автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Широкополосные преобразователи частоты для радиоизмерительных приборов СВЧ
- доктора технических наук
- Щитов, Аркадий Максимович
- город
- Нижний Новгород
- год
- 2004
- специальность ВАК РФ
- 05.12.07
- цена
- 450 рублей
Автореферат диссертации по теме "Широкополосные преобразователи частоты для радиоизмерительных приборов СВЧ"
На правах рукописи УДК 621.372.632
ЩИТОВ Аркадий Максимович
ШИРОКОПОЛОСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ ДЛЯ РАДИОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ СВЧ
Специальности: 05.12.07- Антенны, СВЧ-устройства
и их технологии, 05.11.08 - Радиоизмерительные приборы
Авторе "
диссертации на соиск доктора техн
Нижний Новгород - 2004
Работа выполнена на Федеральном государственном унитарном предприятии Нижегородский научно-исследовательский приборостроительный институт «Кварц» (ФГУП ННИПИ «Кварц»)
Научный консультант: доктор технических наук, старший научный сотрудник Ю.А. Рябинин.,
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, ст. научн. сотрудник Тверской Виктор Исаакович, доктор технических наук, профессор Темнов Владимир Матвеевич, доктор технических наук, профессор Андриянов Александр Владимирович.
Ведущая организация: ФГУП Научно-производственное предприятие «Салют», г. Нижний Новгород.
Защита состоится 11 ноября 2004 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д409.002.01 ФГУП ННИПИ «Кварц» по адресу: 603950, ГСП-85, г. Нижний Новгород, проспект Гагарина, 176
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ННИПИ «Кварц»
Автореферат разослан
2004г.
Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н.
гъи^
Логачев В.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Прогресс в современной технике радиосвязи, радиолокации, навигации, радиоастрономии, оборонных областях радиоэлектроники, научных исследованиях невозможен без опережающего развития радиоизмерительной техники. Совершенствование радиоизмерительных.приборов (РИП) СВЧ идет по пути повышения точности и расширения пределов измерений, увеличения широкополосности, расширения частотного диапазона в область миллиметровых длин волн, повышения надежности, уменьшения габаритов и массы, создания многофункциональных приборов, повышения степени автоматизации. Освоение новых, более высокочастотных диапазонов имеет особое значение в связи с широким внедрением техники миллиметрового (мм) диапазона в различные области народного хозяйства, обещающие в перспективе ее массовое использование: спутниковая связь и вещание, информационно-вычислительные системы, медицина, биология, фундаментальные научные исследования, управление транспортом и безопасность движения.
Принцип действия большинства РИП СВЧ-диапазона основан на использовании преобразователей частоты. Это - входные приемные устройства, преобразующие спектр частот СВЧ-сигналов в сравнительно низкочастотный диапазон промежуточных частот, где уже осуществляется регистрация и обработка сигналов (в стробосциллографах, амплифазометрах, анализаторах цепей, частотомерах, анализаторах спектра); или - выходные устройства, преобразующие информационные сигналы из низкочастотной области в СВЧ-диапазон для передачи к измеряемому объекту (в источниках зондирующих сигналов анализаторов цепей и импульсных рефлектометров, в измерительных генераторах и синтезаторах СВЧ)
Для преобразования частоты СВЧ-сигналов используются полупроводниковые приборы различного принципа действия и назначения, на основе которых разрабатывается широкая номенклатура преобразователей частоты: детекторы, смесители, стробоскопические преобразователи, умножители, делители, генераторы гармоник, модуляторы.
Наибольшее распространение получили диодные преобразователи. До настоящего времени они являются основным типом преобразователей частоты в радиоприемных устройствах (РПУ) (смесители) и радиоизмерительной аппаратуре (РИД) сантиметрового (см) и миллиметрового (мм) диапазонов длин волн благодаря меньшему уровню шумов и более высокому быстродействию по сравнению, например, с транзисторными преобразователями.
Из обширного класса диодных преобразователей частоты, использующихся в технике СВЧ, в диссертации рассматриваются три группы устройств: стробоскопические преобразователи (стробпреобразователи), умножители частоты и генераторы гармоник. Эти различные по своему функциональному назначению СВЧ-устройства объединяют общие схемные и конструктивно-технологические
решения, использование проектирования. Именно
ОЙ 6 «7
:ксно, наиболее ком-
пактно и с минимальными затратами решить задачу измерений на СВЧ в соответствии со схемой: «источник зондирующего сигнала измеряемый объект —*• приемник» с получением информации об объекте в частотной и временной областях.
Стробпреобразователи являются входными устройствами различных РИП СВЧ: стробосциллографов, частотомеров, амплифазометров, анализаторов цепей,, измерителей девиации, а также широко применяются в качестве фазовых детекторов в. системах синхронизации и стабилизации частоты источников сигналов СВЧ.
Преимущества использования умножителей частоты в широкополосных генераторах СВЧ, синтезаторах и гетеродинах связаны, с одной стороны, с наиболее простым и дешевым способом реализации режимов стабилизации частоты, модуляции СВЧ-сигналов, с другой - с невозможностью методом прямой генерации на транзисторах, диодах Ганна, ЛПД и других полупроводниковых элементах получить требуемую мощность сигнала, особенно, в мм-диапазоне частот.
Интенсивное развитие техники усиления мощности СВЧ-сигналов и умножения частоты создает предпосылки построения полностью твердотельных источников сигналов см- и мм-диапазонов, что позволяет заменить во многих случаях (генераторах, гетеродинах) дорогостоящие электровакуумные приборы на более надежные и компактные полупроводниковые.
Генераторы гармоник, по существу, являются частью стробпреобразователей, формирующей стробимпульсы, и, кроме того, имеют самостоятельное применение как калибраторы частотной шкалы в анализаторах спектра, приемниках, как гетеродины в системах радиорелейной связи и других радиотехнических системах.
Ориентация на радиоизмерительную технику определила высокий уровень требований к основным техническим характеристикам преобразователей: широкопо-лосности, потерям преобразования, динамическому диапазону преобразуемых сигналов, шумовым свойствам, энергопотреблению. Следовательно, задача теоретического и экспериментального исследования и проектирования преобразователей частоты с повышенными техническими характеристиками, решению которой посвящена настоящая диссертационная работа, актуальна для совершенствования РИП.
В 70-х годах прошлого столетия диапазон частот стробпреобразователей не превышал 4-7 ГГц в амплифазометрах и 7-12 ГГц в стробосциллографах. Устойчивые тенденции увеличения сложности РИП, расширения их функциональных возможностей, расширения диапазона частот в область миллиметровых длин волн требовали проведения глубоких теоретических и экспериментальных исследований с целью оптимального выбора схемы и конструкции преобразователя, технологии изготовления, типов используемых полупроводниковых элементов.
Качественный скачок в'повышении характеристик преобразователей частоты и РИП, например, расширение верхней границы рабочего диапазона частот с единиц до сотен гигагерц, уменьшение в несколько раз габаритов и массы невозможен без перехода на новую элементную базу, применения новых типов линий передачи и
их соединений, внедрения новых технологий в проектирование и производство, использования новых принципов преобразования частоты.
Основы теории и методов расчета преобразователей частоты разработаны в конце 50-х годов, но и сегодня по вопросам анализа, расчета и автоматизированного проектирования преобразователей публикуется большое количество работ, что свидетельствует об их актуальности, и связано с тенденциями расширения диапазона частот, использовашем новой элементной базы, новых конструктивно-технологических решений в проектировании преобразователей.
Теория стробоскопического преобразования сигналов применительно к осциллографии разработана в 1960-1970-х годах Ю.А. Рябининым, А.И. Найденовым [Л.1,Л.2]. Она основана на предположении линейного режима работы устройств для входных СВЧ-сигналов и, следовательно, не дает информации о нелинейных искажениях в стробпреобразователях. Специфика использования стробпреобразо-вателей в системах синхронизации и стабилизации частоты гетеродинов и синтезаторов частот поставила задачу анализа нелинейного режима работы преобразователей с целью определения требований к спектру входных сигналов для получения допустимого отношения сигнал/шум на выходе преобразователя; к уровням входных сигналов для минимизации нелинейных и комбинационных искажений. Использование стробпреобразователей в амплифазометрах и анализаторах цепей потребовало теоретического рассмотрения недостаточно исследованных ранее путей расширения динамического диапазона приборов за счет увеличения «развязки» каналов преобразователя.
Вопросы анализа и расчета простейших схем умножителей частоты (УЧ) и генераторов гармоник (ГГ) см-диапазона на различных нелинейных элементах сегодня представлены в обширной литературе [Л.3-Л.8]. Однако, несмотря на обилие различных методов (аналитических и машинных) анализа умножителей частоты СВЧ-диапазона, задача их проектирования, как отмечается в монографии И.Х. Риз-кина [Л.З], достаточно сложна, обычно решается итеративно и важную роль играют экспериментальные исследования и практическая «доводка» реализованной схемы.
Роль экспериментальных методов исследования в проектировании преобразователей возрастает с увеличением диапазона рабочих частот, поскольку начинают проявляться различные не учитываемые в расчетах факторы, возрастает погрешность в описании параметров элементов, труднее обеспечить требуемые допуски на механическое изготовление. В этой связи актуален поиск новых конструкций преобразователей, позволяющих производить настройку устройства в рабочем режиме, что могло бы во много раз уменьшить трудоемкость разработки и изготовления СВЧ-устройств.
Перспективным направлением совершенствования характеристик РИП в плане уменьшения габаритов и массы, повышения надежности является использование комплексированных многофункциональных СВЧ-преобразователей, объединяющих различные функциональные элементы [Л.9]. Это делает задачу проектирования таких устройств очень важной. Здесь возникает ряд новых актуальных задач: оптимального выбора структурной схемы, тщательной отработки конструкции для
исключения взаимного паразитного влияния различных элементов, реализации максимального количества функциональных возможностей и сохранения универсальности для различных применений.
Одна из современных тенденций развития РИА СВЧ-диапазона - создание многофункциональных РИП, одновременно обеспечивающих режим работы нескольких радиоизмерительных приборов: анализаторов сигнала и спектра, анализатора цепей, частотомера, измерителя мощности [Л. 10]. В этой связи актуальна задача исследования и разработки универсального преобразователя частоты - входного устройства многофункционального измерителя.
Все вышеизложенное свидетельствует об актуальности и важности проблем совершенствования диодных преобразователей частоты как наиболее широкополосных СВЧ-устройств - основы построения РИП СВЧ.
ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИИ - разработка теоретически обоснованных методов проектирования широкополосных диодных преобразователей частоты и создание на их основе новых СВЧ-устройств с преобразованием частоты, обеспечивающих существенное улучшение характеристик и расширение частотного диапазона РИП от единиц до сотен гигагерц.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. В работе при проведении теоретических исследований использован математический аппарат дифференциальных уравнений, операционного исчисления, специальных функций и ориентированных графов, а также машинные методы проектирования и оптимизации СВЧ-схем.
Достоверность и обоснованность полученных в диссертации результатов определяется корректным использованием математического аппарата, вычислительных процедур расчета и моделирования, и подтверждена как экспериментально в лабораторных условиях, так и при эксплуатации разработанных устройств, внедренных в состав РЭА различного назначения.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА диссертации заключается в разработке методов проектирования широкополосных диодных преобразователей частоты, их теоретическом обосновании и создании на их основе новых СВЧ-устройств с преобразованием частоты, обеспечивающих существенное улучшение характеристик и расширение частотного диапазона РИП. В частности:
1. На основе теоретического анализа впервые разработана математическая модель, описывающая нелинейный режим работы стробпреобразователя в виде математических выражений, определяющих основные характеристики устройства: потери преобразования, уровень нелинейных и комбинационных искажений, а также допустимый уровень помех на входах преобразователя для обеспечения требуемого отношения сигнал/шум на выходе.
2. Разработаны новые математические модели широкополосных балансных удвоителей и утроителей частоты мм-диапазона, основанные на использовании априорной информации об ограниченном спектральном составе сигналов, обусловлен-
ной фильтрующими и резонансными свойствами волноведущих структур, что позволило получить математические соотношения, определяющие основные характеристики умножителей (потери преобразования, входные и выходные импедансы, уровни подавления паразитных сигналов), для инженерного расчета согласующих цепей и синтеза оптимальных конструкций СВЧ-устройств.
3. Предложены и разработаны методы расчета и проектирования базовых конструкций стробпреобразователей, умножителей и генераторов гармоник в виде гибридных интегральных схем (ГИС) СВЧ.
4. Предложены новые принципы использования стробпреобразователей в режимах многочастотного преобразования частоты, открывающие возможности расширения частотного диапазона, снижения потерь преобразования и построения СВЧ-делителей частоты высокой кратности.
5. Предложены и реализованы возможности расширения частотного диапазона стробпреобразователей (с единиц ГГц до сотен ГГц) и увеличения динамического диапазона (с 60 дБ до 80 дБ) многоканальных стробпреобразователей за счет оптимального согласования сигнального тракта; оптимизации цепей формирования стробимпульсов; увеличения «развязки» каналов; применения новых схемно-конструктивно-технологических решений в проектировании преобразователен, защищенных авторскими свидетельствами на изобретения.
6. Предложены, оптимизированы и разработаны структуры комплексирован-ных многофункциональных преобразователей в виде ГИС СВЧ - новой узловой элементной базы -для реализации повышенных характеристик РИА:
- входных устройств (на базе стробпреобразователей) широкой номенклатуры РИА (стробосциллографов до 40 ГГц, амплифазометров и анализаторов цепей до 40 1Тц в коаксиальных трактах и до 110 ГГц в волноводных, частотомеров до 180 ГГц);
- выходных формирующих цепей (на базе умножителей частоты и генераторов гармоник) источников сигналов (синтезаторов, генераторов, гетеродинов) в диапазоне частот до 180 ГГц.
7. Предложены, разработаны и внедрены в практику методы экспериментального исследования, настройки и оперативного контроля параметров СВЧ-преобразователей частоты (нелинейных широкополосных устройств), обеспечивающие панорамный режим работы и измерение характеристик (осциллограмм, КСВН, потерь преобразования, спектральных характеристик) в реальном масштабе времени, что в 3-5 раз увеличивает производительность регулировки преобразователей и дает возможность работы в миллиметровом диапазоне до 180 ГГц.
8. Впервые разработан универсальный преобразователь частоты - входное устройство .многофункционального радиоизмерительного прибора, одновременно обеспечивающего режим работы: осциллографа, анализатора спектра, анализатора цепей, частотомера, измерителя мощности в диапазоне частот 1,5-40 ГГц.
НАРОДНОХОЗЯЙСТВЕННОЕ IIПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ
заключается в разработке и создании СВЧ-устройств с преобразованием частоты и внедрении их в РЭА общего и специального назначения, что обеспечило существенное расширение частотного диапазона РИП СВЧ (с единиц до сотен гигагерц); способствовало освоению мм-диапазона длин волн; обеспечило выпуск конкурентоспособных на мировом рынке радиоизмерительных приборов до 40 ГГц в коаксиальных трактах и до 180 ГГц в волноводах, а также позволило создать ряд уникальных измерительных установок для научных исследований. В частности:
1. На основе предложенных новых схемно-конструктивных решений разработаны базовые СВЧ-устройства с преобразованием частоты в виде ГИС СВЧ: строб-преобразователи, умножители частоты, генераторы гармоник для использования в радиоизмерительной аппаратуре с повышенными техническими характеристиками. Оригинальные конструкции стробпрсобразователей защищены тремя авторскими свидетельствами на изобретения.
2. Разработана новая элементная база с характеристиками, соответствующими лучшим зарубежным аналогам, для использования в сверхширокополосных СВЧ-преобразователях частоты: смесительные и умножительные диоды, сверхбыстродействующие ДНЗ, интегральные диодные сборки, монолитные ИС стробпреобра-зователей. За разработку и широкое внедрение в народное хозяйство сверхбыстродействующих кремниевых диодов нано- и пикосекундного диапазонов автору присуждена премия Совета Министров СССР 1991 года.
3. Предложены, разработаны и внедрены в практические устройства новые принципы многочастотного преобразования частоты в стробпреобразователях, что, в частности, обеспечило расширение диапазона частот до 0,1-18 ГГц и увеличение динамического диапазона до 80 дБ анализатора цепей РК4-55.
4. Предложены, разработаны и внедрены в практику методы настройки и оперативного контроля параметров СВЧ-преобразователей частоты (нелинейных широкополосных устройств), обеспечивающие панорамный режим работы и измерение характеристик (осциллограмм, КСВН, потерь преобразования, спектральных характеристик) в реальном масштабе времени, что в 3-5 раз увеличивает производительность и дает возможность работы в миллиметровом диапазоне до 180 ГГц и выше, где отсутствует серийная измерительная аппаратура (анализаторы спектра, анализаторы цепей, частотомеры, осциллографы).
5. Предложены, оптимизированы и внедрены в РИА структуры комплексиро-ванных многофункциональных преобразователей в виде ГИС СВЧ - новой узловой элементной базы:
- входных устройств (на базе стробпреобразователей) широкой номенклатуры РИА (стробосциллографов, амплифазометров, анализаторов цепей, частотомеров);
- выходных формирующих цепей (на базе умножителей частоты и генераторов гармоник) источников сигналов (синтезаторов, генераторов, гетеродинов).
6. На базе внедренных в производство СВЧ-устройств создана широкая номенклатура новых РИП СВЧ-диапазона:
- амплифазометры:ФК2-18, ФК2-33:
- анализаторы цепей: РК4-22, РК4-54, РК4-55;
- анализатор спектра С4-85;
- измеритель девиации СКЗ-45;
- частотомер СНКЗ-78;
- генераторы: РГ4-10 - 13, Г4-207, Г4-208;
- синтезаторы частот: РЧ6-67, РЧ6-73:75;
- приборы магистрально-модульного типа (синтезаторы частот, блоки умно-жительные, преобразователи частоты, частотомер).
7. Созданные преобразователи частоты позволили выйти на новые принципы разработки РИА мм-диапазона с реализацией рекордных технических характеристик: анализаторов спектра мм-диапазона с повышенной чувствительностью; синтезатора частот в диапазоне 180-260 ГГц; установки для измерения параметров антенн и измерителя КСВН и ослаблений в твердотельном исполнении в диапазоне частот 18-178 ГГц; а также обеспечили возможность решения задач оптимального проектирования входных приемных устройств широкого класса РЭА см-диапазона с преобразованием частоты вверх в мм-диапазон и обратно.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные разделы и результаты работы докладывались и обсуждались на всесоюзных научно-технических конференциях (НТК) и симпозиумах:
- «Измерения параметров цепей и разности фаз сигналов» (Горький, 1975);
- «Нано- и пикосекундная импульсная техника» (Горький, 1979,1983);
- «Радиотехнические измерения в диапазонах ВЧ и СВЧ» (Новосибирск, 1980);
- «Электроника СВЧ. Ферритовые СВЧ приборы и материалы» (Ленинград,
1984);
- «Интегральная электроника СВЧ» (Красноярск, 1988);
- «Современные проблемы фазоизмерителыюй техники и ее приложения»
(Красноярск, 1989);
- «Проблемы радиоизмерительной техники» (Горький, 1989);
- «СВЧ техника и спутниковый прием» (Севастополь, 1992); на международных НТК:
- "International Conf. on Millimeter Waves and Far-Infrared Technology" (Beijing,
China, 1992);
- "International Conf. on Millimeter and Submillimeter Waves and Applications"
(San Diego, California, USA, 1994,1998);
- "Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves" (Kharkov,
Ukraine, 1998);
- "13-th European Frequency and Time Forum" (Besancon, France, 1999);
- «Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ» (Самара, 1999);
- " 16-th European Frequency and Time Forum" (St. Petersburg, Russia, 2002);
- «Физика и технические приложения волновых процессов» (Самара, 2001);
- «Новые технологии в радиоэлектронике и системах управления» (Н. Новго-
род, 2002);
на Всероссийских НТК:
- «Высокие технологии в радиоэлектронике» (Н. Новгород, 1996);
- «Метрологическое обеспечение обороны и безопасности в Российской Феде-
рации» (Москва, 2002);
на республиканских НТК:
- «Автоматизация измерения частотных и импульсных характеристик радио-
устройств» (Каунас, Вильнюс, 1978);
«Фазометрия и ее применение» (Львов, 1981);
на региональной Юбилейной НТК «В XXI век с новыми принципами построения аппаратуры» (ННИПИ «Кварц», Н. Новгород, 1999).
