автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Аналитические методы расчёта структурного анализа СВЧ устройств на основе теории цепей

Чижов Александр Иванович

АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ РАСЧЁТА И СТРУКТУРНОГО АНАЛИЗА СВЧ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ ЦЕПЕЙ

05.12.07 - Антенны, СВЧ-устройства н нх технологии

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

1 2 МАЙ 2011

Нижний Новгород - 2011

4845753

Работа выполнена на Научно-производственном предприятии «Салют-27»

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор Раевский Алексей Сергеевич Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Неганов Вячеслав Александрович доктор технических наук, профессор Орлов Игорь Яковлевич доктор технических наук,

старший научный сотрудник Щитов Аркадий Максимович Ведущая организация:

ФГУП «Научно-исследовательский институт измерительных систем им. Ю.Е.Седакова», г.Н.Новгород.

Защита состоится 23 июня 2011 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.01 в Нижегородском государственном техническом университете им. P.E. Алексеева по адресу: 603950, г.Н.Новгород, ул. Минина, 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГТУ. Автореферат разослан «_»_2011г.

Учёный секретарь

диссертационного совета

А.В-Назаров

Общая характеристика работы

Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию СВЧ цепей в зависимости от их структурных особенностей, а также практическому внедрению полученных результатов в промышленность. Предложенные в работе методики и соотношения позволяют установить взаимосвязи, существующие между элементами матрицы рассеяния СВЧ цепей с произвольной схемой соединения входящих в них элементов и собственными параметрами цепей. При этом элементный базис может быть также произвольным, а граничные условия на референсных плоскостях генератора

и нагрузки комплексными, причём в общем случае г г Такая, достаточно общая постановка задачи, позволила провести структурный анализ СВЧ цепей, результатом которого стали формулировка теоремы согласования четырёхполюсников и критериев структурного синтеза по условиям согласования, а также проведение классификации СВЧ четырёхполюсников по отношению к теореме согласования. Это в свою очередь позволило предложить ряд новых схемотехнических решений, на базе которых были разработаны основные узлы и модули СВЧ устройств, отвечающие современным требованиям к тактико-техническим характеристикам различных радиотехнических систем сверхвысокочастотного диапазона волн.

Актуальность темы

В настоящее время в системах радиолокации, навигации и связи как наземного, так и воздушного базирования находят всё более широкое применение активные фазированные антенные решётки (АФАР) [1, 2]. Их использование позволяет существенно повысить надёжность и эффективность перечисленных систем в целом. Существует несколько вариантов схем построения ячеек АФАР в зависимости от тактико-технических требований к системе [1 - 3]. В представленной работе рассмотрены варианты реализации многоканальных модулей в виде отдельных герметичных СВЧ блоков для приё-мо-передающих каналов как традиционного построения (с аналоговой обработкой СВЧ сигнала), так и цифровых АФАР. Очевидно, что характеристики '

этих модулей будут определять практически все основные параметры РЛС. В частности, выходная мощность передающего канала, коэффициент шума приёмного канала, а также верхняя граница линейности амплитудной характеристики (ВГЛАХ) приёмопередающих трактов в совокупности с точностью и идентичностью поддержания фазового сдвига по всем каналам определяют предельные возможности системы по дальности действия и точности определения координат объекта наблюдения.

Кроме того, для многоканальных комплексированных систем важную роль играют характеристики развязок между каналами приёмопередающих модулей [1], [4, 5]. Удовлетворительные параметры по развязкам между каналами особенно сложно получить при весьма ограниченных геометрических размерах прибора, что характерно для бортовой радиоэлектронной аппаратуры. Отдельно следует упомянуть о системах коммутации антенн многофункциональных АФАР, которые формируют информационные потоки радиолокации, опознавания, связи и навигации от своих антенн до соответствующих каналов обработки. Такие матричные коммутаторы при небольших массога-баритных показателях должны обеспечивать развязки между коммутируемыми каналами не менее 80 дБ при размерности матрицы Му.Ы, где -число входов и выходов соответственно.

В силу сказанного разработка узлов и модулей с перечисленными особенностями представляет собой нетривиальную проблему, решение которой лежит в плоскости не только совершенствования известных схемотехнических решений, но и разработки принципиально новых, использующих возможности технологий монолитно-интегральных схем и многослойных печатных плат с непосредственным применением последних в области сверхвысоких частот. Здесь следует сказать, что поиск новых схемотехнических решений является задачей, которую решает структурный синтез цепей. Как отмечалось в [6 - 8] проблема структурного синтеза цепей в общем виде практически не формализуется. Поэтому при поиске новых схемотехнических решений применяются, как правило, эвристические подходы, основанные на

4

знании и опыте разработчика СВЧ схем. Тем не менее, в настоящее время делаются активные попытки создания алгоритмов структурно-параметрического синтеза, о чём свидетельствуют публикации, посвященные данному вопросу [9,10]. В основе этих алгоритмов лежат различные варианты алгоритмов перебора, с последующей многопараметрической оптимизацией полученной каждой новой структуры по заданным параметрам частотной характеристики. Однако систематизированного анализа пространства структур СВЧ цепей, позволяющего априорно определить целесообразность проведения многопараметрической оптимизации каждой новой структуры при полном или ограниченном элементном базисе, эти алгоритмы не содержат. Связано такое положение, по-видимому, с отсутствием разработанных аналитических методик, позволяющих решить поставленную задачу.

Разработка таких методик и проведение дальнейшего структурного анализа СВЧ цепей на их основе представляется также весьма актуальной проблемой. Объясняется это тем, что такие методики позволяют не только решать практические задачи проектирования широкого круга устройств СВЧ техники, применяемых в модулях АФАР (усилителей различного типа, генераторов, делителей мощности, фазовращателей, переключателей и т.д.), но и стать основой для дальнейшего развития теории структурно-параметрического синтеза СВЧ цепей.

Цель диссертации

Разработка и практическая реализация оригинальных схемотехнических решений основных узлов и модулей современных многоканальных АФАР на основе предложенных аналитических методов расчёта и результатов структурного анализа СВЧ цепей.

Научная новизна

- Предложен и разработан метод определения элементов матрицы рассеяния несимметричного СВЧ четырёхполюсника при комплексных граничных условиях. Метод применим для цепей, как с сосредоточенными, так и распределёнными параметрами.

- Показано, что предложенный метод может быть распространён на случай многополюсных цепей с частичной симметрией, что иллюстрировано применением метода для расчёта параметров шестиполюсных цепей.

- Проведена модификация метода симметрично-несимметричного возбуждения на случай определения параметров цепи по заданным элементам матрицы рассеяния.

- Определены условия согласования и сформулирована теорема согласования для произвольного четырёхполюсника. Приведены следствия из теоремы согласования для цепей с различным составом элементного базиса.

- Проведён структурный анализ четырёхполюсников при различном составе элементного базиса: диссипативном, реактивном и диссипативно-реактивном для произвольных граничных условий по референсным плоскостям генератора и нагрузки. Показано, что диапазон изменения собственного коэффициента четырёхполюсника определяется составом элементного базиса.

- Предложена и реализована схема сверхширокополосного СВЧ выключателя в монолитно-интегральном исполнении. Разработана методика его проектирования, основанная на синтезе ФНЧ прототипов с учётом двух состояний выключателя (режимов пропускания и запирания). Показано, что частотные характеристики в обоих стационарных состояниях выключателя полностью определяются тремя числами: полосой пропускания, допустимыми потерями в полосе и критической частотой ключевого элемента.

- Предложены схемотехнические решения дискретных фазовращателей с постоянным фазовым сдвигом. Разработана методика проектирования оптимальных фазовращателей по амплитуде и фазе, проведены экспериментальные исследования амплитудно- и фазочастотных характеристик.

- Разработаны аналитические методики расчёта цепей согласования (входных, выходных и межкаскадных) для каскадных СВЧ усилителей и методики проектирования таких усилителей.

б

- Предложены схемотехнические решения делителей мощности Вил-кинсона на связанных линиях передачи. Разработаны методики их расчёта и проектирования для однозвенных и многозвенных соединений.

- Предложена методика проектирования твёрдотельных приёмных модулей трёхлучевой аналоговой АФАР с идентичными по ансамблю модулей амплитудно- и фазочастотными характеристиками.

- Разработана методика проектирования миниатюрных бортовых четы-рёхканальных приёмо-передающих модулей цифровых АФАР с развязками между трактами более 40 дБ. Показана возможность применения технологии многослойных печатных плат для производства многоканальных приёмопередающих модулей СВЧ диапазона на единой плате.

- Разработана методика проектирования матричных коммутаторов на М входов и N выходов. Методика применена для проектирования матричного коммутатора 24 х 10, предназначенного для многофункциональной АФАР. На данном примере проектирования комплексированных изделий показана практическая возможность применения технологии многослойных печатных плат для создания коммутационных СВЧ модулей на единой подложке, при этом развязки между каналами модуля составляют более 80 дБ.

