автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.05, диссертация на тему:Численные методы расчета электромагнитных полей в задачах анализа и синтеза частотно-избирательных систем

На правах рукописи

Вишняков Сергей Викторович

Численные методы расчета электромагнитных полей в задачах анализа и синтеза частотно-избирательных систем

Специальность 05.09.05 - "Теоретическая электротехника"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

\ Москва - 2005

Работа выполнена на кафедре Электрофизики Московского энергетического института (технического университета) Научный руководитель

- кандидат технических наук,

доцент Геворкян Владимир Мушегович Официальные оппоненты:

- доктор технических наук,

профессор Алексейчик Леонард Валентинович

- кандидат технических наук,

зав. кафедрой Лунин Валерий Павлович Ведущая организация - ОАО «КБ «Луч», г. Рыбинск, Ярославская обл.

Защита состоится 27 мая 2005 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.157.13 при Московском энергетическом институте по присуждению ученой степени кандидата технических наук (111250, Москва, ул. Красноказарменная, 14, ауд. 3-505).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета)

Отзыв в двух экземплярах, заверенный печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, 14, Ученый совет МЭИ (ТУ)

Автореферат разослан 2005 г

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.157.13 кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы работы определяется высоким интересом к применению численных методов расчета электромагнитных полей Относительно сложным и перспективным с практической ючки зрения является применение численных методов для внутренних и внешних электродинамических задач в резонансной области для систем со сложной геометрией. Основной проблемой при решении подобных задач, как правило, является создание адаптивной расчетной модели, обеспечивающей требуемую точность решения при минимизации вычислительных затрат. Наиболее выражена эта проблема в задаче численною синтеза современных частотно-избирательных систем (ЧИС), прежде всего, монолитных фильтров (МФ), характерными чертами которых являются' совмещение объемных диэлектрических резонаторов (выполняемых на основе высокодобротных высокочастотных керамик с величиной относительной диэлектрической проницаемости гг >30) и планарных элементов; наличие большого числа настроечных и крепежных элементов Необходимо подчеркнуть, что постановка задачи синтеза подразумевает необходимость разработки высокоэффективных методов построения расчетных моделей при многообразных вариациях геометрии конструкции.

Цель работы и задачи исследования заключаются в совершенствовании извесшых численных методов расчета электромагнитных полей и разработка эффективных алгоритмов создания адаптивных расчетных моделей для внутренних задач электродинамики в резонансной области при сложной конфигурации границ раздела сред. Разработка алгоритмов и программного обеспечения численного проектирования перспективных частотно-избирательных систем СВЧ диапазона

Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи:

1. Выбор численного метода и концепции адаптации расчетной модели;

2. Разработка эффективного метода адаптации расчетной модели с учетом особенностей поставленной задачи;

3. Проверка (тестирование) разработанного метода на задач геории поля, имеющих аналитическое решение;

4. Разработка на базе предложенного метода создания адаптивной расчетной модели методик проектирования для конкретного класса ЧИС (монолитные фильтры, ЧИС на основе диэлектрических резонаторов (ДР);

5 Экспериментальное подтверждение результатов численного проектирования.

Методы исследования. При решении поставленных задач применяются методы системного анализа, аналитические и численные методы теории поля, методы цифровой обработки многомерных сигналов, методы объектно-

(мс мяимиым! | кШМТШ I

ориентированного программирования, методы теории цепей с сосредоточенными и распределенными параметрами

Научная новизна. Автор видит научную новизну в применении теории цифровой обработки многомерных сигналов к созданию адаптивного конечно-элементного и конечноразностного разбиений при адаптации расчетной модели по границам раздела сред, что позволило полностью автоматизировать процесс создания расчетных моделей для задач теории электромагнитного поля при высокой сложности геометрии и достичь высокой точности решения при пониженных требованиях к вычислительным ресурсам ЭВМ, по сравнению с известными методами создания адаптивных разбиений

К новым результатам можно также отнести:

- разработанную методику численного проектирования монолитных СВЧ фильтров, ориентированную на использование предложенного метода создания адаптивного конечно-элементного разбиения и расчет собственных частот электродинамической системы, позволяющую существенно повысить оперативность проектирования МФ;

- разработанную методику численного синтеза колебательной системы автогенератора на основе ДР, основанную на предложенном методе создания адаптивного конечно-элементного разбиения, позволившую существенно ускорить и удешевить процесс проектирования генераторов миллиме грового диапазона длин волн.

Практическая ценность работы связана с повышением эффективности применения численных методов к расчету сложных электродинамических резонансных систем, в том числе с разработкой методик автоматизированного чистенного проектирования ЧИС на основе монолитных фильтров и диэаектрических резонаторов для коммерческой и специальной аппаратуры Применение предложенного метода создания адаптивного конечноразностного или конечно-элементного разбиения позволило существенно (на порядок) уменьшить временные и финансовые затраты на проектирование указанных ЧИС за счет исключения многократной экспериментальной отработки, позволило разработать ряд перспективных предложений по модернизации конструкций МФ и ЧИС на основе ДР.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанное программное обеспечение, реализующее предложенный метод создания адаптивного конечноразностного или конечно-элементного разбиения и импорт разбиения в коммерческие программные продукты (А\ТЯУ5). зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ и применялось при выполнении хозрасчетных НИР по заказу ОАО «КБ «Луч» (г Рыбинск Ярославской области), шифр работы «Типчак-С1», ФГУП «ОКБ МЭИ» (г Москва), шифр работы «Фильтр» и госбюджетных работ по заказу Министерства науки и образования РФ, Министерства обороны РФ Программное обеспечение, реализующее методику численного проектирования МФ, внедрено в производство в ОАО «КБ «Луч» Разработаны и внедрены в производство на ОАО «КБ «Луч» (для-изделия «Типчак») и ФГУП «ОКБ МЭИ» (для модуля

«Спектр -Р») конструкции восьми типономиналов МФ. Разработан и внедрен в производство на ОАО «КБ «Луч» генератор миллиметрового диапазона длин волн (шифр НИР «МилРОН»),

Апробация работы. Научные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: VII, IX и X международных конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2001, 2003, 2004 гг.); международных конференциях «Информационные средства и технологии» (Москва, 2001, 2002, 2003, 2004 гг.); конференции "Излучение и рассеяние электромагнитных волн" (Таганрог, 2001 г), IV международной конференции и выставке DSPA-2002 (Москва, 2002 г.); IX Всероссийской межвузовской научно-техническая конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2002" (Москва, 2002 г., диплом за лучший доклад по секции «Телекоммуникации и связь»); VII Российская научно-техническая конференция по электромагнитной совместимости "ЭМС-2002" (С -Петербург, 2002 г.); IV международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика - 2002" (Москва, 2002 г.)

Публикации По теме диссертационной работы опубликовано 20 печатных работ (в том числе, 2 зарегистрированных программы для ЭВМ, 2 патента на полезную модель, 1 патент на изобретение). Основное содержание диссертации отражено в 7 публикациях.

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 101 наименования Основная часть работы изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит 66 рисунков, 14 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируется цель, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, дается краткое содержание глав работы

Первая глава посвящена обзору проблем численного проектирования ЧИС СВЧ диапазона. Рассмотрены наиболее перспективные конструкции ЧИС, прежде всего монолитные фильтры (МФ) и ЧИС на основе диэлектрических резонаторов (ДР). С точки зрения применения численных методов наибольшую проблему представляет создание расчетных моделей таких ЧИС (особенно МФ) ввиду следующих особенностей: совмещение объемных диэлектрических резонаторов на основе СВЧ керамик с высокой (более 30) относительной диэлектрической проницаемостью и пленарных элементов (прежде всего -микрополосковых); наличие большого числа разноразмерных крепежных и настроечных элементов. Кроме того, постановка задачи синтеза требует проведения мноюкратных расчетов при различных вариациях конструкции ЧИС, что приводит к необходимости автоматизировать процесс создания расчетных моделей.

Рассмотрены различные численные меюды (на основе составления интегральных уравнений, конечноразностной аппроксимации уравнений поля, метод конечных элементов) и их про1раммные реализации. Анализ возможностей современного профессионального программного обеспечения показал перспективность применения метода конечных элементов (программная реализация - комплекс АКБУБ) при решении задач анализа и синтеза указанных ЧИС.