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Результаты исследований и разработок диссертации использованы при проектировании и создании преобразователей частоты и РЭА различного назначения в соответствии с техническими заданиями на НИОКР по заказам НИИ и предприятий Министерства радиопромышленности (МРП), Министерства электронной промышленности (МЭП), Министерства промышленности средств связи (МПСС), Министерства обороны (МО).
Под руководством и при непосредственном участии автора созданы и внедрены в производство РИА следующие основные разработки.
1. Стробоскопические преобразователи частоты
- комплект (20 типов) коаксиально-микрополосковых одно- и многоканальных ГИС стробпреобразователей для использования в РЭА диапазона частот 0-40 ГГц (НИИПИ «Кварц»; Краснодарский з-д РИП, з-д «Старт» ПО им. Королева, г. Киев);
- комплект (15 типов) волноводно-микрополосковых стробпреобразователей для РЭА диапазона частот 26-180 ГГц (ННИПИ «Кварц»).
2. Умножители частоты
- сверхширокополосный (0,1-18 ГГц) умножитель частоты с ЖИГ-фильтром для источника сигнала анализатора цепей РК4-55 (ННИПИ «Кварц»);
- комплект микрополосковых умножителей на ДНЗ с кратностью умножения 2...5 для использования в диапазоне частот 2-26 ГТц и на их базе комбинированные блоки сверхширокополосных умножителей см-диапазона: 2-6,6/2-26,4 ГГц (ННИПИ «Кварц»); 2-8/2-20 ГТц (Центральный институт электроизмерений г.Бейгду КНР) ; 0,1-18 ГТц (з-д «Маяк» г. Курск);
- умножители частоты высокой кратности (x 13, x 17) см-диапазона с высокой чистотой спектра выходного сигнала (70 дБс) (ф. LGITGumiLab., Южная Корея);
- комплект широкополосных волноводных умножителей частоты (с кратностью умножения 2, 3, 4, 6, 9) для диапазона частот 18-178 ГГц (ННИПИ «Кварц», Центральный институт электроизмерений г.Бейгду КНР, НИИИС г. Н. Новгород).
3. Генераторы гармоник
- комплект (4 типа) генераторов гармоник на диапазон частот 0,1-20 ГГц (шаг сетки 20 МГц - 2 ГТц) (СКБ «РИАП», в/ч 35533).
4. Макет измерителя S-параметров 2-18 ГГц («Исток», г. Фрязино).
5. Многофункциональные преобразователи частоты
- модуль двухканального преобразователя частоты VM0501 1,5-40 ГТц/0,4-500 МГц с управлением по шине VXI (ННИПИ «Кварц»);
- преобразователи частоты для высокочувствитетьных приемных устройств мм-диапазона (110,8 ГГц; 115,3 ГТц) в установках копроля концентрации озона и окиси углерода в атмосфере Земли (ИПФ РАН, г.Н. Новгород);
- преобразователь с двойным преобразованием частоты (вверх/вниз) 0,5-18 ГТц/1-12 ГГц для широкополосных радиоприемных устройств (в/ч 25714).
Разработанные автором преобразователи частоты использованы при создании в ННИПИ «Кварц» и на других предприятиях широкоьноменклатуры РИА.
1. Приборы, переданные в серийное производство:
- измеритель разности фаз и ослаблений 0,11-2,4 ГГц ФК2-18 (Краснодарский з-д РИП);
- измеритель разности фаз и отношения уровни сигналов 0,1-18 ГГц ФК2-33 (Краснодарский з-д РИП);
- измерители параметров цепей: 0,11-12,05 Гц РК4-22; 0,1-18 ГГц РК4-54 (Краснодарский з-д РИП); 0,1-18 ГГц РК4-55 (ННИ1И «Кварц»);
- анализатор спектра С4-85 (ННИПИ «Кварц»,
- частотомер 7,5-37,5 ГГц СНКЗ-78 (ННИПИ «.варц»);
- измеритель девиации СКЗ-45 (з-д Фрунзе, CIS);
- генераторы сигналов высокочастотные: 1-18.Тц РГ4-10-ПЗ (НПО им. Ленина, г. Львов); 17,44-25,95 ГГц Г4-207; 25,95-37,5 ГЦ Г4-208 (ННИПИ «Кварц»);
- синтезаторы частот 0,01-18 ГТц РЧ6-67, P4-73V75 (ПО им. Королева, г. Киев).
2. Приборы, выпускаемые малыми сериям:
- синтезаторы частот мм-диапазона 37,5-178 ГГц (4 типа) (ННИПИ «Кварц», поставляются во многие страны мира);
- электронно-счетный цифровой частотомерт0-170 ГГц (ИПФ РАН г. Н. Новгород);
3 Приборы магистрально-модульного тип (стандарт VX1):
- синтезаторы частот: VMK240 (0.1-8.15 ГГц); VMK2402 (2-8.15 ГГц); VMK2403 (8.15-17.85 ГГц);
- блоки умножительные: 18-26 ГГц, 26-37,5 Гц (VMK2406, VMK2407);
- преобразователи частоты: VM0503 (2-20С МГц); VM0501 (2-37.5 ГГц);
- частотомер 0,01-37,5 ГТц VM402.
ПУБЛИКАЦИИ. Результаты диссертащ« публикованы в 63-х работах: 26-ти статьях в, периодических журналах, 8-ми стьях в сборниках трудов научно-технических конференций, 4-х описаниях mof етешй, 23-х тезисах докладов НТК, 2-х депонированных рукописях, и приведены» 23-' научно-технических отчетах о НИР.
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ
1. Результаты теоретического анализа схем стробпреобразователей в нелинейном режиме работы в виде новых математических выражений, определяющих основные характеристики устройства: потери преобразования, уровень нелинейных и комбинационных искажений, допустимый уровень помех на входах преобразователя для обеспечения требуемого отношения сигнал/шум на выходе.
2. Новые математические модели широкополосных балансных удвоителей и утроителей частоты мм-диапазона в виде систем алгебраических уравнений в неявном виде, удобные для анализа основных характеристик умножителей (потерь преобразования, входных и выходных импедансов, уровней подавления паразитных сигналов), учитывающие особенности конструкции и априорную информацию о спектральном составе сигналов и используемые при расчете согласующих цепей и синтезе оптимальных конструкций СВЧ-устройств.
3. Новые, высокоэффективные методы расчета и проектирования базовых мик-рополосковых и волноводно-микрополосковых конструкций преобразователей СВЧ: стробсмесителей; стробпреобразователей с формированием стробимпульсов непосредственно вблизи смесительных диодов; умножителей частоты на диодах с накоплением заряда (ДНЗ); баланс ных удвоителей и утроителей на диодах с барьером Шотки (ДБШ); генераторов гармоник на ДНЗ; с применением новой элементной базы и новых вариантов сочленений различных типов волноведущих структур; основанные на комплексном использовании результатов аналитических, автоматизированных и экспериментальных исследований.
4. Новые схемно-конструктивные решения в проектировании комплексирован-ных многофункциональных преобразователей частоты в виде ГИС СВЧ - новой узловой элементной базы, обеспечивающие оптимальное построение и реализацию повышенных характеристик РИА:
- входных устройств (на базе стробпреобразователей) широкой номенклатуры РИП (стробосциллографов до 40 ГГц, амплифазометров и анализаторов цепей до 40 ГГц в коаксиальных трактах и до 110 ГГц в волноводах, частотомеров до 180 ГГц);
- выходных формирующих цепей (на базе умножителей частоты и генераторов гармоник) источников сигналов (синтезаторов, генераторов, гетеродинов) в диапазоне частот до 180 ГГц.
5. Реализация вновь предложенных путей расширения частотного и динамического диапазонов стробпреобразователей за счет: оптимального согласования сигнального тракта; оптимизации цепей формирования стробимпульсов; увеличения развязки каналов; повышения частоты гетеродина; применения новых конструкций стробпреобразователей, защищенных авторскими свидетельствами на изобретения, что в совокупности обеспечило расширение частотного диапазона коаксиальных стробпреобразователей до 40 ГГц и до 180 ГГц волиоводных; и увеличение динамического диапазона многоканальных преобразователей до 80 дБ.
6. Новые принципы использования стробпреобразова1елей в режимах многочастотного преобразования частоты, основанные на модуляции частоты гетеродина и одновременном использовании нескольких различных по частоте сигналов ПЧ,
что дает возможность снизить потери преобразования, расширить диапазон частот и создавать СВЧ-делители частоты высокой кратности.
7. Разработанный универсальный преобразователь частоты - входное устройство многофункционального радиоизмерителыюго прибора, одновременно обеспечивающего режим работы: осциллографа, анализатора спектра, анализатора цепей, частотомера, измерителя мощности в диапазоне частот 1,5-40 ГГц.
8. Методы настройки и контроля параметров СВЧ-преобразователей частоты (нелинейных широкополосных устройств), обеспечивающие панорамный режим работы и измерение характеристик (осциллограмм, КСВН, потерь преобразования, спектральных характеристик) в реальном масштабе времени; эти методы существенно (в 3-5 раз) увеличивают производительность и обеспечивают возможность работы в мм-диапазоне до 180 ГГц и выше, где наблюдается дефицит измерительного оборудования.
9. Результаты внедрения устройств с преобразованием частоты (стробпреоб-разователей, умножителей, генераторов гармоник, многофункциональных преобразователей) в разработки радиоизмерителыюй аппаратуры в широком диапазоне частот от десятков МГц до сотен ГГц, подтверждающие эффективность и достоверность проведенных научных исследований.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав (29 параграфов), заключения, приложения, списка использованной литературы из 233 наименований. Объем диссертации составляет 257 страниц, включая 234 страницы основного текста, 114 рисунков и 33 таблицы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна основных результатов, показано народнохозяйственное и практическое значение работы, описана реализация результатов работы, сформулированы положения, выносимые на защиту.
В первой главе на основе обзора отечественной и зарубежной литературы рассмотрено современное состояние методов проектирования и уровень технического развития СВЧ-преобразовагелей частоты, проанализированы особенности их применения в РИА.
Показано, что основные технические характеристики (диапазон частот, динамический диапазон, чувствительность, пределы и точности измерения) широкой номенклатуры радиоизмерительных приборов; выходная мощность и качество спектра источников сигналов в значительной степени определяются соответствующими характеристиками стробпреобразоватслей и умножителей частоты. Следовательно, задача совершенствования РИА в части расширения диапазона частот и освоения мм-диапазона длин волн связана с созданием более совершенных преобразователей частоты.
Отмечено, что большой вклад в теорию и практическое построение стробпре-образователей СВЧ внесли: Ю.А. Рябинин, А.И. Найденов, В.И. Старосельский, Э. X. Херманис, J. Merkelo, M. Sayed, V. Grove и другие.
Для теоретического анализа процессов в стробпреобразователях и расчета их характеристик используют методы общей теории преобразователей частоты (частотные методы) и методы, основанные на импульсно-временном представлении механизма преобразования в стробсмесителе. Последние базируются на рассмотрении устройства в виде управляемой нелинейно-параметрической системы, и на основе полученной переходной характеристики преобразователя позволяют анализировать быстродействие (широкополосность) систем различного порядка сложности с учетом инерционных свойств диодов, различных видов аппроксимаций их вольт-амперных характеристик (ВАХ) и параметров схемы.
Однако, в силу описания устройства для исследуемых сигналов системой линейных дифференциальных уравнений эти методы, широко применяемые в осциллографии, не дают информации о нелинейных искажениях и не позволяют сформулировать требования к уровням и чистоте спектра входных сигналов для обеспечения допустимого отношения сигнал/шум на выходе и минимизации нелинейных и комбинационных искажений, что очень важно для применения стробпреобразова-телей в системах синхронизации и стабилизации частоты.
Более информативны в этом отношении частотные методы исследования, общие принципы которых разработаны в конце 50-х годов и в дальнейшем развиты в применении к стробпреобразователям частоты. В работах И.И. Чупрова синтезирована обобщенная схема, и на основе волновой теории СВЧ-цепей построена математическая модель диодных преобразователей частоты. Сформулированы алгоритмы анализа и синтеза различных схем преобразователей. Однако, предложенные алгоритмы очень громоздки и трудоемки. Например, для анализа стробсмеси-теля порядок матричных уравнений может достигать 100 ... 1000 и более, что требует привлечения мощных ЭВМ и исключает возможность получения во многих практических случаях наглядных аналитических выражений, связывающих характеристики преобразователя с параметрами диодов и схемы.
Строгая теория процессов, протекающих в преобразователях частоты, основывается на результатах, которые получаются при решении систем нелинейных дифференциальных уравнений. Как и вообще в технике, связанной с колебаниями в нелинейных системах, здесь отсутствуют общие и эффективные методы, доступные для решения линейных задач. Среди приближенных методов исследования нелинейных явлений, предполагающих, что поведение системы достаточно точно описывается при учете лишь конечного числа гармонических составляющих, наиболее эффективным является метод гармонического баланса (спектральный метод), пригодный для систем, содержащих избирательные линейные цепи, к каким часто можно отнести стробпреобразователи и умножители частоты. Именно он положен в основу построения систем автоматизированного расчета (САПР) СВЧ-устройств на нелинейных элементах. Опыт работы с наиболее развитыми программами {"Serenade", "MicrowaveOffice 2000") выявил их существенные недостатки:
- недостаточна библиотека элементов (отсутствуют сочленения различных типов линий передачи - базовые элементы конструкций большинства СВЧ-преобразователей частоты);
- результаты расчета имеют удовлетворительное совпадение с экспериментом в ограниченном диапазоне частот (до 18-20 ГГц);
- требуется задание достаточно точного начального приближения, т.е. программа хорошо выполняет только функции доводки схемы.
В последние годы интенсивно разрабатываются и внедряются в практику строгие электродинамические методы расчета, которые должны обеспечить качественный скачок в повышение характеристик СВЧ-устройств и в несколько раз снизить стоимость их разработки и изготовления. Однако, пока они находятся в стадии становления и способны решать задачи проектирования отдельных, относительно простых фрагментов конструкции СВЧ-узлов. Результаты расчета и оптимизации электродинамическими методами сложных конструкций, основанных на сочетании различных типов волноведущих структур с использованием нелинейных полупроводниковых приборов, какими являются преобразователи частоты СВЧ-диапазона (стробпреобразователи, умножители частоты и генераторы гармоник), в литературе не приведены. В настоящее время основа совершенствования характеристик СВЧ-устройств с преобразованием частоты и расширения их частотного диапазона в область мм-длин волн - это, главным образом, накопление опыта экспериментальных исследований. Поэтому поиску новых схемных и конструктивно-технологических решений и экспериментальному исследованию различных вариантов преобразователей частоты в диссертации уделен значительный объем.
Очевидно, оптимальным для расчета и проектирования преобразователей СВЧ является сочетание аналитических, автоматизированных и экспериментальных методов исследования.
Результаты анализа схем и конструкций стробпреобразователей, вопросов согласования смесительных диодов с линией передачи и способов формирования коротких стробимпульсов показывают, что совершенствование стробпреобразовате-лей частоты связано с необходимостью решения следующих основных задач:
- определение требований к спектру входных сигналов для получения допустимого отношения сигнал/шум на выходе преобразователя и к уровням входных сигналов для минимизации нелинейных и комбинационных искажений на основе анализа нелинейного режима работы преобразователя;
- поиск путей расширения частотного диапазона за счет использования новых конструктивно-технологических решений и разработки методики расчета и проектирования микрополосковых и монолитных (в виде ИС) стробпреобразователей;
- оптимальное согласование СВЧ-тракта стробпреобразователей и синтез цепей формирования стробимпульсов непосредственно в смесителе;
- анализ ограничения динамического диапазона преобразуемых СВЧ-сигналов в многоканальных стробпреобразователях за счет недостаточной развязки каналов и исследование методов ее увеличения.
Актуальным представляется исследование нетрадиционных способов использования стробпреобразователей СВЧ с реализацией многочастотных режимов преобразования частоты, позволяющих существенно расширить функциональные возможности различных СВЧ-устройств.
Умножители частоты широко используются для создания портативных, надежных, дешевых твердотельных источников сигналов малой и средней мощности в см- и мм-диапазонах "благодаря:
- возможности работы в высоком частотном диапазоне (200 ГГц и выше);
- большой широкополосности;
- достаточно большой выходной мощности (100 мВт до 20 ГГц, 50 мВт до 40 ГГц, 3 мВт до 75 ГГц, 1 мВт до 110 ГГц, 100 мкВт до 200 ГГц);
- низкому значению фазовых шумов;
- простоте реализации режимов амплитудной и частотной модуляции, синхронизации и стабилизации частоты, стабилизации и регулировки уровня выходной мощности.
Принцип умножения частоты положен в основу построения наиболее широкополосных генераторов и синтезаторов СВЧ ряда зарубежных фирм (Hewlett Packard., Wiltron).
Большой вклад в теорию и практику умножения частоты и генерации гармоник на СВЧ внесли: А.А. Харкевич, В.И. Григулевич, И.Х. Ризкин, Б.Е. Петров, В.И. Пильдон, АЛ. Визель, М.Е. Жаботинский, А.Н. Бруевич, ЮЛ. Хотунцев, Е.Н. Бу-торин, Н. Armbruster, С.В. Burckhurdt, К. Schuneman, I. Archer и многие другие.
Результаты анализа сравнительных характеристик, принципов и схем построения умножителей частоты на различных нелинейных элементах показывают, что разработка широкополосных эффективных умножителей частоты для использования их в РИА СВЧ предполагает решение следующих задач:
- исследование и разработка умножителей частоты на ДНЗ с ЖИГ-фильтром как наиболее широкополосных умножителей см-диапазона, создание методов проектирования подобных устройств;
- поиск новых конструктивно-технологических решений построения широкополосных (перекрытие по частоте ~ 1,5) умножителей (с различной кратностью умножения ~ 2 ... 5 ... ) на ДНЗ и варакторах для создания на их базе комплекси-рованных умножителей с миогооктавной перестройкой частоты в см-диапазоне;
- поиск новых оптимальных волноводно-микрополосковых конструкций широкополосных умножителей частоты мм-диапазона, работоспособных до сотен ГГц; разработка методов их анализа, расчета и проектирования, а также эффективных методов настройки и контроля параметров;
- разработка многокаскадных (активных и пассивных, с кратностью умножения 4, 6, ... 12, ...) широкополосных умножителей мм-диапазона для построения на их основе полностью твердотельных источников сигналов в диапазоне частот до сотен гигагерц;
- исследование возможности построения широкополосных умножителей мм-диапазона с повышенным подавлением (до~50дБс) паразитных гармоник (суб-
гармоник) в спектре выходного сигнала для создания на базе таких умножителей спектрально чистых истопников сигналов.
Анализ известных схем и конструкций широкополосных генераторов гармоник (11) выявил существенные недостатки их электрических характеристик: низкая интенсивность гармоник в диапазоне частот до 20-40 ГГц, большая неравномерность гармоник и высокая (~ 0,5 Вт) требуемая мощность входного сигнала (при_/£х ~ 0,1 - 1 ГГц). Современные потребности РИА диктуют необходимость создания ГТ с равномерным спектром гармоник (Д ~ 3-10 дБ) в диапазоне частот 0-20 (50) ГГц при — 0,1-1 ГГц с уменьшением требований к Ргх до 100-200 мВт.
Актуален поиск новых принципов построения полосовых ГГ с повышенной интенсивностью гармоник в ограниченном участке частотного диапазона, разработка методов их расчета и проектирования.
