автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Моделирование частотно-избирательных и коммутационных СВЧ устройств для систем автоматизированного проектирования

УДК 681.3.06; 621.372.8

На правах рукописи

Петров Александр Сергеевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЧАСТОТНО-ИЗБИРАТЕЛЬНЫХ И КОММУТАЦИОННЫХ СВЧ УСТРОЙСТВ ДЛЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизированного проектирования

(в промышленности) Специальность 05.12.07 - Антенны и СВЧ-устройства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1997

- г -

Работа выполнена в Московском государственном институте электроники и математики (технический университет)

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук, профессор В.Ф. Кравченко

доктор технических наук Б.В. Сестрорецкий

доктор технических наук, профессор И.В. Солодовников

Ведущее предприятие - Открытое акционерное общество "РАДИОФИЗИКА"

Защита состоится " 16 " декабря 1997 г. в 16 час.00 мин, на заседание Диссертационного Совета Д.063.68.03 при Московском государственно!-институте электроники и математики по адресу: 109028, г. Москва, Большой Трехсвятительский пер., 3/12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГИЭМ.

Автореферат разослан "_" _1997 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета Д. 063.68.03 к.т.н., доцент

ИЖВАНОВ Ю.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность теш. Частотно-избирательные (в дальнейшем для краткости - селективные) и коммутационные СВЧ устройства выполняют важнейшие функции выделения (подавления) заданных участков в спектре передаваемых сигналов, а также управляют путями следования потоков электромагнитных волн, распространяющихся в волноведущих структурах отдельных узлов, блоков, системных комплексов. Вследствие этого они широко представлены в радиотехнической аппаратуре различного назначения. Традиционно принято рассматривать в отдельности эти два класса устройств. Между тем, логика практической разработки аппаратуры приводит к признанию и использованию глубокой взаимной общности важнейших аспектов проектирования селективных и коммутационных устройств. Так, схемы и методики расчета широкополосных переключателей бинарного типа базируются на методах синтеза пассивных цепей, разработанных для проектирования фильтров. И наоборот, за последние годы нашли активное применение коммутируемые фильтры.

Если сформулировать абстрактную целевую установку на свободное управление, во-первых, спектральным составом сигналов электромагнитных волн (нестационарная гребенчатая фильтрация) и, во-вторых, направлениями распространения отдельных спектральных пачек сигналов в сети связи {коммутация общего гошга), то становится очевидным, что эти два класса СВЧ устройств выполняют единую коренную функцию спектрально-пространственного контроля за потоками сигналов. Конечно, цо поры до времени, и это вполне естественно, оба направления развивались почти независимо. Однако усложнение практических задач, решаемых радиоэлектроникой, и логика внутреннего развития каждого из этих направлений привели к необходимости их последовательного и неформального объединения. Комплексное селективно-коммутационное

устройство мыслится не как механическое объединение фильтров I переключателей, а как, конечно же, структурированный, но вместе с тег единый, компактный технический объект, целесообразно сочетающий об< выполняемые функции.

Разработка современных селективных и коммутационных СВЧ устройсп стала уже немыслимой без использования методов автоматизированной проектирования, базирующихся на основе применения электронно! вычислительной техники. Ибо объемы расчетов, комбинационная сложносп методик и алгоритмов проектирования таковы, что для инженера, которьи не обеспечен средствами САПР, они уже сейчас находятся на недосягаемо! уровне. Дальнейший прогресс требует создания обобщенных физических ! математических моделей, а также алгоритмической базы, охватывающи: сразу несколько классов устройств. Разработка комплексны: автоматизированных подходов к проектированию селективных коммутационных СВЧ устройств с единых позиций позволяет поднят проектирование на качественно новый уровень.

На основе сопоставительного анализа принципов создания большинств известных к настоящему времени типов селективных и коммутационных СВ устройств в диссертации сформулированы общие подходы к и проектированию, разработаны математические модели и алгоритмы реализованы и успешно внедрены на практике программы, предназначенны для синтеза представительных классов фильтров и коммутаторов с помощь ЭВМ. Тем самым решаются актуальные задачи, стоящие при создали современных систем автоматизированного проектирования селективных коммутационных СВЧ устройств.

Цель работы. Повышение качественных показателей частотно-избира тельных и коммутационных СВЧ устройств, а также эффективности и проектирования.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи:

- проведена концептуальная систематика базовых идей и подходов к синтезу и автоматизированному проектированию фильтров СВЧ;

- разработаны математические модели, алгоритмы и программное обеспечение для выполнения сквозного цикла проектирования класса микрополосковых фильтров с параллельно связанными резонаторами;

- разработана методология синтеза шлейфных микрополосковых фильтров с псевдоэллиптической АЧХ и диплексеров на их основе;

- предложена концепция создания обобщенного класса устройств на основе цепей дендритового типа, сочетающих в себе свойства селективных и коммутационных СВЧ устройств;

- разработаны: итерационная процедура синтеза микрополосковых фильтров, образованных отрезками передающих линий, связанных торцевыми емкостными зазорами; алгоритмы и программы синтеза четырех типов микрополосковых полоснозапирашщих фильтров; методика синтеза миниатюрных секций шпилечных фильтров. Рассмотрены особенности синтеза фильтров, сконструированных на основе многопроводной системы связанных линий и с резонаторами сложной формы;

- разработана методика автоматизированного проектирования каскадных схем твердотельных выключателей лестничного и инверторного типов, базирующаяся на методах синтеза электрических фильтров;

- установлены предельные соотношения для твердотельных переключателей лучевого типа;

- получены выражения для элементов матрицы импедансов базового сочленения микрополосковых линий, входящего в состав переключателей, что позволяет выполнять моделирование многоканальных переключателей на электродинамическом уровне строгости;

- разработаны схемы, конструкции и методы автоматизированного проектирования двухмерных и многомерных коммутационных матриц;

- разработаны методы автоматизированного проектирования схем твердотельных фазовых и амплитудных модуляторов, базирующиеся на применении понятия виртуального импеданса;

- предложены схемы резервирования коммутационных СВЧ устройств и разработаны методы их проектирования с применением ЭВМ;

- предложены концептуальные идеи, позволяющие с обобщенных позиций рассматривать типовые подходы к проектированию СВЧ устройств.

Методы исследования. При проведении исследований проблем, сформулированных в диссертационной работе, и решении поставленных задач автоматизированного проектирования селективных и коммутационных СВЧ устройств использовались методы теории анализа и синтеза электрических цепей, состоящих из элементов с сосредоточенными и распределенными параметрами, методы электродинамики, теория функций комплексной переменной и специальные функции, матричная алгебра, методы параметрической оптимизации, методы машинного проектирования, экспериментальные методы проверки и апробации полученных результатов с применением современных измерительных приборов, наконец, методология обобщающего, концептуального осмысления решаемых проблем.

Достоверность научных положений. выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается:

- сравнением результатов численных экспериментов с известными тестовыми примерами и с результатами расчетов, выполненных при помощи других средств САПР;

- результатами многочисленных экспериментальных проверок параметров действующих образцов селективных и коммутационных СВЧ устройств, спроектированных с использованием разработанных подходов;

- апробацией разработанных принципов, подходов, схем и конкретных расчетных методик в научно-исследовательских институтах и проектных организациях:

- длительной промышленной проверкой на практике в ряде организаций, подтверждающей техническую и экономическую эффективность методик.