Практическая ценность

Результаты проведённых теоретических исследований позволили предложить ряд новых схемотехнических решений, защищённых авторскими свидетельствами, создать методики расчёта СВЧ узлов и модулей, а также внедрить разработанные приборы в современные системы АФАР, которые производятся или планируются к производству на различных предприятиях РФ: ОАО «ВНИИРТ» г. Москва, ОАО «НИИП» г. Москва, ОАО «Радар ммс» г. Санкт-Петербург. К диссертации прилагается 3 Акта внедрения.

Обоснованность и достоверность результатов работы подтверждается:

- использованием теоретически обоснованных методик расчётов;

- сравнением результатов численных экспериментов с известными тестовыми примерами и с результатами расчётов, выполненных при помощи известных прикладных программ проектирования СВЧ цепей;

- результатами многочисленных экспериментальных проверок параметров действующих образцов разработанных СВЧ узлов и модулей, спроектированных с использованием предложенных методик;

- длительной промышленной проверкой разработанных узлов и модулей на практике в ряде организаций РФ.

Публикации и апробация

Результаты диссертации опубликованы в 47 печатных работах, из которых 16 в журналах, включённых в перечень ВАК РФ, а 3 являются авторскими свидетельствами. Основные результаты работы докладывались на различных Всесоюзных, Российских и Международных научно-технических конференциях: XI Всесоюзной научной конференции «Электроника СВЧ» г. Орджоникидзе, 1986г.; Всесоюзного совещания «Состояние и перспективы развития гибридной технологии в приборостроении» г. Ростов Великий, 1986г.; Всесоюзной научно-технической конференции «Средства измерения, диагностики и контроля РЭАIV - V поколений» г. Горький, 1986г.; Всесоюзной научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники», г. Москва, 1988г.; 15-й, 18-й, 20-й Международной Крымской конференции «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии», г.Севастополь, 2005, 2008, 2010г.г.; Международных научно-технических конференциях «Информационные системы и технологии», г.Нижний Новгород, 2007, 2009, 2010г.г.; VI Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Казань, 2007г.

Положения, выносимые на защиту: 1 .Метод расчёта пассивных линейных обратимых СВЧ четырёхполюсников при комплексных значениях импедансов генератора и нагрузки. Распространение метода на случай решения обратной задачи - задачи определения параметров СВЧ четырёхполюсников по элементам матрицы рассеяния.

8

2.Модификация метода симметрично-несимметричного возбуждения. Распространение метода на случай решения обратной задачи - задачи определения параметров СВЧ четырёхполюсников по элементам матрицы рассеяния.

3. Развитие метода расчёта симметричных СВЧ шестиполюсников как пример применения метода крайних импедансов к расчёту многополюсных цепей.

4.Структурный анализ СВЧ цепей с различным составом элементного базиса на основе приведённых методов. Формулировка теоремы согласования и её следствий. Неформальная классификация СВЧ цепей по отношению к условиям согласования.

5.Схемотехнические решения и методики проектирования:

а) монолитно-интегральных выключателей;

б) монолитно-интегральных аттенюаторов;

в) дискретных фазовращателей;

г) узкополосных каскадных СВЧ усилителей;

д) делителей мощности на связанных линиях.

6. Схемотехнические решения, методики проектирования и конструкции твёрдотельных СВЧ модулей АФАР:

а) многоканальный приёмный модуль трёхлучевой аналоговой АФАР;

б) миниатюрный четырёхканальный приёмопередающий модуль цифровой АФАР;

в) многоканальный матричный коммутатор многофункциональной АФАР.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из Введения, семи глав, Заключения, семи Приложений и содержит 308 страниц основного текста, 19 страниц списка литературы (213 наименований), 118 рисунков, 8 таблиц и 7 приложений.

Содержание работы Во Введении к диссертации формулируются некоторые общие положения теории цепей, требующие дальнейшей разработки, определяется актуальность проводимых исследований, формулируется цель диссертационной

9

работы и задачи, решаемые в процессе её выполнения, определяются научная новизна полученных результатов, их практическая ценность, обоснованность и достоверность, формулируются положения, выносимые на защиту, кратко излагается содержание диссертации по главам.

В первой главе диссертации проводится обоснование, разработка и проверка метода расчёта пассивных линейных и обратимых СВЧ четырёхполюсников с произвольной структурой соединения элементов.

Следует подчеркнуть, что в практике проектирования схем сверхвысоких частот внедрены различные системы автоматизированного проектирования [11, 12], которые позволяют значительно облегчить и ускорить процесс разработки схем СВЧ. Однако совершенствование аналитических методов расчёта СВЧ цепей имеет особую значимость как в теоретических, так и в практических исследованиях, что отражено в [13 — 17] и более поздних работах [4], [6-8]. Это связано с тем, что знание аналитических соотношений является весьма полезной информацией, поскольку позволяет не только эффективно задавать начальное приближение для задач многопараметрической оптимизации [18,19], но понимать и объяснять физическую суть происходящих в схемах процессов. В некоторых простых случаях аналитические решения позволяют проводить непосредственное проектирование СВЧ схем без при-атечения сложных вычислительных процедур [13 - 17].

Несмотря на достаточно глубокое развитие средств и методов теории СВЧ цепей до настоящего момента не был известен аналитический метод определения элементов матрицы рассеяния, который бы позволил в случае несимметричного пассивного обратимого СВЧ четырёхполюсника при произвольных сопротивлениях генератора и нагрузки выразить в аналитическом виде искомые Б-параметры непосредственно через составляющие элементы четырёхполюсника без дополнительных матричных преобразований. При этом сам элементный базис может включать в свой состав как сосредоточенные, так и распределённые элементы. Это важно отметить, так как не все методы расчёта СВЧ цепей оперируют с полным элементным базисом, в част-

10

ности, методы узловых напряжений или контурных токов оперируют множеством элементов с сосредоточенными параметрами.

В настоящей главе с помощью предложенного метода получены в общем виде матрицы рассеяния несимметричных, симметричных и антимет-ричных четырёхполюсников. Полученные матрицы рассеяния таких четырёхполюсников выражены через входные сопротивления в режимах холостого хода и короткого замыкания со стороны входа и выхода четырёхполюсника. Кроме того, граничные условия четырёхполюсника (под которыми понимаем импедансы генератора и нагрузки) могут быть произвольными — вещественными или комплексными, и в общем случае 1Г * 2н. Для определённости предложенный метод назовём методом крайних импедансов.

Далее в Главе 1 приводится дальнейшее развитие метода симметрично-несимметричного возбуждения, которое заключается в непосредственном определении элементов матрицы рассеяния симметричного четырёхполюсника по входным сопротивлениям его собственных двухполюсников, полученным в режимах холостого хода и короткого замыкания по оси симметрии исходной цепи. Это позволило значительно сократить объём аналитических вычислений за счёт исключения этапа расчёта собственных чисел симметричного четырёхполюсника. В конечном итоге матрицы рассеяния симметричного четырёхполюсника записаны непосредственно через входные проводимости собственных двухполюсников, причём для различного состава элементного базиса исходного четырёхполюсника: диссипативного, реактивного или смешанного - диссипативно-реактивного.

В Главе 1 рассмотрено также применение метода крайних импедансов для исследования многополюсных цепей. В качестве примера многополюсной цепи выбран симметричный шестиполюсник с произвольной схемой соединения элементов и составом внутреннего элементного базиса. Ранее полученные в [20] выражения для элементов матрицы рассеяния такого шести-полюсника не содержали в явном виде связь между элементами эквивалентной схемы шестиполюсника и промежуточными элементами матрицы рас-

11

сеяния вспомогательного четырёхполюсника в режиме холостого хода. Этот недостаток не позволял установить связь между матрицей рассеяния симметричного шестиполюсника и параметрами шестиполюсной цепи в общем виде. Метод крайних импедансов позволил устранить указанный недостаток и получить не только выражения для элементов матрицы рассеяния симметричного шестиполюсника, но и записать условия трёхстороннего согласования шестиполюсника, выраженные через внутренние параметры цепи.

Во второй главе диссертации проводится анализ симметричных четырёхполюсников с произвольной схемой соединения ветвей и различным составом элементного базиса (диссипативным, реактивным и диссипативно-реактивным). Данный анализ основан на применении модификации метода симметрично-несимметричного возбуждения, разработанного в предыдущей главе.