Принципиальное значение имеет выбор метода адаптации расчетной модели (конечно-элементного разбиения), обеспечивающего требуемую на практике точность при минимальных требованиях к вычислительным ресурсам

Применяемые методы адаптации можно разделить на две группы:

1 Адаптация по результатам предварительного расчета поля;

2 Адаптация по границам раздела сред.

Для первой группы методов разбиение будет более густым в областях с резким изменением поля, что обеспечит наилучшую точность решения На практике такие методы заключаются в итерационном решении задачи со сгущением сетки в областях резких изменений напряженности поля на каждом итеративном шаге Сходимость процесса адаптации в тестовых задачах, имеющих аналитическое решение, можно оценить, используя среднеквадратичное или максимальное отклонение напряженности поля, энергию поля, резонансную частоту и т д. При решении практических задач остается применять какой-либо критерий сходимости - по резонансной частоте, энергии поля, элементам матрицы рассеяния фильтра.

Очевидным недостатком методов первой группы является необходимость построения разбиения и, соответственно, многократного решения задачи при различных конфигурациях источников поля. Особенно сильно указанный недостаток проявляется при расчете резонансных систем. Например, в л-звенном фильтре в полосе пропускания наблюдается п резонансов, картины поля для которых существенно отличаются. Анализ АЧХ такой структуры требует построения адаптивного разбиения для каждой частотной точки, что приводит к чрезмерному возрастанию времени счета. Очевидна и трудность, связанная с вычислением собственных частот системы собственные значения для матрицы дифференциального оператора (или полного функционала) системы должны вычисляться совместно, для единственной матрицы. Но распределения полей, соответствующие собственным векторам матрицы, существенно отличаются друг от друга, поэтому вопрос адаптации разбиения теряет первоначальную очевидность.

Кроме того, в задачах синтеза указанные методы не позволяют применять единожды построенное разбиение для расчета различных структур, поскольку небольшие изменения в топологии устройства приводят к существенному изменению как распределения поля, так и интегральных параметров синтезируемого устройства. Например, небольшое изменение размеров одного из резонаторов приводит к расстройке фильтра, искажению всех резонансных картин поля и частотной характеристики.

Вторая группа методов адаптации расчетной модели основывается на предположении, что наибольшие изменения поле претерпевает вблизи границ раздела сред (границ диэтектрик-диэлектрик и диэлектрик-проводник) Тогда, задаваясь некоторым минимальным шагом дискретизации на границах раздела сред, можно построить разбиение, плавно разрежающееся в направлении свободного пространства. В задаче синтеза монолитных фильтров такой способ адаптации разбиения кажется более продуктивным, поскольку именно вблизи металлических планарных элементов, расположенных на поверхности диэлектрика, ожидается наибольшая концентрация поля.

В литературе рассмотрены различные подходы к построению сетки узлов, адапшвной к границам раздела сред. Отмечаются значительные трудности в реализации этих методов, связанные, во-первых, со сложностью формального описания границ геометрических объектов модели, и, во-вторых, с алгоритмом размещения узлов вблизи границ Как правило, применяется рекурсивная процедура наращивания разбиения от границ раздела сред к свободному пространству Во всех случаях конечно-элементное разбиение может быть построено на основе узлов конечно-разностной сетки, например с помощью алгоритма Делоне или аналогичных.

Существенными вопросами являются выбор минимального шага пространственной дискретизации и критерия оценки точности получаемой расчетной модели. По-видимому, минимальный шаг следует выбирать исходя из опыта решения подобных задач и оценивая точность решения некоторых вспомогательных задач, имеющих аналитическое решение и являющихся частыми упрощенными случаями рассматриваемой Требования к точности численного решения определяются допусками на точность изготовления элементов конструкции ЧИС и должны устанавливаться в соответствии с опытом экспериментальной отработки ЧИС. Здесь необходимо подчеркнуть, что задача численного проектирования двоякая - исследование потенциальных возможностей ЧИС определенного типа для реализации требований конкретного технического задания (ТЗ) и разработка такой конструкции ЧИС, которая обеспечивает требуемые параметры при минимальной экспериментальной настройке, с учетом ограничений на точность изготовления.

Вторая глава посвящена рассмотрению разработанного метода создания адаптивного конечно-разностного или конечно-элементного разбиения с помощью аппарата цифровой обработки многомерных сигналов. Алгоритм предложенного метода состоит из следующих этапов:

1. Производится равномерная дискретизация модели с высоким разрешением, достаточным для хорошей аппроксимации границ раздела сред и неоднородностей. При этом формируется многомерный цифровой сигнал 51 по следующему правилу: если узел равномерного разбиения попадает на границу раздела сред, то отсчет сигнала 5 с соответствующими дискретными координатами имеет единичное значение, в противном случае отсчет имеет нулевое значение

2 Полученный цифровой сигнал 51 фильтруется низкочастотным (усредняющим) цифровым фильтром И соответствующей размерности В отфильтрованном сигнале 5* восстанавливаются единичные отсчеты исходного сигнала. Таким образом, сигнал У содержит отсчеты со значениями, лежащими в интервале от 0 до 1 3. Сопоставляя величине отсчетов сигнала 5" концентрацию узлов нерегулярной сетки, осуществляется размещение узлов по следующему алгоритму:

З.а) сигнал 5" разделяется на некоторое количество подсигналов-доменов первого уровня У{1>„ причем размеры домена первого уровня целесообразно принять равными наибольшему размеру ячейки сетки (то есть, размеру ячейки сетки в свободном пространстве);

З.б) для каждого домена Р0', вычисляется среднее значение отсчетов Если Л/1', не превышает некоторый порог у'1', то в центре домена И1', размещается узел; если Л/'1, превышает пороговое значение V0', то домен следует разделить на несколько доменов второго уровня У*2];

3 в) для доменов второго уровня аналогичным образом вычисляются средние значения отсчетов сравниваются с пороговым значением V14 и создаются узлы или производится дробление на домены третьего уровня Р*3)к.

Процесс дробления доменов повторяется до тех пор, пока размер домена некоторого уровня п не окажется равным шагу исходной сетки

Легко модифицировать алгоритм таким образом, что элементы независимо создаются в отдельных доменах (вместе с узлами) Для сопряжения конечных элементов в различных доменах необходимо только дополнительно вводить новые треугольники в доменах большего размера, соседствующих с меньшими (см. рисунок 1).

и >,

к». У01,.,

И",., У',., / /

Г/Т

' С1..,

Рисунок 1 - Создание конечно-элементного разбиения на основе вспомогательной информации разделение рабочей области на домены (а), разбиение доменов (б) и сопряжение разбиений доменов (в)

Предложенный алгоритм обладает следующими основными достоинствами'

- создаваемая сетка адаптивна к геометрии модели, наибольшая концентрация узлов достигается вблизи границ раздела сред;

- создание разбиения полностью автоматизировано;

- плавность изменения концентрации узлов обеспечивается низкочастотной

фильтрацией, в свободном пространстве разбиение - регулярное;

- для различных областей модели может быть установлен различный

максимальный шаг сетки;

- применение филыров с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ

фильтры) обеспечивает высокую степень плавности изменения •

концентрации узлов сетки при малой трудоемкости процесса фильтрации,

- алгоритм допускает параллельные вычисления;

- машинные операции, применяемые при вычислении свертки сигнала 5 с

маской фильтра ^ (прежде всего - умножение с накоплением), хорошо

адаптированы к возможностям и архитектуре современных ЭВМ,

- относительно малое число условных переходов позволяет полноценно

использовать конвейеризацию, развитую в ЭВМ последних поколений Созданная таким образом сетка может быть импортирована в программу, производящую решение задачи и обработку результатов Разработанный метод был реализован в виде программ Agrid2D и AgridЗD, предусматривающих построение исходной геометрической модели (или импорт первоначальной дискретной модели из внешнего источника) и создание адаптивного разбиения для двумерных и трехмерных задач соответственно.

Тестирование предложенного метода производилось на примере решения следующих задач: диэлектрический цилиндр в однородном внешнем поперечном поле (плоскопараллельная); выступ над плоскостью (плоскопараллельная); диэлектрический шар в однородном внешнем поле. Решение производилось методом конечных разностей и методом конечных элементов. Во всех случаях решение на сетке, построенной с помощью предложенного метода, оказывалось столь же близким к аналитическому, как и решение на регулярной сетке (метод конечных разностей) или адаптивной сетке, построенной стандартными средствами программного комплекса АКБУБ (метод конечных элементов) при существенной экономии вычислительных ресурсов. В таблице 1 приведены результаты расчета задачи «Цилиндр в однородном поле» методом конечных разностей.

