автореферат диссертации по электронике, 05.27.05, диссертация на тему:Исследование и разработка методов автоматизированного конструирования модульных устройств КВЧ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(Технический университет)

ЛЕЙБМАН Алексей Михайлович

УДК 621.396.029.6

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОНСТРУИРОВАНИЯ МОДУЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ квч

Специальность 05.27.05 Интегральные радиоэлектронные устройства

На правах рукописи

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Ушкар Михаил Николаевич

Москва, 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ КОНСТРУИРОВАНИЯ МОДУЛЬНЫХ 9

УСТРОЙСТВ квч

1.1. Анализ конструктивно-технологических особенностей радиосистем 9 диапазона КВЧ

1.2. Анализ методов и пакетов прикладных программ 19 автоматизированного проектирования устройств диапазона КВЧ

1.3. Анализ типов и конструкций межмодульных переходов 29

1.4. Общий подход к проектированию модульных устройств КВЧ 42

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ МОДУЛЬНЫХ 48

УСТРОЙСТВ КВЧ

2.1. Анализ и выбор методов моделирования и математического 48 аппарата

2.2. Анализ и разработка математических моделей межмодульных 57 переходов с учетом конструктивных и технологических

погрешностей

2.3. Разработка математических моделей модульных устройств КВЧ с 72 учетом их конфигурации

3. РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНЫХ МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ 80

ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ МОДУЛЬНЫХ

УСТРОЙСТВ КВЧ

3.1. Выбор критериев и метода оптимизации модульных устройств КВЧ 80

3.2. Разработка инженерных методов и алгоритма проектирования и 84 оптимизации модульных микрополосковых антенных систем КВЧ

3.3. Разработка инженерных методов и алгоритма проектирования и 103 оптимизации модульных приемных и передающих трактов КВЧ

4. АПРОБАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ И РЕЗУЛЬТАТЫ 114

ВНЕДРЕНИЯ

4.1. Программная реализация моделей и алгоритмов проектирования и 114 оптимизации модульных устройств диапазона КВЧ

4.2. Результаты апробации и внедрения инженерных методов 119 проектирования модульных радиосистем диапазона КВЧ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 130

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 132

ВВЕДЕНИЕ

Бурное развитие информационных технологий, начавшееся в середине 80-х годов, повлекло за собой развитие всех связанных с ними областей промышленности, науки и техники. Одним из следствий этого процесса стало освоение относительно новых радиочастотных диапазонов, позволяющих создавать более скоростные и надежные каналы передачи информации. К их числу относится и диапазон КВЧ (миллиметровых волн).

Применение радиоэлектронных устройств диапазона КВЧ позволяет увеличить скорость передачи информации, повысить надежность связи и точность радиолокационной аппаратуры с одновременным снижением массогабаритных характеристик аппаратуры.

Однако при проектировании устройств, работающих в данном диапазоне, возникает и ряд проблем, связанных с физическими и технологическими ограничениями, накладываемыми на элементную базу и системы диапазона КВЧ в целом. Кроме того, серьезное влияние на параметры устройства оказывают технологические и конструктивные погрешности, что связано с его небольшими характеристическими размерами.

Одним из путей развития устройств диапазона КВЧ является применение модульного принципа их построения. Эти устройства обладают большей гибкостью и позволяют обойти указанные выше ограничения, накладываемые при проектировании устройств диапазона КВЧ.

Необходимо отметить, что процесс проектирования на сегодняшний день немыслим без применения методов и средств автоматизированного проектирования. В полной мере это относится и к проектированию устройств диапазонов СВЧ и КВЧ. В мире и в России разработан целый ряд пакетов прикладных программ автоматизированного проектирования таких устройств. Наиболее распространенным среди них является пакет программ Touchstone и Academy фирмы EEsof, формат которого стал, фактически, стандартом для систем такого рода. Это позволяет использовать его в качестве базового средства при проектировании устройств КВЧ.

