автореферат диссертации по электронике, 05.27.05, диссертация на тему:Исследование и разработка методики построения радиоканалов КВЧ



/

Министерство общего и профессионального образования РФ

Московский государственный авиационный институт (технический университет)

КРОХИН ВЛАДИМИР ВАЛЕНТИНОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПОСТРОЕНИЯ

РАДИОКАНАЛОВ КВЧ

Специальность 05.27.05 - "Интегральные радиоэлектронные устройства"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

На правах рукописи

Научный руководитель -

кандидат технических наук

профессор Борисов В.Ф.

Москва

Содержание

Введение..................................................................................................................................4

1. Обзор литературы и постановка задачи исследования................................................10

1.1 Особенности применения миллиметровых волн....................................................10

1.2 Технологии, материалы, устройства и элементная база диапазона КВЧ. Состояние и перспективы развития...............................................................................15

1.3 Примеры реализации систем передачи информации КВЧ диапазона..................22

1.4 Микрополосковые антенны диапазона КВЧ...........................................................26

1.5 Постановка задачи исследования.............................................................................30

2. Обоснование структуры радиоканала КВЧ диапазона................................................32

2.1 Построение математической модели радиоканала КВЧ.......................................32

2.2 Выбор критерия предпочтения.................................................................................35

2.3 Оптимизация параметров системы...........................................................................37

3. Исследование технологической воспроизводимости радиоканала КВЧ...................45

3.1 Построение модели функциональной точности......................................................45

3.2 Статистическое исследование параметров подложек............................................64

3.3 Оценка технологической воспроизводимости отдельного излучателя................70

3.4 Исследование технологической воспроизводимости антенной решетки............74

4. Исследование влияния изгибных деформаций на параметры излучения антенной решетки.................................................................................................................................80

4.1 Исследование влияния вибрации на характеристики антенной решетки............80

4.2 Выбор и обоснование расчетной модели АР..........................................................83

4.3 Расчет показателей вибропрочности АР..................................................................86

4.4 Исследование взаимосвязи показателей вибропрочности и параметров

конструкции АР............................................................................................................90

5. Разработка радиоканала передачи информации КВЧ диапазона............................96

5.1 Расчет энергетического потенциала радиоканала КВЧ.....................................97

5.2 Оптимизация параметров радиоканала................................................................98

5.3 Учет влияния прогиба MAP на ее КНД.............................................................100

5.4 Конструкторско-технологическая реализация макета радиоканала КВЧ......102

5.5 Экспериментальное исследование радиоканала КВЧ......................................105

5.6 Результаты внедрения..........................................................................................111

Заключение.....................................................................................................................112

Литература......................................................................................................................114

Введение

В последние годы отмечается повышенный интерес к использованию миллиметровых волн (ММВ) для построения систем радиолокации и передачи информации. Обращение к этому диапазону вызвано с одной стороны, стремительно растущей потребностью в резком увеличении скорости передачи информации и числа доступных для этого каналов, а с другой, перегруженностью хорошо освоенного диапазона сантиметровых волн (СМВ).

Переход к ММВ позволяет обеспечить большее, по сравнению с диапазоном СМВ, число реализуемых широкополосных каналов передачи информации; сужение диаграмм направленности при тех же апертурах антенн, что и в диапазоне СМВ; более высокое (относительно СМВ) разрешение по дальности и угловым координатам; повышенную чувствительность к эффекту Доплера; устойчивость к непреднамеренным и организованным помехам.

Наиболее распространенной технологией изготовления устройств КВЧ является волноводная технология. На основе этой технологии разработан ряд радиотехнических систем, среди которых можно выделить отечественную систему межкомпьютерного обмена данными "КРОСС-8" и английскую систему "В1аск1к", используемую в сетях сотовой связи. Однако применение волноводной технологии, в большинстве случаев, не позволяет решить проблему улучшения массогабаритных параметров конструкции.

Альтернативой волноводной технологии служит гибридная технология конструирования устройств диапазона КВЧ, которая сочетает преимущества

тонкопленочной технологии изготовления элементов и монтажа на поверхности миниатюрных навесных дискретных компонентов.

Гибридная технология позволяет создавать системы с минимальными массогабаритными характеристиками и в случае необходимости наращивать тактико-технические характеристики систем.

Технической основой гибридной технологии в КВЧ диапазоне служат доступная элементная база, недефицитные материалы, а также типовые процессы тонкопленочной технологии.

Вместе с тем несовершенство элементной базы, выражающееся в дефиците мощности генерируемых сигналов, и ограничения технологического характера исключают применение подходов, характерных для диапазона СМВ, при разработке устройств диапазона миллиметровых волн. Поэтому актуальной является постановка и решение отдельных проектно-конструкторских задач, которые совместно с уже решенными задачами составили бы комплексную методику разработки радиотехнических систем диапазона КВЧ.

К числу таких задач следует отнести:

- обоснование структуры радиоканала КВЧ;

- исследование конструкторско-технологической воспроизводимости узлов радиоканала КВЧ;

- исследование влияния внешних механических воздействий на функциональные показатели радиоканала КВЧ.

