автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.21, диссертация на тему:Методы синтеза многозвенных СВЧ-структур с частотно-зависимыми связями

Тульский государственный университет

На правах рукописи

Черешнев Александр Владимирович

МЕТОДЫ СИНТЕЗА МНОГОЗВЕННЫХ СВЧ-СТРУКТУР С ЧАСТОТНО-ЗАВИСИМЫМИ связями

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.12.21 - Радиотехнические системы специального назначения, включая технику СВЧ и технологию их производств.

Научный руководитель

д.т.н., проф. Ю.А. Покровский

Тула 1998

Содержание

Введение

6

1 Исследование особенностей многозвенных СВЧ-структур с частотно-зависимыми связями и реализуемых в них волновых явлений 14

1.1 Амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики элементов связи и линий передачи многозвенных структур 14

1.2 Особенности волновых явлений в СВЧ-структурах с запредельными волнами 26

1.2.1 Отражение запредельной волны от реактивной нагрузки 26

1.2.2 Отражение запредельной волны от изолированного ВДР 27

1.2.3 Отражение запредельной волны от нагруженного ВДР 28 1.2.4. Аномальная зависимость коэффициента передачи двузвенного

ВДР от длины запредельного волновода связи 29

1.2.5 Аномальные свойства элементов матрицы рассеяния волноводно-диэлектрических структур с запредельными связями 31

1.2.6 Механизм переноса энергии в волноводах с запредельными волнами 33

1.3 Выводы по разделу 43

2 Анализ методов синтеза многозвенных СВЧ-структур 45

2.1 Декомпозиция методов синтеза 45

2.2 Прототипы фильтрующих и согласующих СВЧ-устройств в известных методах синтеза 47

2.2.1 НЧ-прототип 47

2.2.2 Ступенчатый прототип 56

2.2.3 ВДФ-прототип 60

2.2.4 ВДСЗС - прототип 72

2.3 Математический аппарат методов параметрического синтеза многозвенных СВЧ-структур 75

2.3.1 Матричные методы в анализе и синтезе СВЧ-структур 75

2.3.2 Методы ориентированных графов в анализе и синтезе СВЧ-структур 78

2.3.3 Методы рекуррентных формул в анализе и синтезе СВЧ-структур 80

2.4 Математические модели многозвенных СВЧ-структур 82

2.5 Выводы по разделу 91

3 Разработка методов синтеза многозвенных СВЧ-структур с

частотно-зависимыми связями 93

3.1 Разработка методов обобщенного волнового синтеза многозвенных ППФ с непосредственными частотно-зависимыми связями 93

3.1.1 Выбор и обоснование прототипа 94

3.1.2 Новая обобщенная частотная переменная 95

3.1.3 Модели и алгоритмы синтеза двузвенного ППФ с максимально плоской характеристикой 99

3.1.4 Метод фиктивных фазовых координат в теории синтеза ППФ с непосредственными связями на основе новой переменной 103

3.1.5 Метод эффективных фазовых координат в теории синтеза многозвенных ППФ с неидентичными резонансными звеньями 109

3.2 Разработка нового метода синтеза ППФ с частишо-зависимыми четвертьволновыми связями 111

3.2.1 Выбор и обоснование прототипа 111

3.2.2 Выбор и обоснование обобщенной частотной переменной 112

3.2.3 Выбор и обоснование математического аппарата синтеза 113

3.2.4 Математические модели ГГПФ с частотно-зависимыми четверть во л новы м и связями 113

3.3 Разработка метода синтеза полосно-заграждающих фильтров 120

3.3.1 Прототип многозвенных ПЗФ 120

3.3.2 Математические модели 121

3.3.3 Новая частотная переменная 121

3.3.4 Расчет числа звеньев 125

3.3.5 Синтез однозвенного ПЗФ 128

3.3.6 Обобщенные модели ПЗФ 129

3.3.7 Синтез двузвенного ПЗФ методом неопределенных коэффициентов 131

3.4 Расчет таблиц единого прототипа (ВДСЗС-прототипа) для чебышевской характеристики в полосе пропускания 134