Следует сказать, что благодаря работам отечественных [13 - 15], [18 -20] и зарубежных авторов [16,17], [21 — 24] математический аппарат теории цепей в части его параметрического анализа и синтеза (в приближении Т-волн) практически полностью разработан. Однако в части структурного синтеза СВЧ цепей, как было отмечено в [6], решение задачи далеко от завершения. Этот факт объясняется отсутствием математически формализованных критериев структурного синтеза даже по одному параметру, например, по критерию согласования. Очевидно, что решение проблемы синтеза структуры цепи невозможно без проведения предварительного анализа, проведённого в наиболее общем виде, т.е. охватывающем всё пространство структур четырёхполюсников. Под структурой цепи здесь и далее по тексту работы будем понимать схему соединения и состав элементного базиса, образующего устройство СВЧ [6, 8]. Подобный анализ цепей, охватывающий всё многообразие схем соединения и элементов, определим как структурный анализ.

Одним из весомых результатов проведённого анализа в представляемой главе стала формулировка теоремы согласования симметричного четырёхполюсника, которая звучит следующим образом:

12

Для того чтобы пассивный симметричный четырёхполюсник был согласован на частоте п>-о)0, необходимо и достаточно, чтобы функция входной проводимости его собственного двухполюсника в режиме короткого замыкания была равна с точностью до коэффициента комплексно-сопряжённой величине функции входной проводимости в режиме холостого хода: У2 = к-Г,'.

При этом сумма квадратов действительной и мнимой частей входной проводимости в режиме холостого хода должна равняться обратной величине того же коэффициента:

в? +В,2 =1/* или^-У; =1/*, а сумма квадратов действительной и мнимой частей входной проводимости в режиме короткого замыкания должна равняться самому коэффициенту:

в1+В\=к или У2-У;=к.

Величину к определим как собственный коэффициент.

Показано, что приведённая теорема имеет четыре следствия:

Следствие /.Симметричный диссипативный четырёхполюсник (Яи =0) может быть согласован путём подбора его параметров при этом величина собственного коэффициента к лежит в пределах от 1 до бесконечности.

Следствие ¿.Реактивный (в^ = 0) симметричный четырёхполюсник с полным элементным базисом может быть согласован на требуемой частоте путём подбора его параметров, при этом величина собственного коэффициента к лежит в пределах от 0 до бесконечности.

Следствие 3. В случае согласованного диссипативно-реактивного симметричного четырёхполюсника при 1т 2 = В, 2 = 0 на частоте согласования, собственный коэффициент к лежит в интервале [0,1].

Следствие 4. Если у диссипативно - реактивного четырёхполюсника мнимые части входных проводимостей на частоте согласования отличны от нуля (1шУ12 (ооо) = В1,2 (со0) ф 0), то величина собственного коэффициента к всегда равна 1.

Полученные результаты позволили ввести неформальную классификацию симметричных четырёхполюсников с различным составом элементного базиса. Отметим, что согласование структурно-рассогласованных четырёхполюсников можно осуществить путём изменения топологии цепи с последующей оптимизацией параметров, т.е. путём проведения структурно-параметрического синтеза. Алгоритм этой процедуры заключается в таком топологическом изменении цепи, при котором к —* 1. Выполнение данного условия является критерием завершённости структурного синтеза по согласованию диссипативно-реактивного четырёхполюсника. При этом установлена связь между элементами матрицы рассеяния симметричного четырёхполюсника на частоте согласования (при Бц = 0) и входными проводимостями собственных двухполюсников в виде:

(* + 1)(1-|52,Г)

2*(1 + |52,Г) р

Эти соотношения позволили подробно исследовать пространство структур симметричных четырёхполюсников с различным составом элементного базиса.

В третьей главе диссертации с помощью метода крайних импедансов, предложенного в Главе 1, проведён структурный анализ несимметричных СВЧ цепей. Проведённый в данной главе структурный анализ обратимых линейных пассивных четырёхполюсников позволил обобщить теорему согласования на случай несимметричных цепей. Различие состоит в том, что она формулируется не через входные проводимости собственных двухполюсников, а через входные сопротивления в режимах холостого хода и короткого замыкания со стороны входа и выхода самого четырёхполюсника. Поэтому теорема согласования в общем случае несимметричных цепей в математической форме может быть записана следующим образом: необходимые условия

2 хх ) — 2'хх - к'(й(-/АГ|') - к 2Ю ,

достаточные условия

,Я'+Х1=к и (Я;? +(Х[)г +(Х'г)2 =к',

где входные сопротивления четырёхполюсника со стороны генератора в режимах короткого замыкания и холостого хода соответственно равны:

и = Я2+]Х2,

а со стороны нагрузки:

и 21хх=К11+}Х11.

Как следует из условий достаточности теоремы согласования, для несимметричного четырёхполюсника с полным составом элементного базиса, необходимо потребовать чтобы * = =1. Две части условий согласования несимметричного четырёхполюсника (к = 1 и = 1) означают, что необходимо рассматривать условия согласования по входу и выходу отдельно. Далее эти условия требуется объединить, чтобы обеспечить выполнение полного (двухстороннего) согласования несимметричного четырёхполюсника. Однако такая необходимость возникает не всегда. В зависимости от состава элементного базиса могут возникнуть условия, при которых достаточно рассмотреть согласование цепи только по одному полюсу, что существенно облегчает задачу синтеза параметров согласующей цепи. Вывод о том, какие цепи требуют двустороннего согласования, а какие нет, можно сделать после проведения анализа несимметричных цепей с различным составом элементного базиса. Поэтому в данной главе было проведёно исследование диссипа-тивных и реактивных несимметричных четырёхполюсников. Показано, что для диссипативных цепей условия согласования необходимо рассматривать по обоим полюсам четырёхполюсника. В случае вещественных граничных условий пределы изменения собственного коэффициента лежат от 1 до бесконечности (4 е (1,оо)). Для реактивных цепей эти условия достаточно рассмотреть по одному полюсу. Кроме того условия согласования для реактивной цепи записаны для различных граничных условий по референсной плос-

15

кости генератора и нагрузки - вещественных, комплексных и смешанных. В случае вещественных граничных условий пределы изменения собственного коэффициента лежат от 0 до бесконечности (к е [0,да)). В случае комплексных и смешанных граничных условий согласование реактивного четырёхполюсника возможно при: -> да, -> оо,

2 _ ¿«¿г ~ ^и^г 2' — ^и^г

(2Н+2Н)2Г (2,г + 2.г

Таким образом, четырехполюсники, обладающие структурой, удовлетворяющей приводимым условиям, соответствуют схемам с согласующе-трансформирующими свойствами. Поэтому данные формулы могут служить критерием при структурном синтезе реактивных согласующих цепей с комплексными граничными условиями.

В четвёртой главе диссертации разработана методика, основанная на полученных выше условиях согласования реактивного четырёхполюсника, и приведены результаты проектирования каскадного усилителя.

Задача согласования комплексного импеданса с вещественным может быть решена различными способами. Простейший из них это применение диаграммы Вольперта-Смита [25]. В [26, 27] для расчёта параметров цепей согласования предложены рекуррентные соотношения, которые легко программируются на вычислительной машине, кроме того, в [27] приводятся также табулированные значения расчётных параметров в зависимости от коэффициента трансформации и максимального коэффициента отражения. В отличие от упомянутых работ, в [28] предложены соотношения для расчёта параметров схем согласования, однако при их получении в согласующую цепь подключается дополнительное реактивное сопротивление, необходимое для компенсации мнимой части согласуемого комплексного импеданса. Кроме перечисленных методов определения параметров цепей согласования применяются системы автоматизированного проектирования [11, 12], которые позволяют с помощью алгоритмов многопараметрического поиска выбрать наилучшие параметры цепей согласования для фиксированной струк-

16

туры усилителя. Эффективность таких методов во многом зависит от корректного выбора схемы согласования, а также её начальных параметров, которые можно получить из аналитических или приближённых решений.

В настоящей Главе приведено практическое применение условий согласования реактивного несимметричного четырёхполюсника с комплексными граничными условиями для расчёта параметров согласующих цепей, полученное в Главе 3. Приведены расчётные соотношения для согласующих цепей различных типов - входных, выходных и межкаскадных с понижающим или повышающим коэффициентом трансформации. Несмотря на простоту исследуемых схем согласования, аналитические выражения для входящих в них элементов при произвольных значениях импедансов генератора и нагрузки в литературе до настоящего времени отсутствовали.

Применение полученных соотношений проиллюстрировано на примере проектирования каскадного СВЧ усилителя на полевом транзисторе с затвором Шоттки. Сопоставление теоретических результатов проектирования с результатами экспериментальных исследований показали их хорошее соответствие, что свидетельствует о корректности предложенной методики расчёта согласующих цепей. Разработанный каскадный СВЧ усилитель продемонстрировал хорошие технические характеристики (по коэффициентам усиления и шума, верхней границе линейности амплитудной характеристики и коэффициентам стоячей волны по входу и выходу) и был применён в дальнейшем при проектировании модулей СВЧ диапазона.