Решению перечисленных задач и посвящена диссертация.

Целью работы является разработка научных положений, составляющих основу комплексной методики проектирования радиоканалов КВЧ диапазона.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

- построение математической модели радиоканала КВЧ и оптимизация его структуры и параметров;

- построение модели функциональной точности излучателя МПЛ АР;

- статистическое исследование параметров диэлектрических подложек АР;

- анализ технологической воспроизводимости параметров излучателя и АР;

- исследование влияния изгибных деформаций антенной решетки на ее функциональные параметры.

Для достижения поставленных целей используются методы нелинейного программирования, теории допусков, теории вероятности и математической статистики.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- предложена математическая модель радиоканала КВЧ на основе которой решена задача оптимизации энергетических и массогабаритных параметров радиоканала;

- определены количественные оценки влияния параметров диэлектрических подложек АР на КНД и входное сопротивление;

- получены показатели распределения диэлектрической проницаемости и толщины поликоровых подложек, которые позволяют оценить разброс КНД и входного сопротивления излучателя и модуля АР;

- определены границы разброса КНД и входного сопротивления излучателя АР при использовании методов фотолитографии для получения

конфигурации элементов АР. Установлена связь между разбросом параметров АР и энергетическими показателями радиоканала;

- получены количественные оценки влияния изгибных деформаций полотна АР на ее КНД. Предложена методика проектного и поверочного расчетов АР в условиях воздействия вибрации;

- предложена комплексная методика разработки радиоканала КВЧ, охватывающая схемотехнические и конструкторско-технологические задачи.

Практическая ценность диссертации заключается в разработке комплексной методики построения радиоканалов КВЧ, позволяющей выбрать оптимальную структуру, минимизировать массогабаритные и энергетические характеристики радиоканала, учесть энергетические потери за счет производственного разброса КНД АР и изменения КНД при воздействии внешних механических дестабилизирующих факторов.

Применение предложенной методики обеспечивает повышение эффективности проектно-конструкторских работ и снижение трудоемкости процесса проектирования.

Результаты работы использованы на предприятии ОАО "Фазотрон-НИИР" при разработке и изготовлении демонстрационного макетного образца активного координатора миллиметрового диапазона волн, в научно-техническом отчете каф. 404 МАИ о четвертом этапе НИЭР "Кубик" "Разработка, создание и испытания макетного образца бортового активного координатора миллиметрового диапазона волн", а также внедрены в учебный процесс каф. 401 МАИ, что подтверждено соответствующими актами внедрения.

На защиту выносятся:

- методика обоснования структуры и параметров радиоканала КВЧ;

- результаты статистического исследования параметров диэлектрических подложек МПЛ АР;

- результаты анализа технологической воспроизводимости МПЛ АР;

- методика проектного и поверочного расчетов конструктивных параметров полотна МПЛ АР в условиях внешних механических воздействий.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе доложены и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

- международной научно-технической конференции "Современные научно-технические проблемы гражданской авиации" (Москва, 1996г.);

- международной студенческой конференция "Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве"(Москва, 1997г.);

- международном научно-техническом семинаре "Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации" (Алушта, 1997г.);

- пятой ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (Москва, 1999г.).

Результаты диссертации опубликованы в 4-х печатных работах и одном отчете о НИР.

Диссертация состоит из пяти глав и содержит 118 страниц машинописного текста. Работа снабжена 49 иллюстрациями на 33 листах.

Первая глава посвящена обзору литературных источников и постановке задач исследования. Во второй главе разработана методика выбора структуры радиоканала КВЧ, позволяющая минимизировать энергетические и массогабаритные

характеристики радиоканала. Третья глава посвящена анализу технологической воспроизводимости микрополосковых устройств диапазона КВЧ, статистическому исследованию параметров диэлектрических подложек и разработке методов компенсации влияния технологических погрешностей на тактико-технические характеристики радиоканала КВЧ. В четвертой главе рассмотрено влияние изгибных деформаций полотна антенной решетки на ее КНД и предложены методики проектного и поверочного расчетов показателей вибропрочности по критерию допустимого изменения КНД. В пятой главе приведен пример практического применению разработанной методики проектирования КВЧ радиоканала, описана конструкция и принципиальная схема его укороченного макета, приведены результаты экспериментальных исследований подтверждающие разработанные теоретические положения. В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

1. Обзор литературы и постановка задачи исследования

Данный раздел содержит анализ литературных источников по следующим направлениям: особенности применения миллиметровых волн; технологии и элементная база, используемые в диапазоне миллиметровых волн; примеры реализации систем передачи информации в этом диапазоне; методы построения и анализа микрополосковых антенных решеток. В результате анализа выделены основные проблемы, существующие в указанных областях и сформулированы задачи диссертационной работы.