Таблица 1 - Результат расчета задачи «Цилиндр в однородном поле»

Тип сетки Число узлов до адаптации сетки Число узлов после адаптации сетки Требуемая память, МБ Время расчета поля, с Среднеквадратичное отклонение от аналитического решения Е, В/м

Регулярная 66049 66049 4 43 0,0122

Адаптивная 2957 0,18 7,4 0,0127

Регулярная 148225 148225 9 223 0,0113

Адаптивная 3593 0,22 14,5 0,01135

Регулярная 263169 263169 16 1049 0,0057

Адаптивная 11153 0,69 160 0,0074

На рисунке 2, а показан эскиз геометрии задачи «выступ над плоскостью». На рисунке 2, б показано конечно-элементное разбиение для эюй задачи, полученное с помощью предложенного метода (1300 узлов), на рисунке 2, в - разбиение, полученное стандартными средствами ANSYS (2200 узлов) На рисунке 3 а,б,в приводится распределение потенциала для аналитического решения, для численного решения на сетке, созданной с помощью предложенного метода, и для численного решения на сетке, созданной стандартными средствами ANS YS, соответственно.

Потенциал электрода 1 В Потенциал электрода О В

И

Рисунок 2 - Геометрия задачи «выступ над плоскостью» (о), конечно-элементные разбиения созданное с помощью предложенного метода (б), созданное стандартным методом - А^УБ

Рисунок 3 - Распределение потенциала для задачи «Выступ над плоскостью» аналитический расчет (а), расчет модели, созданной по предложенному методу (б), расчет модели, созданной стандартными средствами ЛАКУЗХв)

Среднее отклонение значения потенциала от аналитического значения оказалось одинаковым для обеих численных моделей -0,038 В (при разности потенциалов элекхродов 1 В). На основе решения тестовых задач были синтезированы БИХ-фильтры четвертого порядка для создания двух и трехмерных разбиений. АЧХ двумерного фильтра представлена на рисунке 4. Эта АЧХ совпадает с АЧХ трехмерного фильтра в сечении, проходящем через начало координат. Опыт проведенных расчетов позволяет считать эти фильтры оптимальными для создания разбиения для рассматриваемых задач. Рисунок 4 - АЧХ двумерного БИХ фильтра

В третьей главе рассматривается методика численного проектирования монолитных фильтров (см рисунок 5), основанная на применении предложенного метода создания адаптивного конечно-элементного разбиения Поскольку время, затрачиваемое на вычисление группы собственных частот, сравнимо со временем расчета коэффициента передачи и распределения поля для одной частотной точки, то повышение оперативности проектирования достигается за счет широкого применения при синтезе фильтра расчетов собственных частот и практически полного исключения расчетов АЧХ фильтра.

Рисунок 5 - Конструкция МФ (на примере трехзвснного фильтра)

1 - диэлектрический блок,

2 - металлизированные отверстия,

3 - металлизированные (укорачивающие) площалки,

4 ~ металлизированные контактные площадки,

5 - внешние коаксиальные линии

На основе упрощенных численных моделей получены основные зависимости между конструктивными и электрическими параметрами МФ

Разработано программное обеспечение, реализующее следующие этапы синтеза МФ: расчет фильтра-прототипа, вычисление коэффициентов связи между резонаторами фильтра (программа MWizard)-, автоматическое создание расчетных моделей для численного исследования зависимостей коэффициентов связи и собственных частот резонаторов МФ при вариациях конструктивных параметров (программа NOM); создание расчетной модели и вычисление собственных частот или АЧХ многозвенного МФ для регулярной топологии фильтра (программа CadFil); создание расчетной модели и вычисление собственных частот или АЧХ для МФ для нерегулярной топологии фильтра (программа ACF). Исходными данными для последних двух программ являются размеры и материал диэлектрического блока, форма и размеры укорачивающих и контактных площадок. Выходными данными являются программы на коммандном языке ANSYS (в виде текстовых файлов), осуществляющие создание модели, настройку ANSYS и расчет; текстовые файлы с данными о узлах и конечных элементах адаптивного разбиения Программы обладают графическим интер* фейсом и не требуют от пользователя навыков работы с программным комплексом ANSYS.

Методика численного проектирования МФ представлена в виде блок-схемы на рисунке 6 Сплошными стрелками показано прямое движение, при выполнении всех указанных в блоке условий Пунктирными стрелками - движение в случае невыполнения соответствующего условия, проверяемого в данном блоке.

Расчет геометрических размеров диэлектрического блока и печатных элементов

1 Расчет фильтра-прототипа (программа MWizarâ)

3 Синтез базовой топологии Определение начальных размеров укорачивающих и контактных площадок, их взаиморасположения (по значению центральной частоты, коэффициентам связи, с помощью программы NOM)

2 Выбор диэлектрического блока

2 1 Выбор диэ!ектрической керамики (по совокупности параметров проницаемость, добротность, стоимость, термостабильность)

2 2 Оценка требуемой высоты блока по значению центральной частоты фильтра (с помощью программы NOM)

2 3 Оценка требуемого расстояния между отверстиями, длины и ширины блока (по зависимостям коэффициентов связи от конструктивных параметров МФ, рассчитанным с помощью программы NOM)

4 Создание модели и расчет собственных частот (программа CADFil)

5 Оценка результатов расчета собственных частот 5 1 Собственные частоты резонаторов должны совпадать с центральной частотой фильтра

5 2 Собственные частоты фильтра должны быть равномерно распределены в пределах требуемой полосы пропускания фильтра

8 Создание модели и расчет АЧХ фильтра (программа CADFil)

_L

6 Коррекция коэффициентов связи В соответствии с коэффициентами чувствительности или таблицами и графиками, потученными с помощью программы NOM

1 Коррекция собственных частот резонаторов

В соответствии с коэффициентами чувствительности или таблицами и графиками, полученными с помощью программы NOM

9 Оценка результатов расчета АЧХ фильтра ;

9 1 Контроль ширины полосы пропускания

9 2 Контроль неравномерности полосы пропускания

9 3 Контроль крутизны скатов

9 4 Контроль потерь, фазы и КСВ в полосе пропускания

10 Коррекция нагруженной добротности оконечных резонаторов

11 Подготовка технической документации

Рисунок 6 - Методика проектирования МФ

Вопросам экспериментального исследования методики проектирования (и, соответственно, предложенного метода создания адаптивного конечно-элементного разбиения) посвящена четвертая глава.

На основе экспериментального исследования однозвенного монолитного фильтра были сделаны выводы о достаточно хорошем совпадении расчетных и экспериментальных данных. Исследована сходимость решения (для первой резонансной частоты фильтра) в зависимости от минимального шага дискретизации расчетной модели. Полученные результаты позволили выбрать параметры настройки метода создания адаптивного разбиения, обеспечивающие требуемую точность решения при достаточно малой трудоемкости

Дальнейшая экспериментальная отработка методики проводилась на примере синтеза трехзвенных монолитных фильтров в соответствии с конкретным техническим заданием Требуемые электрические характеристики для МФ ППФ1 приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Исходные данные для фильтра ППФ1

Наименование параметра Значение Размерность

Центральная частота 1750 МГц

Верхняя частота полосы пропускания (не менее) 1800,5 МГц

Нижняя частота полосы пропускания (не более) 1699,5 МГц

Потери в полосе пропускания (не более) 1,0 дБ

Неравномерность коэффициента передачи в полосе пропускания (не более) 0,5 дБ

Затухание в полосе заграждения (не менее) 15 дБ

Частота заграждения 1850 МГц

В соответствии с разработанной методикой проведен численный синтез МФ ППФ1, в результате чего получена АЧХ фильтра, представленная на рисунке 7, а Расчетная конечно-элементная модель показана на рисунке 7, б

□

Модель содержит 120 тыс элементов, время расчета одной собственной частоты - 30 мин, время расчета коэффициента передачи для одной частоты - 40 мин

Частота, ГГц

Рисунок 7 - АЧХ синтезированного МФ ППФ1 (а) и конечно-элементное разбиение (б) с учетом симметрии

В результате экспериментального исследования получена характеристика образца МФ, соответствующая характеристике полосио-пропускающего фильтра но со смещением центральной частоты на 100 МГц и с большой неравно-

мерностью коэффициента передачи в полосе пропускания (см рисунок 8, а) Выяснено, что причиной несоответсвия расчетных и экспериментальных данных является погрешность при выполнении металлизации укорачивающих площадок МФ Учет реальных размеров и формы укорачивающих площадок позволил в расчете получить АЧХ, показанную на рисунке 8, а пунктиром

Рисунок 8 - АЧХ экспериментального образца ППФ1 (я, сплошная линия), расчетная АЧХ ППФ1 с учетом погрешности изготовления (а, пунктирная линия) и экспериментальная АЧХ фильтра ППФ1 с коррекцией конструкции (б)

Результаты расчета позволили скорректировать требования к точности нанесения планарных элементов конструкции МФ и на второй итерации изготовления получены образцы фильтра (см рисунок 8, б), удовлетворяющие требованиям ТЗ.

