автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Исследование новых классов трансформаторов волновых сопротивлений на основе линий передачи с Т-волнами

2 а фев 1яя7

На правах рукописи

РАЗУКОВА Ирина Анатольевна

ИССЛЕДОВАНИЕ НОВЫХ КЛАССОВ ТРАНСФОРМАТОРОВ ВОЛНОВЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ НА ОСНОВЕ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ С Т-ВОЛНАШ

Специальность - 05.I2.Cf7 - Антенны и СВЧ устройства

Автореферат диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1997

Работа выполнена в Центральном научно-исследовательском институте измерительной аппаратуры, г. Саратов

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Мещанов В.П.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Васильев E.H.; кандидат технических наук Смирнов Ю.Е.

Ведущая организация: Государственное научно-производственно«

предприятие "Алмаз", г. Саратов.

Зашита состоится —1997 г. в 15-00 на заседали:

диссертационного совета К 053.10.13 Московского энергетического института (Технического университета) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 17, ауд. А-402.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Московского энергетического института ^Технического университета).

Автореферат разослан

■Г.,

MI997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент /)

Г и,Л

1 Т.И.КурочкинЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одна из основных проблем, стоящих в настоящее время перед специалистами в области техники СВЧ, заключается в необходимости существенного уменьшения габаритных размеров контрольно-измерительной, испытательной и приемо-переда-юцей (особенно бортовой) аппаратуры. Создание малогабаритных приборов СВЧ, обладающих оптимальными рабочими характеристиками, возможно только при наличии соответствующей элементной базы, в которой особое место занимают различного рода функциональные устройства, обеспечивающие либо необходимое преобразование рабочего сигнала, либо его прохождение по тракту СВЧ без искажений. Один из видов искажений сигнала появляется, если в тракте СВЧ сочленяются функциональные элементы, имеющие разные волновые сопротивления, т.к. в плоскостях их стыковки неизбежно возникает отраженный сигнал. Добиться существенного уменьшения потерь мощности рабочего сигнала, возникающих при соединении функциональных элементов с разными активными волновыми сопротивлениями, можно с помощью включения между этими элементами тракта СВЧ промежуточного согласующего устройства, называемого трансформатором волновых сопротивлений (TBC).

Наиболее широкое практическое применение нашли ступенчатые TBC класса I, образованные каскадным соединением отрезков однородных линий передачи (ЛП) одинаковой длины 1-xq/4 (хо - средняя длина волны полосы согласования), т.к. они обеспечивают качественное согласование в достаточно широкой полосе частот. Однако, эти трансформаторы имеют два существенных недостатка. К первому недостатку относится их значительная длина L=nxo/4 (п - число звеньев TBC), что делает невозможным их использование в тех случаях, когда требуется достичь существенного сокращения габаритных размеров устройства, в состав которого они входят. Второй, не менее важный недостаток, заключается в сложности практической реализации п-звенного трансформатора класса I, т.к. по его длине требуется реализовать п+2 размера поперечного сечения.

Специалистами в области проектирования радитехнических устройств постоянно ведется поиск новых ступенчатых структур, которые можно было бы использовать в качестве трансформаторов волно-

вше сопротивлений и которые были бы свободны от указанных выше недостатков. Наиболее удачными следует признать две структуры. Первая из них представляет собой каскадное соединение двух от ре зков однородных ЛП равной длины I, причем волновые сопротивления звеньев такого TBC принимают чередующиеся значения, равные значе ниям волновых сопротивлений согласуемых ЛП; длина всего устрой ства L=2I меньше, чем XQ/6. Единственный существенный недостаток этого TBC заключается в сравнительной узкололосности (ширина но лосы согласования не превышает октавы). Вторая структура выполпе на на основе каскадного соединения четного числа отрезков одно родных ЛП одинаковой длины I (причем 1<хо/4), волновые соиротип ления которых изменяются немонотонно от звена к звену. Использо ние этой структуры позволяет сократить длину трансформатора в 2-4 раза по сравнению с аналогичным устройством класса I. Основ ной недостаток такого трансформатора - необходимость реализации больших перепадов волновых сопротивлений, достигающих в ряде слу чаев значений 30-50, что иногда оказывается невозможно осуществи на практике. Кроме этого, указанный трансформатор характеризует ся сложной технологией изготовления, т.к. по длине т -звенноп; устройства необходимо реализовать пи? размера поперечного сече ния.

Таким образом, в свете вышеизложенного следует признать, чч задачи поиска новых структур, позволяющих сократить длину ступег чатых трансформаторов волновых сопротивлений, а также задачи ис следования их свойств и определения оптимальных параметров явля ются особо актуальными в настоящее время, и от успешного их peiui ния но многом аииисят порснсктивы развитии техники СНЧ, ocoöuihk в области создания малогабаритной контрольно-измерительной и приемопередающей (стационарной и бортовой) аппаратуры.