3.5 Выводы по разделу 134

4 Разработка моделей и алгоритмов анализа и синтеза многозвенных

структур с двухмодовыми резонансными звеньями 136

4.1 Разработка математических моделей двухмодового звена с одной преобразующей неоднородностью 137

4.2 Анализ влияния второй моды на характеристики резонансного

звена 149

4.3 Выводы по разделу 155

5 Экспериментальные исследования явлений, методов и устройств 156 5.1 Исследование особенностей волновых явлений в структурах с

запредельными волнами 156

5.1.1 Измерение коэффициента отражения запредельной

волны от изолированного диэлектрического резонатора 156

5.2 Исследование прототипов многозвенных СВЧ-структур 158

5.3 Исследование методов синтеза 160

5.4 Выводы по разделу 174 Заключение 175 Список литературы 177 Приложение 1 Таблица параметров ВДСЗС-прототипа с

чебышевской частотной характеристикой 185

Приложение 2 Акт о внедрении результатов диссертационной работы 210

Введение

Актуальность темы. Совершенствование радиотехнических систем специального назначения неразрывно связано с повышением точности проектирования устройств на основе многозвенных фильтрующе-согласующих структур техники СВЧ. Эти устройства осуществляют главным образом предварительную обработку входного сигнала и поэтому во многом определяют выходные характеристики системы в целом. Вместе с тем настройка многозвенных структур и подгонка их конструктивных параметров занимает значительную часть времени как на этапе отработки, так и при производстве новой аппаратуры.

Отсюда следует необходимость ужесточения требований к качеству многозвенных фильтрующе-согласующих структур и воспроизводимости их параметров, что определяет постановку задачи существенного увеличения точности проектирования указанных структур и достижения на его основе значительного сокращения доводочных и котировочных работ при производстве устройств техники СВЧ. Решению указанной задачи во многом способствовали работы отечественных ученых: И.В. Лебедева, Л.А. Вайнштейна, А.Л. Микаэляна, Л.В. Алексейчика, М.Е. Ильченко, Б.Ю. Капилевича, В.А. Коробкина, Е.Р. Трубехина, Ю.А. Покровского, а также ряда зарубежных - Дж. Маттея, Л. Янга, Е. Джонса, Дж Роудса, Т. Абеля, Р. Леви и др.

В настоящее время один из основных путей повышения точности проектирования - создание более точных методов синтеза на основе моделей резонансных звеньев, адекватных реальным объектам. Существующие модели в большинстве своем либо построены на элементах с сосредоточенными параметрами, либо не

учитывают такой важный аспект, как дисперсия связи между компонентами, а если и учитывают, то частично, принимая во внимание лишь частотную зависимость фазы параметра связи. Вместе с тем дисперсный характер элементов связи в значительной степени определяет частотные характеристики многозвенных, особенно широкополосных, избирательных структур техники СВЧ. С учетом возрастания требований к радиотехническим системам, используемым для передачи и приема широкополосных сигналов тема диссертационной работы является актуальной.

Объект исследования диссертации - многозвенные фильтру юще-согласующие структуры техники СВЧ с частотно-зависимыми параметрами элементов связи.

Предмет исследования диссертации - взаимосвязанная совокупность методов, моделей и алгоритмов синтеза многозвенных СВЧ структур с частотной избирательностью.

Целью работы является сокращение сроков и стоимости отработки устройств техники СВЧ на основе многозвенных резонансных структур путем существенного уменьшения объема настроечных и доводочных работ за счет повышения точности проектирования.

Задачи исследований.

1. Установление особенностей многозвенных СВЧ-структур с частотнозависимыми связями и реализуемых в них волновых явлений.

2. Декомпозиция методов синтеза многозвенных структур техники СВЧ и анализ основных особенностей составляющих метода -прототипов, обобщенных частотных переменных, математического аппарата, математических моделей и алгоритмов синтеза.

3. Разработка метода и алгоритмов синтеза многозвенных структур с непосредственными связями, учитывающих фазо-частотные характеристики элементов связи,

4. Разработка метода и алгоритмов синтеза многозвенных структур с непосредственными связями, учитывающих ам п л и ту д н о -ч ас тот н ы е характеристики элементов связи.