1.1 Особенности применения миллиметровых волн

В последние годы отмечается повышенный интерес к использованию миллиметровых волн (ММВ) для построения систем радиолокации и передачи информации [16]. К ММВ или диапазону крайне высоких частот (КВЧ) относятся частоты от 30 до 300 ГГц. Обращение к этому диапазону вызвано с одной стороны, стремительно растущей потребностью в резком увеличении скорости передачи информации и числа доступных для этого каналов, а с другой, перегруженностью хорошо освоенного диапазона сантиметровых волн (СМВ).

Переход к ММВ позволяет обеспечить [18]:

- большее, по сравнению с диапазоном СМВ, число реализуемых широкополосных каналов передачи информации;

- сужение диаграмм направленности при тех же апертурах антенн, что и в диапазоне СМВ;

- более высокое (относительно СМВ) разрешение по дальности и угловым координатам;

- повышенную чувствительность к эффекту Доплера;

- устойчивость к непреднамеренным и организованным помехам;

Все указанные выше преимущества сохраняются и для оптического диапазона волн (частоты от ЗхЮИ до 3x10^ Гц), однако использование его для реализации систем радиолокации и передачи информации в атмосфере ограничивается высоким затуханием сигнала. Согласно [9] на частоте Зх1013Гц оно составляет 75 дБ/км.

В диапазоне ММВ также имеет место затухание сигнала в атмосфере, однако оно значительно меньше, чем в оптическом диапазоне. В [18] приведен график (Рис. 1.1) который показывает, что наряду с областями сильного затухания (10 дБ/км на частоте 60 ГГц) существуют "окна прозрачности" в которых ослабление сигнала значительно меньше. Видно, что минимумы затухания находятся на частотах 35 ГГц (0,1 дБ/км) и 94 ГГц (0,9 дБ/км).

Туман и дождь приводят к дополнительному ослаблению КВЧ сигнала при распространении в атмосфере (Таблица 1.1) [18].

Таблица 1.1

Вид гидрометеора Значение затухания дБ/км, при частоте, ГГц

30 95

Дождь интенсивностью, мм/ч

16 5,0 10,0

4 0,7 5,0

1 0,08 1,0

Туман (дальность видимости 100 м) ОД 0,7

Данные, приведенные в Таблице 1.1, показывают, что затухание волн КВЧ диапазона растет с увеличением интенсивности дождя и ростом рабочих частот.

Поэтому при анализе затухания КВЧ сигнала следует обязательно учитывать местные метеорологические условия. В [16] приведены кривые (Рис. 1.2), характеризующие вероятность выпадения дождей разной интенсивности для районов России с различным среднегодовым количеством осадков (Н). Кривые 1+11 соответствуют Н=50, 100, 150, ..., 400, 450, 1000, 2500 мм. Для центральной части европейской территории России Н = 350 мм (кривая 7). Следовательно, вероятность выпадения дождя интенсивностью 16 мм/ч составляет 0,0001. Как видим, она весьма мала.

Обширные исследования влияния турбулентностей в атмосфере при дождях, туманах, и снеге на распространение сигналов миллиметрового диапазона волн [28] показали, что это влияние не превышает 1 дБ для различных частот и видов турбулентностей и значительно меньше, чем в оптическом диапазоне волн.

Рис. 1.2

Результаты крупномасштабных исследований влияния пылевых и песчаных бурь на распространение ММВ проведенных в Саудовской Аравии и Ираке [29] позволили сделать следующие выводы:

- песчано-пылевые бури дают почти такой же эффект, как и дожди в географических районах аналогичных пустыням;

- для работы на расстоянии 50 - 60 км и частоте 37 ГГц запас энергетического потенциала должен быть не менее 50 дБ;

Учет влияния дыма и взрывов на распространение ММВ важен при разработке систем военного назначения. Исследования [29] показывают, что прохождение через известные маскирующие дымы миллиметровых волн является весьма высоким, а

возможность разработки эффективного дыма для их подавления находится под вопросом из-за трудностей, связанных с созданием и рассеянием дымовых завес с соответствующим распределением размеров частиц и скоростью их оседания.

Сравнение затухания сигнала для систем КВЧ (94 ГГц) и оптического диапазона [29] при работе в условиях взрывов показало (Рис. 1.3), что нормальный уровень излучения для системы КВЧ восстанавливается значительно быстрее, чем для лазерной системы.

?*Аб

Рис. 1.3

На основе анализа приведенных выше данных можно сделать следующие выводы:

- диапазон КВЧ (частоты от 30 до 300 ГГц) имеет ряд преимуществ перед диапазонами других частот (СМВ, оптический диапазон). В частности, он позволяет работать с большими объемами и скоростью при передаче

информации, большим числом реализуемых каналов связи, нежели диапазон СМВ;

- затухание волн КВЧ диапазона при распространении в свободном пространстве неравномерно: имеются "окна прозрачности", позволяющие строить радиосистемы КВЧ с наибольшей дальностью действия;

- на распространение волн КВЧ диапазона оказывают влияние атмосферные осадки и пылевые образования; эксперименты, проведенные в различных частях земного шара, показывают, что при наличии достаточного запаса энергетического потенциала линии КВЧ обеспечивают надежную передачу информации;

- по сравнению с оптическим