автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.21, диссертация на тему:Исследование волновых процессов в связанных полосковых линиях и разработка на их основе быстродействующих аттенюаторов и динамических корректоров

64-99' -57:?

Министерство абщего и профессионального образования Российской Федерации Томский государственный университет систем управления

и радиоэлектроники

На правах рукописи УДК 621.372:621.382:621.376

Фёдоров Вячеслав Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ

В СВЯЗАННЫХ ПОЛОСЙЙВЫХ линиях

И РАЗРАБОТКА НА ИХ ОСНОВЕ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ

АТТЕНЮАТОРОВ И ДИНАМИЧЕСКИХ КОРРЕКТОРОВ

специальность 05.12.21 - Радиотехнические системы специального назначения, включая технику СВЧ и технологию их производства

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: д.т.н., профессор Малютин Н.Д., к.т.н., г.н.с. Омельяненко A.B.

Томск - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................................2

1. Эволюция конструкций и моделей управляемых устройств на

связанных иолосковых линиях.................................................................................10

1.1. Конструкции СПЛ, применяемых в управляемых устройствах...............................10

1.2. Модели связанных полосковых линий......................................................................14

1.3. Электрически управляемые аттенюаторы................................................................17

1.3.1. Схемы диодных полосковых АТ............................................................................21

1.4. Динамические корректоры характеристик электронных приборов (линеаризары)............................................................................................................25

1.5. Задачи исследований...........................................................................^

2. Волновые процессы в управляемых устройс1гтагн^р!ря^нных

полосковых линиях.....................................................................................................35

2.1. Модель СПЛ с потерями для анализа связанных волн напряжений и токов..........35

2.2. Матрица передачи СПЛ с потерями.........................................................................40

2.3. Схема замещения связанных полосковых линий....................................................42

2.4. Механизм управления параметрами в управляемых устройствах...........................45

2.4.1. Структуры с одним источником возбуждения......................................................45

2.4.2. Потоки мощности...................................................................................................50

2.4.3. Регулировка фазовой скорости...............................................................................51

2.4.4. Расчет и экспериментальное исследование УС

с одним источником возбуждения.................................................................53

2.5. Оценка предельно достижимой регулировки в управляемой секции СПЛ............60

2.5.1. Обобщенный параметр <3........................................................................................61

2.5.2. Входные сопротивления СПЛ.................................................................................63

2.5.3. Пределы ре1ушрования фазовой скорости...........................................................66

.6. Выводы.......................................................................................................................69

3. Частотные характеристики секций и аттенюатора..............................................71

3.1. Регулировка параметров в структурах с двумя источниками возбуждения............71

3.2. Частотные характеристики управляемой секции.....................................................77

3.3. Эквивалентная схема аттенюатора............................................................................84

3.4. Схема и конструкция аттенюатора.......................................................................87

3.5. Анализ параметров аттенюаторов.............................................................................89

3.6. Расчет характеристик аттенюаторов..........................................................................93

3.6.1. Характеристики канала передачи............................................................................94

3.6.2. Характеристики канала управления.......................................................................99

3.7. Выводы....................................................................................................................103

4. Моделирование и экспериментальное исследование

аттенюатора и динамического корректора...........................................................104

4.1. Расчет переходных процессов в аттенюаторе.........................................................105

4.2. Программа PASSAT.................................................................................................107

4.3. Результаты экспериментальных исследований аттенюатора.................................111

4.4. Исследование корректора динамических характеристик

на основе быстродействующего аттенюатора.......................................................122

4.4.1. Структурная схема корректора динамических характеристик............................124

4.4.2. Экспериментальные результаты...........................................................................128

4.5. Выводы....................................................................................................................131

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................132

ЛИТЕРАТУРА...................................................................................................134

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.............................................................................................147

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.............................................................................................152

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Развитие систем связи [1], георадиолокации [2], исследования в физике и других областях науки и техники [3] стимулировали создание ряда широкополосных устройств для обработки сложных сигналов [4, 5]. Возросли требования к характеристикам таких узлов, например, по широкополосности, уровню нелинейных искажений, равномерности группового времени запаздывания (ГВЗ) в частотном диапазоне, вносимому затуханию при ограничениях на ГВЗ [6]. Придание свойств адаптируемости к изменяющимся условиям функционирования радиоэлектронных средств (РЭС) и цифровые методы обработки сигналов стимулируют применение большего числа управляемых устройств: аттенюаторов [7], фильтров различных типов [8], фазовращателей [9], корректоров АЧХ [10], ГВЗ [И].

Сложность решаемых современными РЭС задач, а также жесткие требования, предъявляемые к их стоимости, ассе, габаритам и надежности, приводят к необходимости создания узлов с предельно достижимыми параметрами и высокой степенью интеграции [12-14].

Постоянная тенденция к повышению функциональной сложности и степени интеграции высокочастотных устройств обуславливает необходимость использования новых принципов их построения. Одним из возможных путей в разработке СВЧ -устройств является создание их на полоско-вых структурах с неравными фазовыми скоростями нормальных волн. Исследования в этом направлении были начаты и проведены рядом авторов, в частности, П.А. Воробьевым, Н.Д. Малютиным [15], Г.М. Аристарховым [16], Б.А. Беляевым [17] и. др.