В работе приведен пример синтеза трехзвенного МФ ППФ2 с центральной частотой 750 МГц и шириной полосы 10 МГц, осуществленного по предложенной методике. В этом случае численное проектирование позволило получить образцы МФ, удовлетворяющие требованиям ТЗ, в результате единственной итерации изготовления, без экспериментальной доводки Также в процессе выполнения работы были синтезированы еще 6 типономиналов МФ в диапазоне часто от 950 до 3000 МГц.

Таким образом, получено подтверждение достоверности и эффективности разработанной методики и применения предложенного метода создания адаптивного разбиения для синтеза МФ.

Пятая глава работы посвящена применению предложенного метода создания адаптивного конечно-элементного разбиения fljm анализа и синтеза ЧИС на основе ДР На основе расчета относительно простых структур, содержащих ДР, и сравнения результатов расчета с эксперимешальными данными сделан вывод о удовлетворении расчетных данных требованиям точности, предъявляемым при синтезе ЧИС на основе ДР. Рассмотрен ряд конструкций ЧИС на ДР, построение расчетных моделей для которых затруднено высокой степенью

неоднородности геометрии, например, ДР с петлевыми элементами связи, установленный в диэлектрическом держателе в цилиндрическом волноводе, ДР, связанный с отрезками микрополосковых линий Проведенные расчеты являлись составной частью проектирования ряда ЧИС

Наиболее полно достоинства предлагаемого подхода к созданию адаптивного разбиения оказались продемонстрированы на примере синтеза колебательной системы автогенератора миллиметрового диапазона длин волн Вид модели колебательной системы с учетом настроечных элементов представлен на рисунке 9.

Рисунок 9 - Модель колебательной системы автогенератора

На основе проведенных расчетов выбраны размеры ДР и его положение относительно микрополосковых линий, обеспечивающие выполнения условия баланса амплитуд и баланса фаз на частоте генерации (37,25 ГГц); определен диапазон механической перестройки частоты генерации Также синтезирован полосково-волноводный переход, обеспечивающий согласование генератора по выходу на рабочей частоте.

Экспериментальная отработка генератора позволила полностью подтвердить достоверность расчетных результатов Кроме того, на основе численного моделирования колебательной системы генератора с учетом реального размещения микросхемы усилителя и блокировочных конденсаторов цепей питания, удалось установить причину возникавших в эксперименте перескоков частоты генерации (связанных с возбуждением высшего типа колебаний ДР) и предложить пути эффективного устранения этих причин

В результате получены образцы генератора, удовлетворяющие требованиям ТЗ, причем время проектирования (за исключением времени изготовления образцов генератора) составило 14 дней На рисунке 10 показан спектр выходного сигнала генератора. Диапазон механической перестройки частоты 37,07 - 37,45 ГГц, потребляемая мощность Рпотр =410 мВт, выходная мощность: Р шх = 30 мВт (КПД 7,3%).

нала генератора

Рисунок 10 - Спектр выходного сиг-

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Предложен метод создания адаптивного конечноразностного или конечно-элементного разбиения, основанный на применении аппарата теории цифровой обработки многомерных сигналов. Реализация метода в виде про-ipaMMHoro обеспечения зарегистрирована в Реестре программ для ЭВМ РФ

Применение метода для решения актуальных задач анализа и синтеза твердотельных СВЧ устройств ЧИС позволило создать мешдику оперативного численного проектирования перспективных ЧИС - монолитных фильтров Экспериментальная отработка методики позволила подтвердить эффективность предложенного подхода Методика, программное обеспечение, ее реализующее, и синтезированные фильтры внедрены в производство на предприятиях-разработчиках коммерческих и специальных радиосистем. Ряд перспективных конструкций ЧИС защищен патентами на изобретения и полезные модели

Предложенный метод применен для расчета ЧИС на основе ДР, что по- »

зволило провести анализ ряда конструкций, исключивший их итерационную экспериментальную отработку. С помощью предложенного метода осуществлен синтез колебательной системы и полосково-волноводного перехода для генератора миллиметрового диапазона длин волн. Наряду с подтверждением достоверности расчетов удалось достичь требуемых характеристик генератора на первой итерации изготовления образцов. Разработанный генератор внедрен в производство.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о достижении высокой эффективности и автоматизации при численном решении внутренних электродинамических задач в резонансной области за счет применения предложенного метода адаптации расчетной модели и перспективности внедрения этого метода при решении задач анализа и синтеза современных ЧИС СВЧ диапазона

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Вишняков С.В , Чобану М.К. Применение цифровой обработки многомерных сигналов для создания сеточного разбиения// 7-я международная конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика",2001: Тез. докл. -М, 2001. -Т1, -С. 363.

2 СВЧ фильтры на диэлектрических резонаторах/Бунин A.B., Вишняков С.В , Геворкян В МЛ конференция "Излучение и рассеяние электромагнитных волн", 2001'Тез докл. -Таганрог, 2001.-С. 191-193.

3. Вишняков С В. Применение меюдов цифровой обработки многомерных сигналов для создания адаптивного сеточного разбиения//международная конференция Информационные средства и технологии- Тез докл. -М , 2001 -Т1 -С 33-36.

4 Вишняков С.В Применение многомерных цифровых фильтров для создания конечноэлементного разбиения// 4-я международная конференция и выставка DSPA-2002: Тез докл. -М , 2002 -Т.2, -С.401^102

5 Vishnyakov S V. Implementation of adaptive finite elements mesh by application of multidimensional digital filtering// 4-я международная конференция и выставка DSPA-2002: Тез докл -М., 2002 -Т 2 -С 403

6 Вишняков С В Проектирование СВЧ фильтров на подложке с высокой электрической проницаемостью// 9 всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2002": Тез докл -М., 2002, -С. 197

7 СВЧ фильтры на основе материалов с высокой диэлектрической проницаемостью при решении задач ЭМС/ Бунин А В , Вишняков С В , Геворкян В M и др.// 7 российская научно-техническая конференция по электромагнитной совместимости "ЭМС-2002": Тез докл. -СПб., 2002. -С. 350

8 Вишняков С В Метод создания адаптивного сеточного или конечно-элементного разбиения с использованием многомерной цифровой фильтрации// Международная конференция "Информационные средства и технологии"' Тез докл -М„ 2002 -Т1 -С 161-163.

9 Проектирование высокодобротной колебательной системы автогенератора в коротковолновой части сантиметрового диапазона / Бунин А В , Вишняков С В , Геворкян В М. // 4 международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика - 2002"- Тез докл. -М , 2002. -Т2. -С. 174.

10 Вишняков С В , Геворкян В M Анализ и синтез твердотельных СВЧ устройств на основе материалов с высокой диэлектрической проницаемостью// 9 международная конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика"- Тез. докл. -М, 2003 -Т1. -С. 390.

11 Вишняков С В Применение новых средств цифровой обработки многомерных сигналов в численных методах расчета электромагнитных полей// Международная конференция "Информационные средства и технологии". Тез докл. -М , 2003 -Т1 -С 91-94

12. Моделирование обработки и передачи информации в цифровых системах сотовой связи/ Вишняков С В , Геворкян В.M , Макеев M В , Носков А В // Международная научная конференция к 95-летию академика В А. Котельни-кова "Современная радиоэлектроника в ретроспективе идей В А Котельнико-ва": Тез. докл. -М., 2003. -С. 82-83.

13 Вишняков С В., Гордюхина H M, Федорова Е М. Расчет электрома! -нитных полей с помощью программного комплекса ANSYS' Учебное пособие -M : Издательство МЭИ, 2003 -100 с

14 Вишняков С В , Геворкян В.M , Казанцев Ю А Автоматизированное проектирование высокодобротной колебательной системы транзисторного ге-нератора//Электроника НТВ. -2004. -№2. -С. 52-56.