В качестве базового принципа построения во всех пакетах прикладных программ автоматизированного проектирования устройств СВЧ и КВЧ используется принцип декомпозиции. Это означает, что устройство разбивается на более простые элементы и узлы, моделируемые отдельно, а затем стыкуемые в соответствии со схемой. В случае модульных устройств КВЧ такой подход естественно вытекает из самого принципа их построения. Однако существующие пакеты, в том числе и пакет ЕЕво^ не позволяют полностью учитывать особенности проектирования модульных устройств.

Так, в частности, необходимо решить проблему учета влияния стыковки модулей между собой с использованием межмодульных переходов, разработать механизмы, позволяющие определять требуемую конфигурацию модулей, реализующую заданные тактико-технические характеристики. Кроме того, необходимо учитывать влияние погрешностей и технологических допусков на электрические параметры устройства.

Исходя из всего вышесказанного, можно сформулировать цель работы и задачи исследования.

Цель работы: разработка методов и средств автоматизированного конструкторского проектирования устройств диапазона КВЧ, расширяющих возможности современных средств САПР КВЧ в части учета особенностей модульного построения таких устройств.

Задачи исследования:

• анализ особенностей модульных радиоэлектронных устройств диапазона КВЧ; анализ методов и средств автоматизированного проектирования модульных устройств КВЧ;

• разработка математических моделей межмодульных переходов для модульных устройств КВЧ, учитывающих конструктивные и технологические погрешности;

• разработка механизмов расчета конфигураций модульных устройств КВЧ: микрополосковых антенных систем и приемопередающих трактов;

• разработка алгоритмов и инженерных методов проектирования и оптимизации модульных устройств диапазона КВЧ: микрополосковых антенных систем и приемопередающих трактов;

• проверка работоспособности разработанных моделей, алгоритмов и методов при проектировании конкретных устройств.

Методы исследования. В работе применены как аналитические, так и экспериментальные методы исследования. В качестве основного метода моделирования использованы аппараты вариационных, матричных методов, а также метода приближенных конформных преобразований. При программной реализации использованы языки программирования высокого уровня, в частности язык С++.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• предложены модели межмодульных переходов, позволяющие производить расчет модульных устройств КВЧ с учетом конструктивных и технологических погрешностей таких переходов;

• предложены методы расчета конфигурации модульных устройств КВЧ, позволяющие оценивать зависимость характеристик устройства в целом от параметров и количества применяемых модулей;

• разработан алгоритм и предложены инженерные методы проектирования и структурной оптимизации модульных конструкций приемопередающих трактов и антенных систем диапазона КВЧ, позволяющие определить необходимую конфигурацию устройства и его характеристики.

Практическая ценность работы. В результате проведенных в данной работе теоретических и экспериментальных исследований разработан и внедрен набор прикладных программ, реализующих указанные выше модели и алгоритмы. Эти программы расширяют возможности пакета прикладных программ автоматизированного проектирования Touchstone и Academy в области разработки модульных устройств КВЧ. Предложены методы применения этих программ при проектировании таких устройств.

Внедрение работы. С использованием указанных методов и программ разработана конструкция приемного и передающего трактов и антенной системы модульной радиотелекоммуникационой линии диапазона КВЧ. Разработаны варианты

конфигурации линии, обеспечивающие необходимые тактико-технические требования при различных ее применениях. Разработана и оптимизирована конфигурация модульной микрополосковой антенной системы бортового локационного приемника.

Результаты внедрения подтвердили корректность и практическую ценность разработанных моделей, алгоритмов и методов. Имеются соответствующие акты внедрения.

Апробация работы. Материалы, представленные в данной диссертационной работе, докладывались на следующих конференциях:

• XXI всероссийская научно-техническая конференция «Гагаринские чтения» (Москва, 1996 г.);

• научно-техническая конференция (Таганрог, 1996 г.);

• научно-техническая конференция «Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве» (Москва, 1998).

По результатам исследований автором опубликованы, помимо тезисов указанных докладов, следующие работы:

• Использование пакета программ Touchstone и Academy фирмы EEsof при проектировании элементов и устройств СВЧ и КВЧ. Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 1998, №2.