Научная новизна и основные положения, выносите на защиту В диссертации разработаны новые, обобщенные концепции и подходы к автоматизированному проектированию представительных классов селективных и коммутационных СВЧ устройств. На защиту выносятся следующие основные результаты работы:

- концептуальная систематика базовых идей и подходов к синтезу и штоматизированному проектированию фильтров СВЧ;

- математические модели, алгоритмы и программное обеспечение для шполнения сквозного цикла проектирования класса микрополосковых зильтров с параллельно связанными резонаторами;

- методология синтеза шлейфных микрополосковых фильтров с шевдоэлдиптической А.ЧХ и диплексеров на их основе;

- концепция создания обобщенного класса устройств на основе цепей ¡ендритового типа, сочетающих в себе свойства селективных и юммутационных СВЧ устройств;

- методики автоматизированного синтеза ряда планарных фильтров: |бразованных отрезками передающих линий, связанных торцевыми мкостными зазорами; четырех типов микрополосковых полоснозапирающих ильтров; миниатюрных секций шпилечных фильтров; фильтров, конструированных на основе многопроводной системы связанных линий и с езонаторами сложной формы;

- методика автоматизированного проектирования каскадных схем вердотельиых выключателей лестничного и инверторного типов,

базирующаяся на методах синтеза электрических фильтров;

- предельные соотношения для твердотельных переключателей лучевого типа;

- схемы, конструкции и методы автоматизированного проектирования двухмерных и многомерных коммутационных матриц;

- методы автоматизированного проектирования схем твердотельных фазовых и амплитудных модуляторов, базирующиеся на применении понятия виртуального импеданса;

- схемы резервирования коммутационных СВЧ устройств и методы их проектирования с применением ЭВМ.

Практическая ценность. Практическая ценность работы заключается в том, что предложенные идеи, подходы, методики, алгоритмы и программы дают возможность не только повысить уровень, качество и эффективность проектирования представительных и вполне конкретных, широко применяющихся на практике классов селективных и коммутационных СВЧ устройств, но и открывают принципиально важную для дальнейшего их совершенствования возможность единого, обобщенного, синтетического осмысления базовых идей проектирования изделий радиоэлектроники, стоящих на еще более высоком иерархическом структурном уровне организации.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на 9-й Международной школе-семинаре "Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ" {Самара, 1997 г.), 52-й научной сессии, посвященной Дню радио (НТОРЭС им. А.С.Попова, Москва, 1997 г.), 8-й Международной школе-семинаре "Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ" (Охотино, 1996 г.), 5-й Международной научно-технической конференции "Математическое моделирование систем сверхбыстрой обработки информации на объемных интегральных схемах СОИС) СВЧ и КВЧ" (Сергиев Посад, 1995 г.). Всесоюзной научно-технической конференции "Интегральные информационные

системы" (Москва, 1989 г.); сделаны два доклада на заседаниях семинара "ОИС СВЧ и биоэнергоинформациониые технологии", организованном при МНТОРЭС им. A.C. Попова (Москва, ноябрь 1996 г., февраль 1997 г.).

Реализация результатов и предложения об использовании. Результаты диссертационной работы внедрены и нашли практическое использование на ряде предприятий, занимающихся разработкой селективных и коммутационных СВЧ устройств, что подтверждается соответствующими актами о внедрении, а также применяются в учебном процессе Московского института электроники и математики на кафедре "Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы" в лекциях и практических занятиях по курсу "Конструирование СВЧ устройств". Научные результаты циссертации использованы при разработке материалов методических тособий по курсовому и дипломному проектированию.

Новые, введенные в диссертационной работе, обобщенные понятия, "годходы и методики автоматизированного проектирования селективных и юммутационных СВЧ устройств могут быть полезны как для специалистов, снимающихся вопросами создания систем САПР СВЧ аппаратуры, так и, что :ущественно, для инженеров-практиков, выполняющих конкретное 1роектирование изделий РЭА.

Публикации. Положения и результаты диссертационной работы сражены более чем в 40 статьях и защищены 4 авторскими ¡видетельствами. На основе полученных результатов опубликованы два небных пособия по дипломному и курсовому проектированию.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, !ести глав, заключения, списка литературы (195 наименований) и прило-:ения. Общий объем диссертации с приложением составляет 330 страниц, :з них 68 занимают рисунки и графики.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении сформулированы базовые проблемы, стоящие при проектировании селективных и коммутационных СВЧ устройств, и указаны пути их решения на основе создания обобщенных моделей и универсальных автоматизированных методик, применимых для выполнения трудоемких процедур структурного и параметрического синтеза, а таете конструирования представительных классов изделий РЭА. Сформулирована цель работы, и представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен анализ основных направлений разработки фильтров и методов автоматизации их проектирования по материалам монографий, многочисленных оригинальных статей и литературных обзоров. В связи с энциклопедичностью объема информации по фильтровой тематике важное значение придается разработке вариантов систематики, которая может проводиться по самым различным признакам: частотному диапазону и типу амплитудно-частотной (фазо-частотной) характеристики, основным физическим принципам, на основе которых функционирует элементная база, и конструктивным вариантам исполнения, схеме прототипа (ядра одного и даже сразу нескольких различных классов фильтров), технологическим принципам изготовления изделий в производстве и множеству других.

Рассмотрена проблема миниатюризации фильтров, и в этой связи указана необходимость структурно-пространственного соответствия конструкции внешним требованиям. Анализируется важный вопрос влияния пространственной ориентации и качественного типа связей элементов, составляющих схему, на параметры фильтра. Выделены регулярные (аналитические, матричные), оптимизационные и эволюционно-эвристичес-кие методы синтеза фильтров СВЧ. Дана постановка задачи синтеза многовходовых устройств, типичным представителем которых в области

фильтров являются мультиплексоры. Предложена блок-схема систематики процесса автоматизированного проектирования фильтров СВЧ; она представлена на рис.1.

Во второй главе отдельно рассмотрены вопросы проектирования пла-нарных фильтров, сделавшихся за последние годы самым распространенным в аппаратуре конструктивным типом селективных устройств. Бесконечная вариативность топологических форм пленарных фильтров, простота и гибкость технологических и производственных процессов, а также дешевизна при изготовлении делают их исключительно привлекательными для разработки уже в течение многих лет. Выполнен анализ базовых идей создания планарных фильтров и разработана блок-схема процессов проектирования планарных фильтров, рис.2.

Разработана универсальная методика синтеза класса микрополосковых фильтров с параллельно связанными ступенчато-импедансными резонаторами, произвольно ориентированны!® на плате друг относительно друга -сонаправленно либо противонаправленно, причем концы каждого резонатора могут быть разомкнуты или короткозамкнуты. Длины областей связи между резонаторами выбираются произвольно, но так, чтобы суммарная длина любых двух областей связи, примыкающих к каждому резонатору, оказывалась бы не большей длины самого резонатора. Допускается произвольный выбор типа связи крайних резонаторов фильтра с основным трактом: трансформаторный или кондукгивный. Данная методика обобщает и сводит в единое целое подходы, применявшиеся к ранее считавшимся различными типам фильтров.