15. Вишняков C.B., Геворкян В.М Автоматизированное проектирование твердотельных СВЧ устройств с применением численных методов расчета электромагнитных полей// 10 международная конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", 2004 Тез докл -М , 2004 -Т1.-С 424

16. Вишняков C.B., Геворкян В.М., Ханин Д.Е. Реализация конечно-разностного метода решения уравнений эллиптического типа на нерегулярной адаптивной сетке// Международная конференция "Информационные средства и технологии": Тез. докл. -М., 2004. -ТЗ, -С. 38-41.

17. Вишняков C.B., Геворкян В.М. Метод создания адаптивного конечно-элементного разбиения, основанный на многомерной цифровой фильтрации// Вестник МЭИ. -2005. -№ 1. -С. 80-85

18. Патент РФ на изобретение № 2248074 «Полосно-пропускающий фильтр»/Бунин A.B., Вишняков C.B., Геворкян В.М., Казанцев Ю.А.

19. Патент РФ на полезную модель № 35474 «Полосно-пропускающий фильтр»/Бунин A.B., Вишняков C.B., Геворкян В.М., Казанцев Ю.А.

20. Патент РФ на полезную модель № 42132 «Устройство для установки монолитного фильтра в СВЧ тракт»/Бунин A.B., Вишняков C.B., Геворкян

B.М., Казанцев Ю.А.

21. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2005610014 «Программа создания адаптивного конечно-разностного и конечно-элементного разбиения для плоскопараллельных задач «Agrid2D»/BHHnwKOB

C.B., Геворкян В.М., Казанцев Ю.А.

22. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2005610015 «Программа создания адаптивного конечно-разностного и конечно-элементного разбиения для трехмерных задач «Agrid3D»/BHiiiMKOB C.B., Геворкян В.М., Казанцев Ю.А.

Усл.печ.л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № В Типография МЭИ, Красноказарменная, 13

РНБ Русский фонд

2006-4 4747

Введение.

Глава 1. Обзор возможностей численных методов расчета электромагнитных полей для автоматизированного проектирования твердотельных СВЧ устройств.

1.1 Перспективные конструкции твердотельных СВЧ частотно-избирательных систем радиоэлектронной аппаратуры.

1.2 Численные методы расчета электромагнитных полей.

1.2.1 Метод интегральных уравнений.

1.2.2 Метод конечных разностей.

1.2.3 Метод конечных элементов.

1.3 Дискретизация расчетной модели.

1.4 Выводы по главе.

Глава 2. Метод создания адаптивного разбиения.

2.1 Выбор метода адаптации разбиения.

2.2 Метод создания узлов разбиения.

2.3 Алгоритм создания конечно-элементного разбиения.

2.4 Тестовые задачи для предложенного метода создания адаптивного разбиения.

2.5 Выводы по главе.

Глава 3. Методика проектирования монолитных фильтров.

3.1 Синтез фильтра-прототипа.

3.2 Синтез базовой топологии фильтра.

3.3 Оптимизация топологии фильтра.

3.4 Программное обеспечение, разработанное для автоматизированного синтеза монолитных фильтров.

3.4.1 Описание программы MWizard.

3.4.2 Описание программы NOM.

3.4.3 Описание программы CADF.

3.5 Алгоритм проектирования монолитного фильтра.

3.6 Пояснения к алгоритму проектирования монолитных фильтров.

3.7 Программный модуль ACF.

3.8 Выводы по главе.

Глава 4. Экспериментальное исследование методики проектирования монолитных фильтров.

4.1 Однозвенный монолитный фильтр.

4.2 Проектирование трехзвенного монолитного фильтра ППФ1.

4.3 Экспериментальная отработка трехзвенного монолитного фильтра ППФ1 (первая итерация).

4.4 Экспериментальная отработка трехзвенного монолитного фильтра ППФ1 (вторая итерация).

4.5 Проектирование и экспериментальная отработка трехзвенного монолитного фильтра ППФ2.

4.6 Выводы по главе.

Глава 5. Проектирование устройств на диэлектрических резонаторах.

5.1 Расчет диэлектрических резонаторов.

5.2 Расчет диэлектрического резонатора, связанного с возбуждающими элементами.

5.3 Проектирование генератора миллиметрового диапазона длин волн.

5.3.1 Расчет цепи положительной обратной связи в S-параметрах.

5.3.2 Проектирование колебательной системы на диэлектрическом резонаторе.

5.3.3 Синтез полосково-волноводного перехода.

5.4 Экспериментальное исследование разработанного генератора.

5.4.1 Характеристики макетов генератора, изготовленных по данным численного проектирования при отсутствии генерации.

5.4.2 Исследование макетов генератора в режиме генерации.

5.4.3 Численный анализ колебательной системы с уточненной геометрией (с учетом блокировочного конденсатора).

5.4.4 Характеристики макетов генератора после коррекции конструкции.

5.5 Выводы по главе.

Характерной чертой современной радиоэлектронной промышленности является высокая восприимчивость массового производства к новым разработкам в области СВЧ материалов, электронных микросхем, технологиям микромашинной обработки. При этом внедрение новейших технологий в производство, преследующее прежде всего цель повышения конкурентоспособности разрабатываемой аппаратуры за счет улучшения ее электрических характеристик, уменьшения массо-габаритных параметров, повышения надежности, сталкивается с существенными трудностями, связанными с обеспечением технологичности проектирования и производства.

В настоящее время широкое применение, как в аппаратуре коммерческого назначения, так и в специальной аппаратуре находят высокодобротные термостабильные СВЧ керамики в качестве материала для диэлектрических резонаторов и монолитных диэлектрических конструкций в частотно-избирательных системах (ЧИС) дециметрового и сантиметрового, а также миллиметрового диапазонов длин волн. Керамические материалы с высоким значением относительной диэлектрической проницаемости (свыше 20) позволяет существенно уменьшить размеры, как отдельных элементов таких систем, так и самих ЧИС, при обеспечении хороших электрических параметров и высокой устойчивости к действию внешних факторов.

Отличительными особенностями ЧИС, созданных на базе диэлектрических резонаторов, являются наличие сложной системы крепежных конструкций, обеспечивающих устойчивость ЧИС к механическим воздействиям при сохранении достаточно высокой добротности резонаторов, и присутствие элементов связи относительно сложной формы, обеспечивающих возбуждение рабочего типа колебаний в резонаторах. Особенностью ЧИС на основе монолитных диэлектрических конструкций является наличие печатных проводящих элементов на поверхности диэлектрического блока, обеспечивающих настройку электрических характеристик ЧИС. Эти особенности существенно усложняют задачу проектирования таких ЧИС.

С другой стороны, повышение конкурентоспособности требует внедрения эффективных методов проектирования твердотельных СВЧ устройств для обеспечения оперативности и малой себестоимости подготовки к выпуску новой продукции. В настоящее время подавляющее большинство твердотельных СВЧ устройств проектируется и изготавливается в предположении послепроиз-водственной экспериментальной настройки. С этой целью вводят дополнительные настроечные элементы или предусматривают возможность коррекции размеров и взаиморасположения отдельных частей устройства, что усложняет технологию изготовления и повышает стоимость серийно выпускаемой продукции. Здесь также надо отметить, что выбор оптимальной конфигурации настроечных элементов является отдельной и достаточно сложной задачей.

Существенно упростить процесс проектирования твердотельных СВЧ устройств ЧИС радиоэлектронной аппаратуры возможно за счет применения численных методов расчета электромагнитных полей. Численное моделирование в принципе позволяет сравнительно быстро и без серьезных материальных затрат на экспериментальные работы выявить потенциальные возможности той или иной конструкции устройства, получить оценку влияния различных настроечных элементов и, наконец, провести синтез оптимальной конструкции, реализующей требуемые параметры.

Безусловно, задача численного синтеза элементов СВЧ техники предъявляет особые требования к применяемому математическому и программному обеспечению:

- достоверность расчетной модели - необходимо учесть все существенные особенности рассматриваемой конструкции, используемых материалов, учесть особенности технологического исполнения устройства для минимизации систематической (модельной) погрешности расчета;

- высокая точность расчетов - следует обеспечить такую точность расчетов, которая позволила бы экспериментально воспроизводить результаты расчета при изготовлении образцов устройства;

- оперативность расчета - поскольку в процессе синтеза СВЧ устройства многократно решается задача анализа, то следует ориентироваться на численные методы и программное обеспечение, позволяющие при заданной точности, на стандартных современных ЭВМ проводить расчеты за допустимое время.