В пятой главе диссертации представлены результаты проектирования управляющих устройств СВЧ диапазона (выключателей, дискретных аттенюаторов и фазовращателей), выполненные на основе теоретических исследований, проведённых в Главах 1, 2. Отметим, что исследованию управляющих устройств уделялось значительное внимание в работах отечественных [4], [29 - 32] и зарубежных [16, 17] авторов.

Рассматриваемые в настоящем разделе управляющие устройства отличаются от известных оригинальными схемотехническими решениями, что

17

позволило решить ряд специфических проблем, возникающих при разработке СВЧ модулей, в частности, улучшить повторяемость и идентичность частотных характеристик модулей и уменьшить трудоёмкость их настройки, в том числе за счёт расширения полосы рабочих частот рассматриваемых устройств. Оригинальность технических решений подтверждена авторскими свидетельствами.

В частности, в настоящей главе проведено теоретическое и экспериментальное исследование схемы СВЧ выключателя в монолитно-интегральном исполнении ставшей впоследствии базовой при разработке различных управляющих МИС СВЧ. На схему выключателя получено авторское свидетельство. Значительно позднее, данная схема была успешно применена в работах ряда авторов [33 - 35] и последующих серийных разработках СВЧ изделий [36]. Данная схема выключателя в настоящее время рассматривается в качестве базовой при конструировании переключателей каналов [35, 36], коммутационных матриц [34], ограничителей мощности [33] и других управляющих СВЧ устройств, в которых необходимо обеспечить широкую полосу рабочих частот. Поэтому вопросы анализа и синтеза такого выключателя, исследование влияния конструктивно-технологических факторов на частотные характеристики и последующее экспериментальное исследование предложенного выключателя представляется весьма актуальным.

Проведённые исследования показали, что как потери запирания, так и потери пропускания предложенного выключателя определяются одной и той же системой параметров: и А^. Таким образом, при известной кри-

тической частоте полевого транзистора (Р*,,), уровне пульсаций (Ат„) и полосе пропускания (Рп), амплитудно-частотные характеристики выключателя являются полностью определёнными как в режиме пропускания, так и в режиме запирания. Разработана методика синтеза базового выключателя по предложенной системе параметров, с помощью которой был спроектирован выключатель с заданными характеристиками в режимах пропускания и запирания. Также проведёно исследование влияния потерь и конструктивных

18

факторов на поведение АЧХ выключателя с учётом параметров полной эквивалентной схемы транзистора. Это позволяет корректно предъявлять требования к качеству монтажа микросхемы в микрополосковый тракт и учитывать влияние конструктивных факторов на выбор граничной частоты полосы пропускания.

Кроме того, в настоящем разделе работы определены пути разработки и проектирования дискретных СВЧ аттенюаторов в монолитно-интегральном исполнении. Приводится анализ различных схемотехнических решений и определены наиболее перспективные на данный момент решения для различных диапазонов длин волн, включая миллиметровый. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование дискретных монолитно-интегральных СВЧ аттенюаторов, выполненных по П-образной схеме включения резистивной ячейки. Показано, что эффективное проектирование таких аттенюаторов даже в дециметровом диапазоне длин волн возможно лишь при использовании методов машинной оптимизации. С применением этих методов удалось установить наличие минимума и равенства КСВ в обоих состояниях отдельного дискрета аттенюатора, что обеспечивает корректное каскадирование разрядов аттенюаторов в многокаскадной структуре. На основании результатов Глав 1-2 получены простые соотношения, позволяющие осуществить выбор начального приближения для синтеза аттенюатора и оценить его амплитудно-частотные характеристики.

Выполнено теоретическое и экспериментальное исследование предложенных автором схем дискретных СВЧ фазовращателей. Показана возможность существенного расширения полосы рабочих частот для младших разрядов фазовращателей петлевого типа (ФПТ) путём введения короткозамк-нутого высокоомного шлейфа (более чем в 5 раз по сравнению со схемой традиционного ФПТ). Для разряда 180° также предложена схема широкополосного фазовращателя. Рассмотренное схемотехническое решение позволило обеспечить постоянство фазового сдвига в полосе рабочих частот более чем в 4.5 раза превышающей полосу фазовращателя, выполненного по тра-

19

диционной схеме ФПТ. На основе результатов Глав 1, 2 проведены теоретические исследования предложенных фазовращателей, установлены частотные зависимости фазовых ошибок оптимизированных по фазе фазовращателей, получены их амплитудно-частотные характеристики.

Результаты теоретических исследований предложенных управляющих устройств получили экспериментальное подтверждение, что свидетельствует не только о корректности приведённых схемотехнических решений, но и о корректности результатов теоретических исследований, проведённых в Главах 1 -2.

В шестой главе диссертации представлены результаты проектирования микрополосковых делителей мощности, выполненных на связанных линиях передачи. Задача деления мощности возникает в трактах распределения СВЧ энергии приёмо-передающих модулей, в частности, в цепях гетеродинов, антенных трактах и т.д. В качестве основного элемента деления, как в простых делителях, так и в многоканальных, часто применяется делитель мощности Вилкинсона. Несмотря на то, что данное устройство было предложено достаточно давно [37], различные модификации этого делителя до сих пор рассматриваются в литературе [38-41].

В настоящей Главе работы была проведена теоретическая и экспериментальная проверка результатов, полученных в главах 1, 3 для диссипатив-но-реактивных шестиполюсников, на примере делителей мощности на связанных линиях передачи двух модификаций: делителей со связью между каналами деления и делителей со связью внутри каналов деления.

Для обоих типов делителей предложена методика их расчёта и проектирования, а результаты теоретических исследований подтверждены экспериментально. Показано, что полоса рабочих частот одноступенчатых делителей на связанных линиях примерно на 10% меньше чем у делителей с уединёнными каналами деления. Следует отметить, что остальные частотные характеристики делителей на связанных линиях (потери, КСВ по входу и выходу) отличаются от традиционных несущественно. При этом с конструктивной

20

точки зрения делители на связанных линиях имеют некоторые преимущества. Так в случае делителей со связью внутри каналов деления существенно уменьшаются габариты схемы в поперечном направлении. В случае использования делителей со связью внутри каналов деления существенно сокращаются размеры микросхемы в продольном направлении, что позволяет добиться значительного уменьшения габаритов схем делителей при их каскадировании по сравнению с традиционными делителями Вилкинсона на уединённых линиях.

Для расширения полосы рабочих частот рассмотрена и подтверждена возможность применения каскадирования делителей на связанных линиях обоих типов. Предложена методика проектирования многокаскадных делителей на связанных линиях. Показано, что практическое проектирование подобных устройств необходимо осуществлять в двухмодовом режиме распространяющейся волны.

Сопоставление теоретических и экспериментальных результатов исследования частотных характеристик приведённых делителей мощности и их удовлетворительное совпадение показали корректность приводимых методик расчёта (Главы 1,3) и полученных соотношений для синтеза параметров делителей (настоящий раздел работы).

В седьмой главе диссертации приведены результаты разработки СВЧ модулей, выполненные на основе теоретического и экспериментального материала, полученного в предыдущих разделах диссертации. Из всего многообразия модулей, разработанных автором, в работу включены приборы, нашедшие применение в фазированных антенных решётках различного назначения и типа. Кроме того, в работе представлены два принципиально различных по технологическому исполнению типа модулей: модули СВЧ, разработанные по традиционной технологии гибридно-интегральных схем, и модули СВЧ, выполненные целиком по технологии многослойных печатных плат (МПГ1).

Приведённые параметры всех модулей полностью удовлетворяют тактико-техническим характеристикам радиолокационных станций различного назначения и приняты в качестве эталона при составлении технических условий для соответствующих серийных модулей.

Кроме того, проведено исследование уровней развязок в СВЧ модулях различного назначения, выполненных полностью на многослойной печатной плате, которое показало, что:

- в многоканальной коммутационной матрице развязки достигают значений более 80 дБ;

- в четырёхканальном приёмопередающем модуле уровни развязок между каналами составили более 40 дБ, что определяется качеством выполнения развязок по цепям смесителя и гетеродина, а также цепям питания.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что разработанные многоканальные модули СВЧ различного назначения, выполненные по технологии МПП, не уступают по характеристикам развязки своим аналогам, изготовленным по традиционной технологии гибридно-интегральных схем, а в случае коммутационных матричных модулей превосходят аналоги [42,43]. Результаты экспериментальных исследований основываются на современных методах измерения изложенных, например, в [44].

Представленные модули освоены в производстве и нашли свое применение в промышленности, о чём свидетельствуют соответствующие Акты о внедрении, приведённые в Приложении 7.

В Заключении к диссертации перечислены основные результаты, полученные в процессе её выполнения:

1. Обоснован, разработан и проверен аналитический метод расчёта элементов матрицы рассеяния пассивных линейных обратимых и несимметричных СВЧ четырёхполюсников при произвольных граничных условиях в референсных плоскостях генератора и нагрузки.