На рис.3 для иллюстрации приведен внешний вид топологии синтезированного 5-звенного фильтра с разнотипными резонаторами и видами связей между ними, причем со стороны входа имеется кондуктивное подключение к регулярному тракту, тогда как на выходе фильтра создана

Рис.1. Блок-схема систематики процесса проектирования фильтров СВЧ

Эволюцнонпропаиие планарпых селективных структур под воздействием антропогенного фактора

Явления электромагнетизма

Модели

Абстрактные философские и математические

Э яектролн-наммческне

з:

Цепеоие

X

Лктрологенный фактор —- Целевые функции

I

Производственна- 0бщие технологическая сфера и

Частные

Конкретные

Концептуальная область слоисто-планарных объектоо и процесс создания новых идеальных и материальных пленарных селективных устройств

Методы синтеза электрических цепей Планарное и прастрансгпсниое

формотворчество

Структуризация

Преобразовання

Отображения

Перебор

Материализация

Рис.2. Блок-схема процессов проектирования пленарных фильтров

:о зо а о ггц

и

• 30 -60 ■90 ^ , дБ

/

п (Ч

Рис.3. Топология 5-звенного фильтра и его амплитудно-частотная характеристика

трансформаторная связь. Там же представлена расчетная амплитудно-частотная характеристика. Отчетливо видны справа от полосы пропускания фильтра полюса затухания на конечных частотах, обусловленные различием фазовых скоростей собственных типов волн в секциях связанных микрополосковых линий и особенностям кондуктивного подключения входного резонатора, в результате которого в схеме образуется режектирующий шлейф.

Разработана также методика автоматизированного проектирования класса шлейфных микрополосковых полоснопропускающих фильтров с псевдоэллиптической АЧХ и диплексеров на их основе. В составе фильтров этого типа используются резонаторы в виде разомкнутых или короткозамкнутых с обоих концов полуволновых шлейфов либо разомкнутых с одного конца и короткозамкнутых с другого конца четвертьволновых шлейфов, включенных параллельно в основном тракте; допускается также кондуктивно-каскадное включение резонаторов. Расстояния между резонаторами составляют четверть длины волны для центральной частоты полосы пропускания.

Достоинство методики состоит в сочетании простоты и традиционности процедуры синтеза цепей, сводимых к лестничным прототипам на сосредоточенных элементах и их модифицированным аналогам с идеальными инверторами проводимоетей, с фактической возможностью заранее, на этапе выбора конструкции резонатора и характера его включения в тракт, "расставить" полиса затухания АЧХ на заданные частотные точки.

На рис.4 представлены характеристики синтезированного фильтра этого типа. Видно, что на АЧХ имеется три полюса затухания, находящиеся в точности на заданных частотах Гз1,1"вг,¡'з3, расположенных ниже полосы пропускания, и, кроме того, три полюса в диапазоне 3,5-4,0 ГГц, расположенные выше полосы пропускания. Достоинство схемы состоит в том. что положения полюсов затухания задаются произвольно самим разработчиком.

Чвсто-ra.» ГГц

2.ООО 2.БОО 3 .ООО 3.500 4.ООО -4.SOQ .О

315 .О ЗО .О -IS .о бО.О 7S.O ОО.О 1_

Част отв. ГГм, 2 .ООО 2.SOO З.ООО 3.50© 4.ООО -4. BOO 1 .О

1.2

1 .Л

1

1 -П

2 .О

К

Частота, ГГц 2 .ООО 2-500 Э.ООО 3 .SOO 4,000 -1.500 хао .о

nos. о

36 .О

-36 .о

-103.о

—ыэв.е Фаа<

Рис.4. Характеристики шлейфного фильтра: АЧХ а); КСВ б); ФЧХ в)

Рассмотрена концепция создания цепей и устройств, конфигурация которых подобна древовидной, иди дендритовой. Данная пространственная форма может считаться вполне естественной для объектов, состоящих из элементов с кусочно-линейчатой формой, связанных между собою с помощью каскадного, последовательного, параллельного, а также смешанных типов объединения. Допускается также пространственное взаимодействие элементов схемы по электромагнитному полю, акустическим и спиновым волнам. В узлах и в ребрах таких цепей могут находиться функциональные полупроводниковые приборы. Даны конкретные примеры и анализ работы

|| ч

г v

простейших цепей древовидного типа, выполняющих функции распределения и коммутации СВЧ сигналов, а также селективных устройств: фильтров и мультиплексеров. На рис.56) представлена планарная проекция образа цепи дендритового типа; видно, что она может рассматриваться в качестве концептуального продолжения идей создания шлейфных фильтров, рис.5а).

Х/2

Х/4

Х/2

///

1 Г

а)

ГН

1 г

/// б)

Рис.5. Примеры цепей дендритового типа:

а) схема шлейфного фильтра с псевдозллиптической АЧХ;

б) схема пленарного варианта дендритового фильтра

Разработаны также: итерационная процедура синтеза микрополосковых фильтров, образованных отрезками передающих линий, связанных торцевыми емкостными зазорами; алгоритмы и программы синтеза четырех типов микрополосковых полоснозапирающих фильтров и миниатюрных секций шпилечных фильтров, рис.6; рассмотрены особенности синтеза фильтров, сконструированных на основе многопроводной системы связанных линий и с резонаторами сложной формы, рис.7.

В третьей главе выделены базовые иерархические типы коммутационных устройств, дан системный анализ принципов их создания и разработаны методики автоматизированного проектирования важнейших классов этих устройств. С позиций теории синтеза электрических фильтров разработаны методики синтеза каскадных лестничных и

Д«у»з»еичые ш<<хлсчные фильтры

лГ ДМ "^х.-**-

МикрОлолосковый фильтр сторцевыии свяаянн между реаоншерами

Микр оно лоск о вые поле си оэалмрпга им и с «фильтры

Л с=0 =0 =0

Рис.6. Некоторые варианты топологий синтезируемых фильтров

б)

га

[0

[О

И

га

ш

га ш

~ПСГ (ПО] рост] [ПО] я1 о! 01

1т1 [но] -□о] Щ ГО]

си

0]

1 ^ г 1

э 1 <1

Б С 2

7 в

9 10

3

1314 17. ТО

15 го

21_гг

23 2*

25 га

гт гв

29 ЗО

'¿-1Р

1 в го

7 _ 6 Я 1П э я

11 12 5 6

2 1

Рис.7. Резонаторы спиралевидной формы и фильтры на их основе

инверторных схем твердотельных выключателей с заданными требованиями, предъявляемыми к АЧХ как в режиме пропускания, так и в режиме запирания. Найдены и сведены в табличную форму связи, накладываемые на параметры элементов схем. На рис.8, 9 представлены некоторые типы многоканальных переключателей.

Вход

Д! X X

0. э ш

Т|

О с " зг- п

в

Е^ Ер1 Ер

<11 5)

■а

в)

о

о

Рис.8. Схемы многоканальных переключателей Сравнение эквивалентных схем многоканальных переключателей со схемами фильтров-прототипов никних частот позволило получить простые соотношения для оценки частотных ограничений параметров многоканальных переключателей лучевого типа. Аналогичные соотношения найдены и для каскадных схем, составленных из элементарных переключателей. Проведен численный эксперимент, подтверждающий применимость предлагаемых оце-

нок. Получены также соотношения, позволяющие рассчитывать элементы схем широкополосных многоканальных переключателей лучевого типа.