• Функционально-модульный подход к расчету и проектированию устройств СВЧ и КВЧ. Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 1998, №3.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 140 страницах и иллюстрированных 36 рисунками и 15 таблицами, а также списка литературы из 109 наименований.

Во введении кратко рассмотрены актуальность и практическая значимость работы. Сформулированы цель работы, задачи и методы исследований, научная новизна, практическая ценность, результаты апробации и внедрения данной работы. Приведена структура диссертации и краткое содержание основных разделов.

В главе 1 произведен анализ особенностей радиосистем, работающих в диапазоне КВЧ, рассмотрены ограничения, накладываемые при проектировании

таких систем. Рассмотрены методы и средства автоматизированного проектирования устройств диапазона КВЧ; подробнее рассмотрен пакет фирмы EEsof Touchstone и Academy, как наиболее распространенный и открытый для дополнений. Приведены основные типы межмодульных переходов, предназначенных для использования в модульных устройствах диапазона КВЧ. Предложен общий подход к проектированию модульных устройств КВЧ. Поставлена задача по разработке моделей и алгоритмов, реализующих этот подход.

В главе 2 произведен анализ и выбор математического аппарата, предназначенного для моделирования модульных устройств диапазона КВЧ. Предложены модели основных видов межмодульных переходов для таких устройств, позволяющие производить расчет S-параметров перехода как при номинальных значениях его геометрических и физических характеристик, так и с учетом конструктивных и технологических погрешностей. Разработаны модели, позволяющие производить расчет конфигурации модульных устройств КВЧ -микрополосковых антенных систем и приемопередающих трактов.

В главе 3 произведен анализ и выбор критериев и методов структурной оптимизации модульных устройств КВЧ. Предложен алгоритм и инженерные методы проектирования и структурной оптимизации модульных микрополосковых антенных систем, рассмотрены примеры. Предложен алгоритм и инженерные методы проектирования и оптимизации модульных приемных и передающих трактов диапазона КВЧ. Указанные методы рассчитаны на применение пакета прикладных программ Touchstone и Academy в качестве базового средства проектирования.

В главе 4 описана структура разработанного набора прикладных программ, реализующего указанные выше модели, алгоритмы и методы. Приведены данные о практической апробации и внедрении результатов данной работы в рамках НИЭР «КУБИК» кафедры 404 Московского Государственного Авиационного Института.

В заключении приведены основные результаты работы и выводы по ней.

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ КОНСТРУИРОВАНИЯ МОДУЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ КВЧ

1.1. Анализ конструктивно-технологических особенностей радиосистем диапазона КВЧ

Одним из наиболее бурно развивающихся в последнее время частотных

•5 -л

диапазонов является диапазон миллиметровых волн (длина волны от 10" до 10" м), иначе называемый диапазоном крайне высоких частот (КВЧ) [1, 2, 3]. Основными преимуществами, достигаемыми при переходе на эти частоты, являются:

• увеличение рабочей полосы частот, а, следовательно, либо повышение скорости передачи информации, либо увеличение числа каналов связи, либо повышение надежности связи;

• уменьшение массогабаритных характеристик устройств за счет использования меньшей длины волны;

• использование относительно свободного, по сравнению с другими, традиционными, частотного диапазона (формально к диапазону КВЧ относятся частоты 30 - 300 ГГц, однако к нему часто добавляют и более низкие частоты, начиная от 23 ГГц), что упрощает выделение частоты для работы новой системы.

По данным [2] в таблицах 1.1 и 1.2 приводится статистика рынка цифровых радиостанций миллиметрового диапазона волн, а также прогноз его развития на ближайшие годы.

Таблица 1.1. Рынок радиостанций миллиметрового диапазона волн.