Таким образом, показана необходимость исследования и разработки оптимальных структур комплексированных многофункциональных преобразователей частоты - новой узловой элементной базы, позволяющей существенно удешевить и повысить характеристики РИА.
Отмечено, что важной задачей является исследование и разработка универсального преобразователя частоты - входного устройства многофункционального широкополосного измерителя, одновременно обеспечивающего режим работы нескольких радиоизмерительных приборов: осциллографа, анализатора спектра, частотомера, измерителя мощности.
В заключении главы сформулированы отмеченные выше задачи диссертационной работы.
Во второй главе проведены исследование и расчет широкополосных строб-преобразователей. Проанализированы и рассчитаны характеристики однодиодной и двухдиодной (балансной) схем стробпреобразователей в нелинейном режиме работы. Исследовано влияние помех на характеристики стробпреобразователей. Рассмотрены вопросы ограничения чувствительности и динамического диапазона преобразователя за счет конечной величины «развязки» каналов. Проанализированы методы увеличения «развязки» каналов. Исследованы многочастотные режимы преобразования частоты.
Наиболее широкополосные (до 18-40 ГГц) стробпреобразователи СВЧ-диапазона строятся по балансной схеме на диодах с барьером Шотки. Для анализа нелинейного режима рассматривалась схема рисунка 2.1.
Полагая, что на входы стробпреобразователя подаются гармонический СВЧ-сигнал с частотой со и последовательность стробимпульсов амплитудой I/, длительностью и периодом повторения определялись аналитические выражения для напряжений преобразованных сигналов с частотами ,/сопч =
= Дш-иО), где п - номер гармоники гетеродина; й>пч = (ю-лП) - частота ПЧ; ]= = 1,2,3,...
гта мЬ. ы! &
|»пчс Ц'пчЛи
Рис. 2.1 - Упрощенная схема балансного стробпреобразователя: £со5со< - напряжение входного СВЧ-сигнала; 1/г - напряжение гетеродина; Ся - накопительная ёмкость; С„ - суммарная ёмкость монтажа и входного УПЧ; Лд = 25 Ом - сопротивление параллельно включенных сопротивления источника СВЧ-сигнала и нагрузки СВЧ-тракта; Ли - входное сопротивление УПЧ; Ф(пХ1) - идеальный фильтр, пропускающий только сигнал гетеродина.
Поскольку в конструкциях преобразователей осуществляется разделение цепей токов сигнала, гетеродина и ПЧ, то при анализе схемы целесообразно использовать метод гармонического баланса.
Предполагалось, что напряжения на диодах (диоды
идентичны) содержат составляющие с частотами: со, Ш, сопч, 2соп„
тогда без учета гармоник частоты со выше
пч
третьей
ил\,2 = Uc COS(®' +Фс ) + UTl,2 + £ UJnч COS(yC0n4/ + ф ,пч ),
(2.1)
7=1
где ¿/с,г/упч,<рс>срупч - соответственно искомые амплитуды и фазы действующих на диодах напряжений СВЧ-сигнала, ПЧ и ее гармоник, 2 - напряжение гетеродина.
Для обозначенных на рисунке цепей прохождения токов соответствующих частот в предположении, что Сн обладает пренебрежимо малым сопротивлением для токов (сигнала, гармоник сигнала и гетеродина), при внутреннем со-
противлении источника гетеродина, равном нулю, справедлива следующая система уравнений:
(2.2)
Здесь С = 2С„ +С„; ¡^ • сопротивление нагрузки для ПЧ и ее гармоник; ^ - токи СВЧ-сигнала, проходящие через диоды; ^тс*1./™/),, - токи ПЧ и ее гармоник, проходящие через емкость С и сопротивление
Вольт-амперные характеристики идентичных диодов с барьером Шотки представлены в виде:
_а1/„| 1\ .* _ т /„-а!/.'
<Д1 = ~ 1). 'д2 = -1о(.е~аи°2 ~ О ,
(2.3)
где /о - ток насыщения диода; а - параметр, определяющий степень нелинейности вольт-амперной характеристики.
Подставляя в (2.3) выражения для напряжений на диодах (2.1), получаем:
Поскольку напряжение гетеродина на диодах С/г - периодическая последовательность прямоугольных импульсов, то ф у н в /(/) = еа1'г ж е т быть представлена рядом Фурье:
(стробимпульсы достаточно
малой длительности) и (амплитуда стробимпульсов достаточно велика).
Тогда выражения для токов (2.4) представляются произведениями бесконечных рядов, из которых выпишем составляющие токов, протекающих через диоды, с частотами о, ю,пч (у = 1,2,3 ):
'с ='с1 +,С2 ~2/0а0/1(аС/с)'СО8(©/+фс),
'пч =''пч1+'пч2 «2/0[а070(а^с)71(а(Упч).со8((опч/+фпч) + + (а ис) ■ соб((опч( + <рс)],
'2пч ='2пч1+'2пч2 ~2/0а0./0(а£/с)./,(аи2пч)■ соб(2юпч/ + ф2пч),
'Зпч = 'Зпч 1 +,3пч2 ^2/0[а0У0(а1/с)У|(а^зпч)-со5(Зсопч/ + я3„У3(а[/с ) • со5(Зюпч/ + Зфс)].
(2.5)
Здесь J•f),Jj- модифицированные функции Бесселя. Выражения (2.5) записаны
при некоторых допущениях, учитывающих реальный режим работы стробпреобра-зоватсля: Цпч<< ис, аЦ„ч<< 1. Тогда ^(а1^Пч)ю 1>«Л(<*^пч) 88 в-Цт/2. Сомножителями, содержащими функции Бесселя второго и более высокого порядка (от аргументов пренебрегаем.
В результате решения системы уравнений (2.2) с учетом выражений для токов соответствующих частот (2.5) получены основные характеристики балансного стробпреобразователя в нелинейном режиме работы.
Коэффициент преобразования как функция уровня входной мощности; амплитуды, длительности и периода повторения стробимпульсов; параметров диодов и схемы выражается соотношением
Кр=-
8/£б2а2Я„Яд
С2©2ЧЛ2 +
1 + 2/0сс(1 + 8)Ян
1 + -
а2Д„/> 1
д'вх
е2 )
(2.6)
где 8 = 1 + 2а/0(1 + 8)/1 » , _
Уровень компрессии гьх (АКр = 1дБ)
определяется из выражения
(2.7)
В случае линейного преобразования выражение (2.6) приводится к удобному для расчета виду
(2.8)
где
А/
1 /0Га5
сопротивление базы диода.
Результаты оценки Кр и Рвх стробпреобразователя широкополосного анализатора параметров цепей с полосой 18 ГГц: Дг = 20 пс, Г=10"8 с, 11= 1 В, Лн=103 Ом,
(для кремниевых диодов) приведены в таблицах 2.1 и 2.2.
Определено отношение мощности сигнала ПЧ Рт в нагрузке стробпреобразователя к мощности 3-й гармоники Р1т.
(2.9)
при (СюпчЛн «!) и а(/с<1.Для ранее принятых параметров стробпреобразо-вателя при ÍM.2B и Лх^Ю^Вт Рпч/Р3пч =31дБ.
Определены уровни комбинационных искажений вида C0n = (ffW + l)Q — та> (т - номер гармоники СВЧ-сигнала), которые при определенных соотношениях частот не могут быть отфильтрованы от полезного сигнала ©пч.
(2.10)
Для разных т и уровней входной СВЧ-мощности расчетные значения Рп / Рт, дБ даны в таблице 2.3.
На модели однодиодного стробпреобразователя проведен анализ влияния помех на входах сигналов. Показано, что паразитный сигнал на гетеродинном входе (с частотой Оо и амплитудой С/о) вызывает амплитудную модуляцию действующих на диоде стробимпульсов и, как следствие, наличие паразитных продуктов преобразования. Если П и соо одного порядка и кратны некоторой частоте С0|, причем d = т(0], (û0 =(т + l)û)|, то в полосу ПЧ кроме полезного сигнала с часто-
и
той (0Пц=(с0 — пО) могут попасть близкоотстоящие по частоте (юп Опч —<»1) паразитные сигналы. Получено выражение для отношения мощностей полезного и паразитных сигналов в нагрузке преобразователя
(2.11)
Оценка отношения мощностей паразитного и полезного сигналов на выходе стробпреобразователя для ранее принятых параметров устройства при
cù
пч
» Щ и 0, U = 1В дана в таблице 2.4.
Из выражения (2.11) следует важный для практического применения стробпре-образователей вывод, а именно: отношение сигнал/помеха на выходе не зависит от уровня входной СВЧ-мощности и, следовательно, не может быть улучшено за счет его увеличения.
Впервые исследован комплекс вопросов, направленный на повышение чувствительности и расширение динамического диапазона преобразуемых сигналов многоканальных стробпреобразователей, используемых в измерителях параметров цепей.
1. Проанализирована зависимость «развязки» каналов от характеристик отдельных узлов. Установлено, что «развязка» каналов преимущественно определяется недостаточной изоляцией сигнального и гетеродинного входов смесителей для СВЧ-сигнала из-за неидентичиости параметров диодов. Расчетное значение «развязки» при 5 % неидентичности параметров диодов составляет 60 дБ в диапазоне частот до десятков гигагерц, что ограничивает динамический диапазон измерения отношений на уровне 60 дБ, а разности фаз - на уровне 40 дБ при максимальных погрешностях измерения
2. Исследовано прохождение стробимпульса гетеродина в сигнальный тракт стробсмесителя, ограничивающее чувствительность преобразователя. Определена зависимость уровня мощности гармоник гетеродина на сигнальном входе строб-смесителя от различных параметров устройства. Расчетное значение мощности гармоник гетеродина для стробпреобразователя анализатора цепей 0,1-18 ГТц не превышает Вт при 5 % различии параметров диодов.
3. Исследованы возможности увеличения «развязки» каналов и показано, что она может быть увеличена на 10-15 дБ за счет уменьшения с ± 5 % до ± 2,5 % неидентичности параметров диодов или применения специальных делителей импульсов гетеродина. Показано, что известный, но не нашедший практического применения эффективный метод увеличения «развязки» каналов с помощью двух ДНЗ и фильтров нижних частот предъявляет высокие требования к идентичности ДНЗ и трактов гетеродина для получения малых неравномерностей АЧХ и ФЧХ в панорамном режиме и перспективен лишь при использовании анализатора цепей с вычислительными средствами.
Показано, что перспективным путем для расширения частотного диапазона РИА со стробоскопическим преобразованием частоты до 26 - 40 ГТц является увеличение частоты гетеродина с десятков-сотен мегагерц до нескольких гигагерц, что позволяет снизить на 10-15 дБ потери преобразования. Однако при этом уменьшается нижняя граница рабочего диапазона преобразователя /с „, поскольку при /т « 0 /СНж не может быть меньше нижней границы перестройки частоты ге-
теродина т.е. £ /..„,. Для преодоления этого противоречия предложено использовать стробпреобразователь поочередно в двух режимах:
1)в обычном режиме, в частотном диапазоне п с выделением /пч = /с-Ч/г» Уг й 1 ГГц, т.е. достаточно высока для обеспечения малых потерь преобразования;
2) в двухчастотном режиме в диапазоне частот п 0' с вьщелением Упч = /с-(/о -/г), где /0 2 /гл - фиксированная частота дополнительно поступающего в преобразователь (в канал гетеродина) сигнала.
Двухчастотный режим преобразования проанализирован на модели однодиод-ного преобразователя методом гармонического баланса. В случае большой амплитуды стробимпульсов (5 » 1), достаточно малых частот юпч (С<ВПЧЛН «1) и малого уровня мощности дополнительно источника потери преоб-
разования выражаются
Т/(дБ)*ЛГ(дБ)+10-1§
1
(2.12)
где ЛХдБ) - потери преобразования в обычном (одночастотном) режиме. Потери стробпреобразователя в режиме двухчастотного преобразования превышают потери в обычном режиме на 10-1£1//|2(а[/од)- При а£/0д = 1 N превышает N на 6 дБ; при 0,5 <(аС/<)д)2 <1, что соответствует изменению Рд на 3 дБ, N изменяется незначительно (~ 1 дБ).
Экспериментальная проверка показала возможность реализации стробпреобра-зователя в диапазоне частот 0,01-26 ГГц с потерями ~ 36 дБ (0,01-1 ГГц) и ~ 30 дБ (1-26 ГТц), что подтверждает перспективность использования режима двухчастот-ного преобразования для расширения диапазона частот РИА.
Полученные расчетные соотношения позволяют проанализировать характеристики стробпреобразователя в зависимости от параметров схемы и входных сигналов, с достаточной для практики точностью определить требозания к уровням и спектрам входных сигналов для обеспечения заданных нелинейных искажений и паразитных продуктов преобразования в полосе ПЧ. Проведенные оценки характеристик стробпреобразователей явились основой достижения высоких технических параметров практических устройств.
В третьей главе рассмотрены вопросы проектирования стробпреобразовате-лей, и проведено их экспериментальное исследование.
Синтезируется микромодульная конструкция стробсмесителя см-диапазона. В качестве прототипа для оптимизации схемно-конструктивных параметров выбран вариант, предложенный автором, двухдиодного микрополоскового стробсмесителя с формированием стробимпульсов на щелевом резонаторе (рис. 3.1а).
К нагрузке
/
о) б)
Рис. 3.1 - Эскиз двухдиодиого стробсмесителя (а), стробпреобразователя с формированием стробимпульсов на щелевом резонаторе (б).
Данная конструкция отличается от известных выполнением накопительных конденсаторов в виде металлизированных площадок на плате, что обеспечивает безындуктивное подключение диодов и увеличивает широкополосность.
Синтез оптимальной конструкции включает в себя:
- расчет и реализацию топологии сигнального тракта, обеспечивающую заданные значения КСВН и потерь преобразования в рабочем диапазоне частот при минимальных требованиях к параметрам диодов;
- расчет и оптимизацию параметров щелевого резонатора, формирующего стробимпульсы, при минимальных требованиях к амплитуде и длительности перепада напряжения гетеродина;
- расчет и реализацию выходной цепи стробсмесителя, обеспечивающей минимальные потери преобразования в требуемом диапазоне частот преобразованного сигнала.
С помощью сигнальных графов проанализирована структурная схема строб-смесителя и решена задача согласования сигнального тракта, исходя из условия получения максимального и постоянного коэффициента преобразования в заданной полосе частот для симметричного и несимметричного типов смесителей. При этом бескорпусные смесительные диоды в запертом состоянии моделировались последовательно включенными С, Я, Ь. Получены результаты оптимизации на ЭВМ топологии и характеристик микрополосковых стробсмесителей при различных параметрах диодов, которые показывают, что для реализации смесителя в диапазоне 0-20 ГГц с КСВН < 2 и неравномерностью коэффициента преобразования (за счет отражений) менее 1 дБ необходимы диоды с параметрами: Ь 5 0,1 нГн, С й 0,15 пФ.
Проанализированы требования к исходному перепаду напряжения и определены параметры цепи формирования стробимпульсов в смесителе - резонатора на щелевой линии. Длина щелевого резонатора / выбирается так, чтобы задержка в
нем соответствовала длительности фронта /ф исходного перепада напряжения для формирования на диодах импульса максимальной амплитуды и минимальной длительности I — с/ф^2/(е + 1), где: с = 3 • Ю10 см/с, е - диэлектрическая проницаемость подложки. Экспериментально полученная зависимость коэффициента передачи щелевого резонатора от его ширины d и параметров подложки показывает, что оптимальным значением является d ~ (0,6 — l)W, где W - ширина микропо-лосковой линии с волновым сопротивлением 50 Ом. Для практической реализации сигнального тракта стробсмесителей экспериментально получены зависимости волнового сопротивления полосковой линии с параллельной щелью в «земле» от ширины полоска для подложек с разной диэлектрической проницаемостью 8 = 2,6 — 9,8. Результаты показывают, что волновое сопротивление полосковой линии с щелью в «земле» (шириной, равной 50-омному полоску) увеличивается по сравнению с волновым сопротивлением обычной ПЛ в 1,3 раза, а эффективная диэлектрическая проницаемость уменьшается незначительно (менее 2%).
Определены требования к амплитуде исходного перепада напряжения длительностью Un = 2/ф£/и(1 + ^/Z0)//„, где R - сопротивление нагрузки тракта гетеродина, - волновое сопротивление щелевого резонатора.
При практически реализуемой на ДНЗ (2Д528А) длительности фронта ~ 50 пс и величинах R = 50 Ом, Zo = 150 Ом для преобразователя с полосой 20 ГГц необходима амплитуда исходного перепада напряжения не менее 3,3 В. Амплитуда напряжения в щелевом резонаторе при этом составляет 2,5 В, что превышает двойной потенциал открывания диодов (~ 0,5 В для кремниевого диода типа 2А125 А-3) на 1,5 В.
Дан анализ практических вариантов разработанных базовых конструкций стробсмесителей для диапазона частот 0-20 (40) ГГц с потерями преобразования < 30-40дБ:"
- стробсмеситель с общей «землей» сигнала и гетеродина;
- стробсмеситель с разделенной «землей» сигнала и гетеродина;
- стробсмеситель на копланарном волноводе;
- стробсмеситель на комбинации различных типов МПЛ.
Рассмотрены особенности их практического использования.
С целью снижения потерь преобразования и расширения диапазона частот предложены новые схемно-конструктивные решения в проектировании стробпреобра-зователей, защищенные авторскими свидетельствами на изобретения:
- стробсмеситель на подвешенной подложке, отличающийся тем, что за счет уменьшения эффективной диэлектрической проницаемости сигнальной линии позволяет обеспечить удовлетворительное согласование по входу СВЧ-сигнала в более широком диапазоне частот (до 26 ГГц вместо 18 ГГц с использованием диодов 2А131А-3);
- многодиодный стробсмеситель с «бегущим» стробимпульсом, обеспечивающий увеличение времени отбора энергии от СВЧ-сигнала в нагрузку ПЧ без
увеличения эффективно-действующей длительности стробимпульса, что снижает потери преобразования на Ю- ^(А^дБ {И- количество пар диодов);
- стробсмеситель на интегральном схеме, позволяющий реализовать высокую идентичность диодов и свести к минимуму паразитные параметры промежуточных соединений, что обеспечило низкие потери преобразования - 25 дБ при /г — 2 ГГц с малой неравномерностью 2,5 дБ в диапазоне частот до 26 ГГц.
Конструктивно-технологическое выполнение схем стробсмесителей на различных типах МПЛ дает широкие возможности создания сложных комплексирован-ных устройств, совмещающих несколько различных функциональных преобразователей. Кроме смешения частот, это - формирование стробимпульсов, усиление сигналов Г1Ч и гетеродина, разделение входных СВЧ-сигналов или сигналов гетеродина на несколько каналов, организация многочастотных режимов преобразования частоты.
На рисунке 3.2 представлены несколько вариантов структурных схем, в соответствии с которыми исследованы и разработаны практические конструкции коак-сиально-микрополосковых стробпреобразователей см-диапазона для различных применений в РИА.
Рассмотрены конструктивно-технологические особенности одно-, двух- и че-тырехканальиых стробпреобразователей, разработанных для применения в диапазоне частот до 40 ГГц. Внешний вид некоторых моделей показан на рисунках 3.3, 3.4,3.5.
Предложены и проанализированы новые принципы использования стробпреоб-разователей, основанные на модуляции частоты гетеродина дополнительным сину-
соидальным сигналом и одновременном использовании нескольких различных сигналов ПЧ, являющихся продуктом преобразования от разных гармоник гетеродина, что позволило:
- снизить на 10-15 дБ потери преобразования при работе на высоких номерах гармоник гетеродина
- расширить диапазон частот в область низких частот, например, с 2-18 ГГц до 0,1-18 ГГц в приборе РК4-55;
- решить задачу деления (с высокой кратностью) частоты СВЧ-сигналов в широком диапазоне частот до 180 ГГц и выше.