На основе выполнения электродинамического анализа получены выражения для элементов матрицы импедансов базового сочленения микрополосковых линий, входящего в состав многоканальных переключателей, позволяющие повысить точность расчетов характеристик коммутационных устройств, рассмотрение произведено для обобщенного случая гиротропной подложки.

Предложены принципы, схемы и конструкции построения двухмерных и многомерных СВЧ коммутационных матриц. Разработаны программы анализа параметров многоканальных коммутационных матриц координатного типа.

Рис.9. Схемы многоканальных переключателей

Особенность преломления идеи реализации планарной двухмерной коммутационной матрицы координатного типа на многомерный случай сводится к следующему. Исходный принцип, генерирующий топологическую идею создания коммутационной матрицы координатного типа, состоит в предположении о том, что системы линий входов всех групп лежат в одной плоскости и линии каналов, входящие в каждую отдельную группу, параллельны меясду собою. Тогда линии различных групп должны были бы пересекаться в некоторых, так называемых узловых, точках. На самом деле, в окрестности узлов они огибают друг друга, поскольку прямой электрический контакт недопустим; весьма также нежелательны и подлежат всемерному устранению возможные паразитные связи. В узлах устанавливаются управляемые извне ключевые элементы, которые и осуществляют коммутацию соответствующих входов матриц. Данный подход наглядно проявляется для маломерных - двухмерных, трехмерных и четырехмерных матриц, рис.10,11.

В четвертой главе рассматриваются методы проектирования твердотельных фазовых и амплитудных модуляторов.

На основе применения метода виртуального импеданса разработан программный комплекс для синтеза цепей фазовых и амплитудных модуляторов отражательного типа. Получены выражения для оценки минимально достижимых диссипативных потерь модуляторов, исследовано влияние на параметры фазовых модуляторов отклонений от идеального согласования виртуального импеданса с характеристическим импедансом регулярного тракта. Проведено исследование вопросов оптимизации построения схем фазовращателей на переключаемых отрезках длинных линий по критерию минимизации вносимых потерь. Исследованы также особенности построения схем мощных фазовращателей отражательного типа с использованием многодиодной резонансной решетки.

Рис.10. Топологический принцип создания многомерных матриц координатного типа а),б); монтаж ключевых элементов в)-д): графы связей в узлах матрицы е)-ж)

Рис.11. Схема фрагмента четырехмерной матрицы а); узел четырехмерной матрицы, реализованный по принципу пространственной связи элементов б)

В пятой главе рассмотрены проблемы, связанные с резервированием твердотельных коммутационных СВЧ устройств, даны схемы резервированных ключевых элементов, многоканальных переключателей, а также фазовых и амплитудных модуляторов, описаны особенности методики их проектирования.

Общий ответ на вопрос о повышении надежности приводит к трем возможным типам организации объектов. Первый - использование, где это только возможно, сверхустойчивых правильных однородных монолитных кристаллических образований, внутренняя структура которых обеспечивает их сверхдолговечность. Очевидно, что на этом пути сложно реализовать многофункциональные миниатюрные изделия, поскольку принципиально необходимое свойство последних именно и заключается в пространственно-элементном разнообразии их внутренней структуры. Второе - создание гибких систем, обладающих способностью к глубокому внутреннему самоконтролю и возможностью своевременного восстановления или замены приходящих в негодность элементов. Второй путь, являясь бесспорно доминантным, тем не менее настолько сложен, что в настоящее время используется в редких случаях и то лишь в отдельных частях аппаратных комплексов.

Наконец, третий способ повышения надежности систем состоит в создании избыточности наиболее чувствительных к отказам элементов. Применительно к коммутационным устройствам он выражается в резервировании ключевых полупроводниковых элементов. В аппаратуре с холодным резервированием (подключение запасных блоков взамен вышедших из строя) особенно высокие требования предъявляются к надежности схемы коммутации. Сущность так назьваемого горячего резервирования состоит в том, что все активные, как правило полупроводниковые, элементы (основные и резервные) работают одновременно. При этом возрастают

затраты энергии на управление по цепям питания, зато происходит экономия за счет устранения блоков, производящих анализ отказов и осуществляющих подключение резервных элементов. Уменьшается также инерционность системы.

Предложенные схемы резервирования ключевых элементов при выполнении оптимизации параметров позволяют обеспечивать устойчивое сохранение характеристик многоканальных коммутационных устройств в режиме горячего резервирования. Некоторые конструкции резервированных выключателей представлены на рис.12, а на рис.13 даны схемы резервированных фазовращателей.

Следует отметить, что полный комбинационный анализ надежности резервирования более или менее разветвленной коммутационной схемы становится чрезвычайно трудоемкой задачей, выполнение которой без применения специального моделирования представляется принципиально невозможным. При натурном эксперименте практически исключен просмотр всех возможных вариантов отказов. Разработанные алгоритмы и программы позволяют во многих практически важных случаях решать данную задачу методами машинного моделирования.

В шестой главе проведен анализ структуры САПР частотно-избирательных и коммутационных СВЧ устройств. Рассмотрены принципы построения математических моделей для их анализа и синтеза, схемы структурных уровней организации баз данных, а также общие вопросы создания и организации программного обеспечения САПР частотно-избирательных и коммутационных СВЧ устройств. На рис.14 дана общая структурная схема обращения к программному обеспечению САПР частотно-избирательных и коммутационных СВЧ устройств.

В приложении разрабатываются концептуальные продолжения идей автоматизации проектирования изделий РЭА, вытекающие из рассмотренных

Гпк^п) "тГг"

сЬ

м

ш

Рис.13. Резервированные фазовращатели

Рис.14. Общая структура обращения к программному обеспечению САПР частотно-избирательных и коммутационных СВЧ устройств

в работе обобщенных подходов к созданию селективных и коммутационных СВЧ устройств. Многомерные (тотальные) цепи соответствуют сложному устройству, состоящему из нескольких качественно различных уровней. Такому объекту сопоставляется единый модельный связанно-многолистный схемно-графический объект, напоминающий римановы поверхности в теории функций комплексной переменной.

Предложена концепция супремальных информационных матриц, которые понимаются как предельно компактная форма материального выражения

информационной сущности объекта произвольной природы. Понятие информационной матрицы может служить основой для создания элементной базы сверхминиатюрных автоморфных информационных систем.

Дано обобщение понятия концепции, индуцированного до таких понятий, как кощетуальная линия, концептуальная плоскость или поверхность, концептуальная область или пространство. Подобное обобщение подводит к признанию не только материального единства мира, но и мира идей, его отражающих. Тогда каждая идея явления и даже обобщенные совокупности идей явлений, концепции, не только могут, но и должны быть рассматриваемы как элементы, принадлежащие к общности более высокого порядка. Идея обобщенных концептуальных образований была руководящей при разработке единых методик синтеза рассмотренных выше классов фильтров и разработке концепции цепей дендритового типа.