Последние достижения в обработке электромагнитных сигналов обусловлены использованием новых физических эффектов, разнообразных форм сигналов, методов обработки и усложнением программного обеспечения их реализации [18]. Один из таких методов - запись дискретной ин-

формации в особую пространственную структуру электромагнитного поля импульсов, названную топологи ческой схемой [19]. Для обработки сигналов достаточно использование пассивных структур, позволяющих осуществить пространственное разделение импульсов с различной топологией

поля.

Расширение полосы рабочих частот от единиц процентов до нескольких октав, увеличение быстродействия и мощности сигналов привело к появлению широкополосных управляемых устройств с весьма специфическими требованиями к характеристикам. Например, в импульсных георадиолокационных системах амплитуда зондирующих импульсов достигает единиц киловольт, а их длительность может меняться от 1 мкс до 1 не, в зависимости ог области применения. При этом стоит задача выделения полезных сигналов на фоне мощных воздушных, поверхностных и переотраженных сигналов. Для решения этой задачи необходимы аттенюаторы с полосой пропускания от 0,1 до 2 ГГц и временем управления затуханием от 10 мкс до 1нс [2]. Для динамической коррекции характеристик электронных приборов путем изменения уровня сигналов на входе требуется разработка управляемых корректоров с большим быстродействием [6].

Для всех управляемых устройств (УУ) весьма актуальна задача развязки каналов управления с каналами передачи сигналов из-за того, что спектр сигналов управления может лежать в спектре передаваемых сигналов. Так, в георадиолокационных системах информация о подповерхностных объектах содержится в отраженном сигнале [2]. В момент прихода отраженного сигнала в импульсных георадиолокаторах необходимо осуществить быстрое управление параметрами приемного тракта для подавления паразитных сигналов. При этом спектр сигнала управления попадает в полосу отраженного сигнала.

В динамических корректорах необходимо постоянное управление амплитудой подаваемого на электронный прибор сигнала в зависимости от

уровня входного сигнала. При этом спектры сигналов управления и передачи могут также перекрываться, кроме того, необходимо получать определенные соотношения между изменением амплитуды и фазы или группового времени запаздывания их спектральных составляющих [20].

Таким образом, исследование и разработка быстродействующих управляемых устройств с отмеченными специфическими требованиями к параметрам на основе связанных полосковых структур представляется актуальной задачей. Эти исследования сопряжены с изучением волновых свойств связанных линий с неодинаковыми скоростями нормальных волн.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЙ. Основной целью исследований, отраженных в диссертации, является: теоретическое и экспериментальное исследование особенностей волновых процессов в связанных полосковых линиях с неравными фазовыми скоростями нормальных волн; оценка предельно достижимых параметров секций устройств по быстродействию и пределов регулирования их рабочих параметров (частотных характеристик); разработка и экспериментальное исследование аттенюаторов и динамических корректоров.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. При моделировании связанных полосковых линий за основу взят принцип декомпозиции, предполагающий распространение нормальных типов волн. Модели строятся с учетом наличия в них сосредоточенных неоднородностей, как линейных так и нелинейных. Декомпозиция проводится с использованием аппарата теории многополюсников и цепей. Исследование временных характеристик осуществляется путем введения понятия мгновенного состояния управляемого устройства, что позволяет использовать преобразования Фурье и осуществлять переход от частотных к временным характеристикам. Расчет погонных характеристик секций СПЛ проводится численными методами, в частности методом сеток и конформных отображений.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА представлена:

1. Результатами исследования качественных и количественных закономерностей регулирования параметров за счет включения сосредоточенных неоднородностей в связанных полосковых линиях с неравными фазовыми скоростями нормальных волн, основу которых составляют полученные автором соотношения для определения ^-параметров, фазовой, групповой скорости и амплитуд связанных волн в СПЛ с потерями и в устройствах на их базе.

2. Предложена новая схема и конструкция управляемых секций на СПЛ, позволяющая регулировать амплитуды связанных бегущих волн при ограничениях на изменение фазового сдвига. Предложена и исследована конструкция аттенюатора, содержащего упомянутые секции.

3. Разработаны модели секций и устройств на СПЛ с неравными фазовыми скоростями нормальных волн, возбуждаемых одним или двумя источниками, что позволило провести не только анализ частотных характеристик, но и посредством предложенной системы параметров обосновать выбор полосковых структур с целью получения требуемых волновых свойств в режиме быстрого управления рабочими характеристиками.

4. Результатами исследования частотных и временных характеристик управляемых секций и устройств на однородных и кусочно-неоднородных связанных полосковых линиях с сосредоточенными регулирующим и элементами, что составило основу оценки параметров динамических корректоров.