Целью работы является поиск новых структур малогабаритны? трансформаторов волновых сопротивлений, выполненных на основ< ступенчатых неоднородных линий передачи (НЛП) с Т волнами, а Tai же исследование их потенциальных возможностей и определение опт1 мальных параметров для разных комплексов технических требований,

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые проведен анализ и систематизация структур элект рических цепей ступенчатых трансформаторов волновых с.онротиплп

пий. Построена удобная в вычислительном отношении модель амнли тудни частотных характеристик (АЧХ) 'ГНС и приближении 'Г ноли.

2. Предложен и исследован новый класс: (класс II) ступенчатых TBC, выполненных на основе каскадного включения четного числа от резков одиночных однородных ЛП разной длимы, волновые сощхггивле ния которых принимают чередующиеся значения, рапные. и частности, значениям волновых сопротивлений согласуемых ЛИ. Для указанного частного случая TBC решены прямые и обратные задачи чебышевской и максимально плоской аппроксимаций заданных АЧХ: установлено, что использование такой ступенчатой структуры для построения TBC но зволяет достичь сокращения длины устройства в ? раза по сран нению с аналогом класса 1. Решена задача синтеза ТВО с: учетом влияния ступенчатых нооднородностей на АЧХ устройства.

3. Предложены и исследованы две новые структуры малогаоарит пых ступенчатых TBC, обеспечивающие сокращение длины устройства в 2-4 раза по сравнению с аналогом класса ]. Первая из предложенных структур основана на каскадном соединении четного числа отрезков однородных линий передачи разной длины, волновые сопротивления которых изменяются немонотонно от отрезка к отрезку. В основу второй структуры положен общий случай ступенчатой структуры клас са II, когда волновые сопротивления отрезков ЛП принимают череду кхциеся значения, не равные волновым сопротивлениям согласуемых линий передачи. Установлены законы изменения волновых сопротивле ний и длин звеньев предложенных малогабаритных TBC.

4. Впервые провидено экспериментальное исследование ступен чатах трансформаторов класса IJ в коаксиальном и микронолосковом исполнениях. С помощью расчетно экспериментального метода синтеза проведена корректировка параметров TBC, найдешшх в приближении Т-волн.

Практическое значение работы определяется тем, что в ней пай дены новые и более оптимальпые технические решения в области син теза согласующих устройств. Разработан пакет прикладных щюграмм анализа различных типов ступенчатых структур трансформаторов волновых сопротивлений, вошедший в состав действующей в Централь пом ПИИ измерительной аппаратуры системы автоматизированного про вотирования устройств СВЧ.

Положения, выносимые на защиту

1. Обобщенная структура TBC, основанная на каскадном соединении четного числа отрезков однородных ЛП разной длины, волновые сопротивления которых изменяются немонотонно от отрезка к от резку, при этом длины отрезков, отстоящих на одинаковое расстояние от середины устройства равны, позволяет в 2-4 раза уменьшить длину TBC по сравнению с аналогами класса I.

2. Ступенчатая структура класса II, выполненная на основе каскадного соединения четного числа отрезков однородных ЛП разной длины, волновые сопротивления которых принимают чередующиеся значения, не равные волновым сопротивлениям согласуемых ЛП, при чем длины отрезков, отстоящих на одинаковое расстояние от середины устройства равны, имеет в 2-4 раза меньшую длину, чем анало гичный трансформатор класса I. TBC характеризуются упрощенной технологией изготовления, т.к. по их длине необходимо реализовать только четыре размера поперечного сечения ЛП.

3. Трансформатор волновых сопротивлений, основанный на каскадном соединении четного числа отрезков однородных ЛП разной длины, волновые сопротивления которых принимают чередующиеся зна чения, равные волновым сопротивлениям согласуемых линий передачи причем длины отрезков, отстоящих на одинаковое расстояние от середины устройства равны, в 1,5-2 раза короче аналога класса I, и кроме этого, характеризуется наиболее простой среди ступенчатых TBC технологией изготовления, т.к. по его длине необходимо реали зовать только два размера поперечного сечения.

Апробация результатов работы Материалы и основные положения диссертации обсуждались и были одобрены:

- на Всесоюзном научном семинаре по методам синтеза и применению многослойных интерференционных систем (г.Москва, МГУ,1984г.)

- на межведомственной научно-технической конференции по проблемам разработки методов и средств контроля полупроводниковых и диэлектрических структур (г. Саратов, 1986 г.);

- на межведомственных научно-технических конференциях по пробл ме состояпия и тенденций развития контрольно-измерительного оборудования КВЧ диапазона (г. Саратов, 1987, 1909 г.);

- на Международной научно-технической конференции по проблемам мам математического моделирования и САПР систем сверхбыстрой об-

работки информации на объемных интегральных схемах СВЧ и КВЧ (г. Сергиев Посад, 1995г.);

- на Международной научно-технической конференции по актуал!> ным проблемам электронного приборостроения (г.Саратов, 1996г.).