Предложена идея разработки проекционно-эволюционной математики, занимающейся проблемами, связанными с материализацией абстрактных математических образов; первым этапом данного процесса является воссоздание при помощи современных информационных технологий визуальных и акустических образов, соответствующих математическим объектам. Предлагаются также концептуальные подходы к созданию математко-топологических образов элементов сознания и разработке методов конформной элементной структуризации материализуема идей и объектов.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Опыт, накопленный за более чем 20-летний период работы соискателя в промышленности и связанный с профессиональным проектированием изделий, традиционно относящихся к двум смежным, но различным подклассам СВЧ устройств (частотно-избирательные и коммутационные), позволил ввести новые концептуальные понятия, а затем - и разработать

','Л

. обобщенные модели исследованных типов радиотехнических устройств. Критический сопоставительный анализ множества конкретных технических объектов, а также физическое и тополого-математическое абстрагирование привели к построению схемы систематизации процессов проектирования селективных СВЧ устройств, применимой в основных чертах и к другим типам изделий РЭА.

В результате выполненных исследований разработаны методики и программные комплексы для автоматизированного проектирования представительных классов частотно-избирательных и коммутационных СВЧ устройств. Полученные результаты имеют важное народнохозяйственное значение, что подтверждается прилагаемыми актами о внедрении результатов диссертационной работы в промышленность. Предложенные новые методологические подходы, модели и программные средства ориентированы на эффективное применение средств САПР; их использование приводит к качественному улучшению процессов проектирования сложной радиотехнической аппаратуры.

Перечислим основные полученные в работе результаты.

1. Предложена схема концептуальной систематики процессов автоматизированного проектирования частотно-избирательных устройств, во многих чертах применимая не только к любым СВЧ устройствам, но и к другим изделиям РЭА.

2. Разработаны методики автоматизированного проектирования представительных классов фильтров. Детальное исследование посвящено планарным фильтрам. Разработаны модели, алгоритмы, отдельные программы и комплексы, предназначенные для автоматизированного проектирования планарных фильтров: с параллельно связанными резонаторами, имеющими лестничную и шпилечную конфигурацию топологий (под общим руководством соискателя и при его непосредствзнном участии создана интегрированная

среда ГСАО); шлейфных микрополосковых фильтров с псевдоэллиптической АЧХ и диплексеров на их основе; микрополосковых фильтров, образованных отрезками передающих линий, связанных торцевыми емкостными зазорами; четырех типов полоснозапирающих фильтров; отдельных секций фильтров шпилечного типа: фильтров со сложными формами резонаторов, включающих в своем составе многопроводные линии с неоднородным в поперечном сечении диэлектриком. Разработана интегрированная среда ГСАЛ.96, предназначенная для синтеза всех известных к настоящему времени типов фильтров на сосредоточенных элементах - разработана при активном участии соискателя и под общим его руководством.

3. Проведен систематический анализ типов многоканальных коммутационных устройств, предложена методика синтеза каскадных лестничных и инверторных схем ключевых элементов с использованием подходов, применяемых при разработке фильтров; получены соотношения, позволяющие оценивать предельные возможности для реализации многоканальных переключателей лучевого типа; на электродинамическом уровне строгости получены выражения для коэффициентов матрицы импедансов сочленения микрополосковых линий, входящего в качестве базового элемента в состав многоканальных переключателей.

4. Предложена концепция создания устройств на основе цепей дендритового типа, сочетающих свойства селективных и коммутационных устройств.

5. Предложены схемы, конструкции и методики автоматизированного проектирования двухмерных и многомерных СВЧ коммутационных матриц, фазовых и амплитудных модуляторов, резервированных коммутационных устройств.

6. Дополнительно в приложении сформулированы идеи многомерных цепей и супремальных информационных матриц; даны понятия многомерных концептуальных образований, проекционно-эволюционной математики,

математико-топологических образов элементов сознания. Эти определения фактически выступают в качестве понятийно-методологической базы для разработки обобщенных подходов к проектированию СВЧ устройств и позволяют поднять уровень абстрагирования моделей, а значит, и расширить класс изделий, охватываемых САПР.

Особенность представленной работы состоит в том, что в ней последовательно применяется методология проектирования электрических фильтров не только к анализу характеристик многоканальных коммутационных СВЧ устройств, ко также и к их схемному и конструктивному синтезу. С другой стороны, предлагается идея гармоничного объединения селективных и коммутационных устройств в виде систем типа дендритового леса, обладающих новыми качественными свойствами, не присущими исходным классам устройств.

Перечень основных программ и программных комплексов, разработанных для автоматизированного проектирования частотно-избирательных и коммутационных СВЧ устройств:

1. pha_refl.exe - Синтез и анализ твердотельных амплитудно-фазовых модуляторов отражательного типа с гибридными постовыми устройствами;

2. vincze.exe - Синтез и анализ параметров гребенчатых микрополосковых фильтров;

3. diplex, ехс - Синтез и анализ диплексеров на объемных встречно-стержневых и гребенчатых фильтрах;

4. wgfil.exe - Синтез и анализ фильтров на прямоугольных металлических волноводах с индуктивными диафрагмами;

5. makimtap. exe - Синтез, анализ и разработка топологии класса фильтров на параллельно связанных микрополосковых резонаторах:

6. evanfil.exe - Синтез и анализ фильтров на прямоугольных и круглых металлических запредельных волноводах;

7. bsf_cop. exe - Синтез и анализ четырех типов микрополосковых полоснозапирающих фильтров:

8. pin.exe - Синтез и анализ звена двухшпилечного микрополоскового фильтра с псевдоэллиптической АЧХ;

9. Imuprog. exe - Синтез и анализ шести типов фильтров на сосредоточенных элементах;

10. gre.exe - Синтез и анализ объемных встречно-стержневых и гребенчатых фильтров;

11. cascade.exe - Синтез и анализ микрополосковых фильтров, образованных отрезками передающих линий, связанных торцевыми емкостными зазорами;

12. dendrit.exe - Синтез и анализ шлейфных микрополосковых полоснопропускающих фильтров с псевдоэллиптической АЧХ и диплексеров на их основе;

13. sieven, exe - Лсевдоточный синтез и анализ полоснопропускающих и полоснозапирающих фильтров;

14. Ian_prog.exe ~ Синтез и анализ направленных ответвителей на связанных микрополосковых линиях и мостов Ланге;

15. ophllg.exe - Оптимизационный синтез микрополосковых фазовращателей на периодически нагруженной линии;

16. matrix.exe - Частотный анализ характеристик двухмерных СВЧ коммутационных матриц координатного типа;

17. smez. exe - Синтез топологии и анализ частотных характеристик резервированных микрополосковых резонансных выключателей;

18. swinv.exe - Синтез и анализ параметров схемы каскадированного выключателя, построенного по схеме инверторного типа;

19. swcas. exe - Синтез и анализ параметров схемы каскадированного выключателя, построенного по схеме лестничного типа.

Крупные программные комплексы, разработанные под руководством соискателя и при его активном участии:

20. FCAD - Программный комплекс, предназначенный для выполнения полного цикла проектирования класса фильтров на параллельно связанных микрополосковых резонаторах, с выпуском конструкторской документации;

21. FCAD.96 - Универсальный программный комплекс для синтеза фильтров на сосредоточенных элементах, предназначенный для работы в среде WINDOWS.