Год 1997 1998 1999 2000 2001

Падение цены 1,00 0,95 0,90 0,80 0,70

Число радиостанций 140.000 180.000 215.000 290.000 350.000

Цена приемопередатчика, долларов 1000 950 900 800 700

Рынок приемопередатчиков, млн. долларов 140 170 193 232 245

Цена наружного блока *, долларов 2000 1900 1800 1600 1400

Рынок наружных блоков, млн. долларов 280 340 386 464 490

Цена радиостанции **, долларов 6500 6150 5850 5200 4550

Рынок радиостанций ***, млрд. долларов 0,91 1,20 1,17 1,4 1,5

* - Наружный блок включает приемопередатчик, дуплексер, синтезатор(ы) частот и обработку промежуточной частоты.

** - Радиостанция включает наружный блок и внутренний блок (в основной модем). *** - Прогноз предполагает умеренное падение цен.

Таблица 1.2. Прогноз рынка радиостанций разных частот (тысяч).

Год 23/26 ГГц 38 ГГц

1997 50 40

1998 65 50

1999 70 70

2000 100 90

2001 120 110

Приведенная статистика, а также явные преимущества таких устройств, показывают высокую перспективность разработок в области создания устройств КВЧ.

Подобные разработки уже ведутся в большинстве российских и зарубежных компаний, работающих в области создания и производства радиотехнических устройств. Радиосистемы диапазона КВЧ могут применяться для нужд локации, передачи информации, в охранных системах и т.п. Так, в частности, компания Alcatel разработала серии цифровых приемопередатчиков Alcatel 9400UX и 9400LX, работающих на частотах 28 ГГц и 38 ГГц [4]. Фирмой Italtel разработан целый ряд разновидностей цифровых радиорелейных линий, работающих в этом диапазоне, например система Italtel SRA L работает в диапазонах 27,5н-29,5, 37,0-^39,5 и 54,0-^57,5 ГГц [5]. Аналогичные разработки имеются и у ряда других зарубежных фирм, таких как Siemens, Motorola и другие.

В России также разработан ряд систем передачи информации, работающих в диапазоне КВЧ, в частности к ним относится совместно разработанная фирмой «Сеть-сервис» и ГНПП «Исток» радиорелейная линия стандарта Ethernet M-link/Sandra, работающая на частоте 95 ГГц [6]. В ГНПП «Исток» разработаны также системы «Сурдина», «Береза» и ряд других. Аналогичные работы ведутся и в других российских компаниях, в частности на московском НПП «Пульсар» [7, 8].

Однако при разработке устройств, работающих в диапазоне КВЧ, возникает ряд проблем, связанных с технологическими и конструктивными ограничениями. Кроме того, необходимо отметить относительную слабость полупроводниковой элементной базы этого диапазона по сравнению с более традиционными диапазонами ВЧ и СВЧ, что связано и с физическими ограничениями полупроводниковой техники.

Так, в частности, выходная мощность современных полупроводниковых усилителей диапазона КВЧ ограничена 100 - 150 мвт (до 300 мвт в новейших разработках компаний Alpha Industries и МА/СОМ), тогда как для успешного решения многих задач передачи информации и радиолокации требуется мощность порядка нескольких ватт и выше.

Ограничение также накладывается и на площадь подложек для микросборок КВЧ. Оно связано со сложностью поддержания достаточной точности изготовления проводников на краях подложек большого размера. Таким образом, изготовление микросборок КВЧ на подложках площадью более 3000 - 5000 мм сильно затруднено. В частности, это не позволяет создавать микрополосковые антенные решетки

большой площади, являющиеся одним из наиболее перспективных и удобных для применения типов антенных систем этого диапазона.

Решением многих из указанных проблем может стать использование модульных устройств КВЧ.

При модульном построении устройства, когда мощность нескольких усилителей суммируется и передается на антенну, ограничение по мощности одного усилителя может быть обойдено. Гипотетический вариант такого построения приведен на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Гипотетический вариант модульного построения передающего блока. 1 - несущая пластина, 2 - микрополосковая фазированная антенная решетка, 3 - раздающая линия передачи (волновод), 4 - суммирующая линия передачи (волн