Публикации По результатам выполненных исследований оиубли ковапо 4 статьи (в центральных научных журналах АН СССР), 1 ста тья (на английском языке) опубликована в журнале 1ЕЕЕ Trans, on Microwave Theory and Techniques, опубликовано 6 тезисов докладов, получено два авторских свидетельства на изобретения, часть материалов включепа в аналитический обзор, посвященный TBC нл основе линий передачи с Т-волнами, а также в 2 монографии.

Объем работы Диссертационная работа содержит введение, три главы, заключение и список литературы. Материал изложен на 111 стр. машинописного текста, содержит ?б стр. рисунков, ?0 стр. таблиц и 7 стр. списка литературы.

содатниЕ работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и основные задачи работы, показана ее [фактическая значимость, дано краткое содержание работы и основ ныв положения, выносимые на защиту.

В вводных замечаниях к каждой главе лап краткий обзор основ аой литературы по рассматриваемому вопросу.

В главе 1 исследованы свойства нового класса ступенчатых ТИС :ia основе линий передачи с Т волнами трансфокатором класса 11. проанализированы свойства предложенной структуры, приведены результаты решения задач чебышепской и максимально плоской аппрок :имаций, учтено влияние ступенчатых неодиородноотей на ЛЧХ TBC.

TBC класса IT представляет собой каскадное соединение т от эезков однородных ЛП разной длины (т - четное число), юлновые сопротивления которых принимают чередующиеся значения (р и р2). 3 главе 1 изложены результаты исследования свойств важного в фактическом отношении частного случая TBC класса II (рис,.1), согда волновые сопротивления звеньев равны волновым сопротивлении согласуемых ЛП ( р и р* ).

00 Р0 - р0

1 г г г 1пГ1

Рис. 1. Частный случай TBC класса II

Проведенные исследования свойств структуры, представленно{ на рис. 1, позволили установить, что оптимальные чебышевские характеристики может обеспечить только такая структура, для которс справедливы соотношения:

где 1,2.....т/2. Справедливость этого утверждения подтверждена

данными численного эксперимента. Для данной структуры TBC решеш задача чебышевской аппроксимации заданной АЧХ. Математически задача была сформулирована следующим образом: определить значение

вектора варьируемых параметров £ = (А,«А2.....^д'* ПРИ котоРом

достигается

min max |r(e,Ä)|, (2)

А 0610^0.,]

где о-2яхо/х - обобщенная электрическая переменная соот-

ветствуют нижней и верхней границам полосы согласования); г(оД

коэффициент отражения. Компонентами вектора Л являлись величин!

= 11 /хо - нормированные длины звеньев TBC (i= i,т ), где геометрические длины звеньев. Модуль коэффициента отражения бьи определен по формуле

|г(е,Л)| = /(|Ttl|2 - D/IT,,!2 '. (3) где Т - элемент волновой матрицы передачи трансформатора.

Результирующая матрица передачи TBC найдена путем перемнож ния матриц передачи элементов двух типов: матрицы передачи непо<

редственного соединения двух отрезков однородных ЛП с разным:

хпновыми сопротивлениями (матрица скачка полипного оонротивло 1Я) и матрицы передачи отрезка однородной ЛИ без потерь.

В основу решения задачи чебышевской аппроксимации заданной Ж (2) был положен метод линеаризации Пшеничного. Выше было от зчено, что оптимальные чебышепские характеристики может обеспо ггь только структура, для которой справедливы соотношения (1), эторые совместно с равенствами р^рг рор* являются необходимы л и достаточными условиями антиметрии TBC класса ГТ. Таким обра эм, условие антиметрии является необходимым для достижения гло эльного минимума целевой функции при решении задачи синтеза оту знчатого TBC класса ГТ. На основании того факта, что оптимальная зрактеристика ступенчатых трансформаторов класса Т (чебншовскаи максимально плоская) может быть достигнута только для антимет ячной структуры, сделан общий вывод о том, что условие антимет ни является необходимым для достижения глобального минимума

елевой функции G(Л) max |г(о,Л)| в задачах синтеза пту

Oi l о ,о I 1 2

енчатых трансформаторов, выполненных на основе каскадного соеди ения отрезков однородных Jill с 'Г войтами. В главе 1 приведены аблицы оптимальных параметров TBC класса II (для случая р ( р*. ?~Р0). полученные в результате решения задачи чебмшевгкой аннро Симами для разных комплексов технических требований (учет уело ия антиметрии (1) позволил вдвое сократить размерность векто