Для иллюстрации варианта практической реализации общей идеологии построения САПР СВЧ фильтров на рис.15 даны в раскрытом виде несколько окон меню программного комплекса FCAD.96 .

112222ЙВ

1<*М|0(й«'*.и»т№<(ПП<)>

ш- с1УЩ|111 LT£ fills К ■ -V м т

3s'<a»»i Пвгсов А.С. ±1"Ы™ ll

TPWBsi

a pTuniL. гн

< 11 2.6G0E-0? 4.442Е-09 0.000 0.000 50.000

2 9 1.173E-GB 3.745Е-10 О.ООО 0.000 50.D00

3 Э 1.21 ЗЕ06 1.оо?соэ 0.000 0.000 50.000

4 11 г.шЕ-етЁШНШ о.ооа о.ооо 50.000

5 9 4.227Е07 2.734Е-С9 0.000 D.OOO 50.000

S 9 4.322Е-07 2.736Е-03 0.000 о.ооо 50.000

7 11 3.12GE07 3.7ВСЕ09 я.соо 0.000 50.000

Рис. 15. Меню программного комплекса FCAD.96

Основные положения работы изложены в 42 публикациях, 2 учебных пособиях, и защищены 4 авторскими свидетельствами.

По теме диссертация опубликованы следующие основные работы.

1. Петров A.C. Фильтры и цепи деидритового типа // Радиотехника и электроника. - 1997. - N. 2. - с.253-256.

2. Петров A.C. Предельные соотношения для твердотельных многоканальных переключателей // Радиотехника и электроника. - 1997.-N.5. - с.531-535.

3. Влостовский Э.Г., Петров A.C. Щлейфные микрополосковые полоснопропускающие фильтры с псевдоэллиптической АЧХ и диплексеры на их основе // Радиотехника и электроника. - 1997. - N. 1. - с. 76-81.

4. Петров А.С..Поваров В.В..Лебедев И.В. Твердотельный волноводный фазовращатель с резонансной решеткой в качестве управляющего элемента // Изв. вузов. Сер.Радиоэлектроника. - 1986. - Т.29.- N.10.- с.94-95.

5. Петров A.C. Потери фазовращателей на переключаемых отрезках длинных линий // Изв. вузов. Сер. Радиоэлектроника. - 1990. - Т.33. -N.10. - с.42-46.

6. Петров A.C. Метод виртуального импеданса для синтеза дифференциальных фазовращателей и аттенюаторов отражательного типа // Изв. вузов, сер. Радиоэлектроника. - 1991. - Т. 34. - N.10. - с.53-58.

7. Петров A.C., Китаева Т.В. Комплекс программный для расчета микрополосковых дискретных диодных фазовращателей отражательного типа // Передовой производственно-технический опыт. Сер. Автоматика, телемеханика и вычислительная техника. - 1990. - N.2. - с.19-20.

8. Литвинов В.Е., Паркачев JI.A., Петров A.C. Автоматизация регулярных методов синтеза фильтров на сосредоточенных элементах. Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. - 1997. - М.8.-с.38-43.

9. Петров А.С.,Пахомова О.И. Комплекс программный для расчета микро-полосковых дискретных p-i-n-диодних фазовращателей на периодически нагруженной линии // Передовой производственно-технический опыт. Сер. Автоматика, телемеханика и вычислительная техника. -1990. - N.2.-с.21.

10. Петров A.C., Пахомова О.И. Комплекс программный для расчета мик-рополосковых дискретных p-i-n-диодных фазовращателей на переключаемых отрезках длинных линий // Передовой производственно-технический опыт. Сер.Автоматика, телемеханика и вычислительная техника. - 1990, N.2. -с.21-22.

11. Власов В.Н., Колосов A.B., Маловичко A.A., Лейкин В.Ю., Жестов Н.Б., Петров A.C. Бортовые коммутационные матрицы и их использование в системах спутниковой связи // Всесоюзная научно-техническая конференция "Интегральные информационные системы". Тезисы докладов, секции 3,4, стр. 14-15, Москва, 1989.

12. Кожевников С.А., Петров A.C., Тимошев Г.П. Расчет параметров микрополосковой линии на ферритовой подложке // Электронная техника. Сер.10. Микроэлектронные устройства. - 1978. - Вып.6 (12). - с.53-55.

13. Петров A.C., Родионов М.И. Синтез обобщенных шпилечных микрополосковых фильтров // Тезисы докладов 5-й Международной научно-технической конференции " Математическое моделирование и САПР систем сверхбыстрой обработки информации на объемных интегральных схемах СВЧ". Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ. -1995.- Вып.3(11). - с.115.

14. Петров A.C., Родионов М.И. Синтез фильтров с произвольными МП резонаторами // Тезисы докладов 5-й Международной научно-технической конференции " Математическое моделирование и САПР систем сверхбыстрой обработки информации на объемных интегральных схемах СВЧ". Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ. - 1995. - Вып.3(11). - с.116.

15. Петров A.C. Информационные матрицы и их эволюционирование //

Вестник новых медицинских технологий. - 1996. - N. 1. - с.16-17.

16. Петров A.C. Многомерные, или тотальные, цепи и СВЧ техника // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники.- 1996. - N.5. - с. 83-85.

17. Абрамов В.П., Петров A.C. Многосвязное гиротропное кольцевое сочленение микрополосковых линий // Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ. - 1995. - Вып.2(10). - С.15-22.

18. Петров A.C. Предельные частотные характеристики твердотельных многоканальных переключателей лучевого типа // Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ. - 1995. - Вып.2(10). - с.23-34.

19. Петров A.C. Предельные частотные характеристики твердотельных многоканальных переключателей лучевого типа // Тезисы докладов 5-й Международной научно-технической конференции " Математическое моделирование и САПР систем сверхбыстрой обработки информации на объемных интегральных схемах СВЧ", Сергиев Посад, 1995. Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ. - 1995. - Вып.3(11). - с.114.

20. Петров A.C. Информационные матрицы и их эволюционирование // Тезисы докладов 8-й Международной школы-семинара "Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ", Охотино, 1996. Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ. - 1996. - Вып. 2(14). - с. 150.

21. Петров A.C. Концептуальные линии, поверхности и пространства в науке и технике // Тезисы докладов 8-й Международной школы-семинара "Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ", Охотино, 1996. Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ. - 1996. - Вып.2(14). - с.151.

22. Петров A.C. Проектирование многомерных СВЧ коммутационных матриц // Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ. - 1996. - Вып.4(16). -с.87-93.

23. Петров A.C. Лестничная каскадная схема твердотельных СВЧ выключателей // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной

радиоэлектроники. - 1997. - N.4. -с.27-32.

24. Петров A.C. Инверторные схемы каскадирования полупроводниковых выключателей. 52-я научная сессия, посвященная Дню радио. НТОРЭС им. А.С.Попова. Тезисы докладов, часть 2, М.,1997, - с.39.

25. Петров A.C. Резервирование твердотельных коммутационных СВЧ устройств // Электромагнитные волны и электронные системы. - 1997. -Н.З. - с. 49-56.