5. Разработка методов и алгоритмов синтеза многозвенных структур с четвертьволновыми частотно-зависимыми связями, имеющими неидентичные амплитудные и фазовые характеристики.

6. Разработка методов и алгоритмов синтеза многозвенных полосно-заграждающих фильтров с частотнозависимыми связями.

7. Разработка математических моделей и методов анализа многозвенных структур с двухмодовыми резонансными звеньями.

Методы исследования. Для получения основных теоретических результатов были использованы методы теории дифференциальных уравнений, методы теории функций комплексной переменной и методы матричных алгебры и анализа. Разработка алгоритмов осуществлялась на основе объектно-ориентированного подхода к организации данных и алгоритмов.

Научная новизна работы заключается в распространении теоретических положений и прикладных приемов методов анализа и синтеза на основе фазовой координаты и рекуррентных формул Покровского на класс многозвенных избирательных устройств с неидентичными частотными зависимостями параметров связи и на класс многомодовых многозвенных избирательных устройств. Конкретно, в диссертации получены следующие оригинальные результаты.

1. Исследован механизм переноса мощности через отрезки запредельного волновода конечной длины.

2. Установлены особенности математических моделей явлений взаимодействия запредельных волн с различными нагрузками.

3. Разработаны новые методы синтеза ППФ с непосредственными частотно-зависимыми связями обеспечивающие существенное повышение точности проектирования и отличающиеся:

- новой частотной переменной, учитывающей не только фазочастотные характеристики элементов связи и линий передачи звеньев, но и амплитудно-частотные характеристики элементов связи;

- новым алгоритмом синтеза, учитывающим несимметричность не только фазочастотных, но и амплитудно-частотных характеристик элементов связи;

- новым алгоритмом синтеза многозвенных структур с неидентичными резонансными звеньями

4. Разработаны методы синтеза полосно-пропуекающих фильтров с четвертьволновыми связями, отличающиеся новым прототипом и новым алгоритмом, учитываю щи м и фазочастотные и амплитудно-частотные характеристики элементов связи, а также неидентичность резонансных звеньев и обеспечивающие повышение точности проектирования многозвенных устройств СВЧ с четвертьволновыми связями.

5. Разработан метод синтеза полосно-заграждающих фильтров с непосредственным и связями, отличающийся учетом частотной зависимости параметров элементов связи и обеспечивающий повышение точности проектирования заграждающих фильтрующих устройств СВЧ с непосредственными связями.

6. Разработаны математические модели и методы анализа многозвенных структур с двухмодовыми резонансными звеньями, позволяющие рассчитывать характеристики неминимально-фазовых фильтров СВЧ с частотно-зависимыми параметрами элементов связи.

Практическая ценность и реализация результатов. Применение разработанных методов, моделей и алгоритмов существенно повышает точность проектирования многозвенных фильтрующе-согласующих устройств техники СВЧ (для ряда основных параметров в несколько раз).

Достигаемая высокая точность проектирования многозвенных устройств практически исключает необходимость технологических операций подгонки и подстройки при использовании материалов с разбросом параметров в пределах заданного допуска, что подтверждается малым (не более 5 %) отличием измеренных в ходе экспериментальных исследований значений параметров спроектированных устройств от требуемых.

На основе разработанных методов синтеза многозвенных СВЧ структур с частотно-зависимыми связями создан комплект таблиц для расчета параметров прототипов с чебышевской частотной характеристикой модуля коэффициента отражения. В рассчитанных таблицах исходным является не полоса пропускания, а фазовая координата, что делает их пригодными для синтеза устройств с любой элементной базой.

По результатам исследований издано учебное пособие "Автоматизированное проектирование фильтрующих и согласующих СВЧ устройств на основе ВДСЗС-прототипа" и разработан пакет программ для синтеза фильтрующе-согласующих устройств техники СВЧ на основе регулярных многослойных плоских волноводно-диэлектрических структур, используемый в учебном процессе

кафедры "Радиоэлектроника" ТулГУ при изучении курсов "Электродинамика и распространение радиоволн", "Устройства СВЧ и антенны".