а А). Анализ полученных решений позволил сделать вывод о том, то при одних и тех же допусках на рассогласование 1Пшах и поре аде волновых сопротивлений ТВО класса 1 соответствует трансфор-атор класса II, число звеньев у которого вдвое больше, причем го общая длина приблизительно вдвое меньше. Тот факт, что АЧХ -звенного TBC класса И имеет вид аналогичный АЧХ т/Р звенного ВС класса I, просто объяснить, если учесть, что число макеималь ых отклонений АЧХ от "нулевого" уровня определяется количеством

омнонент вектора варьируемых параметров А; оно равно количеству омпонент плюс единица. При решении задачи чобышевской апирокси ации заданной АЧХ гс-звенного TBC класса I число компонент некто

а К равно п, т.е. будет иметь место пИ отклонение от "нулевого" ровня; в случае т -звенного ТКС класса И с учетом антиметрии

вектор Ä будет иметь m/2 компонент, т.е. число отклонений равно т/2+1. Таким образом, n-звенный TBC класса I и т -звенный TBC класса II будут иметь идентичные АЧХ, если т. =2.п. Особый интере! предложенный ступенчатый трансформатор представляет потому, чт< т -звенный TBC класса II в случае р1=р*. р2=р0 (рис. 1 ) отличается от известных ступенчатых TBC простотой технологии изго товления, т.к. по его длине необходимо реализовать только дв! размера поперечного сечения, соответствующие значениям волнового сопротивления ро, р*. При изготовлении п -звенного TBC клвс-са I необходимо реализовать тг+2 размера поперечного сечения, соответствующих значениям волновых сопротивлений звеньев и согласуемых ЛП. Кроме этого, существенно упрощается учет влияния неод-нородностей, возникающих в плоскостях соединения отрезков однородных ЛП с разными волновыми сопротивлениями, т.к. в предложенной структуре имеется всего один тип неоднородностей (в п -звен-ном TBC класса I число типов неоднородностей равно п+1).

В главе 1 приведены также результаты решения задачи максимально плоской аппроксимации заданной АЧХ TBC класса II ( случай pi=po' рг=ро'" Математически задвча аппроксимации была сформулирована следующим образом: найти такой вектор варьируемых параметров к = (AitA_,.....Ajjj), при котором в некоторой заданной точ!

вое [в1,02] совпадают значения аппроксимируемой |го(е)| и аппрог

симируицей |г(о,А)| функций и их производных по е до (т - 1)-го порядка включительно (при этом, естественно, обе функции должны быть дифференцируемы по в до (т -1)-го порядка включительно). Рс шение сформулированной задачи свелось к решению системы уравнеш |Г(в„.А)| = 0.

|г(0о,а)|(й> = 0, й = 1 ,т -1

(4)

где индекс "к" означает производную й-го порядка по в, к = ТЖ. При решении задачи синтеза использовано свойство антиметрии

устройства. Компонентами вектора варьируемых параметров Ä были длины звеньев А^ (t = 1 ,т/г ).

Были решены прямая и обратная задачи максимально плоской ас проксимации заданной АЧХ. В первом случае задавались перепад вод нового сопротивления R, во и допуск на рассогласование 5 = |г

■ребовалось определить значение вектора А, являющееся решением

4) и х -- öj./ö,- Граничные точки о и оv полосы согласования он юделялись из соотношений

|г(0j,А)| = |Г(о2Д)| - ъ. С>)

[ри решении обратной задачи максимально плоской аппроксимации

¡вдавались значения R и х , требовалось найти значение вектора А. ри котором в заданной полосе согласования значение б будет мини шльным. Результаты решения прямой и обратной задач прииедены в аблицах.

Из сопоставления результатов решения задач чебышевской и юксимальпо плоской аппроксимаций заданной АЧХ следует, что поло :а согласования TBC класса TI с максимально плоской АЧХ незначи ельно уже, а общая длина всего на 3*7% больше, чем у соответпт |увдего TBC класса II с чебышевской АЧХ. Из сравнения предложен гого трансформатора с максимально плоской АЧХ и его аналога клас-:а I видно, что при незначительном отличии частотных характерно ■ик TBC класса II в 1,5+2 раза короче аналогичного TBC класса I.

Длины звеньев TBC класса II с максимально плоской АЧХ нодчи-шются следующей закономерности: длины звеньев с нечетными номе->ами возрастают в направлении от согласуемой ЛГ1 с меньшим значением волнового сопротивления ро к ЛП с сопротивлением р*, а длины шеньев с четными номерами убывают в том же направлении. Аналоги шая закономерность изменения длин звеньев имеет место и в случае "ВС класса II с чебышевской АЧХ.