Рис. 3 3 - Стробоскопические преобразователи диа- Рис. 3 4 - Сверхширокополосный пазона частот 0,1-18 (26) ГГц стробпреобразователь 0-40 ГГц
Рис. 3.5 - Четырехканальный стробпреобразователь 0,1-18 ГГц
Разработаны волноводно-микроплосковые стробпреобразователи для использования в РИА миллиметрового диапазона на основе новой элементной базы: микросборок смесительных диодов с малыми паразитными параметрами и быстродействующих ДНЗ с временем переключения И 20 пс.
Первый комплект стробпреобразователей для диапазона частот 26-120 ГГц разработан более 10 лет назад. Волноводно-микрополосковые стробпреобразовате-ли выполнены по балансной схеме; их построение во многом аналогично микропо-
лосковым преобразователям (рис. 3.6). Отличия связаны с использованием диодов с меньшими паразитными параметрами, коррекцией цепей согласования и использованием широкополосных волноводно-микрополосковых переходов соответствующих сечений.
а) 6)
Рис. 3 6-Волноводно-микрополосковыйстробпреобразователь (а - вид сверху, б - вид снизу)
Потери преобразования в диапазоне частот 26-120 ГГц для устройств с различными стандартными сечениями входного канала приведены на рисунке 3.7, а внешний вид некоторых моделей показан на рисунке 3.8.
Рис. 3.8 - Комплект волноводных стробпреобразователей на диапазон частот 26-180 ГГц
Унификация схемных решений волноводно-микрополосковых стробпреобразо-вателей позволила разработать вариант устройства с П-образным входным сечением волновода, перекрывающего диапазон частот от 36 до 120 ГГц с потерями преобразования 30-45 дБ в диапазоне 36-78 ГГц при= 2 ГГц и 43-55 дБ в диапазоне 78-120 ГГц при /Т = 5 ГГц. Впервые реализована возможность перекрытия диапазона частот 0-120 ГТц всего двумя моделями преобразователей, что представляет большой практический интерес для создания малогабаритной широкополосной РИА, например, частотомеров, фазометров.
Для диапазонов частот 120-260 ГГц предложена и реализована новая конструкция балансного стробпреобразователя, не содержащая диэлектрической подложки входной МПЛ и допускающая использование бескорпусных планарных смесительных диодов.
Основа конструкции - волноводная секция с щелевой линией в широкой стенке волновода и с клином вдоль противоположной стенки (рисунок 3.9).
Смесительные диоды подключены к комбинации двух линий передачи: щелевой (гетеродинной) и П-волновода (сигнальный тракт). Общая точка диодов соединена с клином волновода через миниатюрный керамический конденсатор (С1) размерами 0,2х0,2хх0,15 мм и емкостью ~ 0,5 пФ, с которого снимается сигнал ПЧ. Формирование стробимпульсов осуществляется непосредственно вблизи диодов с помощью воздушного щелевого резонатора, возбуждаемого крутым перепадом напряжения длительностью ~ 20 пс и амплитудой 5 В, формируемым ДНЗ.
Разработаны и экспериментально обследованы макеты стробпреобра-зователей с волноводным каналом WR-6. В качестве смесительных ди-
Рис. 3.9 - Конструкция стробоскопического преобразователя 120-260 ГТц
одов использовались ДБШ ЗА147А-3, ДНЗ - микросборка для умножения частоты (ННИПИ «Кварц»).
В таблице 3.1 приведены типичные потери преобразования в диапазоне частот 110-170 ГТц при работе на 30-й гармонике гетеродина при Pr ~ 150 мВт, fm ~ 10 МГц, Rm = 1 кОм. При оптимальном выборе смещения ДНЗ потери не превышают 42 дБ, что на 10-15 дБ лучше известных зарубежных аналогов. Оценка работоспособности устройства в диапазоне частот до 260 ГГц показала, что при fr= 10-13 ГГц потери преобразования - около 55 дБ.
Предложенная конструкция на комбинации П-волновода и воздушной щелевой линии универсальна, и может быть основой для создания различных СВЧ-устройств (смесителей, усилителей, умножителей, модуляторов, аттенюаторов) благодаря удобству включения полупроводниковых приборов в волноводный тракт без использования диэлектрических подложек, вносящих дополнительные потери, а также возможности свободного доступа к регулировочным элементам в процессе настройки в рабочем режиме без разборки устройства.
В четвертой главе проведены исследование и разработка диодных умножителей частоты и генераторов гармоник см-диапазона.
Теоретически и экспериментально исследована последовательная схема умножителя частоты на ДНЗ с ЖИГ-фильтром (рисунок 4.1).
Рассматривая две стадии работы ДНЗ (высокой и низкой проводимости) и заменяя диод идеализированной моделью Молла-Гамильтона решением дифференциальных уравнений получены расчет-Рис. 4.1 - Схема умножителя частоты с ЖИГ- ные соотношения потерь пре-фильтром образования и импеданса ум-
ножителя в широком диапазоне частот. При этом полагалось, что согласующий трансформатор в схеме (рис. 4.1) представляет собой идеальный ФНЧ с частотой среза выше максимальной частоты входного сигнала и меньше частоты гармоник. Выходная мощность гармоник умножителя Р„ определяется выражением:
Здесь: I- максимальное значение тока через диод в конце стадии высокой проводимости, <?р„ = 0,58з(| + хг) - параметр, характеризующий связь витков ферритового резонатора и определяемый из соотношения электродинамических параметров фильтра с элементами эквивалентной схемы; Х. = лш,х/ши; п - номер гармоники; со,, - частота входного сигнала;
ши =<в|/^1+4ш|(£/пг ; С,1 - емкость запертого диода; Ь, - суммарная индуктивность витка резонатора и соединения диода; реактивное нормированное сопротивление витка;
¡{щ - выходное сопротивление умножителя; 1т - время пролета носителей в диоде; Ш| =1 .
Импеданс умножителя, найденный путем разложения выражения для тока через диод в ряд Фурье, имеет активную и реактивную составляющие:
(кшвхД. - тсЯг)2 + п2а>1х1% -лЛг)2 + п2(£>1х1*
+ + ,ф»- контактная разность потенциалов диода, Е- амплитуда
входного сигнала, Лг - внутреннее сопротивление источника.
Анализ полученных соотношений позволил найти особые условия измерения импеданса нелинейного элемента (НЭ) для решения основной проблемы в проектировании нелинейных широкополосных СВЧ-устройств - согласования НЭ с источником входной мощности.
Особые условия измерения заключаются в создании режима диода по постоянному току и току гармоник, соответствующего режиму в реальном устройстве, за счет оптимальной настройки смещения диода на максимальную мощность гармоники и обеспечения с помощью ФНЧ короткого замыкания для всех гармоник со стороны НЭ. При этом в режиме «большого сигнала» (Е » ф*) импеданс умножителя слабо зависит от уровня а зависимость близка к линейной.
Проанализированные в диссертации другие методы измерения «болынесиг-нального» импеданса НЭ не решают задачу удовлетворительно согласования НЭ с источником входной мощности в широкой полосе частот (октава и более).
Предложена методика расчета и проектирования широкополосных умножителей на ДНЗ с многооктавной перестройкой частоты, основные этапы которой включают: оптимальное, построение ферритового фильтра, определение допустимых параметров диода и оптимальное согласование с источником мощности.
На основании предложенной методики рассчитаны и практически реализованы умножители в диапазонах 1-7 ГГц и 2-18 ГГц. Макеты умножителей использованы при разработке первых отечественных сверхширокополосных ГКЧ.
С целью совершенствования характеристик умножителей проведен комплекс экспериментальных исследований, в результате которого:
- расширен диапазон частот до 26 ГГц за счет использования быстродействующих ДНЗ;
- разработано комбинированное устройство, содержащее, кроме умножителя с фильтром, pin-переключатель, обеспечивающий прямое прохождение сигнала диапазона частот 0,1-2 ГГц с дополнительного входа на общий выход;
- расширена полоса частот фильтра в 1,5-2 раза за счет использования поликрн-сталлических сфер, что упростило задачу сопряжения магнитной системы умножителя с другими устройствами.
С целью поиска альтернативных вариантов построения широкодиапазонных источников сигналов предложена и исследована простая универсальная конструкция умножителя на ДНЗ (рис. 4.2). Умножитель выполнен из двух плат, скрепленных экранами. Выходной сигнал формируется на щелевом резонаторе и снимается
с него четвертьволновым разомкнутым шлейфом через ПФ на связанных полуволновых резонаторах.
Сформулированы принципы проектирования, и разработана широкая номенклатура умножителей различной кратности с полосой 10-30 %, перекрывающих диапазон частот 2-26 ГГц. На рисунке 4.3 приведены экспериментальные
Рис. 4 2- Эскиз микрополоскового умножителя частоты характеристики некоторых типов удвоителей частоты.
Рис. 4.3 - Характеристики удвоителей частоты
На базе широкополосных удвоителей и утроитслей частоты предложены и оптимизированы структуры комплектир ованных многофункциональных ГИС сверхширокополосных умножителей частоты, выполненных каскадированием набора полосовых умножителей частоты, которые обеспечивают мощность выходного сигнала ~ 3-20 мВт в диапазоне частот до 26ГГц. На
основе предложенной конструкции умножителя рисунка 4.2 разработан комплект узкополосных умножителей частоты высокой кратности (до 20 и более) для формирования спектрально чистых (подавление паразитных составляющих не менее 70 дБс) источников сигналов в диапазоне частот от единиц до десятков гигагерц.
Отдельный раздел диссертации (4.5.3) посвящен проектированию различных вариантов генераторов гармоник (ГГ) на ДНЗ. Дана теоретическая оценка потенциально достижимого уровня мощности гармоник с неравномерностью не более 3 дБ в зависимости от рабочей полосы (¥) и частот входного сигнала с учетом характеристик современных ДНЗ. Предложена конструкция широкополосного ГГ с формированием короткого импульса на щелевом резонаторе из перепада напряжения, формируемого ДНЗ, и ограничителя на ДБШ (рис. 4.4).
Для формирования сетки гармоник в ограниченном участке диапазона предложены, проанализированы и разработаны макеты различных вариантов полосовых ГГ:
- радиоимпульсные генераторы гармоник с полосой рабочих частот по выходу до 30 % и с повышенной на 6 дБ, по сравнению с широкополосными ГГ, интенсивностью гармоник;
- генераторы гармоник с внутренней самомодуляцией, обеспечивающие увеличение интенсивности гармоник (~ 6дБ) при формировании «мелкой» сетки частот;
- генераторы гармоник на ДНЗ с ЖИГ-фильтром, позволяющие формировать последовательно дискретную сетку частот с шагом ~ 0,1:4 ГГц повышенной интенсивности в диапазоне частот 2-26 ГГц.
Последние, с учетом возможного усиления и последующего умножения (*2, *3), очень перспективны при построении спектрально чистых, синтезированных гетеродинов с дискретной (0,2 : 10 ГГц) перестройкой частоты для использования в миллиметровом диапазоне длин волн.
В пятой главе представлены результаты разработки широкополосных умножителей частоты мм-диапазона. Наибольшее распространение в мм-диапазЛне получили балансные удвоители и утроители частоты на ДБШ (рис. 5.1, рис. 5.2).
Рис. 5.1 - Удвоитель частоты Рис. 5.2 - Утроитель частоты 33-50 ГГц
26-40 ГГц
Удвоители частоты выполнены по схеме двухполупериодного выпрямителя на основе комбинации копланариого волновода и волноводно-щелевой линии передачи. Для утроителя частоты (33-50 ГГц) предложена оригинальная конструкция волноводно-микрополоскового устройства на щелевом резонаторе.
Впервые проанализированы схемы широкополосных удвоителей и утроителей частоты мм-диапазона с учетом особенностей конструкции и априорной информации о спектральном составе сигналов. Методом гармонического баланса получены системы алгебраических уравнений (в неявном виде) для определения характеристик умножителей (потерь преобразования, входных и выходных импедансов) в зависимости от частоты и уровня входного сигнала, напряжения смещения на диодах, параметров диодов и схемно-конструктивных элементов. Предложены алгоритмы расчета характеристик умножителей. Результаты расчета приведены в таблице 5.1. Сформулированы рекомендации для оптимального проектирования умножителей.
Табл. 5.1
Тип умножителя Тип диодов Потери (дБ) при оптимальном смещении и согласовании по входу/выходу Оптимальная величина выходного сопротивления (Ом) Неравномерность потерь в диапазоне частот (дБ)
х2 (26-40 ГГц) ННИПИ «Кварц» 7,7 25-50 ±0,2
хЗ (33-50 ГГц) ЭА643В 14 25 ±1,2
В соответствии с расчетом разработаны макеты умножителей частоты. Экспериментальное значение потерь для удвоителя не превышает 12 дБ при неравномерности ±1 дБ в широком динамическом диапазоне уровней входного сигнала 30-100 мВт. Для утроителя потери не превышают 16 дБ при неравномерности ±1,5 дБ.
Рис. 5 3 - Утроитель частоты 75 - 110 ГГц
Проведено исследование и разработаны удвоители и утроители частоты на все стандартные сечения волноводов (отечественные и зарубежные) в диапазоне частот от 18 до 180 ГГц с потерями 13-18 дБ.
Утроители в диапазонах частот 75-110 ГГц и 120-180 ГГц конструктивно выполнены в виде двух последовательно соединенных Н-волноводов различных сечений, схематически - широкополосный тракт с парой антипарал-лельно включенных диодов (рис.
5.3).
Особенностью конструкций широкополосных умножителей мм-диапазона является наличие технологических отверстий в корпусах над областью локализации электромагнитного поля в щелевой линии, что обеспечивает доступ к регулировочным элементам в процессе настройки в рабочем режиме Внешний вид умножителей показан на рисунке 5 4. Для формирования сигналов мм-диапазона (выше 50 ГГц) из сигналов см-диапазона (10-20 ГГц) на базе удвоителей и утроителей разработаны различные варианты пассивных и активных (с промеж)-точным усилением) многокаскадных умножителей, обеспечивающих при Рп = 100 мВт выходную мощность не менее 2 мВт (50-75 ГГц) и 1 мВт (75-110 ГГц) (рис. 5.5).
Рис. 5.4 - Комплект широкополосных пассивных удвоителей и утроителей частоты на ДБШ (18-180 ГГц)
Рис 5 5 - Активный многокаскадный
умножитель частоты (х 6) 75-110 ГГц
Проведено экспериментальное исследование умножи частот 120-210 ГГц. Ниже (табл. 5 2) даны их типичные =10-20 мВт.
Табл. 5.2
/.«».ГГц 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170
Потери, дБ х2,Р„=20мВг 15 13 12 13 13 12 11 11 12 17 13
*3, 20мВт - - - 17 12 п 11 10 11 14 14
10 мВт - - - 17 11,6 И 10,4 10 1С.4 13,8 14
Продолжение табл. 5.2
/.их, ГГц 175 180 185 190 195 200 205 210
Потери, дБ х2,Лх=20мВт 14 13 17 21 - - - -
хЗ,?вх=20мВт 11 14 13,5 14 15 15,5 15 17
хЗ,Р„=10мВт 11,2 14 13,5 14 15 15,5 15 17
При Рвх = 20 мВт удвоитель обеспечивает Р„их = 0,5-1,6 мВт в диапазоне частот 120-180 ГГц, аутроитель- Р,ых = 0,4-2 мВт(135-210 ГГц).
Подавление гармонических составляющих входного сигнала на выходе - не менее 20 дБс.
Полученные результаты позволяют создавать твердотельные широкополосные источники сигналов в диапазоне частот до 180 ГГц и выше.
Предложены и разработаны активные удвоители частоты с повышенным подавлением паразитных сигналов на выходе за счет встраивания ФНЧ с переключаемой частотой среза. Умножители обеспечивают Р1ЫХ_ > 50 мВт в диапазонах частот 18-26 ГГц и 26-37,5 ГГц с уровнем подавления побочных составляющих в спектре выходного сигнала не менее 50 дБс.
В шестой главе представлены результаты внедрения проведенных исследований в разработку РТА разнообразного назначения в широком диапазоне частот 0,1-180 ГГц: радиоизмерительных приборов, приборов для научных исследований.
Стробоскопические преобразователи частоты использованы в качестве широкополосных входных приемных устройств следующей РИА:
- приборов, переданные в серийное производство: амплифазометров ФК2-18,
ФК2-33; измерителей параметров цепей РК4-22, РК4-54, РК4-55; частотомеров СНКЗ-78 и VM402 в модульном исполнении; измерителя девиации СКЗ-45;
- приборов, вышускаемыгх малыми сериями: автоматических частотомеров 70-
170 ГГц.
Стробпреобразователи использованы в системах синхронизации и стабилизации частоты следующих приборов:
- приборов, переданных в серийное производство: синтезаторов частот РЧ6-67,
РЧ6-73...75; генераторов СВЧ РГ4-10...13; анализатора спектра С4-85; анализатора цепей РК4-55; аппаратуры модульного типа: синтезаторов частот VMK-2401...03; преобразователей частоты VM0501, VM0503;
- прибор.ов, вышускаемыгх малыми сериями: синтезаторов миллиметрового диапазона 17,44-178,4 ГГц.
Умножители частоты на ДНЗ с перестройкой частоты ЖИГ-фильтром явились основой создания первых отечественных сверхширокополосных источников сигнала сантиметрового диапазона: макета генератора 1-7 ГГц и ГКЧ анализатора цепей РК4-55 0,1-18 ГГц.
Многофункциональные ГИС на базе полосовых умножителей частоты на ДНЗ использованы в качестве устройств, формирующих выходные сигналы в диапазоне частот 0,1-18 ГГц в приборах Р4-53 и Р2-83.
Широкополосные балансные удвоители и утроители частоты миллиметрового диапазона применены для формирования выходных сигналов в следующей РИА:
- в умножительных блоках синтезаторов частот УМК2406 и УМК2407;
- в автоматизированной системе для измерения КСВН и ослабления 2-118,1 ГГц;
- в установке для измерения параметров антенн в диапазоне частот 17,44-178 ГГц;
- в макетах спектрометров миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн.
Активные спектрально чистые умножители частоты, обеспечивающие ' мВт и подавление паразитных составляющих в спектре выходного сипит, не менее 50 дБс, использованы в новых моделях портативных генераторов Г4-207 (17,44-25,95 ГГц) и Г4-208 (25,95-37,5 ГГц).
Предложен и разработан сверхширокополосный двухканальный стробоскопический преобразователь частоты УМ0501 (в модульном исполнении), преобразующий сигналы СВЧ-днапазона 1,5-40 ГГц в диапазон промежуточных частот
0,4-500 МГц и позволяющий совместно с соответствующим низкочастотным оборудованием эффективно, компактно и без существенных затрат решить задачу расширения диапазона частот до 40 ГГц целого ряда РИП: анализаторов спектра, частотомеров, стробосциллографов, гм-плифазомстров, анализаторов цепей, измерителей мощности и других (рис.6.1).
С использованием умножителей для формирования гетеродинных сигналов и стробпреобразователей в цепях синхронизации частоты оптимизированы ры, и разработаны компактные твердотельные преобразователи частоты для
Рис. 6.1 - Многофункциональный двухканальный преобразователь частоты 1,5-40 ГГц
высокочувствительных приемных устройств установок контроля концентрации
озона и окиси углерода в атмосфере Земли.
На базе умножителей, смесителей и полосовых фильтров миллиметрового диапазона разработано широкополосное входное приемное устройство сантиметрового диапазона с двойным преобразованием частоты (вверх/вниз) 0,5-18 ГГц—* 87-101 ГТц-> 1-12 ГГц, что позволило без предварительной селекции входного сигнала исключить побочные каналы приема и реализовать высокую чувствительность. Внешний вид преобразователя показан на рисунке 6.2,
Рис. 6.2 - Широкополосный двухступенчатый преобразователь частоты 0,5-18/1-12 ГГц
Предложены, разработаны и внедрены в практику методы настройки и оперативного контроля параметров СВЧ-преобразователей частоты (нелинейных широкополосных устройств), обеспечивающие панорамный режим работы и измерение характеристик (осциллограмм, КСВН, потерь преобразования, спектральных характеристик) в реальном масштабе времени, что существенно (в 3-5 раз) увеличивает производительность и дает возможность работы в мм-диапазоне до 180 ГГц.