Более того, следует предусмотреть возможность адаптации программного обеспечения (возможно, численного метода) к потребностям инженеров-проектировщиков, которые могут не являться специалистами по расчету электромагнитных полей и численным методам теории электромагнитного поля.

Задачей настоящей работы является выбор и адаптация численного метода, а также разработка необходимого программного обеспечения для решения задачи синтеза твердотельных СВЧ устройств частотно-избирательных систем радиоэлектронной аппаратуры с учетом сформулированных выше требований; разработка и экспериментальное подтверждение методики численного проектирования перспективных твердотельных устройств на основе керамических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью.

В первой главе рассмотрены перспективные конструкции твердотельных СВЧ устройств ЧИС дециметрового и сантиметрового диапазона длин волн, прежде всего монолитных диэлектрических фильтров на основе современных СВЧ керамик. Приведен анализ возможностей численных методов расчета электромагнитных полей к решению задач анализа и синтеза монолитных фильтров, рассмотрены методы создания адаптивных дискретных расчетных моделей.

Во второй главе предложен метод создания адаптивной расчетной модели с помощью аппарата цифровой обработки многомерных сигналов. Рассмотрены вопросы построения адаптивной конечно-разностной или конечно-элементной сетки. Проведено тестирование разработанного метода на примере задач, имеющих аналитическое решение.

В третьей главе рассмотрены возможности повышения эффективности проектирования монолитных фильтров, проанализированы различные этапы проектирования. Предложена методика проектирования монолитных СВЧ фильтров, опирающаяся на применение численных методов расчета электромагнитных полей. Приведено описание разработанного программного обеспечения, реализующего эту методику.

Четвертая глава посвящена экспериментальному подтверждению достоверности и эффективности разработанного метода создания адаптивной расчетной модели и экспериментальной отработке предложенной методики проектирования. Приведен пример проектирования монолитного полосно-пропускающего фильтра с центральной частотой 1750 МГц, рассмотрены результаты экспериментального исследования изготовленных образцов фильтров.

В пятой главе приведено исследование применимости предложенного метода создания адаптивного конечно-элементного разбиения для анализа и синтеза частотно-избирательных систем на основе диэлектрических резонаторов. Приведены примеры расчета спектра собственных частот резонатора, коэффициента связи резонатора с петлевым элементом связи при наличии крепежных и настроечных элементов. Рассмотрена методика проектирования колебательной системы автогенератора миллиметрового диапазона длин волн на основе диэлектрического резонатора. Приведены пример проектирования колебательной системы и полосково-волноводного перехода автогенератора на частоту 37,25 ГГц и результаты экспериментальной отработки образцов генератора.

В заключении рассматриваются результаты проведенных исследований, делается вывод о достоверности и эффективности предложенного метода адаптации расчетной модели и методик численного проектирования монолитных фильтров и колебательных систем на основе диэлектрических резонаторов.

В процессе выполнения работы проведено проектирование ряда типоно-миналов фильтров и генератора по нескольким НИР и НИОКР, разработанные методики, программное обеспечение и синтезированные изделия были внедрены в производство на предприятиях-заказчиках. Во всех случаях применение разработанных методов и методик позволило провести проектирование с минимальным числом экспериментальных итераций, что является подтверждением эффективности предлагаемой реализации принципов численного проектирования СВЧ устройств.

5.5 Выводы по главе

Проведен комплекс численных расчетов (с применением разработанного метода создания адаптивного конечно-элементного разбиения) и экспериментальных исследований систем, содержащих диэлектрические резонаторы, позволивший подтвердить достоверность расчета собственных частот и добротностей отдельных резонаторов, коэффициента связи между резонаторами, коэффициента связи резонатора с линиями передачи СВЧ сигналов и петлевыми элементами связи. Проведенные исследования позволили выработать требования к параметрам конечно—элементного разбиения.

На основе полученных результатов разработана методика и создано программное обеспечение для численного проектирования колебательной системы автогенератора миллиметрового диапазона длин волн на основе диэлектрического резонатора.

Осуществлено проектирование автогенератора на частоту 37,25 ГГц по заказу ФГУП «КБ «Луч», включая расчет колебательной системы и полосково-волноводного перехода. Экспериментальное исследование полностью подтвердило достоверность методики проектирования и проведенных численных расчетов; получены образцы генераторов, удовлетворяющие предъявляемым требованиям.

Заключение

В процессе выполнения работы проведен обзор перспективных направлений развития твердотельных СВЧ устройств частотно-избирательных систем дециметрового-миллиметрового диапазонов, позволивший сделать вывод о преимущественном положении монолитных диэлектрических фильтров как базового элемента ЧИС дециметрового диапазона и ЧИС на основе диэлектрических резонаторов - в коротковолновой части сантиметрового и в миллиметровом диапазоне длин волн. На основе анализа конструктивных особенностей рассматриваемых элементов ЧИС были выявлены требования к численным методам и их реализации, необходимые для обеспечения достоверного и оперативного проектирования монолитных фильтров и ЧИС на основе диэлектрических резонаторов. По совокупности достоинств и недостатков для реализации численного проектирования выбран метод конечных элементов.

В работе рассмотрены различные методы адаптации дискретной расчетной модели и, применительно к задаче анализа и синтеза монолитных фильтров, выбрана ориентация на методы адаптации по геометрии модели.

Предложенный метод создания адаптивного конечно-разностного или конечно-элементного разбиения на основе многомерной цифровой фильтрации позволил существенно упростить задачу построения адаптивной расчетной модели, особенно для задачи проектирования монолитных фильтров. Тестирование метода, проведенное на примере задач, имеющих аналитическое решение, позволило сделать вывод о достаточном качестве создаваемого разбиения и выбрать оптимальные параметры настройки метода.

На основе разработанного метода создания адаптивного конечно-элементного разбиения создана методика проектирования монолитных фильтров. Высокая эффективность методики обеспечивается за счет сведения задачи синтеза многозвенного фильтра к вычислению собственных частот электродинамической системы. Рассмотрены особенности задачи вычисления собственных частот многозвенного фильтра с точки зрения применения метода конечных элементов, в том числе, создания конечно-элементного разбиения. Проведенное исследование позволило подтвердить предположение о целесообразности применения предложенного метода создания адаптивного конечно-элементного разбиения.

Проведена экспериментальная отработка методики проектирования. В соответствии с конкретным техническим заданием (на примере ТЗ на НИР «Типчак-С1») синтезирован трехзвенный монолитный фильтр, для произведенных образцов фильтра проведены экспериментальные измерения характеристик. Полученные экспериментально данные позволили сделать вывод о работоспособности методики проектирования и достоверности численных расчетов. Численное моделирование позволило резко (на порядок) сократить время разработки и настройки фильтра за счет оценки на модели требований к качеству изготовления диэлектрических блоков и нанесения металлизации.

Предложенный метод создания адаптивного конечно—элементного разбиения был протестирован и на расчете собственных частот диэлектрических резонаторов различной формы. Хорошее совпадение расчетных и экспериментальных (в том числе, известных из литературных источников) данных позволило сделать вывод о применимости данного метода к расчету ЧИС на диэлектрических резонаторах сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн.

Применение разработанного метода позволило разработать программное обеспечение для решения задачи проектирования колебательной системы автогенератора. Достоверность и эффективность численного проектирования были подтверждены на примере оперативного синтеза колебательной системы и автогенератора миллиметрового диапазона длин волн в целом (НИР «Милрон»).

Итак, разработанный метод создания адаптивного конечно-элементного разбиения позволил существенно адаптировать метод конечных элементов к задаче анализа и синтеза перспективных СВЧ устройств ЧИС радиоэлектронной аппаратуры. Это позволило разработать и реализовать в виде программного обеспечения эффективные методики проектирования монолитных фильтров и колебательных систем СВЧ генераторов.

С помощью разработанных методик осуществлено проектирование восьми типономиналов монолитных фильтров в рамках НИР «Типчак-С1» по заказу ФГУП «КБ «Луч» и четырех типономиналов монолитных фильтров в рамках НИОКР «Фильтр» в рамках разработки комплекса «Спектр-Р» ОКБ МЭИ, а также осуществлено проектирование генератора на частоту 37,25 ГГц по НИР «Милрон» по заказу ФГУП «КБ «Луч».