Как показала практика, с ростом рабочей частоты АЧХ транс-юрматора, оптимальные параметры которого найдены без учета волн 1ысших типов, начинает существенно отличаться от заданной, поэто-iy необходимо проведение корректировки параметров TBC. Известно, [то учесть влияние локальных волн высших типов можно введением в (квивалентную схему скачка волнового сопротивления соответствую--1ей шунтирующей проводимости Y емкостного характера. Тогда эле-

1енты волновой матрицы передачи [ т ]• описывающей "скачок" вол-

гового сопротивления приобретают вид

Т = (R(1+Y)+1 )/г/1Г' , T = (R(1+Y)-1 )/2/^R~^ 11 12 (6)

T2i= (R(1 — Y)—1 )/z/~R , T22= (R(1+Y)+1 )/z/\ , где Y = J2ncC_.,p /х . с - скорость света в вакууме, С„„ - ем-

l<tV 0 0 l'ft

кость "скачка". Элементы матрицы передачи становятся частотно-зависимыми, что приводит к необходимости решать задачу синтез« для каждого значения средней частоты.

С целью исследования влияния CQK на параметры TBC была решена задача синтеза для коаксиальной структуры на основе двух мг тематических моделей: с учетом С„„ и без учета С_„. Установлено

LK 1Ж

что включение Сск в математическую модель ступенчатой неоднород* сти приводит к нарушению антиметрии устройства. Погрешность в oi ределении длин звеньев TBC возрастает с ростом частоты.

В главе 2. описаны две новые конструкции малогабаритных ctj пенчатых TBC. Первая структура, названная обобщенной, представл* ет собой каскадное соединение m отрезков однородных ЛП (т - четное число), имеющих разные длины 1( и волновые сопротивления р{ (i -ТЖ).

Установлено,что оптимальные чебышевские характеристики Оудс иметь только аптиметричная структура, для нее справедливы следук щие соотношения:

ll = ^т* 1 -1 • (7)

= РА- 1 =ТТ!Я72-.

Проведенные численные эксперименты позволили установить еле дующую закономерность изменения волновых сопротивлений звенье TBC: волновые сопротивления звеньев с четными номерами, также кг и звеньев с нечетными номерами, возрастают в направлении от cor/ суемой ЛП с меньшим волновым сопротивлением ро к линии с соироту лением р*. причем волновое сопротивление любого звена с нечетнь номером всегда больше, чем у любого звена с четным номером. Кром этого, наблюдается еще одна закономерность: длины звеньев с не четными номерами возрастают в направлении от согласуемой ЛП меньшим волновым сопротивлением pQ к линии с сопротивлением р*, длины явпньоп с четными номерами убывают в том же направлении.

В главе 2 приведены таблицы оптимальных параметров рассмат-

риваемых малогабаритных TBC, найденные в результате решения за дачи чебышевской аппроксимации (2). Учет антиметрии устройства

позволил вдвое сократить размерность вектора А. компонентами ко торого являлись нормированные волновые сопротивления звеньев TBC, длины звеньев при решении задачи синтеза были зафиксированы.

Предложенный малогабаритный немонотонный ТВП, выполненный на основе обобщенной ступенчатой структуры, выгодно отличается от известного малогабаритного TBC со звеньями одинаковой длины тем, что при его изготовлении требуется реализовать почти в 1,Г> раза меньший максимальный перепад волновых сопротивлений. Кроме этого, он в 2-4 раза короче аналогичного TBC класса I.

Вторая предложенная структура малогабаритного TBC, выполнен; 1 на основе структуры класса II и отличается от показанной на рис.1, тем,что волновые сопротивления удовлетворяют соотношению

" рэ = - ' рй -•>'

(О)

Ра - Р4 = ... - Рт . т - 2.4.....

при ЭТОМ р р = р р* , р < р , р > р*.

' \ 7 'tr о о ^ 1 г о

Исследование свойств трансформатора, выполненного на основе описанной структуры, показало, что оптимальные характеристики о .у дут иметь только такие TBC. у которых длины звеньев с нечетными номерами возрастают в направлении от согласуемой ЛИ с меньшим волновым сопротивлением pQ к ЛИ с волновым сопротивлением р*. а длины звеньев с четными номерами убывают в том же направлении. Таким образом, на основании результатов, приведенных в главах 1 и 2, можно утверждать, что указанная закономерность изменения длин звеньев присуща всем ступенчатым трансформаторам, выполнен ным на основи каскадного соединения отрозкоп одпорюдных ЛП с раз ными длинами, независимо от того, каковы их волновые сопротиплс ния (принимают ли они два чередующихся значения или изменяются по какому-либо закону).

Для рассматриваемой структуры решена задача чебышевской ап щхжеимвции заданной АЧХ (2); компонентами вектора варьируемых

параметров А являлись нормированные длины звеньев и их нормиро ванные волновые сопротивления. Учет условия антйме-фии TBC нозво

лил вдвое сократить размерность вектора А, она стала равной т/2.