В заключении сделаны общие выводы и перечислены основные результаты, полученные в процессе выполнения диссертационной работы.
В приложении даны перечень разработанных преобразователей СВЧ, их основные характеристики и внешний вид.
1. Разработан общий подход к проектированию СВЧ-преобразователей частоты, основанный на сочетании аналитических, автоматизированных и экспериментальных методов исследования.
Проанализированы однодиодная и балансная схемы стробпреобразовагелей СВЧ в нелинейном режиме работы. Получены математические выражения, определяющие основные характеристики устройства: потери преобразования, уровень нелинейных и комбинационных искажений, допустимый уровень помех на входах преобразователя.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
Проанализированы схемы широкополосных умножителей частоты см-диапазона на ДНЗ и варакторах, многоокгавного умножителя на ДНЗ с ЖИГ-фильтром на выходе, балансные удвоители и утроители частоты мм-диапазона; получены выражения, определяющие основные характеристики: потери преобразования, входные и выходные импедансы, уровни подавления паразитных сигналов, которые составляют основу для расчета согласующих цепей и оптимального проектирования СВЧ-устройств.
2. На основе результатов анализа предложены и разработаны методы расчета и проектирования широкополосных преобразователей СВЧ, реализующие их повышенные технические характеристики, соответствующие современным требованиям:
- базовых микрополосковых конструкций стробпреобразователей сантиметрового диапазона;
- волноводно-микрополосковых стробпреобразователей миллиметрового диапазона;
- широкополосных микрополосковых умножителей частоты сантиметрового диапазона на ДНЗ;
- многооктавных умножителей частоты на ДНЗ с ЖИГ-фильтром;
- балансных удвоителей и утроителей мм-диапазона на ДБШ;
- генераторов гармоник см-диапазона на ДНЗ.
3. Сформулированы требования к параметрам, в соответствии с которыми разработана новая элементная база с характеристиками на уровне лучших зарубежных аналогов для использования в сверхширокополосных преобразователях СВЧ в диапазоне до 200 ГГц: смесительные и умножительные диоды, сверхбыстродействующие ДНЗ, интегральные диодные сборки, монолитные ИС стробпреобразовате-лей.
4. Предложены новые схемно-конструктивные решения преобразователей частоты в виде гибридных интегральных схем СВЧ на новой элементной базе, и разработана широкая номенклатура базовых СВЧ-узлов сантиметрового и миллиметрового диапазона:
- коаксиальные широкополосные одно-, двух- и четырехканальные сгробпре-образователи 0-40 ГТц (потери преобразования 25 - 40 дБ);
- волноводно-микрополосковые стробпреобразователи в стандартных сечениях волноводов для диапазона частот 26 - 180 ГГц (потери преобразования 30 - 55 дБ), в т.ч. сверхширокополосные 36 - 120 ГГц и 70 - 180 ГГц;
- широкополосные (10-30%) микрополосковые умножители частоты на ДНЗ с кратностью умножения 2...5, потерями 10-15 дБ в диапазоне частот 6-26,4 ГТц;
- многооктавные умножители частоты на ДНЗ с ЖИГ-фильтом 0,1-18(26) ГГц;
- удвоители и утроители частоты на ДБШ в общем диапазоне частот 18-180 ГГц с потерями 13-18 дБ;
- многокаскадные умножители частоты мм-диапазона (х 4, х 6, х 9) (активные и пассивные), обеспечивающие уровень выходной мощности не менее 3 дБм (50-75 ГГц), 0 дБм (75-110 ГГц) и -10 дБм (120-178 ГГц);
- активные удвоители частоты с повышенной выходюй мощностью (~ 50мВт) и увеличенным подавлением паразитных составляющих в спектре выходного сигнала (~ 50 дБс) в диапазонах частот 18-26 ГГц и 26-37,5 ГГц;
- генераторы гармоник в диапазоне частот 0,1-20 ГГц с уровнем гармоник +5...-30 дБм при неравномерности ± 1.5...3 дБ и частота входного сигнала 0,02-4ГГц.
5. Предложены, оптимизированы и разработаны структуры комплексирован-ных многофункциональных преобразователей в виде ГСС СВЧ - новой узловой элементной базы - для реализации РИА с повышеннымитехническими характеристиками:
- входных устройств (на базе стробпреобразователей' широкой номенклатуры РИА (стробосциллографов до 40 ГТц, амплифазометров 1 анализаторов цепей до 40 ГТц в коаксиальных трактах и до 110 ГТц в волноводалх, частотомеров до 180 ГТц);
- выходных формирующих цепей (на базе умножите: ей частоты и генераторов гармоник) источников сигналов (синтезаторов, генераторов, гетеродинов) в диапазоне частот до 180 ГГц.
6. Исследованы и реализованы возможности увеличены на 10-15 дБ развязки каналов стробпреобразователей анализаторов, что позволилс расширить динамический диапазон за счет уменьшения неидентичности параметрт диодов
2,5 % и применения специальных делителей импульсов гетер(днна. .
Проведено исследование структуры двухканального ст|обпреобразователя с двумя ДНЗ и фильтрами нижних частот в каналах гетеродила, потенциально позволяющего реализовать сколь угодно большую развязку калалов. Однако, установлено, что в этом случае предъявляются повышенные требования к идентичности ДНЗ и трактов гетеродина для обеспечения малых неравсомерностей АЧХ и ФЧХ в панорамном режиме, и применение данной структуры терспективно лишь при использовании анализатора цепей с вычислительными средствами.
7. Предложены, разработаны и внедрены в практические устройства новые принципы многочастотного преобразования частоты в стробпреобразователях, основанные на модуляции частоты гетеродина и одновременном использовании нескольких различных по частоте сигналов ПЧ, что позволило:
- снизить на 10-15 дБ потери преобразования при работе на высоких номерах гармоник гетеродина
- расширить диапазон частот в область низких частот, например, с 2-18 ГГц до 0,1-18 ГГц в анализаторе цепей РК4-55;
- решить задачу деления (с высокой кратностью) частоты СВЧ-сигналов в широком диапазоне частот до 180 ГГц и выше.
8. Предложены, разработаны и внедрены в практику методы настройки и оперативного контроля параметров СВЧ-преобразоватслей частоты (нелинейных широкополосных устройств), обеспечивающие панорамный режим работы и измерение характеристик (осциллограмм, КСВН, потерь преобразования, спектральных характеристик) в реальном масштабе времени, что существенно (в 3-5 раз) увели-
чивает производительность и дает возможность работы в миллиметровом диапазоне до 180 ГГц.
9. Разработанные преобразователи частоты использованы при создании в ННИГТИ «Кварц» и на других предприятиях широкой номенклатуры РИА и приборов для научных исследований:
приборов, переданных в серийное производство: амплифазометров ФК2-18, ФК2-33; измерителей параметров цепей РК4-22, РК4-54, РК4-55; анализатора спектра С4-85; частотомера СНКЗ-78; измерителя девиации СКЗ-45; генераторов СВЧ РГЧ-КЫЗ; синтезаторов частот РЧ6-67, P46-73V75;
приборов, выпускаемых малыми сериями: синтезаторов частот миллиметрового диапазона 37,5-178,4 ГГц; частотомеров 70-170 ГГц;
приборов магистрально-модульного типа: синтезаторов частот, блоков умно-жительных, преобразователей частоты, частотомера;
уникальных измерительных установок: автоматизированной системы для измерения КСВН и ослабления в диапазоне частот 2-118,1 ГГц; установки для измерения параметров антенн в диапазоне частот 18-178 ГГц; микроволновых приемников для диагностики малых газовых составляющих земной атмосферы.
Для обеспечения потребности страны в современной радиоизмерительной аппаратуре и экспортных поставок в ННИПИ «Кварц» за период 1993 по 2003 юл произведено продукции (СВЧ-узлов и приборов) с использованием разработок автора на сумму 50 млн. рублей.
Основной результат данной работы заключается в изложении научно обоснованных технических и технологических решений в области проектирования многофункциональных комплексированных СВЧ-устройств с преобразованием частоты - новой узловой, элементной базы, внедрение которых в радиоэлектронную аппаратуру общего и специального назначения вносит значительный вклад в развитие экономики страны и повышение ее обороноспособности.
Основные результаты диссертации изложены в следующих работах.
1.Тульбович Т.З., Щитов A.M. Широкополосный транзисторный усилитель мощности. - Вопросы радиоэлектроники, серия РИТ, 1973, вып.З, с.62-67.
2. Щитов A.M., Киреев B.C. Умножитель для широкодиапазошюго СВЧ генератора с электронной перестройкой частоты. - Вопросы радиоэлектроники, серия РИТ, 1974, вып.2, с.53-58.
3. Шихов В.А., Щитов A.M., Чепурнов В.И. Особенности построения и технические характеристики стробоскопических преобразователей частоты для измерителей параметров цепей. - В кн.: Измерения параметров цепей и разности фаз сигналов: Тез. докл. Всес. симпозиума, Горький, 1975, с. 40.
4. Щитов A.M. Особенности построения стробоскопических преобразователей частоты для измерителей параметров цепей в диапазоне выше 12 1Тц. - В кн.: Измерения параметров цепей и разности фаз сигналов: Тез. докл. Всес. симпозиума, Горький, 1975, с. 40-41.
5. Щитов A.M. Интегральный двухканальный стробоскопический преобразователь частоты для анализатора параметров цепей 0,1-18 ГГц. - В кн.: Радиоизмерения: материалы 7-й НТК, том 3. Каунас, 1978, с. 152-156.
6. Щитов A.M., Шулешов Ю.Ф., Щитов Г.Г., Зайцев Ю.С., Маслова Н.А., Кочетков К.Н. Стробоскопические смесители до 18 ГГц. - В кн.: Нано- и пикосекундная импульсная техника: Тез. докл. 4-го Всес. симпозиума, Горький, 1979, с.90.
7. Щитов A.M., Киреев B.C. Широкодиапазонный перестраиваемый умножитель частоты на ДНЗ в диапазоне 2-18 ГГц. - Техника средств связи, серия РИТ, 1979, вып.6, с,49-57.
8. Щитов A.M. Оценка чувствительности и динамического диапазона стробоскопического преобразователя частоты для измерителей параметров цепей СВЧ диапазона. - В кн.: Радиотехнические измерения в диапазонах ВЧ и СВЧ: Тез. докл. Всес. конференции, Новосибирск, 1980, с. 211-212.
9. Щитов A.M. Увеличение развязки каналов в двухканалыюм стробоскопическом преобразователе часты СВЧ диапазона. - Техника средств связи, серия РИТ, 1980, вып.7,с.31-36.
10. Щитов A.M. Развязка входов стробоскопического смесителя СВЧ. - Техника средств связи, серия РИТ, 1931, вып.1, с.8-13.
11. Щитов A.M., Лобанов А.Г., Зайцев Ю С, Гинзбург А.Д., Баранова Н.Ф. Экспериментальное исследование ГИС стробпреобразоватслей СВЧ на диодах с барьером Шоттки с объемными выводами. - В кн.: Нано- и пикосекундная импульсная техника: Тез. докл. V Всес. симпозиума, Горький, 1983, с.95-96.
12. Щитов A.M., Киреев B.C., Корнаухов А.В., Весницкая Т.Г. Широкополосный перестраиваемый умножитель СВЧ - В кн.: Ферритовые СВЧ приборы и материалы. Тез. докл. XIII конф. «Электроника СВЧ», сер.1, вып.5,1984.
13. Щитов А.М. Устройство для формирования частотных меток. - Частное техническое решение. Деп. рукопись Д05952,22.06.84,4 с.
14. Щитов А.М., Старосельский В.И., Суэтинов В.И. Широкополосный стробоскопический смеситель. - А.С. 1116953,1984.
15. Щитов A.M. Стробоскопический смеситель. - А.С. 1171968 от 8.04.85, бюллетень № 29, опубликовано 07.08.85.
16. Щитов A.M., Киреев B.C., Весницкая Т.Г. Умножитель частоты 0,1-18 ГГц. -Частное техническое решение. Деп. рукопись Д06696,29.12.85,6 с.
17. Щитов A.M. Исследование нелинейного режима работы стробоскопического преобразователя частоты. - Техника средств связи, серия РИТ, 1987, вып.2, с.49-56.
18. Щитов A.M. Нелинейные и комбинационные искажения в балансном стробоскопическом преобразователе СВЧ. - Техника средств связи, серия РИТ, 1987, вып.6, с.56-61.
19. Щитов A.M., Зайцев Ю.С., Караваева Н.Г., Любимов СЕ. и др. Микрополос -ковые стробоскопические преобразователи частоты для РИА СВЧ диапазона. -Техника средств связи, серия РИТ, 1988, вып.2, с. 75-761.
20. Корнаухов А.В., Овсянников М.И., Царевский С.Д., Щитов A.M. и др. Бескорпусные ДНЗ на основе кремниевых эпитаксиальных р+-р-п+ структур, выращенных методом сублимации. - В кн.: Тез. докл. специальной секции НТК «Интегральная электроника СВЧ», Красноярск, 1988.
21. Щитов А.М., Зайцев Ю.С., Караваева Н.Г., Ломакин A.M. Волноводно-микрополосковые стробоскопические преобразователи частоты миллиметрового диапазона. - Техника средств связи, серия РИТ, 1989, вып.5, с.76-81.
22. Щитов А.М, Ерофеев А.Ф. Пути расширения частотного диапазона стробоскопических преобразователей частоты для амплифазометров СВЧ. - В кн.: Тез. докл. Всес. НТК «Современные проблемы фазоизмерительной техники и ее приложения», Красноярск, 1989.
23. Щитов А.М., Тимощук Е.Ю. Пути построения синтезированного источника сигналов измерителя параметров цепей диапазона 0,1 - 40 ГГц. - В кн.: Тез. докл. Всес. НТК «Современные проблемы фазоизмерительной техники и ее приложения», Красноярск, 1989.
24. Абубакиров Б.А., Казарновский B.C., Костина ИЛ., Красильников В.А., Мальтер И.Г., Нечаев Э.В., Соколов Е.Г., Чепурнов В.И., Шихов В.А., Щитов A.M. Разработка аппаратуры для измерения параметров цепей и разности фаз сигналов. -В кн.: Тез. докл. Всес. симпозиума «Проблемы радиоизмерительной техники», ГНИПИ, 1989, с. 123-124.
25. Малышев А.К., Шихов В.А., Щитов A.M., Ерофеев А.Ф., Желтухин А.А., Надточий В.Ю., Гордеева НА, Новикова И.А., Роменский А.Э. Широкополосный измеритель S-параметров четырехполюсников в диапазоне частот 0,1-18 ГГц. - В кн.: Тез. докл. Всес. симпозиума «Проблемы радиоизмерительной техники», ГНИ-ПИ, 1989, с. 134-135.
26. Алтухова Е.А., Дудкина Л.Н., Ерофеев А.Ф., Мальтер И.Г., Малышев Л.К., Моисеев П.Д., Мочалов Ю.А., Новикова И.А., Шихов В.А., Щитов A.M. Измерители векторных отношений сигналов с широким перекрытием частотного диапазона. - В кн.: Тез. докл. Всес. симпозиума «Проблемы радиоизмеритслыюй техники», ГНИПИ, 1989, с. 140-141.
27. Щитов A.M., Ерофеев А.Ф., Весницкая Т.Г., Зайцев Ю.С. и др. Широкополосные стробоскопические преобразователи частоты сантиметрового и миллиметрового диапазона. - В кн.: Тез. докл. Всес. симпозиума «Проблемы радиоизмерительной техники», ГНИПИ, 1989, с. 169-170.
28. Щитов А.М., Кириллов А.Г., Корнаухов А.В., Тимощук ЕЛО. Диодные умножители частоты для широкополосных источников СВЧ-сигнала. - В кн.: Тез. докл. Всес. симпозиума «Проблемы радиоизмерительной техники», ГНИИИ, 1989, с. 187-188.
29. Зайцев Ю.С, Соколов В.К., Щитов A.M. Монолитные диодные микросборки на GaAs для преобразователей миллиметрового диапазона длин волн. - В кн.: Тез. докл. Всес. симпозиума «Проблемы радиоизмерителыюй техники», ГНИПИ, 1989, с. 198-199.
30. Зайцев Ю.С, Старкова Н.А., Соколов В.К., Щитов A.M. Монолитные диодные пары с барьером Шоттки на GaAs для преобразователей частоты миллиметрового диапазона длин волн. - Передовой опыт, № 3, Горький, 1990, с. 30-33.
31. Щитов A.M. Стробоскопический смеситель. - А.С. 1574140,1990.- 3 с.
32. Щитов А.М. Стробоскопический преобразователь амплифазометра СВЧ в режиме двойного преобразования частоты. - Техника средств связи, серия РИТ, 1991,вып.3,с.72-76.
33. Schitov A.M., Zaitsev J.S., Lomakin A.M. «DC to 120 GHz Harmonic Mixers for Millimeter Wave Instrumentation». - International Conference on Millimeter Waves and Far-Infrared Technology, 1992, Beij'ing, China. - 4 с
34. Щитов A.M., Еремин Е.Г., Ерофеев А.Ф., Кириллов А.Г. Многофункциональные преобразователи частоты для широкополосной измерительной аппаратуры сантиметрового и миллиметрового диапазонов. - Материалы 2-й Крымской конференции «СВЧ техника и спутниковый прием», Севастополь, 1992. - 5 с.
35. Schitov A.M., Volokhov SA «DC-to-180 GHz Harmonic Mixers for Broadband Millimeter-Wave Instrumentation». - International Conference on Millimeter and Submillimeter Waves and Applications, 1994, San Diego, California, USA. - с 283-285.
36. Щитов A.M. Диодные преобразователи частоты СВЧ и КВЧ диапазонов. -Радиоизмерения и электроника, 1994, вып. 3, с. 15-21.
37. Щитов A.M. Расчет и проектирование балансного удвоителя частоты на ДБШ в миллиметровом диапазоне. - Вестник ВВО АТН РФ, серия Высокие технологии в радиоэлектронике, 1996, № 1 (2), с. 87-91.
38. Щитов A.M. Расчет и проектирование балансного утроителя частоты на ДБШ в миллиметровом диапазоне. - Специальная радиоизмерительная техника, НТС, «Кварц», Нижний Новгород, 1996, с. 24-32.
39. Щитов A.M., Серебряков А.Е. Широкополосные умножители частоты миллиметрового диапазона (26,5-110 ГГц). - Вестник ВВО АТН РФ, серия Высокие технологии в радиоэлектронике, 1997, № 1 (3), с. 91-96.
40. Щитов А.М., Серебряков А.Е., Шумилов В.А., Винарский М.П. Умножитель СВЧ 2-26,4 ГГц. - Радиоизмерения и электроника, 1997, вып. 6, с. 1-4.
41. Schitov A.M. "26.5-to-l 10 GHz Wideband Frequency Multipliers for Millimeter-Wave Instrumentation". - 4-th International Conference on Millimeter and Submillimeter Waves and Applications, 1998, San Diego, California, USA.
42. Krupnov A.F., Tretyakov M.Yu., Markov V.N., Karyakin E.N., Golubyathnikov G.Yu., Parshin V.V., Volokhov SA, Schitov A.M., Bychkov V.V. and Leonov I.I. "Precise Measurements in Millimeter and Submillimeter-Wave Range based on Phase-Locked Primary Radiation Sources". Symposium Proceedings MSMW-98, Kharkov, Ukraine, 1998, pp.115-120.
43. Schitov A.M. 1.5- 40 GHz Multifunctional Microwave Sampling Converter.-13-th European Frequency and Time Forum, 1999, Besancon, France.