2.Показано, что метод крайних импедансов может быть распространён на расчёт многополюсных цепей с неполной симметрией. В качестве примера

22

показано применение данного метода для расчёта симметричных шестипо-люсных цепей.

З.Проведена модификация известного метода симметрично-несимметричного возбуждения на случай определения параметров цепи по заданным элементам матрицы рассеяния.

4.0пределены условия согласования и сформулирована теорема согласования для произвольного четырёхполюсника. Приведены следствия из теоремы согласования для цепей с различным составом элементного базиса. Дана классификация СВЧ четырёхполюсников по отношению к теореме согласования.

5. Проведен структурный анализ четырёхполюсников при различном составе элементного базиса: диссипативном, реактивном и диссипативно-реактивном при произвольных граничных условиях по референсным плоскостям генератора и нагрузки.

6.Предложена и реализована схема сверхширокополосного СВЧ выключателя в монолитно-интегральном исполнении. Разработана методика его проектирования, основанная на синтезе ФНЧ прототипов с учётом двух состояний выключателя (режимов пропускания и запирания). Полученные результаты получили экспериментальное подтверждение.

7. Разработаны широкополосные дискретные аттенюаторы П-образного типа в монолитно-интегральном исполнении. Разработаны методики их проектирования, проведены экспериментальные исследования амплитудно-частотных характеристик.

8.Предложены схемотехнические решения дискретных фазовращателей с постоянным фазовым сдвигом. Разработана методика проектирования таких фазовращателей, оптимальных по амплитуде и фазе, проведены экспериментальные исследования амплитудно- и фазочастотных характеристик, а также характеристик линейности амплитудной характеристики.

9.Разработаны аналитические методики расчёта цепей согласования для каскадных СВЧ усилителей и методики проектирования таких усилителей.

1 (^Предложены схемотехнические решения делителей мощности Вил-кинсона на связанных линиях передачи. Разработаны методики их расчёта и проектирования для однозвенных и многозвенных соединений.

11.Предложена методика проектирования твёрдотельных приёмных модулей аналоговой АФАР с идентичными по ансамблю модулей амплитудно- и фазочастотными характеристиками.

12.Разработана методика проектирования и предложена конструктивная реализация миниатюрных бортовых четырёхканальных приёмопередающих модулей цифровых АФАР с развязками между трактами более 40 дБ. Показана возможность применения технологии многослойных печатных плат для производства многоканальных приёмо-передающих модулей СВЧ диапазона на единой плате.

13.Разработана методика проектирования матричных коммутаторов на М входов и N выходов. Методика применена для проектирования матричного коммутатора 24 х 10, предназначенного для многофункциональной бортовой АФАР. На данном примере проектирования комплексированных изделий показана практическая возможность применения технологии многослойных печатных плат для создания коммутационных СВЧ модулей на единой плате, при этом развязки между каналами модуля составляют более 80 дБ.

Содержание диссертации отражено в основных работах: Л.1. Чижов А.И. Метод определения элементов матрицы рассеяния СВЧ - четырёхполюсников. - Антенны, 2007г., вып. 2 (117), с. 55 - 59. Л.2. Чижов А.И. Связь между параметрами СВЧ четырёхполюсника и элементами его матрицы рассеяния при комплексных сопротивлениях генератора и нагрузки. - Антенны, 2010г., вып.1, с. 55 - 59.

Л.З.Чижов А.И. Определение элементов матрицы рассеяния и условий согласования симметричных СВЧ шестиполюсников. - Антенны, 2009г., вып. 12, с. 52-59.

Л.4. Чижов А.И. Анализ и синтез симметричных диссипативно-реактивных четырёхполюсников. - Физика волновых процессов и радиотехнические системы, 2006г., Том 9, №1, с.58 - 64.

Л.5. Чижов А.И. Четырёхполюсники с парной симметрией и их приложение к расчёту параметров многокаскадных аттенюаторов. - Физика волновых процессов и радиотехнические системы, 2005г., Том 8, №3, с.63 - 68. Л.б.Чижов А.И. Анализ и синтез симметричных диссипативных четырёхполюсников. - Радиотехника, 2005г., №10, с.79-84. Л.7.Чижов А.И. Анализ и синтез симметричных реактивных четырёхполюсников. - Радиотехника, 2006г., №2, с.33-36.

Л. 8. Чижов А.И Анализ и синтез согласованных симметричных диссипатив-но-реактивных четырёхполюсников. - Радиотехника, 2007г., №2, с.48 - 51. Л.9. Чижов А.И. Метод анализа комплексного коэффициента передачи симметричных согласованных четырёхполюсников. - Радиотехника и электроника, 2007г., том 52, №4, с. 431 -436.

Л. 10. Чижов А.И. Определение элементов матрицы рассеяния и условий согласования несимметричных СВЧ четырёхполюсников. - Радиотехника и электроника, 2008г., том 53, №5, с. 580 - 583.

Л. 11.Чижов А.И. Классификация симметричных четырёхполюсников по отношению к теореме согласования и критерий структурного синтеза диссипативно-реактивных четырёхполюсников. - Физика волновых процессов и радиотехнические системы, 2007г., Том 10, №1, с. 47-52. Л.12.Чижов А.И. Структурный анализ несимметричных диссипативных СВЧ четырёхполюсников. — Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2008, Том 11, №2, с.74 - 81.

ЛЛЗ.Чижов А.И. Структурный анализ несимметричных реактивных СВЧ четырёхполюсников относительно условий согласования. - Физика волновых процессов и радиотехнические системы, 2009г., Том 12, №2, с.62 - 69. Л.14.Чижов А.И. Методика расчёта согласующих цепей сверхвысокочастотных усилителей. - Радиотехника и электроника. 2009г., том 54, №5, с. 584 -591.

JI. 15 .Чижов А.И. Матрица рассеяния оптимального по АЧХ и ФЧХ проходного реактивного фазовращателя. - Радиотехника, 1990, №3, с. 21 - 24. Л.16.Чижов А.И., Папашов С.А. Модификация делителя мощности Вилкин-сона.// Радиотехника и электроника. 2010., №5. Том 55. с.465 - 468. Л. 17. Авторское свидетельство №1311546. СССР. Выключатель СВЧ - сигналов.// Орлов О.С., Чижов А.И. - Заявка №3763710. Приоритет от 12.07.1984. Зарегистрировано от 15.01.1987. БИ, 1987г., №18, с. 229. Л. 18. Авторское свидетельство № 1238176.СССР. СВЧ - фазовращатель. // Чижов А.И., Орлов О.С. - заявка №3844733. Приоритет от 12.12.1984. Зарегистрировано 15.09.1986. БИ, 1986г., №22, с.242.

Л. 19. Авторское свидетельство № 1515222.СССР. Микрополосковый фазовращатель. // Чижов А.И., Орлов О.С. - заявка №436477/09. Приоритет от 08.12.1987. Зарегистрировано 15.10.1989. БИ, 1989г., №38, с.221. Л.20.Чижов А.И. Математические модели пассивных ЧИП-элементов СВЧ ГИС. - Научные труды ВУЗов Литовской ССР. «Радиоэлектроника», 1980г., №5.

Л.21. Чижов А.И., Быкадоров A.A. Модификация метода симметрично-несимметричного возбуждения и структурный анализ СВЧ четырёхполюсников. - Приволжский научный журнал. 2008, №3, с.51 - 57. Л.22. Орлов О.С., Чижов А.И., Фефелов А.Г., Прудовский В.И. Выключатели СВЧ на полевых транзисторах с затвором Шотгки. - Электронная техника. Сер.1. «Электроника СВЧ», 1986, в.З, с.50-54.

Л.23.Чижов А.И., Орлов О.С. Анализ и расчёт характеристик широкополосных дискретных фазовращателей. - Электронная техника. Сер. 1. «Электроника СВЧ», 1983, в.5, с. 13-16.

Л.24.Чижов А.И., Орлов О.С. Бушев В.В. Результаты анализа и проектирования широкополосных дискретных фазовращателей с параллельно включенным шлейфом. - Электронная техника. Сер.1. «Электроника СВЧ», 1983., в.6, с.3-5.

Л.25.Чижов А.И. Фазовый манипулятор 0-п оптимизированный по амплитуде и фазе. - Электронная техника. Сер.1. «Электроника СВЧ», 1987.,в.10, с.34-39.

Л.26.Чижов А.И., Байкова Л.В., Бушев В.В., Естюнин А.Н. Монолитно-интегральный СВЧ аттенюатор с плавной регулировкой вносимых ослаблений. - Электронная техника. Сер.1. «СВЧ - техника», 1992., в.5, с.27-30. Л.27. Чижов А.И. Дискретные СВЧ-аттенюаторы в монолитно-интегральном исполнении. - Электронная техника. Сер. «СВЧ — техника», вып. 2 (472), 1998 г., с.9-14.

