вычпедчтелыпгх комплексов СВЧ- ч оптического приборостроения // Сб тезксса'доклздоз' X1Y шучисЯ ceceiat, послащенной Дшо Радио: - Туля, 1997. - С. 30.

5. Черещнез А. В.,- 2уеза' И. В. Совертенстсовшшс математического гннзрппа САПР многозвенных филмрутояшх н согласуют.«* СВЧ-устройств тез основе модифицированных рекуррентных формул Л Тезясм докладов' Всероссийской НТК "Иогне ннформацлошше технологии з «ay4in.DC пссгедовапиях радиоэлектроники". - Рязань, 1997. -С. 59-60.

6. Чергш.чез А. В., Бондзретго В. И. Повышение эффективности математического обеспечения САПР фплътру'огднх и согласующих СВЧ-устройств на осноге ноной частотной переменной //.ТМнш докладов Всероссийской НТК "Новые информационные технологии q научных ксследоиггатях рапиоэлсктропики". -'Рязань 1997. - С. 6162 1 " •

7. Кудряшоя А.Н;, Черешнеа A.B. Декомпозиция процесса измерения и' пут'и повышения точности. СВЧ изУерятелей параметров диэлектриков // Тезисы докладов Л Всероссийской научно-технической конференции. Методы/ и средства измерения физических- величин.' Часть 1. - Нижний Новгород, - 1997. - С. 3.

3. Полынинн A.B., Кудряшов А.Н , Черешнев А.В! Оптимизация фиксиру емого состоящие.измерительного СВЧ-резонатора // Тезисы докладов II Всероссийской научна-технической конференции. Метода « средства измерения физических величин. Часть 1. Нижний НГовгсрод» 1997..-С. 30. ■

9. Куяряшоз ATI., Черешнев A.B., Покровская Л.Ю. Минимизация погрешностей измерения f. п Ijo л резонансном СВЧ-измернтеяё в методе индикации состочти' по отралсепнон додмэ // Тезисы доккздоз Л Всероссийской научно-те^ничесет-й конференции. Методы н'средства измерения физических величин. Часть 1. - Нижний Новгород, 1997.-С. 33

10. Кудряшов А.Н., Черешнев A.B. Минимизации погрешности измерения г я 'резонансном СВЧ-нзмерителг в методе.щадикащш состояния по полю и резонаторе // Тезисы докладов II Всероссийской паудео-техннческой конференшйт. Методы и средства измеренияфнзичесгагх величин. Часть I. -Нижний Новгород, 1997. -С. 31.

11. Черешнев Л.В., Бедим A.B. Итерационный синтез СВЧ-фндьтров на основе новою прототипа // Тезисы докладов Всероссийской студенческой конференции "Гага-ринскне чтения" - M : MATH им .Циолковского, 1998. - С. 56.

12. Молмнкнн A.B., Кудряшов А 11., Черешне» A.B., Покровская Л.10, Измеритель параметров диэлектриков в диапазоне СВЧ // Сб. тезисов докладов XY научной сессии, посвященной Дню Радио. - Тула. 1998.-С. 8.

13. Полмнкнм A.B., Кудряшов А Н., Черешнев A.B., Покровская Л.Ю, Измерение флуктуации диэлектрической проницаемости в различных образцах СВЧ- материалов // Сб. тезисов докладов XV научной сессии, посвященной Дню Радио. - Тула, 1998.-С. 9.

14. Черешнев А.В,.Синтез многозвенных согласующих устройств // Сб. тезисов докладов XV научной сессии, посвященной Дню Радио. - Тула. 19981 - С. 13.

15. Черешнев A.B., Бедим A B Физико-математические модели СВЧ-фильтров // Сб. тезисов докладов XY научной сессии, посвященной Дню Радио. Тула, 1998. - С.

'36.

16. Черешнев A.B., Бедим A.B. Алгоритмы проектирования фильтрующих СВЧ-устройств Н Сб. тезисов докладов XV научной сессии, посвященной Дню Радио. Тула, 1998. - С. 14.

17. Черешнев A.D., Бедим A.B. Алгоритм синтеза многозвенных СВЧ -фильтров // Сб. тезисов докладов XY научной сессии, посвященной Дшо Радио. - Тула, 1998. -С. 37.

Подписано в печать . Формат бумага 60x84 1/16. Бумага типографская № 2

Офсешая печать. Усл. печ. л. '' . Усл. кр.-огг. ,с . Уч. над. л. V X Тираж ; ¿';

• Тульским государственный университет. 300600, г( Тула, пр. Ленина, 9?. Гслакциоино-тмдатсльский центр Тульскою государственного университета. 301)6110,1. Тула, ул. Катдина, 151