44. Павловский О.П., Стародубровский Р.К., Щитов A.M. Перспективы создания синтезатора частот в диапазоне 178,4-258,4 ГГц.- Радиоизмерения и электроника, 1999, вып.8, с.46-52.
45. Щитов A.M., Филатов В.И. Преобразователи частоты для высокочувствительных приемных устройств миллиметрового диапазона. - Радиоизмерения и электроника, 1999, вын.8, с.57-60.
46. Стародубровский Р.К., Щитов A.M. Перспективы развития радиоизмерительной техники СВЧ и освоение мм-диапазона. - В кн. Тез. докл. НТК «В XXI век с новыми принципами построения аппаратуры», 1999, Н.Новгород, с. 15-21.
47. Щитов A.M. Нетрадиционные способы использования стробоскопических преобразователей СВЧ. - В кн. Тез. докл. НТК «В XXI век с новыми принципами построения аппаратуры», 1999, Н.Новгород, с. 85-88.
48. Стародубровский Р.К., Панков СВ., Абубакиров Б.А., Воронцова М.Л., Щитов A.M. Элементная база для обеспечения измерений параметров цепей милли-
метровых диапазонов волн. - В кн. Тез. докл. и сообщений VI Международной НТК «Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ», 1999, т.7, вып.2(23), Самара, с. 169.
49. Schitov A.M., Golubyathnikov G.Yu., TretyakovM.Yu., Volokhov CA, Walters A. Frequency Multipliers for Extension of Frequency Range of Millimeter Wave Synthesizers. - International Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol. 21, No 9,2000, pp. 1479-1488.
50. Krupnov A.F., Tretyakov M.Yu., Golubyathnikov G.Yu., Schitov A.M., Volokhov S.A., Markov V.N. Technique of Broadband Measurements of Frequency Conversion Efficiency for Each Harmonic in Frequency Multipliers up to Teraherz Range, Int. J. of IR and MM waves, Vol. 21, No 3, March 2000, pp. 343-354.
51. Панков СВ., Стародубровский Р.К., Щитов А.М. Волноводиые смесители миллиметрового диапазона. - Радиоизмерения и электроника, № 9,2001, с. 32-39.
52. Щитов A.M. Диодные умножители частоты. - Радиоизмерения и электроника, № 9,2001, с. 41-46.
53. Щитов A.M. Многофункциональные комплексированные устройства мм-диапазона. - Радиоизмерения и электроника, № 9,2001, с. 49-54.
54. Щитов А.М., Панков СВ., Береснева Г.М., -Шумилов В.А. Преобразователь частоты 0,5-18 ГТц/1-12 ГГц. - В кн. Тезисы докладов и сообщений I Международной НТК «Физика и технические приложения волновых процессов», т. 1, Самара,
2001, с. 136.
55. Щитов А.М. СВЧ умножители частоты высокой кратности. - В кн. Тезисы докладов и сообщений I Международной НТК «Физика и технические приложения волновых процессов», т. 1, Самара, 2001, с. 176.
56. Щитов A.M. Диодные умножители частоты. - Системы и средства связи телевидения и радиовещания, №1,2,2002, с. 45-51.
57. Pankov S, Starodubrovski R, Schitov A. Wade-Band MM-wave Waveguide Mixers. - 16th European Frequency and Time Forum, St. Petersburg, Russia, 2002, p. 115.
58. Schitov A.M. CM-and MM-wave Diode Frequency Multipliers. - 16 European Frequency and Time Forum, St. Petersburg, Russia, 2002, p. 130.
59. Кошуринов Е.И., Щитов A.M. Устройство для деления частоты. Патент на изобретение № 2189694. Опубл. 20.09.2002г. Бюл. № 26.
60. Казарновский B.C., Щитов A.M., Михайловский В.Л. и др. Автоматизированная система для измерения КСВН и ослабления в диапазоне частот 2 ... 118,1 ГГц на базе шины VXI. - В кн. Материалы IV Всероссийской НТК «Метрологическое обеспечение обороны и безопасности в российской Федерации», Москва,
2002.
61. Львов А.Е., Стародубровский Р.К., Абубакиров Б.А., Панков СВ., Щитов A.M., Михайловский В.Л., Береснева Г.М., Шумилов В.А. Прецизионные СВЧ и КВЧ устройства для радиоизмерительной аппаратуры метрологического назначения. - В кн. Материалы IV Всероссийской НТК «Метрологическое обеспечение обороны и безопасности в Российской Федерации», Москва, 2002.
62. Казарновский B.C., Серебряков А.Е., Щитов A.M., Шумилов В.А. Спектрально чистые широкополосные источники сигнала с умножением частоты в мм-диапазоне. - Радиоизмерения и электроника, ННИПИ «Кварц», №10,2003, с. 11-13.
63. Красилышков А.А., Куликов Ю.Ю., Рыскин В.Г., Щитов A.M. Микроволновые приемники для диагностики малых газовых составляющих земной атмосферы. - Известия Академии наук, сер. Физическая, 2003, т. 67, № 12, с. 1788-1792.
Литература
Л.1 Рябинин Ю.А. Стробоскопическое осциллографирование. - М.: Сов. радио, 1972.- 271с.
Л.2 Найдёнов А.И. Трансформация спектра наносекундных импульсов. - М: Сов.
Радио, 1973.-180 с. Л.З Ризкин И.Х. Умножители и делители частоты. - М.: Связь, 1976. * 326 с. Л.4 Жаботинский М.Е., Свердлов Ю.Л. Основы теории и техники умножения частоты. - .М.: Сов. радио, 1964, 327 с. Л.5 Burckhardt C.B. "Analysis of varactor frequency multipliers for arbitrary capacitance variation and drive level." - Bell System Tech. J. 1965, vol.44, № 4, pp.675692.
Л.6 Schtinemann K. „Theory of frequency multiplication including transition loss". -
Trans. IEEE, 1971, ED-18, №3, p.210-214. Л.7 Archer J.W. "High-Output, Single- and Dual-Diode, Millimeter-Wave Frequency
Doublers." - IEEE Trans. MIT, 1985, v.33, №6, pp.533-538. Л.8 Nguyen C. "A 35 % Bandwidth Q-to-W-Band Frequency Doubler" -Microwave
Journal, № 9, 1987, pp. 232-235. Л.9 Викулов И.К. СВЧ суперкомионенты за рубежом. - Электронная техника, сер.
1, Электроника СВЧ, вып. 4, 1985, с. 72-74. Л. 10 Browne J. "Transition Analyzer Scans Amplitude and Phase of 40 GHz Pulses". Microwaves and RF, March, 1991, pp. 150-157.
Подписано в печать 17.07.04. Тираж 100 экз. Заказ № 45.
Отпечатано в типографии ФГУП ННИПИ «Кварц». 603950, ГСП-85, г. Нижний Новгород, проспект Гагарина, 176.
»165 1»
Оглавление автор диссертации — доктора технических наук Щитов, Аркадий Максимович
Список сокращений.
Введение. Общая характеристика работы
Глава 1 Современное состояние методов проектирования и уровень технического развития СВЧ-преобразователей частоты, их применение в РИА. Задачи исследования.;.
1.1 Особенности применения диодных преобразователей частоты в РИА СВЧдиапазона.
1.2 Анализ методов исследования, схем и конструкций СВЧ-преобразователеЙ частоты.
1.2.1 Стробоскопические преобразователи частоты.
1.2.2 Умножители частоты и генераторы гармоник.'.
1.3 Многофункциональные преобразователи частоты.
1.4 Выводы - задачи исследования.
Глава 2 Исследование и расчет широкополосных стробоскопических преобразователей частоты.
2.1 Основы нелинейной теории и проектирования базовых схем стробпреобра-зователей.
2.1.1 Анализ и расчет характеристик однодиодной схемы стробпреобразователя.
2.1.2 Анализ двухдиодной (балансной) схемы стробпреобразователя.
2.1.3 Исследование влияния помех на характеристики стробпреобразователя
2.2 Специальные теоретические вопросы анализа и расчета характеристик стробпреобразователей.
2.2.1 Ограничение чувствительности и динамического диапазона преобразователя за счет конечной величины «развязки» каналов.
2.2.2 Анализ методов увеличения «развязки» каналов стробпреобразователя
2.2.3 Исследование многочастотных режимов преобразования частоты.
2.3 Выводы.
Глава 3 Проектирование и экспериментальное исследование стробпреобразователей
3.1 Синтез микромодульной конструкции стробоскопического смесителя сантиметрового диапазона.
3.1.1 Согласование сигнального тракта стробсмесителя.
3.1.2 Анализ требований к исходному перепаду напряжения. Расчет цепей, формирующих стробимпульсы.
3.1.3 Коррекция размеров элементов согласующего трансформатора сигнальной линии.
3.2 Конструкции стробсмесителей сантиметрового диапазона.
3.2.1 Варианты базовых микрополосковых балансных стробсмесителей.
3.2.2 Новые схемно-конструктивно-технологические решения в проектировании стробсмесителей.
3.3 Многофункциональные ГИС на базе стробсмесителей (стробпреобразователей) сантиметрового диапазона.
3.3.1 Одноканальные стробпреобразователи.
3.3.2 Двухканальные стробпреобразователи.
3.3.3 Четырехканальные стробпреобразователи.;.
3.3.4 Нетрадиционные способы использования стробоскопических преобразователей СВЧ.
3.4 Волноводные стробпреобразователи миллиметрового диапазона.
3.4.1 Волноводно-микрополосковые стробпреобразователи диапазона 26
3.4.2 Сверхширокополосный стробпреобразователь на П-волноводе 36
3.4.3 Стробпреобразователи диапазонов частот 120-180 ГГц, 180-260 ГГц.
3.5 Выводы.
Глава 4 Исследование и разработка диодных умножителей частоты и генераторов гармоник в сантиметровом диапазоне.
4.1 Исследование и разработка умножителей частоты на ДНЗ с многооктавной перестройкой частоты ЖИГ-фильтром.
4.2 Широкополосные (30%) микрополосковые умножители на ДНЗ и варакторах
4.3 Многофункциональные ГИС на базе умножителей частоты.
4.3.1 Сверхширокополосные умножители частоты 2-26,4 ГГц.
4.3.2 Умножители частоты высокой кратности.
4.4 Сверхширокополосные генераторы гармоник с равномерным спектром.
4.5 Полосовые генераторы гармоник.
4.5.1 Радиоимпульсные генераторы гармоник.
4.5.2 Генераторы гармоник с внутренней самомодуляцией.
4.5.3 Генераторы гармоник на ДНЗ с ЖИГ-фильтром.
4.6 Выводы.
Глава 5 Исследование и разработка широкополосных умножителей частоты миллиметрового диапазона.
5.1 Теоретический анализ, расчет и проектирование балансных удвоителей частоты на ДБШ.
5.1.1 Анализ схемы.
5.1.2 Расчет характеристик.
5.1.3 Особенности конструкции и результаты экспериментального исследования удвоителей в диапазоне частот 26,5-180 ГГц.
5.2 Теоретический анализ, расчет и проектирование балансных утроителей частоты на ДБШ.
5.2.1 Анализ схемы.
5.2.2 Расчет характеристик.
5.2.3 Особенности конструкции и результаты экспериментального исследования утроителей в диапазоне частот 33-210 ГГц.
5.3 Многокаскадные умножители частоты.
5.3.1 Пассивные умножители частоты.
5.3.2 Активные умножители частоты.
5.3.3 Умножители частоты для спектрально чистых широкополосных источников сигнала.
5.4 Выводы.
Глава 6 Внедрение результатов исследований в разработки радиотехнической аппаратуры
6.1 Широкополосные входные приемные устройства РИА.
6.1.1 Стробоскопические преобразователи для анализаторов цепей и фазометров.
6.1.2 Стробоскопические преобразователи в автоматических частотомерах СВЧ.
6.2 Синхронизация и стабилизация частоты источников СВЧ-сигналов.
6.3 Генерация СВЧ-сигналов.
6.3.1 Сверхширокополосные источники сигнала сантиметрового диапазона
6.3.2 Широкополосные источники сигнала миллиметрового диапазона.
6.4 Многофункциональный преобразователь частоты 1,5-40 ГГц с управлением по шине VXI.
6.5 Преобразователи частоты для радиоприемных устройств.
6.5.1 Преобразователи частоты для высокочувствительных приемных устройств миллиметрового диапазона.
6.5.2 Двухступенчатый преобразователь частоты 0,5-18 ГГц/1-12 ГГц.
6.6 Разработка методов настройки и экспресс поверки диодных преобразователей частоты.
6.6.1 Настройка умножителей частоты миллиметрового диапазона.
6.6.2 Настройка стробпреобразователей миллиметрового диапазона.
6.7 Выводы.
Введение 2004 год, диссертация по радиотехнике и связи, Щитов, Аркадий Максимович
актуальность проблемы. Прогресс в современной технике радиосвязи, радиолокации, навигации, радиоастрономии, оборонных областях радиоэлектроники, научных исследованиях невозможен без опережающего развития радиоизмерительной техники. Совершенствование радиоизмерительных приборов (РИП) СВЧ идет по пути повышения точности и расширения пределов измерений, увеличения широкополосности, расширения частотного диапазона в область миллиметровых длин волн, повышения надежности, уменьшения габаритов и массы, создания многофункциональных приборов, повышения степени автоматизации. Освоение новых, более высокочастотных диапазонов имеет особое значение в связи с широким внедрением техники миллиметрового (мм) диапазона в различные области народного хозяйства, обещающие в перспективе ее массовое использование: спутниковая связь и вещание, информационно-вычислительные системы, медицина, биология, фундаментальные научные исследования, управление транспортом и безопасность движения.
Принцип действия большинства РИП СВЧ-диапазона основан на использовании преобразователей частоты. Это - входные приемные устройства, преобразующие спектр частот СВЧ-сигналов в сравнительно низкочастотный диапазон промежуточных частот, где уже осуществляется регистрация и обработка сигналов (в стробосциллографах, амплифазометрах, анализаторах цепей, частотомерах, анализаторах спектра); или - выходные устройства, преобразующие информационные сигналы из низкочастотной области в СВЧ-диапазон для передачи к измеряемому объекту (в источниках зондирующих сигналов анализаторов цепей и импульсных рефлектометров, в измерительных генераторах и синтезаторах СВЧ).
Для преобразования частоты СВЧ-сигналов используются полупроводниковые приборы различного принципа действия и назначения, на основе которых разрабатывается широкая номенклатура преобразователей частоты: детекторы, смесители, стробоскопические преобразователи, умножители, делители, генераторы гармоник, модуляторы.
Наибольшее распространение получили диодные преобразователи. До настоящего времени они являются основным типом преобразователей частоты в радиоприемных устройствах (РПУ) (смесители) и радиоизмерительной аппаратуре (РИА) сантиметрового (см) и миллиметрового (мм) диапазонов длин волн благодаря меньшему уровню шумов и более высокому быстродействию по сравнению, па-пример, с транзисторными преобразователями.
Из обширного класса диодных преобразователей частоты, использующихся а технике СВЧ, в диссертации рассматриваются три группы устройств: стробоскопические преобразователи (стробпреобразователи), умножители частоты и генераторы гармоник. Эти различные по своему функциональному назначению СВЧ-устройства объединяют общие схемные и конструктивно-технологические решения, использование однотипной элементной базы, общие методы расчета и проектирования. Именно эти устройства позволяют комплексно, наиболее компактно и с минимальными затратами решить задачу измерений на СВЧ в соответствии со схемой: «источник зондирующего сигнала измеряемый объект —> приемник» с получением информации об объекте в частотной и временной областях. На рисунке В1 показаны области применения рассматриваемых преобразователей частоты в радиоизмерителыюй технике.
СТГОБОТВОБРАЭОВАТБЛН /«-Л-ЧЛ. ^СПГц) н 350/*н(пс) УМНОЖИТЕЛИ ЧАСТО ТЫ fm t " ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОН] ПС /тх ' 5Ж< n-l
1 г ■ г 1 Г 1 1 IP (f
ДИИ Флтовые Дикторы ■ - ," а Широкополосные Узкополосные Штф около лосные Ужо-полосные
СтрОб-оецшпогряфы G к темы синхронизации и стабилизации частоты Гетеродины Источники зонд^ующего сигнала
Частотомеры Генераторы Гене)) п торы СВЧ Калибраторы частотной шкалы в анализаторах спектра Гетеродины
Л шлифа) о метры Гетеродшы Свш-ген ера горы
Анализаторы цепей Оштезаторы Синтезаторы
Пчмерителп девпацгш
Рис. В Л - Области применения диодных преобразователей частоты в радиоизмерительной технике
Строб преобразователи являются входными устройствами различных РИП СВЧ: стробосциллографов, частотомеров, амплифазометров, анализаторов цепей, измерителей девиации, а также широко применяются в качестве фазовых детекторов в системах синхронизации и стабилизации частоты источников сигналов СВЧ.
Преимущества использования умножителей частоты в широкополосных генераторах СВЧ, синтезаторах и гетеродинах связаны, с одной стороны, с наиболее простым и дешевым способом реализации режимов стабилизации частоты, модуляции СВЧ-сигналов, с другой - с невозможностью методом прямой генерации на транзисторах, диодах Ганна, ЛПД и других полупроводниковых элементах получить требуемую мощность сигнала, особенно, в мм-диапазоне частот.
Интенсивное развитие техники усиления мощности СВЧ-сигналов и умножения частоты создает предпосылки построения полностью твердотельных источников сигналов см- и мм-диапазонов, что позволяет заменить во многих случаях (генераторах, гетеродинах) дорогостоящие электровакуумные приборы на более надежные и компактные полупроводниковые.
Генераторы гармоник, по существу, являются частью стробпреобразователей, формирующей стробимпульсы, и, кроме того, имеют самостоятельное применение как калибраторы частотной шкалы в анализаторах спектра, приемниках, как гетеродины в системах радиорелейной связи и других радиотехнических системах.
Ориентация на радиоизмерительную технику определила высокий уровень требований к основным техническим характеристикам преобразователей: широкопо-лосности, потерям преобразования, динамическому диапазону преобразуемых сигналов, шумовым свойствам, энергопотреблению. Следовательно, задача теоретического и экспериментального исследования и проектирования преобразователей частоты с повышенными техническими характеристиками, решению которой посвящена настоящая диссертационная работа, актуальна для совершенствования РИП.
В 70-х годах прошлого столетия диапазон частот стробпреобразователей не превышал 4-7 ГГц в амплифазометрах и 7-12 ГГц в стробосциллографах. Устойчивые тенденции увеличения сложности РИП, расширения их функциональных возможностей, расширения диапазона частот в область миллиметровых длин волн требовали проведения глубоких теоретических и экспериментальных исследований с целью оптимального выбора схемы и конструкции преобразователя, технологии изготовления, типов используемых полупроводниковых элементов.
Качественный скачок в повышении характеристик преобразователей частоты и РИП, например, расширение верхней границы рабочего диапазона частот с единиц до сотен гигагерц, уменьшение в несколько раз габаритов и массы невозможен без перехода на новую элементную базу, применения новых типов линий передачи и их соединений, внедрения новых технологий в проектирование и производство, использования новых принципов преобразования частоты.
Основы теории и методов расчета преобразователей частоты разработаны в конце 50-х годов [1-6], но и сегодня по вопросам анализа, расчета и автоматизированного проектирования преобразователей публикуется большое количество работ
7-12], что свидетельствует об их актуальности, и связано с тенденциями расширения диапазона частот, использованием новой элементной базы, новых конструктивно-технологических решений в проектировании преобразователей.