Следует отметить, что среди известных в настоящее время малогабаритных ступенчатых трансформаторов, устройства, выполнении на основе последней структуры, наиболее перспективны с точки зре ния практической реализации, т.к. по длине т -звенного трансфор матора необходимо реализовать только четыре размера поперечного сечения НЛП, соответствующие значениям волновых сопротивлений ро Pi, р2. р*. Кроме этого, в случае использования данной ступенчатой структуры необходимо реализовать наименьший по сравнению с другими малогабаритными трансформаторами, рассчитанными на такой же комплекс технических требований, максимальный перепад волновы сопротивлений. Применение предложенных малогабаритных структур позволяет достичь суммарной длины TBC 0,125хо, т.е. они в четыре раза короче своих аналогов класса I.

В главе 3 рассмотрены вопросы практической реализации предложенных в диссертационной работе структур ступенчатых TBC. Приведены результаты экспериментальных исследований свойств ступенчатых трансформаторов класса ii (случай р,=р*» р2=р0) с чебышев-ской АЧХ, выполненных в коаксиальном и микрополосковом вариантах Показано, как с помощью расчетно-экспериментального метода можно скорректировать параметры TBC, найденные в приближении Т-волн.

В целях проверки правильности сделанных теоретических выво дов о свойствах ступенчатых TBC класса II были изготовлены и экс пориментально исследованы коаксильные и микрополосковые TBC. Осу ществлена практическая реализация двух вариантов коаксиального чотырехзвенного TBC класса II с чебышевской частотной характерно тикой: параметры одного из них рассчитаны без учета емкости "скачка" волнового сопротивления Сск, обусловленной наличием волн высших типов, возникающих в плоскостях скачкообразного изме нения диаметра внутреннего проводника, другой синтезирован с уче том Сск. Результаты экспериментов позволили заключить, что учет емкости, обусловленной скачкообразным изменение диаметра внутрен него проводника, существенно влияет на АЧХ трансформатора. Кроме этого получено экспериментальное подтверздение правильности сделанного теоритеческого вывода о том, что полоса согласования TBC класса II незначительно уже, чем у аналогичного трнасформатора класса I, однако он значительно короче и более прост в изготовлении, т.к. по его длине необходимо реализовать лишь два раз-

ера поперечного сечении, соответствующие значениям волновых со ротивлений ро и р*.

Проведено также экспериментальное исследование четырехмвон ого TBC класса II (случай p?~p„) в микрополосковом исиол

ении. Результаты экспериментов подтвердили эффективность решен ой в приближении Т-волн задачи синтеза, позволившей создать твс ового класса, характеризующийся малыми габаритными размергзми.

Характеристики ТВС, оптимальные параметры которых найдены в -приближении, с ростом рабочей частоты все более отличаются от аданных. Скорректировать параметры трансформатора можно, решив адачу аппроксимации с учетом емкости Сск, однако это сопряжено о значительными трудностями вычислительного характера и неоохо-имостью применения ЭВМ большой производительности. Поэтому пред тавлялось целесообразным более оптимально использовать как мате этические модели, так и результаты эксперимента, рлзралотан рас етно-экспериментальный алгоритм оптимизации, позволяющий приме ять упрощенную математическую модель и получать результаты г: ребуемой точностью-. Применение расчетно экспериментального мпто а обеспечило решение задачи

min шах ||го(0)| |г3(в.А)||, (Ч) Ä 0е[0 ,e2J

де |Го(0)| - заданная (аппроксимируемая) функция ( требуемая ха

актеристика устройства);|гэ(0,А)( экспериментальная характери тика ( в случае ТВС',£ (о), - 0 ). Решение укапанной задачи раз ивалось на ряд этапов: сначала была осуществлена постановка за ачи, т.е. задан комплекс технических требований к щхнжтируемому ТО. Затем произведен выбор структуры устройства, решены задачи нализа свойств устройства по заданным структуре и значениям па аметров его элементов. На этапе параметрической оптимизации ешена задача чебышевской ашгроксимации без учета Сск- После зготовления ТВС, произведено экспериментальное исследование, атем, т.к. полученная экспериментальная АЧХ пе удовлетворяет аданному комплексу технических требований, процесс синтеза был родолжен: полоса согласования была разбита на сетку из к точек, исло которых равно числу точек сотки при решеиии задачи ашцкж

симации. В каждой точке е{ ( I =Т72Г) найдена разность |г(0,А*) | - 1гэ(е,А*)|, где |Г(оД*)| - расчетная характеристик в точке оптимума, и строится новая аппроксимируемая функци

|Г (0)| = ||Г(е,А*)| - |гэ(вД*)||. На следующем этапе решена з дача

min G)(А), Gt(A) = max |(e)| - |Г(0Д)||, (10) Ä ве[0 ,e ]

для которой решение А* является хорошим первым приближением. На денное в результате решения задачи (10) новое оптимальное значе

вектора варьируемых параметров А* взято за основу построения с дующей натурной модели TBC, после чего проведен эксперименталь анализ его характеристик. Как оказалось, одного расчетно-экспе ментального цикла вполне достаточно для удовлетворительного с падения расчетной и экспериментальной АЧХ. Таким образом, удало найти оптимальные параметры TBC, обеспечивающие удовлетворитель ное совпадение расчетных характеристик с эксперименталышми, бе использования уточненной эквивалентной схемы и усложнения вычи лительного алгоритма, зная лишь поправку к первоначальной аппро симируемой функции.