Л.28.Серов В.М., Хлыбов В.И., Чижов А.И. Экспериментальное исследование характеристик электромагнитной совместимости монолитно-интегральных СВЧ- аттенюаторов. - Электронная техника. Сер.1. «СВЧ -техника», 1992., в.7, с.32-35.

Л.29. Чижов А.И. Определение элементов матрицы рассеяния несимметричных СВЧ четырёхполюсников. - В кн.: Материалы Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии ИСТ-2007», г.Нижний Новгород, 2007г., стр.71.

Л.ЗО.Чижов А.И. Расчёт симметричных СВЧ шестиполюсников. - В кн.: Материалы XV Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии ИСТ-2009», г.Нижний Новгород, 2009г., стр.66.

Л.31 .Чижов А.И. Определение параметров симметричных СВЧ четырёхполюсников по заданным элементам матрицы рассеяния. — В кн.: Труды VI

27

Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Казань, 2007г., с.220-221. Л.32.Чижов А.И. Проектирование межкаскадных цепей согласования и многокаскадных СВЧ усилителей. - В кн.: Материалы XV Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии ИСТ-2009», г.Нижний Новгород, 2009г., стр.65.

JI.3З.Орлов О.С., Раевский С.Б., Чижов А.И. Гибридно-монолитные фазовращатели на основе 111Ш. - В кн.: Тезисы докладов XI Всесоюзной научной конференции «Электроника СВЧ», г. Орджоникидзе, 1986г. Л.34.0рлов О.С., Раевский С.Б., Чижов А.И. Вопросы микроминиатюризации при создании ключевых устройств СВЧ в гибридно-интегральном и монолитном исполнении. - В кн.: Тезисы докладов XI Всесоюзной научной конференции «Электроника СВЧ», г. Орджоникидзе, 1986г. Л.35.Чижов А.И., Орлов О.С., Фефелов А.Г. СВЧ-аттенюаторы на полевых транзисторах с затвором Шотгки. - В кн.: Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники», г. Москва, 1988.

Л.Зб.Чижов А.И., Палашов С.А. Результаты разработки делителей мощности Вилкинсона на связанных линиях. - В кн. Материалы 20-ой Международной Крымской конференции «СВЧ техника и телекоммуникационные технологию), г. Севастополь: Вебер, 2010г., с.51-52.

Л.37. Доколин В.М, Крисламов Г.А., Чижов А.И. Особенности применения фазовращателей в приёмных трактах АФАР. - В кн.: Материалы 15-ой Международной Крымской конференции «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии», г.Севастополь: Вебер, 2005г., с. 141 - 142. Л.38. Анцев Г.В., Быкадоров A.A., Булатов A.A., Тупиков В.А., Шор Е.Д., Французов А.Д., Чижов А.И. Результаты разработки миниатюрных четырёх-канальных приёмо-передающих СВЧ модулей. - В кн.: Материалы 18-ой Международной Крымской конференции «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии», г. Севастополь: Вебер, 2008г., с.51-52.

28

Л.39.Чижов А.И. Проектирование приёмо-передающего СВЧ модуля на многослойной печатной плате. - В кн.: Материалы XV Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии ИСТ-2009», г.Нижний Новгород, 2009г., с.64.

JI.40. Чижов А.И. Экспериментальное исследование координатной матрицы на многослойной печатной плате. - В кн.: Материалы 20-ой Международной Крымской конференции «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии», г. Севастополь: Вебер, 2010г., с.51-52.

Литература

1.Активные фазированные антенные решётки./ Под ред. Д.И.Воскресенского и А.И.Канащенкова. - М.: Радиотехника, 2004. - 488 с.

2. Воскресенский Д.И., Степаненко В.И., Филлипов B.C., Грановская P.A. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование антенных решёток. / Под ред. Д.И. Воскресенского. - М.: Радиотехника, 2003г. - 629 с.З(5).Гостюхин B.JL, Трусов В.Н., Климачёв К.Г., Данич Ю.С. Активные фазированные антенные решётки./ Под ред. В.Л.Гостюхина. - М.: Радио и связь, 1993. - 272 с. 4.Электронные устройства СВЧ. Кн. 1./ Под ред. И.В.Лебедева. - М.: Радиотехника, 2008. - 352 с.

5. Авдоченко Б.И., Ильюшенко В.Н. Анализ влияния паразитных связей в конструкциях на характеристики широкополосных радиотехнических устройств. // Техника средств связи, 1988, Вып. 8, с. 68-77.

6.Сверхширокополосные микроволновые устройства. / Под ред. А. П. Кре-ницкого и В. П. Мещанова. - М.: Радио и связь, 2001г. - 557 с.

7.Неганов В.А., Яровой Г.П. Теория и применение устройств СВЧ. - М.: Радио и связь, 2006г. - 720 с.

8. Чуа Л.О., Пен-Мин Лин. Машинный анализ электронных схем (алгоритмы и вычислительные методы). - М., Энергия, 1980г. - 640 с.

9. Nishino Т., Itoh Т. Evolutionary generation of microwave line-segmtnt circuits by genetic algorithms.// IEEE Trans, on MTT, v.50,2002, №9, pp.2048 - 2055.

10. Hussein Y.A., El-Ghazaly S.M. Modeling and optimization of microwave devices and circuits using genetic algorithms.// IEEE Trans, on MTT, v.52, 2004, №1, pp.329-335.

11. Демидов B.M., Корчажкина O.M. Проектирование широкополосных со-гласукнце-трансформирующих цепей с помощью ЭВМ/ Под ред. В.М. Бога-чёва. - М.: Изд. МЭИ, 1982. -100 с.

12.Разевиг В.Д., Потапов Ю.В., Курушин А.А. Проектирование СВЧ устройств с помощью Microwave Office. - М., COJIOH-Пресс, 2003г. - 492 с.

13.Сазонов Д. М., Гридин А. Н., Мишустин Б. А. Устройства СВЧ./Под ред. Сазонова Д. М. - М.: Высшая школа, 1981г. - 295 с.

М.Силаев М.А., Брянцев С.Ф. Приложение матриц и графов к анализу СВЧ устройств. — М., «Радио и связь», 1969г. - 248 с.

15.Фельдпггейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырёхполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. - М., Связь, 1965г. - 352 с.

16.Альтман Дж. Устройства СВЧ. - М., Мир, 1968 - 484 с.

17.Хелзайн Дж. Пассивные и активные цепи СВЧ. -М., Радио и связь, 1981 -200 с.

18. Воинов Б.С. Широко-диапазонные колебательные системы СВЧ. - М.: Сов. радио, 1973.

19. Стронгин Р.Г. Численные методы в многоэкстремальных задачах. - М., Наука, 1978г.-239 с.

20.Малорацкий Л.Г. Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ. -М.: Сов. радио, 1976г. -216 с.

21. Montgomery C.G., Dicke R.H., Purcell Е.М. Principles of microwave circuits. - New York: McGraw Hill, 1948.

22. Балабанян Н.Синтез электрических цепей. — М.-Л., Госэнергоиздат, 1961г. -416с.

23.Боде Г. Теория цепей и проектирование усилителей СВЧ с обратной связью. - М., Иностранная литература, 1948г., - 642 с.

24.Будурис Ж., Шеневье П. Цепи сверхвысоких частот (теория и применение). - М.: Сов. радио, 1979 г. - 288 с.

25. Семёнов К.А. Анализ линейных электрических цепей методом круговых диаграмм. - JL: Энергия, 1979. - 112 с.

26. Каганов В.И. СВЧ полупроводниковые передатчики. - М.: Радио и связь, 1981.-400 с.

27.Богачёв В.М., Никифоров В.В. Транзисторные усилители мощности. - М.: Энергия, 1978.- 344 с.

28. Шварц Н.З. Усилители СВЧ на полевых транзисторах. - М.: Радио и связь, 1987. - 200 с.

29. Дзехцер Г. Б., Орлов О. С. P-I-N диоды в широкополосных устройствах СВЧ. - М.: Сов. радио, 1970г. - 200 с.

30.Хижа Г.С., Вендик И.Б., Серебрякова Е.И. СВЧ фазовращатели и переключатели: Особенности создания на p-i-n-диодах в интегральном исполнении. - М.: Радио и связь, 1984. - 184 с.

31.СВЧ устройства на полупроводниковых диодах. Проектирование и расчёт/ Под ред. И.В. Мальского, Б.В. Сестрорецкого. - М.: Сов. радио, 1969г.

32.Вайсблат A.B. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах. - М.: Радио и связь, 1987. - 120 с.

33.Лазунин Ю.А., Фефелов А.Г. Монолитный СВЧ ограничитель мощности.// Радиотехника, 1990, №11, с. 14 - 16.

34.Сундучков К.С., Туменюк A.B., Мельник Е.А. Базовый элемент монолитного СВЧ-переключателя на GaAs полевых транзисторах.// Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ, 1991, в.З, с. 17 - 27.