Теория стробоскопического преобразования сигналов применительно к осциллографии разработана в 1960-1970-х годах Ю.А. Рябининым, А.И. Найденовым [14, 28, 32]. Она основана на предположении линейного режима работы устройств для входных СВЧ-сигналов и, следовательно, не дает информации о нелинейных искажениях в стробпреобразователях. Специфика использования стробпреобразовате-лей в системах синхронизации и стабилизации частоты гетеродинов и синтезаторов частот [17, 18] поставила задачу анализа нелинейного режима работы преобразователей с целью определения требований к спектру входных сигналов для получения допустимого отношения сигнал/шум на выходе преобразователя; к уровням входных сигналов для минимизации нелинейных и комбинационных искажений. Использование стробпреобразователей в амплифазометрах и анализаторах цепей потребовало теоретического рассмотрения недостаточно исследованных ранее путей расширения динамического диапазона приборов за счет увеличения «развязки» каналов преобразователя.
Вопросы анализа и расчета простейших схем умножителей частоты (УЧ) и генераторов гармоник (ГГ) см-диапазона на различных нелинейных элементах сегодня представлены в обширной литературе [19, 61-63, 84-100]. Однако,.несмотря на обилие различных методов (аналитических и машинных) анализа умножителей частоты СВЧ-диапазона, задача их проектирования, как отмечается в монографии И.Х. Ризкина [84], достаточно сложна, обычно решается итеративно, и важную роль играют экспериментальные исследования и практическая «доводка» реализованной схемы.
Роль экспериментальных методов исследования в проектировании преобразователей возрастает с увеличением диапазона рабочих частот, поскольку начинают, проявляться различные не учитываемые в расчетах факторы, возрастает погрешность в описании параметров элементов, труднее обеспечить требуемые допуски на механическое изготовление. В этой связи актуален поиск новых конструкций преобразователей, позволяющих производить настройку устройства в рабочем режиме, что могло бы во много раз уменьшить трудоемкость разработки и изготовления СВЧ-устройств.
Перспективным направлением совершенствования характеристик РИП в плане уменьшения габаритов и массы, повышения надежности является использование комплексированных многофункциональных СВЧ-преобразователей, объединяющих различные функциональные элементы [111]. Это делает задачу проектирования таких устройств очень важной. Здесь возникает ряд новых актуальных задач: оптимального выбора структурной схемы, тщательной отработки конструкции для исключения взаимного паразитного влияния различных элементов, реализации максимального количества функциональных возможностей и сохранения универсальности для различных применений.
Одна из современных тенденций РИА СВЧ-диапазона - создание многофункциональных РИП, одновременно обеспечивающих режим работы нескольких радиоизмерительных приборов: анализаторов сигнала и спектра, анализатора цепей, частотомера, измерителя мощности [24]. В этой связи актуальна задача исследования и разработки универсального преобразователя частоты - входного устройства многофункционального измерителя.
Все вышеизложенное свидетельствует об актуальности и важности проблем совершенствования диодных преобразователей частоты как наиболее широкополосных СВЧ-устройств - основы построения РИП СВЧ. цель диссертации - разработка теоретически обоснованных методов проектирования широкополосных диодных преобразователей частоты и создание на их основе новых СВЧ-устройств с преобразованием частоты, обеспечивающих существенное улучшение характеристик и расширение частотного диапазона РИП от единиц до сотен гигагерц. задачи исследований. Цель достигается решением следующих основных задач исследований.
1. Определение требований к современным и перспективным преобразователям частоты сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн.
2. Анализ и разработка принципов построения широкополосных диодных преобразователей частоты.
3. Поиск оптимальных-конструкций преобразователей частоты. Исследование и разработка методов анализа, расчета и проектирования преобразователей.
4. Исследование и разработка методов настройки преобразователей и контроля их параметров.
5. Разработка новой узловой элементной базы - многофункциональных ГИС преобразователей СВЧ для реализации повышенных характеристик РЭА.
6. Экспериментальное исследование широкополосных диодных преобразователей. Разработка рекомендаций по их применению в РЭА. методы исследований. В работе при проведении теоретических исследований использован математический аппарат дифференциальных уравнений, операционного исчисления, специальных функций и ориентированных графов, а также машинные методы проектирования и оптимизации СВЧ-схем.
Достоверность и обоснованность полученных в диссертации результатов определяется корректным использованием математического аппарата, вычислительных процедур расчета и моделирования, и подтверждена как экспериментально в лабораторных условиях, так и при эксплуатации разработанных устройств, внедренных в состав РЭА различного назначения. научная новизна диссертации заключается в разработке методов проектирования широкополосных диодных преобразователей частоты, их теоретическом обосновании и создании на их основе новых СВЧ-устройств с преобразованием частоты, обеспечивающих существенное улучшение характеристик и расширение частотного диапазона РИП. В частности:
1. На основе теоретического анализа впервые разработана математическая модель, описывающая нелинейный режим работы стробпреобразователя в виде математических выражений, определяющих основные характеристики устройства: потери преобразования, уровень нелинейных и комбинационных искажений, а также допустимый уровень помех на входах преобразователя для обеспечения требуемого отношения сигнал/шум на выходе.
2. Разработаны новые математические модели широкополосных балансных удвоителей и утроителей частоты мм-диапазона, основанные на использовании априорной информации об ограниченном спектральном составе сигналов, обусловленной фильтрующими и резонансными свойствами волноведущих структур, что позволило получить математические соотношения, определяющие основные характеристики умножителей (потери преобразования, входные и выходные импедансы, уровни подавления паразитных сигналов), для инженерного расчета согласующих цепей и синтеза оптимальных конструкций СВЧ-устройств.
3. Предложены и разработаны методы расчета и проектирования базовых конструкций стробпреобразователей, умножителей и генераторов гармоник в виде гибридных интегральных схем (ГИС) СВЧ.
4. Предложены новые принципы использования стробпреобразователей в режимах многочастотного преобразования частоты, открывающие возможности расширения частотного диапазона, снижения потерь преобразования и построения СВЧ-делителей частоты высокой кратности.
5. Предложены и реализованы возможности расширения частотного диапазона стробпреобразователей (с единиц ГГц до сотен ГГц) и увеличения динамического диапазона (с 60 дБ до 80 дБ) многоканальных стробпреобразователей за счет оптимального согласования сигнального тракта; оптимизации цепей формирования стробимпульсов; увеличения «развязки» каналов; применения новых схемноконструктивно-технологических решений в проектировании преобразователей, защищенных авторскими свидетельствами на изобретения.
6. Предложены, оптимизированы и разработаны структуры комплексирован-ных многофункциональных преобразователей в виде ГИС СВЧ - новой узловой элементной базы - для реализации повышенных характеристик РИА:
- входных устройств (на базе стробпреобразователей) широкой номенклатуры РИА (стробосциллографов до 40 ГГц, амплифазометров и анализаторов цепей до 40 ГГц в коаксиальных трактах и до 110 ГГц в волноводных, частотомеров до 180 ГГц);
- выходных формирующих цепей (на базе умножителей частоты и генераторов гармоник) источников сигналов (синтезаторов, генераторов, гетеродинов) в диапазоне частот до 180 ГГц.
7. Предложены, разработаны и внедрены в практику методы экспериментального исследования, настройки и оперативного контроля параметров СВЧ-преобразователей частоты (нелинейных широкополосных устройств), обеспечивающие панорамный режим работы и измерение характеристик (осциллограмм, КСВН, потерь преобразования, спектральных характеристик) в реальном масштабе времени, что в 3-5 раз увеличивает производительность регулировки преобразователей и дает возможность работы в миллиметровом диапазоне до 180 ГГц.
8. Впервые разработан универсальный преобразователь частоты - входное устройство многофункционального радиоизмерительного прибора, одновременно обеспечивающего режим работы: осциллографа, анализатора спектра, анализатора цепей, частотомера, измерителя мощности в диапазоне частот 1,5-40 ГГц. народнохозяйственное и практическое значение работы заключается в разработке и создании СВЧ-устройств с преобразованием частоты и внедрении их в РЭА общего и специального назначения, что обеспечило существенное расширение частотного диапазона РИП СВЧ (с единиц до сотен гигагерц); способствовало освоению мм-диапазона длин волн; обеспечило выпуск конкурентоспособных на мировом рынке радиоизмерительных приборов до 40 ГГц в коаксиальных трактах и до 180 ГГц в волноводах, а также позволило создать ряд уникальных измерительных установок для научных исследований. В частности:
1. На основе предложенных новых схемно-конструктивных решений разработаны базовые СВЧ-устройства с преобразованием частоты в виде ГИС СВЧ: строб-преобразователи, умножители частоты, генераторы гармоник для использования в радиоизмерительной аппаратуре с повышенными техническими характеристиками. Оригинальные конструкции стробпреобразователей защищены тремя авторскими свидетельствами на изобретения.
2. Разработана новая элементная база с характеристиками, соответствующими лучшим зарубежным аналогам, для использования в сверхширокополосных СВЧ-преобразователях частоты: смесительные и умножительные диоды, сверхбыстродействующие ДНЗ, интегральные диодные сборки, монолитные ИС стробпреобра-зователей. За разработку и широкое внедрение в народное хозяйство сверхбыстродействующих кремниевых диодов нано- и пикосекундного диапазонов автору присуждена премия Совета Министров СССР 1991 года.
3. Предложены, разработаны и внедрены в практические устройства новые принципы многочастотного преобразования частоты в стробпреобразователях, что, в частности, обеспечило расширение диапазона частот до 0,1-18 ГГц и увеличение динамического диапазона до 80 дБ анализатора цепей РК4-55.
4. Предложены, разработаны и внедрены в практику методы настройки и оперативного контроля параметров СВЧ-преобразователей частоты (нелинейных широкополосных устройств), обеспечивающие панорамный режим работы и измерение характеристик (осциллограмм, КСВН, потерь преобразования, спектральных характеристик) в реальном масштабе времени, что в 3-5 раз увеличивает производительность и дает возможность работы в миллиметровом диапазоне до 180 ГГц и выше, где отсутствует серийная измерительная аппаратура (анализаторы спектра, анализаторы цепей, частотомеры, осциллографы).
5. Предложены, оптимизированы и внедрены в практику структуры комплек-сированных многофункциональных преобразователей в виде ГИС СВЧ - новой узловой элементной базы:
- входных устройств (на базе стробпреобразователей) широкой номенклатуры РИА (стробосциллографов, амплифазометров, анализаторов цепей, частотомеров);
- выходных формирующих цепей (на базе умножителей частоты и генераторов гармоник) источников сигналов (синтезаторов, генераторов, гетеродинов).
6. На базе внедренных в'производство СВЧ-устройств создана широкая номенклатура новых РИП СВЧ-диапазона:
- амплифазометры: ФК2-18, ФК2-33:
- анализаторы цепей: РК4-22, РК4-54, РК4-55;
- анализатор спектра С4-85;
- измеритель девиации СКЗ-45;
- частотомер СНКЗ-78;
- генераторы: РГ4-10 н- 13, Г4-207, Г4-208;
- синтезаторы частот: РЧ6-67, РЧ6-73 75;
- приборы магистрально-модульного типа (синтезаторы частот, блоки умножительные, преобразователи частоты, частотомер).
7. Созданные преобразователи частоты позволили выйти на новые принципы разработки РИА мм-диапазона с реализацией рекордных технических характеристик: анализаторов спектра мм-диапазона с повышенной чувствительностью; синтезатора частот в диапазоне 180-260 ГГц; установки для измерения параметров антенн и измерителя КСВН и ослаблений в твердотельном исполнении в диапазоне частот 18-178 ГГц; а также обеспечили возможность решения задач оптимального проектирования входных приемных устройств широкого класса РЭА см-диапазона с преобразованием частоты вверх в мм-диапазон и обратно. апробация работы. Основные разделы и результаты работы докладывались и обсуждались на всесоюзных научно-технических конференциях (НТК) и симпозиумах!
- «Измерения параметров цепей и разности фаз сигналов» (Горький, 1975);
- «Нано- и пикосекундная импульсная техника» (Горький, 1979, 1983);
- «Радиотехнические измерения в диапазонах ВЧ и СВЧ» (Новосибирск, 1980);
- «Электроника СВЧ. Ферритовые СВЧ приборы и материалы» (Ленинград,
1984);
- «Интегральная электроника СВЧ» (Красноярск, 1988);
- «Современные проблемы фазоизмерительной техники и ее приложения»
Красноярск, 1989);
- «Проблемы радиоизмерительной техники» (Горький, 1989);
- «СВЧ техника и спутниковый прием» (Севастополь, 1992); на международных НТК;
- "International Conf. on Millimeter Waves and Far-Infrared Technology" (Beijing,
China, 1992);
- "International Conf. on Millimeter and Submillimeter Waves and Applications"
San Diego, California, USA, 1994, 1998);
- "Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves" (Kharkov,
Ukraine, 1998);
- "13-th European Frequency and Time Forum" (Besancon, France, 1999);
- «Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ» (Самара, 1999);
- "16-th European Frequency and Time Forum" (St. Petersburg, Russia, 2002);
- «Физика и технические приложения волновых процессов» (Самара, 2001);
- «Новые технологии в радиоэлектронике и системах управления» (Н. Новгород, 2002); на Всероссийских НТК:
- «Высокие технологии в радиоэлектронике» (Н. Новгород, 1996);
- «Метрологическое обеспечение обороны и безопасности в Российской Федерации» (Москва, 2002); на республиканских НТК: S
- «Автоматизация измерения частотных и импульсных характеристик радиоустройств» (Каунас, Вильнюс, 1978);
- «Фазометрия и ее применение» (Львов, 1981); на региональной Юбилейной НТК «В XXI век с новыми принципами построения аппаратуры» (ННИПИ «Кварц», Н. Новгород, 1999). реализация результатов работы. Результаты исследований и разработок диссертации использованы при проектировании и создании преобразователей частоты и РЭА различного назначения в соответствии с техническими заданиями на НИОКР по заказам НИИ и предприятий Министерства радиопромышленности (МРП), Министерства электронной промышленности (МЭП), Министерства промышленности средств связи (МПСС), Министерства обороны (МО).
Под руководством и при непосредственном участии автора созданы и внедрены в производство РИА следующие основные разработки.
1. Стробоскопические преобразователи частоты
- комплект (20 типов) коаксиально-микрополосковых одно- и многоканальных ГИС стробпреобразователей для использования в РЭА диапазона частот 0 — 40 ГГц (ННИПИ «Кварц»; Краснодарский з-д РИП, з-д «Старт» ПО им. Королева, г. Киев);
- комплект (15 типов) волноводно-микрополосковых стробпреобразователей для РЭА диапазона частот 26 - 180 ГГц (ННИПИ «Кварц»).
2. Умножители частоты
- сверхширокополосный (0,1-18 ГГц) умножитель частоты с ЖИГ-фильтром для источника сигнала анализатора цепей РК4-55 (ННИПИ «Кварц»);
- комплект микрополосковых умножителей на ДНЗ с кратностью умножения 2.5 для использования в диапазоне частот 2-26 ГГц и на их базе комбинированные блоки сверхширокополосных умножителей см-диапазона: 2-6,6/2-26,4 ГГц (ННИПИ «Кварц»); 2-8/2-20 ГГц (Центральный институт электроизмерений г.Бейгду КНР); 0,1-18 ГГц (з-д «Маяк» г. Курск);
- умножители частоты высокой кратности (х 13, х17) см-диапазона с высокой чистотой спектра выходного сигнала (70 дБс) (ф. LGIT Gumi Lab., Южная Корея);
- комплект широкополосных волноводных умножителей частоты (с кратностью умножения 2, 3, 4, 6, 9) для диапазона частот 18-178 ГГц (ННИПИ «Кварц», Центральный институт элекгроизмерений г. Бейгду КНР, НИИИС г. Н. Новгород).
3. Генераторы гармоник
- комплект (4 типа) генераторов гармоник на диапазон частот 0,1-20 ГГц (шаг сетки 20 МГц - 2 ГГц) (СКБ «РИАЛ», в/ч 35533).
4. Макет измерителя S-параметров 2-18 ГГц («Исток», г. Фрязино).
5. Многофункциональные преобразователи частоты
- модуль двухканального преобразователя частоты VM0501 1,5-40 ГГц/0,4-500 МГц с управлением по шине VXI (ННИПИ «Кварц»);
- преобразователи частоты для высокочувствительных приемных устройств мм-диапазона (110,8 ГГц; 115,3 ГГц) в установках контроля концентрации озона и окиси углерода в атмосфере Земли (ИПФ РАН, г.Н. Новгород);
- преобразователь с двойным преобразованием частоты (вверх/вниз) 0,5-18 ГГц/1-12 ГГц для широкополосных радиоприемных устройств (в/ч 25714).
Разработанные автором преобразователи частоты использованы при создании в ННИПИ «Кварц» и на других предприятиях широкой номенклатуры РИА.
1. Приборы, переданные в серийное производство:
- измеритель разности фаз и ослаблений 0,11-12,4 ГГц ФК2-18 (Краснодарский з-д РИП);
- измеритель разности фаз и отношения уровней сигналов 0,1-18 ГГц ФК2-33 (Краснодарский з-д РИП);
- измерители параметров цепей: 0,11-12,05 ГГц РК4-22; 0,1-18 ГГц РК4-54 (Краснодарский з-д РИП); 0,1-18 ГГц РК4-55 (ННИПИ «Кварц»);
- анализатор спектра С4-85 (ННИПИ «Кварц»);
- частотомер 7,5-37,5 ГГц СНКЗ-78 (ННИПИ «Кварц»);
- измеритель девиации СКЗ-45 (з-д Фрунзе, СКБ);
- генераторы сигналов высокочастотные: 1-18 ГГц РГ4-10-ИЗ (НПО им. Ленина, г. Львов); 17,44-25,95 ГГц Г4-207; 25,95-37,5 ГГц Г4-208 (ННИПИ «Кварц»);
- синтезаторы частот 0,01-18 ГГц РЧ6-67, РЧ6-73ч-75 (ПО им. Королева, г. Киев).
2. Приборы, выпускаемые малыми сериями
- синтезаторы частот мм-диапазона 37,5-178,4 ГГц (4 типа) (ННИПИ «Кварц», поставляются во многие страны мира);
- электронно-счетный цифровой частотомер 70-170 ГГц (ИПФ РАН г. Н. Новгород);
3 Приборы магистрально-модульного типа (стандарт VXI)
- синтезаторы частот: VMK240 (0.1-8.15 ГГц); VMK2402 (2-8.15 ГГц); VMK2403 (8.15-17.85 ГГц);
- блоки умножительные: 18-26 ГГц, 26-37,5 ГГц (VMK2406, VMK2407);
- преобразователи частоты: VM0503 (2-2000 МГц); VM0501 (2-37.5 ГГц);
- частотомер 0,01-37,5 ГГц VM402. публикации. Результаты диссертации опубликованы в 64-х работах: 27-ти статьях в периодических журналах, 8-ми статьях в сборниках трудов научно-технических конференций, 4-х описаниях изобретений, 23-х тезисах докладов
НТК, 2-х депонированных рукописях, и приведены в 23-х научно-технических отчетах о НИР. основные научные положения, выносимые на защиту
1. Результаты теоретического анализа схем стробпреобразователей в нелинейном режиме работы в виде новых математических выражений, определяющих основные характеристики устройства: потери преобразования, уровень нелинейных и комбинационных искажений, допустимый уровень помех на входах преобразователя для обеспечения требуемого отношения сигнал/шум на выходе.
2. Новые математические модели широкополосных балансных удвоителей и утроителей частоты мм-диапазона в виде систем алгебраических уравнений в неявном виде, удобные для анализа основных характеристик умножителей (потерь преобразования, входных и выходных импедансов, уровней подавления паразитных сигналов), учитывающие особенности конструкции и априорную информацию о спектральном составе сигналов и используемые при расчете согласующих цепей и синтезе оптимальных конструкций СВЧ-устройств.
3. Новые, высокоэффективные методы расчета и проектирования базовых мик-рополосковых и волноводно-микрополосковых конструкций преобразователей СВЧ: стробсмесителей; стробпреобразователей с формированием стробимпульсов непосредственно вблизи смесительных диодов; умножителей частоты на диодах с накоплением заряда (ДНЗ); балансных удвоителей и утроителей на диодах с барьером Шотки (ДБШ); генераторов гармоник на ДНЗ; с применением новой элементной базы и новых вариантов сочленений различных типов волноведущих структур; основанные на комплексном использовании результатов аналитических, автоматизированных и экспериментальных исследований.