В заключении сформулированы основные результаты и вывс диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложен и исследован новый класс ступенчатых трансфор маторов волновых сопротивлений, в основу структуры которых поле жено каскадное включение отрезков однородных ЛП разной длинь волновые сопротивления которых принимают- чередующиеся значение Исследованы свойства частного случая такой структуры, когда boj повые сопротивления звеньев принимают чередующиеся значения, ре ные волновым сопротивлениям согласуемых ЛП. Решены задачи чебь шевской и максимально плоской аппроксимации, составлены таблш оптимальных параметров. Применение предложенной структуры позве лило в 1,5+2 раза сократить длину TBC по сравнению с аналогична

трансформатором класса J, значительно упростить технологию изготовления.

2.Впервые установлено, что условие аатимстрии является необходимым для достижения глобального минимума целевой функции в задачах синтеза ступенчатых TBC любых типов.

3. Предложена новая структура малогабаритного ступенчатого 1'ВС. в основу которой положено каскадное соединение отрезков однородных ЛИ разной длины, волновые сопротивления которых измени отся немонотонно от отрезка к отрезку. Решены задачи чебышевской аппроксимации заданных АЧХ, составлены таблицы оптимальных параметров. Установлены закономерности изменения длин и волновых сопротивлений предложенной структуры.

4.Предложена и исследована еще одна структура малогабаритного ступенчатого TBC, основанная на каскадном соединении отрезков однородных ЛП разной длины с чередующимися значениями волновых сопротивлений, неравными волновым сопротивлениям согласуемых ЛП. эешена задача чебышевской аппроксимации, составлены таблицы оп-гимальннх параметров. Применение данной структуры наиболее перспективно с точки зрения практической реализации, т.к. при ее изготовлении необходимо реализовать только четыре размера попереч-юго сечения НЛП и наименьший по сравнению с другими малогабаритными аналогами максимальный перепад волновых сопротивлений.

5. Впервые проведено решение задачи чебышевской анпроксима-щи задагаюй АЧХ ступенчатого TBC класса II с учетом влияния волн шеших типов, возникающих в плоскостях соединения отрезков однородных ЛП с разными волновыми сопротивлениями. Оценено расхожде-гие оптимальных параметров, найденных в результате решения задач пшроксимации с применением простейшей и уточненной эквивалентной :хем; получено приближенное соотношение, позволяющее производить корректировку параметров, найденных без учета емкости Сск, не ро-зая задачу синтеза с учетом С . Определены границы применения гриближенного соотношения 1 ГГц, R*>4).

6.Проведено экспериментальное исследование свойств четырех-»венных ступенчатых TBC класса II в коаксиальном и микрополоско-юм исполнениях. Экспериментально подтверждено, что включение [роводимости емкостного характера Сск в эквивалентную схему су-шетвешю влияет на АЧХ синтезируемого устройства. Установлено,

что значения оптимальных параметр!» ступенчатых ТИС., найденные I приближении Т-волн, можно использовать для проектирования мик[ч> колосковых устройств.

7. Впервые для определения оптимальных параметров стуиенча тых ТВС применен расчетно экспериментальный .метод синтеза, ном поллюций наиболее полно использовать преимущества щюстейших мл тематических моделей и данные экспериментальных исследований дл) получения удовлетворительного совпадения [«почетных и экснеримен тальных АЧХ. При этом отпадает необходимость применения уточнен пых эквивалентных схем. приводящая к усложнении) вычислительного процесса.

РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Синтез ступенчатых переходов II класса / В.II. Мещанов. С.А. Салий, И.А. Цоц, Л.В. Шикова // Радиотехника и электрю-ника.- 1984. T-P9.No. 10. С. 1096 190!,.

2. Трансформаторы сопротивлений / Г>.М. Цац, И.И. Мещанов. С.А. Салий, И.А. Цоц и др. // Оптимальный синтез уст}х>йетв СВЧ с Т волнами / Под ред. В.II. Мещанова. М., 1984. С. 171 17Ь.

3. Расчет параметров ступенчатых неоднородностей / Б.М. Кац,

B.II. Мещанов, С.А. Салий, И.А. Цоц и др. // Оптимальный синтез устройств СВЧ с Т волнами / Под ред. В.И. Мещанова. М., 1984.