35.Богданов Ю.М. и др. Монолитный двухпозиционный переключатель для диапазона частот 0.5 ... 18 ГГц, согласованный по всем каналам.//Электронная техника. Сер. СВЧ техника, 2007, в.1, с.ЗЗ - 37.

36. Темнов А.М. и др. Комплект унифицированных МИС СВЧ для многоканальных приёмопередающих модулей АФАР Х-диапазона.// Электронная техника. Сер. СВЧ техника, 2009, в.2, с.31 - 44.

31

37.Wilkinson E.J. An N-way hybrid power divider.// IRE Trans. Microwave Theory and Techniques, vol. MTT-8, №1,1960, P. 116 - 118.

38. Cohn S.B. A class of broadband three-port TEM-mode hybrids.// IEEE Trans, on MTT, vol. MTT-16, №2,1968, P.l 10 - 116.

39. Scardelletti M.C., Ponchak G.E., Weller T.M. Miniaturized Wilkinson power dividers utilizing capacitive loading.// IEEE microwave and wireless components letters, vol. 12, №1,2002, P. 6 - 8.

40.Кузовкин И.Н., Петров A.C., Смирнова E.B. Управление характеристиками СВЧ-делителей мощности, реализованных на четвертьволновых отрезках линии передачи.// Радиотехника, №12,2006, с. 71 - 75.

41.Калина В.Г. Компактные Е- и Н-мосты и делители с планарным сжатым кольцом. Часть I. Конструкции мостов. // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ, вып. 5(365), 1984, с. 19 - 28.

42.Петров А.С. Проектирование многомерных СВЧ коммутационных матриц.// Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ. Вып.4(16), 1996, с. 87 - 93.

43.Daneshmand М., Mansour R.R., Mousavi P., Choi S., Yassini В., Zubura A., Yu M. Integrated interconnect networks for RF switch matrix applications.// IEEE Trans, on MTT, vol. MTT-53, №1, 2005.P.12-21.

44.Кудрявцев A.M., Мальтер И.Г., Львов A.E., Павловский О.Л., Шумилов В.А., Щитов А.М. Радиоизмерительная аппаратура СВЧ и КВЧ. - М., Радиотехника, 2006г. - 206 с.

Подписано в печать 28.02.11. Формат 60 х 84 '/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ 194.

Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева. Типография НГТУ. 603950, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

НАУЧНО ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ

«САЛЮТ-27»

На правах рукописи

05201100386 Чижов Александр Иванович

АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ РАСЧЁТА И СТРУКТУРНОГО АНАЛИЗА СВЧ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ ЦЕПЕЙ

Специальность 05.12.07 — Антенны, СВЧ устройства и их технологии

Диссертация

на соискание учёной степени доктора технических наук

Научный консультант: д.ф.-м.н., профессор Раевский A.C.

Нижний Новгород - 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................7

ГЛАВА 1. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ РАСЧЁТА СВЧ ЦЕПЕЙ

Введение..............................................................................31

1.1. Метод расчёта несимметричных четырёхполюсников.....................33

1.1.1 Обоснование и разработка метода..............................................33

1.1.2 Элементы матрицы рассеяния четырёхполюсников с различной структурой...........................................................................36

1.1.3 Проверка метода...................................................................38

1.1.4 Случай комплексных граничных условий....................................43

1.2. Методы расчёта симметричных цепей........................................45

1.2.1. Классический метод симметрично-несимметричного возбуждения....45

1.2.2. Модификация метода симметрично-несимметричного возбуждения...47

1.2.3. Симметричные каскадные четырёхполюсники..............................48

1.3. Определение элементов матрицы рассеяния и условий согласования симметричных СВЧ шестиполюсников.......................................57

1.3.1. Постановка задачи.................................................................57

1.3.2. Элементы матрицы рассеяния и условия согласования...................59

Заключение.........................................................................61

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ СИММЕТРИЧНЫХ СВЧ ЧЕТЫРЁХПОЛЮСНИКОВ ПО ОТНОШЕНИЮ К УСЛОВИЯМ СОГЛАСОВАНИЯ

Введение............................................................................62

2.1. Формулировка теоремы согласования.......................................63

2.2. Анализ симметричных четырёхполюсников с различным составом элементного базиса........................................................................66

2.2.1. Диссипативные четырёхполюсники...........................................66

2.2.2. Реактивные симметричные четырёхполюсники.............................73

2.2.3. Диссипативно-реактивные четырёхполюсники.............................78

2.3. Следствия теоремы согласования..............................................84

Заключение.........................................................................93

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ СОГЛАСОВАНИЯ НЕСИММЕТРИЧНЫХ СВЧ ЧЕТЫРЁХПОЛЮСНИКОВ

Введение.............................................................................94

3.1. Формулировка теоремы согласования несимметричных цепей..........95

3.2. Диссипативные несимметричные четырёхполюсники.....................98

3.3. Реактивные несимметричные четырёхполюсники........................109

3.3.1.Вещественные граничные условия.............................................109

3.3.2.Комплексные граничные условия.............................................116

Заключение........................................................................122

ГЛАВА 4. РАСЧЁТ ЦЕПЕЙ СОГЛАСОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ КАСКАДНЫХ СВЧ УСИЛИТЕЛЕЙ

Введение............................................................................123

4.1. Расчёт параметров согласующих цепей......................................124

4.2. Проектирование каскадного СВЧ усилителя................................134

Заключение........................................................................139

ГЛАВА 5. УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ АМПЛИТУДОЙ И ФАЗОЙ

Введение............................................................................140

5.1. СВЧ выключатели в монолитно-интегральном исполнении............141

з

5.2. СВЧ аттенюаторы в монолитно-интегральном исполнении.............161

5.2.1. Рекомендации по выбору схемотехнического решения дискретного аттенюатора в монолитно-интегральном исполнении............................161

5.2.2. Результаты проектирования и экспериментальных исследований дискретных аттенюаторов на сосредоточенных элементах.....................167

5.3. Широкополосные дискретные фазовращатели.............................173

Заключение........................................................................186

ГЛАВА 6. ПАССИВНЫЕ ДЕЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ НА СВЯЗАННЫХ ОТРЕЗКАХ ДЛИННЫХ ЛИНИЙ

Введение............................................................................189

6.1. Модификация делителя мощности Вилкинсона со связью между каналами деления........................................................................190

6.2. Расширение полосы пропускания модифицированного делителя мощности...................................................................................197

6.3. Делитель мощности со связью внутри каналов деления..................207

Заключение........................................................................219

ГЛАВА 7. РЕЗУЛЬТАТЫ РАЗРАБОТКИ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ МОДУЛЕЙ СВЧ ДИАПАЗОНА

Введение............................................................................221

7.1. Приёмные модули трёхлучевой РЛС с ФАР в гибридно-интегральном исполнении.................................................................................222

7.1.1. Модуль первичного приёмного канала.......................................223

7.1.2. Модуль ППК подавления боковых лепестков..............................233

7.1.3. Модуль вторичного приёмного канала.....................................236

7.2. СВЧ модули на многослойных печатных платах.........................243

7.2.1. Общие вопросы применения технологии многослойных печатных плат для модулей СВЧ........................................................................243

7.2.2. Коммутационная матрица координатного типа на многослойной печатной плате............................................................................245

7.2.3. Четырёхканальный приёмопередающий СВЧ модуль на многослойной печатной плате............................................................................256

Заключение........................................................................262

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................263

ЛИТЕРАТУРА.........................................................................266

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. Выражение элементов матрицы рассеяния через входные сопротивления несимметричного четырёхполюсника при вещественных граничных условиях...................................................................286

Приложение 2. Определение элементов матрицы рассеяния несимметричного

четырёхполюсника при комплексных граничных условиях...................288

Приложение 3. Определение параметров диссипативных четырёхполюсников

на примере простейших цепей........................................................291

Приложение 4. Определение параметров реактивных четырёхполюсников

на примере простейших цепей.........77.......................77.............7™. ..294~~

Приложение 5.Определение параметров диссипативно-реактивных

четырёхполюсников на примере простейших цепей.............................296

Приложение б.Расчёт параметров эквивалентной схемы полевого транзистора с затвором Шоттки в ключевом режиме............................298

Приложение 7. Документы, подтверждающие факт внедрения результатов диссертационной работы...............................................................302

ВВЕДЕНИЕ

Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию СВЧ цепей в зависимости от их структурных особенностей, а также практическому внедрению полученных результатов в промышленность. Предложенные в работе методики и соотношения позволяют установить взаимосвязи, существующие между элементами матрицы рассеяния СВЧ'цепей с произвольной схемой соединения входящих в них элементов и собственными параметрами цепей. При этом элементный базис может быть также произвольным, а .граничные условия на референсных плоскостях генератора

и нагрузки комплексными, причём в общем случае Хг Такая, достаточно общая постановка задачи, позволила провести структурный анализ СВЧ цепей, результатом которого стали формулировка теоремы согласования четырёхполюсников и критериев структурного синтеза по условиям согласования, а также проведение классификации СВЧ четырёхполюсников по отношению к теореме согласования. Это в свою очередь позволило предложить ряд новых схемотехнических решений, на базе которых были разработаны основные узлы и модули СВЧ устройств отвечающие современным требованиям к тактико-техническим характеристикам различных радиотехнических систем сверхвысокочастотного диапазона волн.