26. Гвоздев В.И., Петров А.С. Многоканальные матрицы на объемных интегральных схемах СВЧ // Микроэлектроника.-1995.-т.24,Н.6,с.419-434.

27. Гвоздев В.И., Петров A.C. Концептуальная систематика микроволновых фильтров // Микроэлектроника. - 1996. - т.25.- Н.5. - с.323-338.

28. Гвоздев В.И., Петров A.C., Татаренко Н.И. Информационная микроволновая электроника //Микроэлектроника.-1997.- т.26.-N.4.-с.243-265.

29. Петров A.C. Пространственно-временная срединность биологических объектов //Вестник новых медицинских технологий.-1996.-Н.4. - с.17-18.

30. Петров A.C. Планарные фильтры СВЧ. Состояние разработок и концепции развития // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. -1997.-Н.6. -с.40-51.

31. Петров A.C. Многоканальные коммутационные устройства СВЧ // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. -1997. - N. 9. - с.48-64.

32. Петров А.С, Влостовский Э.Г. Синтез класса микрополосковых фильтров с параллельно связанными резонаторами // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. - 1996. - N.7. - с.60-66.

33. Петров A.C. Самодвижение и саморазвитие мира идей на материальной основе электронных приборов // Вестник новых медицинских технологий. - 1996. - N.2. - с. 26-27.

34. Петров A.C. Математоника, проекционно-эволюционная математика //

Радиоэлектроника, телекоммуникации и информатика. Сборник научных трудов. Под ред. Л.Н.Кечиева. Выпуск 1. -М.:МГИЭМ. - 1977. - с.77-78.

35. Петров A.C. Психомы - математико-топологические образы элементов сознания // Радиотехника и электроника. - 1997. - N.10. - с.1262-1266.

36. Петров А.С. Конформная элементная структуризация материализуемых идей и объектов // Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ. - 1997. -Т.5. - Вып.3. - с.145-152.

37. Петров A.C., Смирнов C.B. Проектирование интегральных схем СВЧ. -М. : Изд. Московского института электроники и математики. -1995.- 14 с.

38. Петров A.C., Смирнов C.B. Автоматизация проектирования СВЧ устройств на основе матричных методов. Учебное пособие. - М.: Изд. Московского института электроники и математики. -1995. - 31 с.

39. Бальсевич А.С., Гвоздев В.И., Дживелегов Б.Л., Петров A.C., Слесарев Ф.Ф.. Тютин В.А., Христич А.Д., Чернушенко A.M. Диаграммообразующее устройство// А.С. - N. 1290457, кл. HOI р 25/02 (Б.И.- 1987.-Н.6).

40. Зябрева Н.В., Иванова Е.П., Максимкин Г.И., Петров A.C., Слесарев Ф.Ф, Христич А.Д.// A.C.- М.233539, зарегистр. 03.03.1986 с приор, от 12.04.1985.

41. Воробьевский Е.М., Гвоздев В.И.. Петров A.C. Коммутационная матрица // Патент Н.2070353 <Б.И..- 1996, N.34).

42. Петров A.C.. Абрамов В.П. Полосковый циркулятор// A.C.- N. 1223319 (Б.И.- 1986, И. 13).

езидиуМ' ВАК России

Ц '^ешевие от " " Ш0/иР\Ь9$ г., присудил учшу-а- степень

- ^¿йХии^Ш^^ каук

'! 'Начальник управл^нщ=

;'оссий

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЧАСТОТНО-ИЗБИРАТЕЛЬНЫХ И КОММУТАЦИОННЫХ СВЧ УСТРОЙСТВ ДЛЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизированного проектирования

(в промышленности) Специальность 05.12.07 - Антенны и СВЧ устройства

с.

На правах рукописи УДК 681.3.06; 621.372.8

Петров Александр Сергеевич

Диссертация

на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва - 1997

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие .................................................... 5

Введение ....................................................... 6

Глава 1. Систематика фильтров СВЧ и базовые подходы к

автоматизации их проектирования........................18

1.1. Анализ основных направлений разработки фильтров СВЧ..19

1.2. Методы проектирования фильтров.......................28

1.3. Блок-схема систематики процессов автоматизированного проектирования фильтров СВЧ..........................34

1.4. Выводы...............................................37

Глава 2. Планарные фильтры......................................38

2.1. Состояние разработок планарных фильтров..............38

2.2. Автоматизированный синтез класса микрополосковых фильтров с параллельно связанными резонаторами ...... 49

2.3. Машинное проектирование шлейфных микрополосковых фильтров с псевдоэллиптической АЧХ и диплексеров

на их основе........................................66

2.4. Фильтры и цепи дендритового типа.....................80

2.5. Синтез микрополосковых фильтров, образованных отрезками передающих линий, связанных торцевыми емкостными зазорами..................................88

2. 6. Микрополосковые полоснозапирающие фильтры............97

2.7. Звенья фильтров шпилечного типа......................103

2.8. Особенности синтеза фильтров со сложными формами резонаторов и связями между несоседними резонаторами 110

2.9. Расчет элементов фильтров, сконструированных на основе многопроводной системы связанных линий передачи.118

2.10. Выводы.............................................131

Глава 3. Многоканальные коммутационные устройства.............132

3.1. Принципы создания и проектирования многоканальных коммутационных СВЧ устройств.........................132

3.1.1. Типы коммутационных СВЧ устройств..................133

3.1.2. Методы анализа многоканальных коммутационных устройств..........................................151

3.2. Синтез лестничных каскадных схем выключателей........156

3.3. Проектирование каскадных схем выключателей

с инверторами импедансов и проводимостей ............ 168

3.4. Предельные сооотношения для твердотельных переключателей лучевого типа.........................182

3.5. Матрица импедансов базового сочленения микрополосковых линий, входящего в состав переключателей......195

3.6. Многомерные коммутационные матрицы...................204

3.7. Выводы..............................................209

Глава 4. Фазовые и амплитудные модуляторы.......................210

4.1. Метод виртуального импеданса для синтеза дифференциальных фазовых и амплитудных модуляторов отражательного типа..................................210

4.2. Оптимизация схем фазовращателей на переключаемых отрезках длинных линий по вносимым потерям..........222

4.3. Особенности проектирования схем фазовращателей

с твердотельными резонансными решетками..............232

4.4. Выводы...............................................236

Глава 5. Резервирование коммутационных устройств................237

5.1. Оптимизация схем резервированных переключателей по критерию устойчивости их характеристик к отказам ключевых элементов...................................239

5.2. Резервирование схем твердотельных фазовращателей ....248

5.3. Выводы...............................................253

Глава 6. Анализ структуры САПР частотно-избирательных

и коммутационных СВЧ устройств.........................254

6.1. Функциональная структура САПР частотно-избирательных

и коммутационных СВЧ устройств.......................255

6.2. Принципы построения математических моделей для анализа и синтеза селективных и коммутационных