4. Новые схемно-конструктивные решения в проектировании комплексирован-ных многофункциональных преобразователей частоты в виде ГИС СВЧ - новой узловой элементной базы, обеспечивающие оптимальное построение и реализацию повышенных характеристик РИА:
- входных устройств (на базе стробпреобразователей) широкой номенклатуры РИП (стробосциллографов до 40 ГГц, амплифазометров и анализаторов цепей до 40 ГГц в коаксиальных трактах и до 110 ГГц в волноводах, частотомеров до 180 ГГц);
- выходных формирующих цепей (на базе умножителей частоты и генераторов гармоник) источников сигналов (синтезаторов, генераторов, гетеродинов) в диапазоне частот до 180 ГГц.
5. Реализация вновь предложенных путей расширения частотного и динамического диапазонов стробпреобразователей за счет: оптимального согласования сигнального тракта; оптимизации цепей формирования стробимпульсов; увеличения «развязки» каналов; повышения частоты гетеродина; применения новых конструкций стробпреобразователей, защищенных авторскими свидетельствами на изобретения, что в совокупности обеспечило расширение частотного диапазона коаксиальных стробпреобразователей до 40 ГГц и до 180 ГГц волноводных; и увеличение динамического диапазона многоканальных преобразователей до 80 дБ.
6. Новые принципы использования стробпреобразователей в режимах многочастотного преобразования частоты, основанные на модуляции частоты гетеродина и одновременном использовании нескольких различных по частоте сигналов ПЧ, что дает возможность снизить потери преобразования, расширить диапазон частот и создавать СВЧ-делители частоты высокой кратности.
7. Разработанный универсальный преобразователь частоты - входное устройство многофункционального радиоизмерительного прибора, одновременно обеспечивающего режим работы: осциллографа, анализатора спектра, анализатора цепей, частотомера, измерителя мощности в диапазоне частот 1,5-40 ГГц.
8. Методы настройки и контроля параметров СВЧ-преобразователей частоты (нелинейных широкополосных устройств), обеспечивающие панорамный режим работы и измерение характеристик (осциллограмм, КСВН, потерь преобразования, спектральных характеристик) в реальном масштабе времени; эти методы существенно (в 3-5 раз) увеличивают производительность и обеспечивают возможность работы в мм-диапазоне до 180 ГГц и выше, где наблюдается дефицит измерительного оборудования.
9. Результаты внедрения устройств с преобразованием частоты (стробпреобразователей, умножителей, генераторов гармоник, многофункциональных преобразователей) в разработки радиоизмерительной аппаратуры в широком диапазоне частот от десятков МГц до сотен ГГц, подтверждающие эффективность и достоверность проведенных научных исследований. структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав (29 параграфов), заключения, приложения, списка использованной литературы из 233 наименований. Объем диссертации составляет 247 страниц, включая 228 страниц основного текста, 114 рисунков и 33 таблицы.
Заключение диссертация на тему "Широкополосные преобразователи частоты для радиоизмерительных приборов СВЧ"
Основные результаты работы состоят в следующем:
1. Разработан общий подход к проектированию СВЧ-преобразователей частоты, основанный на сочетании аналитических, автоматизированных и экспериментальных методов исследования.
Проанализированы однодиодная и балансная схемы стробпреобразователей СВЧ в нелинейном режиме работы. Получены математические выражения, определяющие основные характеристики устройства: потери преобразования, уровень нелинейных и комбинационных искажений, допустимый уровень помех на входах преобразователя.
Проанализированы схемы широкополосных умножителей частоты см-диапазона на ДНЗ и варакторах, многооктавного умножителя на ДНЗ с ЖИГ-фильтром на выходе, балансные удвоители и утроители частоты мм-диапазона; получены выражения, определяющие основные характеристики: потери преобразования, входные и выходные импедансы, уровни подавления паразитных сигналов, которые составляют основу для расчета согласующих цепей и оптимального проектирования СВЧ-устройств.
2. На основе результатов анализа предложены и разработаны методы расчета и проектирования широкополосных преобразователей СВЧ, реализующие их повышенные технические характеристики, соответствующие современным требованиям:
- базовых микрополосковых конструкций стробпреобразователей сантиметрового диапазона;
- волноводно-микрополосковых стробпреобразователей миллиметрового диапазона;
- широкополосных микрополосковых умножителей частоты сантиметрового диапазона на ДНЗ;
- многооктавных умножителей частоты на ДНЗ с ЖИГ-фильтром;
- балансных удвоителей и утройтелей мм-диапазона на ДБШ;
- генераторов гармоник см-диапазона на ДНЗ.
3. Сформулированы требования к параметрам, в соответствии с которыми разработана новая элементная база с характеристиками на уровне лучших зарубежных аналогов для использования в сверхширокополосных преобразователях СВЧ в диапазоне до 200 ГГц: смесительные и умножительные диоды, сверхбыстродействующие ДНЗ, интегральные диодные сборки, монолитные ИС стробпреобразователей.
4. Предложены новые схемно-конструктивные решения преобразователей частоты в виде гибридных интегральных схем СВЧ на новой элементной базе, и разработана широкая номенклатура базовых СВЧ-узлов сантиметрового и миллиметрового диапазона:
- коаксиальные широкополосные одно-, двух- и четырехканальные стробпреобразователи 0-40 ГГц (потери преобразования 25 - 40 дБ);
- волноводно-микрополосковые стробпреобразователи в стандартных сечениях волноводов для диапазона частот 26 - 180 ГГц (потери преобразования 30 - 55 дБ), в т.ч. сверхширокополосные 36 - 120 ГГц и 70 - 180 ГГц;
- широкополосные (10-30%) микрополосковые умножители частоты на ДНЗ с кратностью умножения 2.5, потерями 10-15 дБ в диапазоне частот 6-26,4 ГГц;
- многооктавные умножители частоты на ДНЗ с ЖИГ-фильтом 0,1-18(26) ГГц;
- удвоители и утроители частоты на ДБШ в общем диапазоне частот 18-180 ГГц с потерями 13-18 дБ;
- многокаскадные умножители частоты мм-диапазона (х4, хб, х9) (активные и пассивные), обеспечивающие уровень выходной мощности не менее 3 дБм (50-75 ГГц), 0 дБм (75-110 ГГц) и -10 дБм (120-178 ГГц);
- активные удвоители частоты с повышенной выходной мощностью (~ 50мВт) и увеличенным подавлением паразитных составляющих в спектре выходного сигнала (~ 50 дБс) в диапазонах частот 18-26 ГГц и 26-37,5 ГГц;
- генераторы гармоник в диапазоне частот 0,1 - 20 ГГц с уровнем гармоник +5.-30 дБм при неравномерности + 1,5.3 дБ и частотах входного сигнала 0,024 ГГц.
5. Предложены, оптимизированы и разработаны структуры комплексированных многофункциональных преобразователей в виде ГИС СВЧ - новой узловой элементной базы — для реализации РИА с повышенными техническими характеристиками:
- входных устройств (на базе стробпреобразователей) широкой номенклатуры РИА (стробосциллографов до 40 ГГц, амплифазометров и анализаторов цепей до 40 ГГц в коаксиальных трактах и до 110 ГГц в волноводных, частотомеров до 180 ГГц);
- выходных формирующих цепей (на базе умножителей частоты и генераторов гармоник) источников сигналов (синтезаторов, генераторов, гетеродинов) в диапазоне частот до 180 ГТц.
6. Исследованы и реализованы возможности увеличения на 10-15 дБ^развязки'' каналов стробпреобразователей анализаторов, что позволило расширить динамический диапазон за счет уменьшения неидентичности параметров диодов с ± 5 % до ± 2,5 % и применения специальных делителей импульсов гетеродина.
Проведено исследование структуры двухканального стробпреобразователя с двумя ДНЗ и фильтрами нижних частот в каналах гетеродина, потенциально позволяющего реализовать сколь угодно большую^развязку'каналов. Однако, установлено, что в этом случае предъявляются повышенные требования к идентичности ДНЗ и трактов гетеродина для обеспечения малых неравномерностей АЧХ и ФЧХ в панорамном режиме, и применение данной структуры перспективно лишь при использовании анализатора цепей с вычислительными средствами.
7. Предложены, разработаны и внедрены в практические устройства новые принципы многочастотного преобразования частоты в стробпреобразователях, основанные на модуляции частоты гетеродина и одновременном использовании нескольких различных по частоте сигналов ПЧ, что позволило:
- снизить на 10-15 дБ потери преобразования при работе на высоких номерах гармоник гетеродина (п >. .100. 1000.);
- расширить диапазон частот в область низких частот, например, с 2-18 ГГц до 0,1-18 ГГц в анализаторе цепей РК4-55;
- решить задачу деления (с высокой кратностью) частоты СВЧ-сигналов в широком диапазоне частот до 180 ГГц и выше.
8. Предложены, разработаны и внедрены в практику методы настройки и оперативного контроля параметров СВЧ-преобразователей частоты (нелинейных широкополосных устройств), обеспечивающие панорамный режим работы и измерение характеристик (осциллограмм, КСВН, потерь преобразования, спектральных характеристик) в реальном масштабе времени, что существенно (в 3-5 раз) увеличивает производительность и дает возможность работы в миллиметровом диапазоне до 180 ГГц.
9. Разработанные преобразователи частоты использованы при создании в ННИПИ «Кварц» и на других предприятиях широкой номенклатуры РИА и приборов для научных исследований: приборов, переданных в серийное производство: амплифазометров ФК2-18, ФК2-33; измерителей параметров цепей РК4-22, РК4-54, РК4-55; анализатора спектра С4-85; частотомера СНКЗ-78; измерителя девиации СКЗ-45; генераторов СВЧ РГЧ-10-И3; синтезаторов частот РЧб-67, РЧ6-73-75; приборов, выпускаемых малыми сериями: синтезаторов частот миллиметрового диапазона 37,5-178,4 ГГц; частотомеров 70-170 ГГц; приборов магистрально-модульного типа: синтезаторов частот, блоков умно-жительных, преобразователей частоты, частотомера; уникальных измерительных установок: автоматизированной системы для измерения КСВН и ослабления в диапазоне частот 2-118,1 ГГц; установки для измерения параметров антенн в диапазоне частот 18-178 ГГц; микроволновых приемников для диагностики малых газовых составляющих земной атмосферы.
Для обеспечения потребности страны в современной радиоизмерительной аппаратуре и экспортных поставок в ННИПИ «Кварц» за период 1993 по 2003 год произведено продукции (СВЧ-узлов и приборов) с использованием разработок автора на сумму 50 млн. рублей.
Основной результат данной работы заключается в изложении научно обоснованных технических и технологических решений в области проектирования многофункциональных комплексированных СВЧ-устройств с преобразованием частоты - новой узловой элементной базы, внедрение которых в радиоэлектронную аппаратуру общего и специального назначения вносит значительный вклад в развитие экономики страны и повышение ее обороноспособности.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведено теоретическое и экспериментальное исследование, в результате которого развиты теоретические основы проектирования СВЧ-устройств с преобразованием частоты, и разработан широкий класс СВЧ-преобразователей, обеспечивающих повышение технических характеристик и расширение диапазона частот твердотельной радиоэлектронной аппаратуры общего и специального назначения от десятков мегагерц до 40 ГГц в коаксиальных трактах и до 180 ГГц в волноводных.
Библиография Щитов, Аркадий Максимович, диссертация по теме Антенны, СВЧ устройства и их технологии
1. Андронов А.А., Витт А.А., Хайкин С.Э. Теория колебаний. М.: Физматгиз, 1959, изд.2-е, перераб. и доп. -915 с.
2. Manly J.W., Rowe Н.Е. "Some general properties of nonlinear elements. General energy relations". Proc. JRE, 1956, v. 44, №7, pp. 904-913.
3. Боголюбов H.H., Митропольский Ю.А. Асимптотические методы в теории нелинейных колебаний. М.: Физматгиз, 1959.-408 с.
4. Гоноровский И.С. Радиосигналы и переходные явления в радиоцепях. — М.: Связь-издат, 1959. 326 с.
5. Бруевич А.Н. Спектры в умножителях частоты. — «Радиотехника и электроника», 1962, т.7, №7, с.1082-1090.
6. Харкевич А.А. Нелинейные и параметрические явления в радиотехнике. — М.: Гос-техиздат, 1956. 184 с.
7. Уткин Г.М., Благовещенский М.В., Жуховицкая В.П. и др. Проектирование радиопередающих устройств СВЧ. Учебн. пособие для ВУЗов. Под ред. Г.М. Уткина. — М.: Сов. радио, 1979.-320 с.
8. Данилов JI.B., Матханов П.Н., Филлипов Е.С. Теория нелинейных электрических цепей. JL: Энергоатомиздат. Ленинградское отд-е, 1990. - 256 с.
9. Калабеков Б.А., Лапидус В.Ю., Малафеев В.М. Методы автоматизированного расчета электронных схем в технике связи: Учебн. пособие для ВУЗов. М.: Радио и связь, 1990.-272 с.
10. Гассанов Л.Г., Липатов А.А., Марков В.В., Могильченко Н.А. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. М.: Радио и связь, 1988. 288 с.
11. Розанов Б.А., Розанов С.Б. Приемники миллиметровых волн. М.: Радио и связь, 1989.-168 с.
12. Maas S.A. Nonlinear Microwave circuits. 1988. 480 p.
13. Буторин E.H., Корж В.И., Крупина Е.Б. О времени восстановления обратной проводимости умножительных диодов.- Радиотехника, 1972, т. 27, № 6, с.65-68.
14. Рябинин Ю.А. Стробоскопическое осциллографирование. М.: Сов. радио, 1972.271 с.
15. Sayed М.М. "40-GHz Frequency Converter Heads". Hewlett-Packard Journal, April, 1980, pp. 14-19.
16. Абубакиров Б.А., Гудков К.Г., Нечаев Э.В. Измерение параметров радиотехнических цепей. М.: Радио и связь, 1984. - 248 с.
17. Moore S.E., Gilchrist В.Е., Galli J.G. "Microwave Sampling Effective for Ultrabroadband Frequency Conversion". MSN and CT. February, 1986.-pp. 113-126.
18. Павловский О.П. Синтезаторы частот СВЧ- и КВЧ-диапазонов. Радиоизмерения и электроника, 1993, вып. 2, с. 19-23.
19. Millimeter-wave multipliers rely on Diode Integrated Circuits in finline structures for high output power. RF and Microwave Measurement Symposium and. Exhibition. Hewlett-Packard, 1985, April.
20. Стародубровский P.K., Береснева Г.М. Полосовые фильтры и фильтры нижних частот миллиметровых диапазонов волн. — Радиоизмерения и электроника, 2001, № 9, с. 17-19.
21. Казарновский B.C., Серебряков А.Е., Щитов A.M., Шумилов В.А. Спектрально чистые широкополосные источники сигнала с умножением частоты в миллиметровом диапазоне. — Радиоизмерения и электроника, ННИПИ «Кварц», № 10,2003, с.11-13.
22. Щитов A.M. СВЧ умножители частоты высокой кратности. В кн. Тезисы докладов и сообщений I Международной НТК «Физика и технические приложения волновых процессов», т. 1, Самара, 2001, с. 176.
23. Глебович Г.В., Андриянов А.В., Введенский Ю.В. и др. Исследование объектов с помощью пикосекундных импульсов. М.: Радио и связь, 1984. - 256 с;
24. Browne J. "Transition Analyzer Scans Amplitude and Phase of 40 GHz Pulses". Microwaves and RF, March, 1991, pp. 150-157.
25. Каталог по радиоизмерительным приборам фирмы Hewlett Packard, США, 1988.
26. Каталог по радиоизмерительным приборам ф. Wiltron, 1986 г.
27. Старосельский В.И., Суэтинов В.И. Интегральные схемы входных устройств стробоскопических преобразователей на основе арсенида галлия.- Известия ВУЗов. Радиоэлектроника, 1981, т. 24, №8, с. 10-17.
28. Найдёнов А.И. Трансформация спектра наносекундных импульсов. — М.: Сов. Радио, 1973.-180 с.
29. Ефимчик М.И., Левитас Б.И. Согласование диодов стробоскопического преобразователя с полосковой линией передачи. АВТ, 1973, вып.2, с.84-91.
30. Ефимчик М.И., Левитас Б.И. Анализ методов согласования диодов в смесителе стробоскопического преобразователя. АВТ, 1973, вып.З, с.88-93.
31. Harmonic (Comb) Generators 0.1-50 GHz. Microwave Journal, May, 2000, p. 398.
32. Рябинин Ю.А. Теория и практика построения пикосекундных измерительных устройств с преобразованием временного аргумента. Докторская диссертация, Каунас, 1982.
33. Херманис Э.Х., Карклиньш В.Г. Дискретные стробоскопические преобразователи. — Рига: Зинатне, 1977. 164 с.
34. Старосельский В.И., Суэтинов В.И. Принципы проектирования интегральной схемы широкополосного смесителя. Микроэлектроника, 1980, т.9, вып.2, с.183-186.
35. Старосельский В.И. Шумовые характеристики стробоскопических преобразователей на основе арсенид-галлиевых интегральных микросхем. Микроэлектроника, 1985, т.14, вып.2, с.162-168.
36. Merkelo J. "A dc-to-20 GHz Thin-Film Signal Sampler for Microwave Instrumentation". -Hewlett-Packard Journal, 1973, April, p. 10-13.
37. Merkelo J., Hall R.D. "Broad-Band Thin-Film Signal Sampler". IEEE Journal ofSolid-State Circuits. 1972, vol. sc - 7, № 1, February, p. 50-53.
38. Grove W.M. "Sampling for Oscilloscopes and Other RF Systems: DC Through X-Band". -IEEE Trans, on Microwave Theory and Techn. 1966, vol. MTT 14, № 12, p. 629-635.
39. Гуткин Л.С. Преобразование сверхвысоких частот и детектирование. Госэнергоиз-дат, 1953.
40. Гуткин Л.С., Лебедев В.Л., Сифоров В.И. Радиоприемные устройства. Часть 1. М.: Сов. радио, 1961.
41. Чупров И.И. Волновая теория диодных преобразователей спектров СВЧ-сигналов. -Техника средств связи, серия РИТ, 1984, вып.4, с. 1-26.
42. Чупров И.И. Научно-технические основы проектирования многофункциональных анализаторов СВЧ цепей. Докторская диссертация, Каунас, 1987.
43. Гудкович Б.Д. К теории импульсных преобразователей частоты. Вопросы радиоэлектроники, сер. РИТ, вып.1, 1971, с.58-62.
44. Гудкович БД., Буторин Е.Н. Некоторые результаты анализа импульсных преобразователей частоты в нелинейном режиме. Вопросы радиоэлектроники, сер. РИТ, вып.1,1971, с.63-69.45
-
Похожие работы
- Автоматизированный синтез широкополосных согласующих устройств
- Методы и аппаратура для высокоточного измерения комплексных параметров элементов трактов СВЧ, антенн и радиолокационных объектов
- Исследование и разработка диодных СВЧ преобразователей частоты
- Повышение чувствительности и точностных характеристик стробоскопических преобразователей УВЧ диапазона
- Методы определения комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты
-
- Теоретические основы радиотехники
- Системы и устройства передачи информации по каналам связи
- Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения
- Антенны, СВЧ устройства и их технологии
- Вакуумная и газоразрядная электроника, включая материалы, технологию и специальное оборудование
- Системы, сети и устройства телекоммуникаций
- Радиолокация и радионавигация
- Механизация и автоматизация предприятий и средств связи (по отраслям)
- Радиотехнические и телевизионные системы и устройства
- Оптические системы локации, связи и обработки информации
- Радиотехнические системы специального назначения, включая технику СВЧ и технологию их производства