Актуальность темы

В настоящее время в системах радиолокации, навигации и связи как наземного, так и воздушного базирования находят всё более широкое применение активные фазированные антенные решётки (АФАР) [1, 2]. Их использование позволяет существенно повысить надёжность и эффективность перечисленных сйстемГв" целом. Сущёствует^нёсколько варйантов схем построения ячеек АФАР в зависимости от тактико-технических требований к системе [3 - 5]. В представленной работе рассмотрены варианты реализации многоканальных модулей в виде отдельных герметичных СВЧ блоков для приё-

мо-передающих каналов как традиционного построения (с аналоговой обработкой СВЧ сигнала), так и цифровых АФАР. Очевидно, что характеристики этих модулей будут определять практически все основные параметры РЛС. В частности, выходная мощность передающего канала, коэффициент шума приёмного канала, а также верхняя граница линейности амплитудной характеристики (ВГЛАХ) приёмопередающих трактов в совокупности с точностью и идентичностью поддержания фазового сдвига по всем каналам определяют предельные возможности системы по дальности действия и точности определения координат объекта наблюдения.

Кроме того, для многоканальных комплексированных систем важную роль играют характеристики развязок между каналами приёмопередающих модулей [1], [6-8]. Удовлетворительные параметры по развязкам между каналами особенно сложно получить при весьма ограниченных геометрических размерах прибора, что характерно для бортовой радиоэлектронной аппаратуры. Отдельно следует упомянуть о системах коммутации антенн многофункциональных АФАР, которые формируют информационные потоки радиолокации, опознавания, связи и навигации от своих антенн до соответствующих каналов обработки. Такие матричные коммутаторы при небольших массогабаритных показателях должны обеспечивать развязки между коммутируемыми каналами не менее 80 дБ при размерности матрицы МхЛГ, где

- число входов и выходов соответственно.

В силу сказанного разработка узлов и модулей с перечисленными особенностями представляет собой нетривиальную проблему, решение которой лежит в плоскости не только совершенствования известных схемотехнических решений, но и разработки принципиально новых, использующих возможности технологий, монолитно-интегральных схем и многослойных печатных плат с непосредственным применением последних в области-сверх--высоких частот. Здесь следует сказать, что поиск новых схемотехнических решений является задачей, которую решает структурный синтез цепей. Как отмечалось в [9 - 13] проблема структурного синтеза цепей в общем виде

практически не формализуется. Поэтому при поиске новых схемотехнических решений применяются, как правило, эвристические подходы, основанные на знании и опыте разработчика СВЧ схем. Тем не менее, в настоящее время делаются активные попытки, создания алгоритмов*; структурно-параметрического синтеза, о чём свидетельствует болыпое число публикаций посвященных; этому вопросу [13— 17]! В; основе;этих алгоритмов^лежат различные варианты алгоритмов перебора', с последующей? многопараметрической оптимизацией? полученной- каждой новой; структуры по заданным, параметрам частотной характеристики. Однако систематизированного анализа пространства структур СВЧ цепей, позволяющего априорно' определить целесообразность проведения многопараметрической» оптимизации каждой« новой' структуры при полном или ограниченном^ элементном? базисе, эти алгоритмы не содержат. Связано такое; положение, по-видимому, с отсутствием разработанных аналитических методик, позволяющих решить поставленную задачу.

Разработка; таких методик и проведение дальнейшего структурного анализа СВЧ? цепей на их основе представляется- весьма актуальной проблемой. Объясняется это тем, что такие методики позволяют не только решать практические задачи проектирования широкого круга устройств СВЧ техники, применяемых в модулях АФАР' (усилителей различного типа,, генераторов, делителей мощности, фазовращателей, переключателей и т.д.), но и стать основой для дальнейшего развития теории струкгурно-иараметрического синтеза СВЧ цепей.

Цель диссертации

Разработка и практическая реализация оригинальных схемотехнических решений основных узлов и модулей современных многоканальных АФАР на основе предложенных аналитических*методов расчёта игрезульта— тов структурного анализа СВЧ цепей.

Задачи, решаемые в диссертации:

1. Обоснование, разработка и проверка аналитического метода расчёта элементов матрицы рассеяния пассивных линейных обратимых и несимметричных СВЧ четырёхполюсников при произвольных граничных условиях в референсных плоскостях генератора и нагрузки.

2. Постановка задачи и проведение структурного анализа пространства СВЧ четырёхполюсников с произвольным элементным базисом и граничными условиями. Формулировка критериев согласования и классификация цепей по отношению к выполнению критериев согласования.

3. Обобщение предложенного метода расчёта СВЧ четырёхполюсников на симметричные шестиполюсные цепи и проведение структурного анализа таких цепей при произвольном элементном базисе.

4. Разработка критичных узлов АФАР (усилителей, управляющих устройств, делителей мощности): обоснование и выбор схемотехнических решений, определение оптимальных характеристик, практическая реализация и результаты экспериментальных исследований.

5. Реализация многоканальных СВЧ модулей АФАР на основе разработанных узлов, результаты расчёта и экспериментальной проверки модулей аналоговых и цифровых АФАР.

Научная новизна

- Предложен и разработан метод определения элементов матрицы рассеяния по параметрам эквивалентной схемы произвольного (несимметричного, симметричного, антиметричного) СВЧ четырёхполюсника при комплексных граничных условиях. Применение метода продемонстрировано на ряде примеров.

- Показано, что предложенный метод может быть распространён на случай многополюсных цепей с частичной симметрией, что иллюстрировано применением метода для расчёта параметров шестиполюсных цепей.

- Проведена модификация метода симметрично-несимметричного возбуждения на случай определения параметров цепи по заданным элементам матрицы рассеяния:

- Определены условия согласования и сформулирована теорема согласования для произвольного четырёхполюсника. Приведены следствия из теоремы согласования для цепей с различным составом элементного базиса. Дана классификация СВЧ четырёхполюсников по отношению к теореме согласования!

- Проведён структурный анализ четырёхполюсников при различном составе элементного базиса: диссипативном, реактивном и диссипативно-реактивном для произвольных граничных условий по референсным плоскостям генератора и нагрузки;

- Предложена и реализована схема сверхширокополосного СВЧ выключателя в монолитно-интегральном исполнении. Разработана методика его проектирования, основанная на синтезе ФНЧ прототипов с учётом двух состояний выключателя (режимов пропускания и запирания).

- Разработаны широкополосные дискретные аттенюаторы П-образного типа в монолитно-интегральном исполнении. Предложены методики их проектирования, проведены экспериментальные исследования амплитудно-частотных характеристик.

- Предложены схемотехнические решения дискретных фазовращателей с постоянным фазовым сдвигом. Разработана методика проектирования оптимальных петлевых фазовращателей по фазе, проведены экспериментальные исследования амплитудно- и фазочастотных характеристик,

- Разработаны аналитические методики расчёта цепей согласования (входных, выходных и межкаскадных) для каскадных СВЧ усилителей и методики проектирования таких усилителей;

- Предложены схемотехнические решения делителей мощности Вил-кинсона на связанных линиях передачи. Разработаны методики их расчёта и проектирования для однозвенных и многозвенных соединений.

- Предложена методика проектирования твёрдотельных приёмных модулей аналоговой АФАР с идентичными по ансамблю модулей амплитудно-и фазочастотными характеристиками)

- Разработана методика проектирования миниатюрных бортовых четы-рёхканальных приёмо-передающих модулей цифровых АФАР с развязками между трактами более 40 дБ. Показана возможность применения технологии многослойных печатных плат для производства многоканальных приёмопередающих модулей СВЧ диапазона на единой плате;'

- Разработана методика проектирования матричных коммутаторов на М входов и N выходов. Методика применена для проектирования матричного коммутатора 24 х 10, предназначенного для многофункциональной АФАР. На данном примере проектирования комплексированных изделий показана практическая возможность применения технологии многослойных печатных плат для создания коммутационных СВЧ модулей на единой подложке, при этом развязки между каналами модуля составляют более 80 дБ.

Практическая ценность

Результаты проведённых теоретических исследований позволили предложить ряд новых схемотехнических решений защищённых авторскими свидетельствами, создать методики расчёта СВЧ узлов и модулей, а также внедрить разработанные приборы в совреме