Разработанные методики проектирования указанных изделий и конкретные образцы изделий внедрены в производство на предприятих-заказчиках.

Полученные технические решения защищены рядом патентов на изобретения и полезные модели [86, 87, 90]; программное обеспечение, реализующее метод создания адаптивного конечно-разностного или конечно-элементного разбиения зарегистрировано в Государственном реестре программ для ЭВМ [88, 89].

Применение разработанного метода может существенно упростить процесс синтеза и других СВЧ устройств, например микрополосковых фильтров, ЧИС на основе линий с подвешенной подложкой, фильтров на диэлектрических резонаторах.

1. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы -М.:1. Наука, 1987, 600с.

2. Беляев Б. А., Никитина М. И., Тюрнев В. В. Новый метод оптимизацииконструктивных параметров СВЧ фильтров. Труды Международной конференции "Спутниковой связи и навигации". Красноярск, 1997, Т. 1, 250.

3. Беляев Б. А., Никитина М. И., Тюрнев В. В. Экспертная система FILTEXдля синтеза микрополосковых фильтров. Труды Международной конференции "Спутниковой связи и навигации". Красноярск, 1997, Т. 1, 241.

4. Богомолов К.Л., Дегтярев JI.M., Тишкин В.Ф. Вариационные методыпостроения высокоаспектных регулярных адаптивных сеток //Математическое моделирование, Том 13 (2001), №5, с. 11.

5. Вайнштейн JI.A. Электромагнитные волны Советское радио, 1957, 582 с.

6. Васильев Е.Н. Возбуждение тел вращения -М.: Радио и связь, 1987, 272 с.

7. Вишняков С.В. Метод создания адаптивного сеточного или конечноэлементного разбиения с использованием многомерной цифровой фильтрации// Международная конференция "Информационные средства и технологии", 15-17 октября 2002 г., МЭИ, М.: Янус-К, Т1, с. 161.

8. Вишняков С.В. Применение методов цифровой обработки многомерныхсигналов для создания адаптивного сеточного разбиения, международная конференция Информационные средства и технологии, 16-18 октября 2001 г., МЭИ, М.: изд-во СТАНКИН, Т1, с. 33.

9. Вишняков С.В. Применение многомерных цифровых фильтров для создания конечноэлементного разбиения// 4-я международнаяконференция и выставка DSPA-2002, 27 февраля 2 марта 2002г., М.: Инсвязьиздат, Т.2, с.401-402.

10. Вишняков С.В. Применение новых средств цифровой обработки многомерных сигналов в численных методах расчета электромагнитных полей// Международная конференция "Информационные средства и технологии", 14-16 октября 2003 г., МЭИ, М.: Янус-К, Т1, с. 91-94.

11. Вишняков С.В., Геворкян В.М. Метод создания адаптивного конечно-элементного разбиения, основанный на многомерной цифровой фильтрации // Вестник МЭИ, 2005, № 1, -С. 80-85

12. Вишняков С.В., Геворкян В.М., Казанцев Ю.А. Автоматизированное проектирование высокодобротной колебательной системы транзисторного генератора// Электроника НТБ, 2004,№2, с52-56.

13. Вишняков С.В., Гордюхина Н.М., Федорова Е.М. Расчет электромагнитных полей с помощью программного комплекса ANSYS. Учебное пособие -М.: Издательство МЭИ, 2003. -100 с.

14. Влияние экрана на емкостную и индуктивную связь микрополосковых резонаторов/ Беляев Е.А., Лексиков А.А. и др.//Доклад. 9-я Международная Крымская конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» «КрыМиКо'99», Крым, Украина, 13-16 сентября 1999 г.

15. Высокочастотные керамические материалы и микроволновые элементы/ Каталог-СПб.: ООО «Кёрамика», 2000г, 40 с.

16. Демирчян К.С., Чечурин B.JI. Машинные расчеты электромагнитных полей -М.: Высшая школа, 1986г, 240 с.

17. Дрокин Н. А., Рачко JL Т. Влияние скачка ширины полоски резонаторов на характеристики шпилечных СВЧ микрополосковых фильтров. Труды Международной конференции "Спутниковой связи и навигации". Красноярск, 1997, Т. 1,259.

18. Ильченко М.Е. Диэлектрические резонаторы -М.: Радио и связь, 1989г, 328 с.

19. Ильченко М.Е., Сызранов В.А., Поплавко Ю.М. Компактные микрополосковые фильтры для телекоммуникаций. Доклад. 9-я Международная Крымская конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» «КрыМиКо'99», Крым, Украина, 13-16 сентября 1999 г.

20. Казанцев Ю.А., Кузовкин В.А., Миронов В.Г. Методы расчета потенциальных электромагнитных полей -М.: изд-во МЭИ, 1994г, 169 с.

21. Лексикон А. А., Шихов Ю.Г., Матвеев С. В. Микрополосковый фильтр с дополнительными связями. Труды Международной конференции "Спутниковой связи и навигации". Красноярск, 1997, Т. 1, 271.

22. Лексиков А. А., Матвеев С. В., Сергиенко П. Н. Микрополосковый фильтр на U и S образных четвертьволновых резонаторах. Труды Международной конференции "Спутниковой связи и навигации". Красноярск, 1997, Т. 1. 273.

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

24. Марков Г.Т., Васильев Е.Н. Математические методы прикладной электродинамики-М.: Советское радио, 1970, 120 с.

25. Маттей Д.Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи -М.: Связь, 1971 г, 440 с.

26. Никольский В.В. Вариационные методы для внутренних задач электродинамики -М.: Наука, 1967, 460 с.

27. Пушкина И.Г., Тишкин В.Ф. Адаптивные расчетные сетки из ячеек Дирихле для решения задач математической физик: Методика построения, примеры //Математическое моделирование, Том 12 (2000), №3, с. 97.

28. Расчет электрических цеей и электромагнитных полей на ЭВМ/под.ред. Данилова Л.В. и Филиппова Е.С. -М.: Радио и связь, 1983, 344 с.

29. СВЧ фильтры на диэлектрических резонаторах/ Бунин А.В., Вишняков С.В., Геворкян В.М. и др.// Труды конференции "Излучение и рассеяние электромагнитных волн", 2001, Таганрог: изд-во ТГРУ, с. 191-193

30. СВЧ фильтры на диэлектрических резонаторах из современных диэлектрических материалов/ Казанцев Ю.А., Геворкян В.М. и др. //Тезисы докладов Третьей Международной научно-технической конференции «Электроника и информатика XXI век», 2000 г., с. 394-395.

31. Сильвестр П., Феррари Р. Метод конечных элементов для радиоинженеров и инженеров электриков -М.: Мир, 1986, 229 с.

32. Состояние и перспективы применения миниатюрных диэлектрических резонаторов в радиоэлектронике. Параметры ДР и методы их расчета. ч.1./ Алексейчик JI.B., Геворкян В.М., Казанцев Ю.А. и др. Обзоры по ЭТ,Электроника СВЧ, вып. 13, 1981, 97с.

33. Фельдштейн A.J1., Явич JI.P., Смирнов В.П. Справочник по элементам волноводной техники -М.: Советское радио, 1967г, 652 с.

34. Фуско М. СВЧ цепи -М.: Радио и связь, 1990г, 288 с.

35. Шимони К. Теоретическая электротехника -М.: Мир, 1964.- 776 с.

36. A novel 2-D multi-mode parallel time domain diakoptics and its application in filter analysis and design/ Donglin Su, Houshmand B. and other 1998 MTT-S International Microwave Symposium Digest 98.2 (1998 Vol. II MWSYM.), pp. 477-480.

37. Andreas C. Cangellaris, Li Zhao Rapid FDTD Simulation Without Time Stepping// IEEE microwave and guided wave letters, vol. 9, no. 1, january 1999

38. ANSYS Electromagnetic field analysis guide/ ANSYS Inc, 1998r.

39. Atia E.A., Atia W.A., Zaki K.A. Synthesis of general topology multiple coupled resonator filters by optimization// 1998 MTT-S International Microwave Symposium Digest 98.2 (1998 Vol. II MWSYM.), pp. 821-824.

40. Awai'I. Oda Y. FDTD calculation of coupling coefficient between two resonators// 1998 MTT-S International Microwave Symposium Digest 98.2 (1998 Vol. II MWSYM.), pp. 833-836.