НА ЗАЩИТУ выносятся положения:

1. В секциях и устройствах, построенных на однородных связанных полосковых линиях с неуравновешенной электромагнитной связью между линиями с потерями, наблюдаются эффекты изменения фазовой и групповой скоростей при одновременном изменении амплитуды связанных волн. Эти эффекты с точностью, достаточной для практики, описываются моделями, построенными в рамках квази-Т-приближения на основе строгого

решения телеграфных уравнений, и составляют базу анализа и синтеза устройств для аналоговой обработки сигналов.

2. В устройствах, образованных каскадным соединением секций на однородных отрезках СГШ с разными параметрами, при вариации граничных условий и возбуждении двумя некогерентными источниками наблюдается одновременно эффект изменения групповой скорости и затухания связанных волн. Вследствие этого в них увеличивается потенциальное быстродействие при управлении параметрами, достигается большая широкопо-лосность, появляется возможность управления амплитудой сигнала при ограничениях на фазовый сдвиг.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы заключается в следующем:

1. Разработанные модели, алгоритмы и программы могут быть использованы для исследования существующих и создания новых быстродействующих управляемых устройств.

2. Программы расчета нашли применение в ряде организаций, таких как ТУСУР, МИЭМ, ИГДС.

3. Новизну технических решений и практическую значимость разработок подтверждает авторское свидетельство на изобретение [156].

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ подтверждается актами внедрения в ТУСУР, МИЭМ, ИГДС (см. Приложение 1);

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты диссертационной работы докладывались на: Всесоюзной конференции "Проблемы интегральной электроники СВЧ", г. Ленинград, 1984 г.; Республиканской конференции "Расчет и проектирование полосковых антенн", г. Свердловск, 1985 г.; Всесоюзной научно-технической конференции "Современные проблемы радиоэлектроники", г. Москва, 1988 г; Всесоюзной научно-технической конференции "Интегральная электроника СВЧ", г. Красноярск, 1988 г.; Всесоюзном семинаре "Искажения и коррекция сигналов в электронных приборах СВЧ", г. Москва, 1988 г.; краевой научно-технической конф. "Интегральная

электроника СВЧ", г. Красноярск, 1987 г.; областной школе-семинаре "Повышение качества и быстродействия РЭА на основе объемных интегральных схем СВЧ", г. Куйбышев, 1987 г.; ряде областных конференций НТО РЭС им. А.С. Попова в г. Томске; Всесоюзной конференции "Измерительные комплексы и системы", г. Томск, 1981 г.; Международной конференции 'SIBCONVERS^', Томск 1995 г.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертационной работы опубликовано 23 работы, в том числе в центральной печати 3.

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав и двух приложений, содержит 2 таблицы, 74 рисунка, в списке источников 171 наименование отечественных и зарубежных публикаций, общий объем с приложениями 169 с.

1. ЭВОЛЮЦИЯ КОНСТРУКЦИЙ, МОДЕЛЕЙ И УПРАВЛЯЕМЫХ УСТРОЙСТВ НА СВЯЗАННЫХ ПОЛОСКОВЫХ ЛИНИЯХ

В настоящем разделе рассмотрено состояние исследований и разработок в области создания управляемых устройств на связанных полосковых линиях. Выделены вопросы, связанные с темой диссертации, в частности, состояние исследований волновых процессов в связанных полосковых линиях с неравными фазовыми скоростями нормальных волн и потерями, а также рассматриваются модели и конструкции управляемых устройств на СПЛ: аттенюаторов, корректоров АЧХ и динамических корректоров. Основная цель данного раздела - сформулировать задачи исследований, вытекающие из анализа состояния разработок по публикациям.

1Л. Конструкции СПЛ, применяемых в управляемых устройствах

Значительное внимание к теории и практическому применению однородных и неоднородных связанных полосковых линий уделяется как в отечественной, так и в зарубежной литературе [21]. Это обусловлено, в частности, развитием гибридной и интегральной технологий, которые открыли путь к созданию экономичных конструкций с хорошими электрическими и эксплуатационными показателями.

СПЛ с неоднородным диэлектрическим заполнением, как самостоятельный класс линий для построения СВЧ устройств, были выделены в ряде работ [15-17, 22-24].

Основой анализа СПЛ является теория многопроводных линий, базирующаяся на решении волновых уравнений. Наиболее общая модель СПЛ в рамках предположения о квази-Т волнах описана в [22, 23]. Допущение о существовании в СИЛ квази-Т волн существенно упрощает исходные модели

устройств [25-35] и позволяет применять классические методы анализа, как в частотной, так и во временной областях.

Классификации конструкций многосвязанных полосковых структур (МСПС) дана в работе [4], где она проводится на основе физических свойств и конструктивных признаков МСПС. В этой классификации СПЛ является частным случаем МСПС. В число классификационных конструктивных признаков для СПЛ входят: 1) характер заполнения диэлектриком поперечного сечения; 2) соотношение физических длин полосок в области электромагнитной связи; 3) нланарное или объемное расположение полосок многосвязной структуры; 4) однородные или неоднородные параметры вдоль продольной координаты.

Конструкции СПЛ имеют множество модификаций, но существенными в оценке физических свойств являются уравновешенность связей [24, 29, 3647] и наличие �