Диссертационная работа выполнена в рамках исследований по гранту «Фундаментальные исследования волновых процессов в фильтрующих и согласующих СВЧ устройствах и разработка нового метода их проектирования» (программа «Фундаментальные исследования в области электроники и радиотехники»).

На защиту выносятся:

1. Особенности волновых явлений в резонансных звеньях с запредельными волнами.

2. Особенности математических моделей резонансных и антирезонансных звеньев с запредельными связями.

3. Метод и алгоритмы синтеза многозвенных структур с непосредственными связями, имеющими частотно-зависимые фазовые характеристики.

4. Метод и алгоритмы синтеза многозвенных структур с непосредственными связями, имеющими частотно-зависимые амплитудные характеристики.

5. Метод и алгоритмы синтеза многозвенных структур с четвертьволновыми частотно-зависимыми связями, имеющими неидентичные фазовые и амплитудные характеристики.

6. Математические модели и метод анализа многозвенных структур с двухмодовыми резонансными звеньями.

Достоверность результатов работы подтверждается адекватностью полученных математических моделей волновым процессам в многозвенных резонансных структурах и применением строго обоснованных методов:

- анализа линейных цепей с распределенными параметрами;

- модифицированных рекуррентных формул Покровского для параметров многослойных диэлектрических структур.

Контроль результатов осуществлялся путем сравнения с известными тестовыми результатами и с экспериментально полученными данными.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы обсуждались на следующих конференциях и семинарах.

1. 51-я научн. сессия, поев. Дню радио, г. Москва, 1996 г.

2. XIУ научная сессия, посвященная Дню радио, г. Тула, 1997 г.

3. Всероссийская НТК "Новые информационные технологии в научных исследованиях радиоэлектроники", г. Рязань, 1997 г.

4. II Всероссийская научно-технической конференции. "Методы и средства измерения физических величин", г. Нижний Новгород, 1997 г.

5. Всероссийская студенческая конференция "Гагаринские чтения" г. Москва, 1998 г.

6. ХУ научная сессии, посвященная Дню радио, г. Тула, 1998 г. Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17

печатных работ, сделано 15 докладов на конференциях и семинарах.

Характеристика работы. Работа состоит из введения, пяти разделов и заключения, изложенных на 176 страницах машинописного текста, содержит 22 рисунка, 6 таблиц, библиографию из 83 наименований, и приложения.

Во введении сформулирована цель диссертационной работы, обоснована ее актуальность, представлен обзор зарубежных и отечественных публикаций, определены задачи исследований, кратко изложено содержание диссертации, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе проведено исследование особенностей многозвенных СВЧ-структур с частотно-зависимыми связями и реализуемых в них волновых явлений.

Во втором разделе проведен анализ методов синтеза многозвенных СВЧ-структур.

В третьем разделе разрабатываются высокоточные методы синтеза полосно-пропускающих, и полосно-заграж дающих многозвенных СВЧ-фильтров.

В четвертом разделе проведена разработка моделей и алгоритмов анализа и синтеза многозвенных структур с двухмодовыми резонансными звеньями.

Пятый раздел посвящен анализу результатов экспериментов -натурного, при котором определялись частотные характеристики полосовых СВЧ-фильтров, спроектированных по разработанным и традиционно применяемым алгоритмам.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы и указаны перспективы дальнейшего развития и внедрения разработанных методов и алгоритмов в высокоточные технологические системы производства СВЧ техники.

В приложении приведены таблицы для синтеза ВДСЗС-прототипа с чебышевской частотной характеристикой и акт внедрения.

1 Исследование особенностей многозвенных СВЧ-структур с частотно-зависимыми связями и реализуемых в них волновых явлений

Плодотворное исследование известных методов синтеза структур с распределенными постоянными и, в особенности, структур с частотно-зависимыми элементами связи, с целью выявления недостатков известных методов и разработки путей их устранения возможно лишь на основе детального исследования волновых явлений в наиболее распространенных видах многозвенных структур с выявлением всех их характерных особенностей.

Наиболее распространенными в настоящее время многозвенными структурами с частотно-зависимыми элеме