C.103-193.

4. Ступенчатые линии передачи в качестве трансформаторов волновых сопротивлений / В.П. Мещанов, И.II. Салий, И.Л. Цоц, Л.В. Шикова // Методы синтеза и применение многослойных интер ференционных систем / в сб. тез. докл. Всесоюзного научного семинара - М., 1984.-С.45-46.

5. Мещанов В.П., Цоц И.А. Трансформаторы активных волновых с: противлений на основе линий передачи с Т волнами: ООзоры по эле тронной технике. Сер.1, Электроника СВЧ.-М., 1')87. Вып.1(1?44)

49с.

6. Результаты исследования широкополосных трансформатором волновых соп[х)тивлепий класса II / В.П. Мещанов, И.Л. Цоц, Г.Р. Чумаевская. Л.В. Шикова //М(!Тоды и сродства контроля гюлу проводниковых и диэлектрических структур / в сб. тем. докл. на

/ч.-техн. конф. - М., 1986.-Вып.2 (232). -С.52-53.

7. Мещанов В.П., Чумаевская Г.Г., Цоц И.А. Ступенчатые трансформаторы класса II с максимально плоскими амплитудно-частотными сарактеристккэми // Радиотехника и электроника. -1989. -Т.34, fo. 1.-С.195-198.

э

8. A.c. 1092619 СССР, МКИ Н 01 Р5/02. Трансформатор волновых юпротивлений / В.П. Мещанов, С.А. Салий, И.А. Цоц(СССР).-Опубл. J Б.И.,1984, No. 18.

9.Одиночные НЛП со ступенчатым изменением параметров /В.П. Ме-laHOB, В.Д. Тупикин, С.Л. Чернышев, И.А. Разукова // Коаксиальное пассивные устройства / Под общей ред. В.П. Мещанова.-Саратов, 993.- С.139-147.

10.Трансформаторы активных сопротивлений/В.П. Мещанов, В.Д. Ту-!икин. С.Л. Чернышев, И.А. Разукова // Коаксиальные пассивные стройства / Под общей род. В.П. Мещанова.-Саратов, 1993. С.170 92.

11. Мещанов В.П., Разукова И.А.. Тупикин В.Д. Новые свойства тупенчатых трансформаторов активных волновых сопротивлений // остояние и тенденции развития контрольно-измерительного и испы-ательного оборудования КВЧ-диапазона / в сб. тез. докл. межвед. ауч.-техя. конф. Cep.I.-М.. 1989.-Вып.2 (298)- С.67-69.

12.Мещанов В.П., Разукова И.А., Тупикин В.Д. Новая структура алогабаритных ступепчатых трансформаторов активных волновых со-ротивлоний // Радиотехника и электроника. -1991. -Т.36.No. 8. С.1492-1496.

13. A.c. 1730693 СССР,МКИ ,Н 01 Р5/02. Ступенчатый трансформа-ор/ В.П. Мещанов, И.А. Разукова, В.Д. Тупикин (СССР).-Опубл. в .И., 1992,No. 16.

14. Мещанов В.П., Разукова И.А., Тупикин В.Д. Ступенчатые тран-форматоры на основе линий передачи с Т-волнами // IEEE Trans, on ГТ. - 1996.-vol.44,June.-Р.793-798.

15. Экспериментальное исследование микрополосковых устройств на снове новых структур / И.И. Дробышев, В.П. Мещанов, И.Н. Салий, .А. Салий, И.А. Цоц и др. // Радиотехника.-1986.-No. 5.-С.83-84.

16. Мещанов В.П., Чумаевская Г.Г., Цоц И.А. Расчетно-экспери-знтальный синтез трансформаторов волновых сопротивлпий // Состояло и тенденции развития контрольно-измерительного и испытатель-

ного оборудования КВЧ-диапазона / в об.тез. докл. межвед. науч. техн. конф. Сер.1. М., 1987. Выи.6(^65). 0.97 99.

17.Мещанов В.П., Разукова И.А. Новые структуры малогабаритных ступенчатых трансформаторов волновых сопротивлений // Математи ческое моделирование и САПР систем сверхбыстрой обработки ипфор мации на объемных интегральных схемах (ОИС) ОВЧ и 10*4 / в сб. тез. докл. 5-й Меадунар. науч. техн. конф., Сергиев Посад, май, 1995 г. // Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ. М.. 1995.-Вып.3 (11). -С.47.

18.Мещанов В.П., Разукова И.А. Малогабаритные ступенчатые трап сформаторы волновых сопротивлений // Актуальные проблемы плект ронного приборостроения / в сб. тез. докл. Мовдупар. науч. техн. конф.- Саратов, 1996.4.1. С.1 Ы> 154.

Псч. л. ¡26'

Тираж /СО Заказ Ж

Типография .МЭИ, Крп1'1юказармснн,1Я, 13,