41. Bandler J.W., Snowden C.V., Steer M.B. Computer-Aided Design of RF and Microwave Circuits and Systems.- IEEE Trans, on Microwave Theory and Techniques, vol. 50, No 3, Mar. 2002, p. 996 1005

42. Basu S., Zerzghi A. Multidimensional digital filter approach for numerical solution of a class of PDEs of the propagating wave type// IEEE transactions on circuits and systems: Fundamental theory and applications, Vol. 41, no. 2, feb. 1999, pp. 170-181

43. Beyer A., Pertz O. Applying wavelets to electromagnetic field simulation: the method of lines.- 2000 MTT-S International Microwave Symposium Digest 00.1 (2000 Vol. I MWSYM.), pp. 129-132.

44. Ceramic Bandpass Filters. Tras-Tech. www.alphaind.com, p. 3-44 -3-51.

45. Daubechies I., Guskov I., Schroder P., Sweldens W. Wavelets on irregular point sets// Phil. Trans. R. Soc. Lon. A, 357 (no. 1760), pp. 2397-2413, 1999

46. Dib N., Weller Т., Scardelletti M. Analysis of 3-D cylindrical structures using the finite difference time domain method// 1998 MTT-S International Microwave Symposium Digest 98.2 (1998 Vol. II MWSYM.), pp. 925-928.

47. Fettweis A. Multidimensional wave-digital principles: from filtering to numerical integration// IEEE transactions on circuits and systems: Fundamental theory and applications, Vol. 40, no. 4, march 1994, pp. 174-182

48. Fettweis A. The wave-digital method and some of its relativistic implications// IEEE transactions on circuits and systems: Fundamental theory and applications, Vol. 49, no. 6, june 2002, pp. 862-870

49. Fidelity User's manual/ Zeland Software, 1999r.

50. Filters for Communication Equipment. 5Ghz 2.5Ghz Series. MuRata. Каталог, с. 165.

51. Fujii M., Hoefer W.H.R. Formulation of a Haar-wavelet-based multiresolution analysis similar to the 3-D FDTD method// 1998 MTT-S International Microwave Symposium Digest 98.3 (1998 Vol. Ill MWSYM.), pp. 1393-1396.

52. Georgieva N, Zhizhang Chen, W. Oberhammer. Time-domain vector-potential analysis of complex RF multilayer structures via segmentation technique//1998 MTT-S International Microwave Symposium Digest 98.2 (1998 Vol. II MWSYM.), pp. 485-488.

53. IE3D User's manual/ Zeland Software, 2000r.

54. Katehi L.P.B., Sarris C.D. "Multiresolution time domain (MRTD) schemes with space-timeHaar wavelets."// 1999 MTT-S International Microwave Symposium Digest 99.4 (1999 Vol. IVMWSYM.): 1459-1462 vol.4.

55. Lotz R., Ritter J. 3D Subgrid Technique for the Finite Differences Method in the Frequency Domain//1998 MTT-S International Microwave Symposium Digest 98.3, vol 3, pp. 1739-1742

56. Microwave Ceramics. Designing the Future. Ceramic Coaxial Resonators. Edition 1996. Siemens Matsushita Components, p.2-16.

57. Microwave Office EMSight Reference/ Applied Wave Research, 2000r.

58. Namiki W. 3-D ADI-FDTD method-unconditionally stable time-domain algorithm for solving full vector Maxwell's equations// 2000 Transactions on Microwave Theory and Techniques 48.10 (Oct. 2000 T-MTT.), pp. 1743-1748.

59. Ness J.B. A unified approach to the design, measurement, and tuning of coupled resonator filters 1998 Transactions on Microwave Theory and Techniques 46.4 (Apr. 1998 T-MTT.), pp. 343-351.

60. New features in CONCERTO V3 // Vector. -2002. -Том 17; № 1. С. 6.

61. Rabenstain R. Transfer function models for multidimensional systems with bounded spatial domains// Mathematical Modelling of Systems 1998, Vol. 1, No. l,pp. 20—41

62. Rabenstain R. Transfer function models for non self-adjoint multidimensional systems// IMACS Int. Conference on Circuits, Systems and Computers, Piraeus, Greece, Oct. 1998, pp.

63. Rabenstain R., Shetelig T. A multidimensional wave digital filter algorithm for the 3D simulation of room acoustic// IEEE Image and Multidimensional Digital Signal Processing Workshop (IMDSP 98), Alpbach, Austria, July 1998 pp.

64. Rabenstain R., Trautmann L. Multidimensional Transfer Function Models // IEEE transactions on circuits and systems: Fundamental theory and applications, vol. 49, no. 6, june 2002, pp. 852-861.

65. Railton C.J., Schneider J.B. An Analytical and Numerical Analysis of Several Locally Conformal FDTD Schemes// IEEE Transactions On Microwave Theory And Techniques, Vol. 47, No. 1, January 1999

66. Vishnyakov S.V. Implementation of adaptive finite elements mesh by application of multidimensional digital filtering// 4-я международная конференция и выставка DSPA-2002, 27 февраля 1 марта 2002г., М.: Инсвязьиздат, Т.2, с.403.

67. Yee К. S. Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell's equations in isotropic media// IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. AP-14, pp. 302-307, May 1966.

68. Полосковый полосно-пропускающий фильтр. Патент на изобретение № 2052871 по заявке № 5027271/09 от 12.02.1992, МПК 6 Н01Р1/203, опубл. БИ, правообладатель авторы: Осипенков В.М., Веснин С.Г.

69. United States Patent № 4,276,525 / Coaxial Resonator with Projecting Terminal Portion and Electrical Filter Employing a Coaxial Resonator of that type./T. Nishikawa et al., Murata Manufacturing Co., Ltd (Japan), / Date: Jun. 30, 1981.

70. United States Patent № 4,342,972 / Microwave Device Employing a Coaxial Resonator. / T. Nishikawa et al., Murata Manufacturing Co., Ltd (Japan), / Date: Aug. 3, 1982.

71. United States Patent № 4,426,631 / Ceramic Bandstop Filter. / D' Avello et al., Motorolla, Inc. (Schaumburg, 111), / Date: June 17, 1984.

72. United States Patent № 4,429,289 / Hybrid Filter./ Higgins, Jr. et al., Motorola, Inc. (Schaumburg, 111), / Date: Jan. 31, 1984.

73. United States Patent № 4,431,977 / Ceramic Bandstop Filter. / Sokola et al., Motorola, Inc. (Schaumburg, 111), / Date: Feb. 14, 1984.

74. United States Patent № 4,462,098 / Radio Frequency Signal Combining/ Sorting Apparatus./ D' Avello et al., Motorolla, Inc. (Schaumburg, 111), / Date: Jul. 24, 1984.

75. United States Patent № 4,546,333 / Dielectric Filter./ Fukasawa et al., Motorola, Inc. (Schaumburg, III), / Date: Oct. 8, 1985.

76. United States Patent № 4,673,902 / Dielectric Material Coaxial Resonator Filter Directly Mountable on a Circuit Board. / Tukeda et al., Murata Manufacturing Co, Ltd. (Japan), / Date: Jun. 16, 1987.

77. United States Patent № 4,692,726 / Multiple Resonator Dielectric Filter./ Green et al., Motorola, Inc. (Schaumburg, 111)/ Date: Sep. 8, 1987.

78. United States Patent № 4,703,291 / Dielectric Filter for Used in a Microwave Integrated Circuit./ Nishikawa et al., Murata Manufacturing Co, Ltd. (Japan), / Date: Oct. 27, 1987.

79. United States Patent № 4,823,098 / Monolithic Ceramic Filter with Bandstop Function./ De Muro et al., Motorola, Inc. (Schaumburg, 111)/ Date: Apr. 18, 1989.

80. United States Patent № 4,879,533 / Surface Mount Filter with Integral Transmission Line Connection./ de Muro et al., Motorola, Inc. (Schaumburg, 111)/Date: Nov. 7, 1989.

81. United States Patent № 4,965,573 /Tuneless Monolithic Ceramic Filter Manufactured by Using an Art-Work Mask Process./ Kommrusch, Motorola, Inc. (Schaumburg, 111)/ Date: Oct. 7, 1990.

82. United States Patent № 5,157,365 /Combined Block-Substraate Filter./ Hoang et al., Motorola, Inc. (Schaumburg, 111)/ Date: Oct. 20, 1992.

83. ПКАН.433579001ТУ, НИИ РЭТ «ТОР», г. Киев, Украина