СВЧ устройств........................................258

6.3. Информационное обеспечение...........................277

6.4. Программное обеспечание САПР частотно-избирательных

и коммутационных СВЧ устройств.......................282

6. 5 Выводы................................................285

Заключение ..................................................... 289

Литература ..................................................... 292

Приложение. Концептуальные продолжения идей автоматизации

проектирования СВЧ устройств........................308

П1. Многомерные (тотальные) цепи..........................308

И2. Информационные матрицы и их эволюционирование......... 313

ПЗ. Концептуальные линии, поверхности и пространства

в науке и технике.....................................315

П4. Математоника, проекционно-эволюционная математика..... 318

П5. Психомы - математико-топологические образы

элементов сознания....................................321

П6. Конформная элементная структуризация материализуемых

идей и объектов.......................................325

П7. Выводы................................................329

ПРЕДИСЛОВИЕ

Потребности использования в различных областях общественной практики явлений электромагнетизма, протекающих в сверхвысокочастотном диапазоне, обозначились с начала 30-х годов завершающегося века. Под воздействием этих потребностей к настоящему времени вокруг СВЧ тематики уже вполне сформировались такие базовые составляющие, как самостоятельная, разветвленная отрасль науки, сложнейшая техника и мощная производственно-технологическая сфера. Перспективность дальнейшего развития данного научно-технического направления для применения его достижений в самых различных областях человеческой деятельности не вызывает сомнения. Уверенное управление спектральным составом обрабатываемых СВЧ сигналов и потоками движения их в аппаратуре и в окружающем пространстве составляют одну из самых фундаментальных задач радиотехники. Выполнение ее возлагается в основном на частотно-избирательные (в дальнейшем для краткости - селективные) и коммутационные устройства. В связи с уже существующей и постоянно возрастающей сложностью проблем, которые возникают при создании современных селективных и коммутационных устройств, на первый план выходит решение задач автоматизации их проектирования. Именно этим задачам, а также рассмотрению следствий, вытекающих из их решения, разработке обобщенных концепций, подходов и моделей уделяется главное внимание в настоящей диссертационной работе.

Автор выражает искреннюю признательность д.т.н., профессору В.И.Гвоздеву, директору фирмы "Антенные системы" А.Д.Христичу, а также к.т.н., с.н.с. Э.Г.Влостовскому за внимание,' полезные советы, поддержку и помощь при выполнении работы.

ВВЕДЕНИЕ

Частотно-избирательные (селективные) и коммутационные СВЧ устройства выполняют важнейшие функции выделения (подавления) заданных участков в спектре передаваемых сигналов, а также управляют путями следования потоков электромагнитных волн, распространяющихся в волноведущих структурах отдельных узлов, блоков, системных комплексов. Вследствие этого они широко представлены в радиотехнической аппаратуре различного назначения. Традиционно принято рассматривать в отдельности эти два класса устройств. Между тем, логика практической разработки аппаратуры приводит к признанию (и использованию) глубокой взаимной общности важнейших аспектов проектирования селективных и коммутационных устройств. Так, схемы и методики расчета широкополосных переключателей бинарного типа базируются на методах синтеза пассивных цепей, разработанных для проектирования фильтров. И наоборот, за последние годы нашли широкое применение коммутируемые фильтры.

Если сформулировать абстрактную целевую установку на свободное управление, во-первых, спектральным составом сигналов электромагнитных волн (нестационарная гребенчатая фильтрация) и, во-вторых, направлениями распространения отдельных спектральных пачек сигналов в сети связи (коммутация общего типа), то становится очевидным, что эти два класса СВЧ устройств выполняют единую коренную функцию спектрально-пространственного контроля за потоками сигналов. Конечно, до поры до времени, и это вполне естественно, оба направления развивались почти независимо. Однако усложнение практических задач, решаемых радиоэлектроникой, и логика внутреннего развития каждого из этих направлений привели к необходимости их последовательного и неформального объединения. Комплексное селективно-коммутационное

устройство мыслится не как механическое объединение фильтров и переключателей, а как, конечно же, структурированный, но вместе с тем единый, компактный технический объект, целесообразно сочетающий обе выполняемые функции.

Объем литературы по тематике электрических фильтров чрезвычайно велик и насчитывает десятки монографий, сотни брошюр, тысячи оригинальных статей, многочисленные тематические обзоры. Наибольшей известностью заслуженно пользуется монография [1]. В меньшем количестве, но также представлены и публикации аналитического плана, пытающиеся охватить данное направление радиотехники в целом [2-4]. Похожая ситуация складывается и в тематике СВЧ коммутационных устройств [5-8] с тем лишь отличием, что основная часть новой информации складывается из рекламных сообщений о конструктивных и технологических достижениях.

К настоящему времени эти оба рассматриваемые направления СВЧ техники достигли определенного уровня зрелости; поэтому, как это часто и бывает в подобных случаях, существует необходимость в подведении некоторых итогов, результатов предыдущего этапа развития. Потребность в обобщающих оценках, в первую очередь, объясняется возникновением новых, как правило, еще более сложных по сравнению с уже решенными задач. И решать их приходится не только за счет прямого применения принципиально новых идей, открытий и изобретений (последние конечно же всегда желанны). Появление более совершенных принципов реализации элементов и узлов апппартуры обычно оказывается невозможным без органического внедрения нового в канву уже известного, базу выбранного направления в целом. Таким образом приходится выявлять на примере большого количества частных технических решений общие линии, строить все более универсальные теоретические модели, охватывающие несколько,

желательно, как можно большее число, технических объектов. Отсутствие или запаздывание в появлении обобщающих систематик, концепций и теорий отрицательно сказывается на динамике прогресса. Другая тенденция -взаимное проникновение и взаимное обогащение различных направлений науки и техники играет существенную роль; она также не должна игнорироваться. Наконец, третья тенденция - автоматизация проектирования аппаратуры на основе применения средств вычислительной техники и информационных технологий [9].

Разработка современных селективных и коммутационных СВЧ устройств стала уже немыслимой без использования методов автоматизированного проектирования, базирующихся на применении ЭВМ. Ибо объемы расчетов, комбинационная сложность методик и алгоритмов проектирования таковы, что для инженера, который не обеспечен средствами САПР, они уже сейчас находятся на недосягаемом уровне. Дальнейший прогресс требует создания обобщенных физических и математических моделей, а также алгоритмической базы, охватывающих сразу несколько классов устройств. Разработка комплексных автоматизированных подходов к проектированию селективных и коммутационных СВЧ устройств с единых позиций позволяет поднять проектирование на качественно новый уровень.

На основе сопоставительного анализа принципов создания большинства известных к настоящему времени типов селективных и коммутационных СВЧ устройств в диссертации сформулированы общие подходы к их автоматизированному проектированию, разработаны математические модели и алгоритмы, реализованы и успешно внедрены на практике программы синтеза представительных классов фильтров и коммутаторов.

Целью диссертационной работы является повышение качественных показателей частотно-избирательных и коммутационных СВЧ устройств, а также эффективности их проектирования.

Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи:

- проведена концептуальная систематика базовых идей и подходов к синтезу и автоматизированному проектированию фильтров СВЧ;

- разработаны математические модели, алгоритмы и программное обеспечение для выполнения сквозного цикла проектирования класса микрополосковых фильтров с параллельно связанными резонаторами;

- разработана методология синтеза шлейфных микрополосковых фильтров с псевдоэллиптической АЧХ и диплексеров на их основе;

- предложена концепция создания обобщенного класса устройств на основе цепей дендритового типа, сочетающих в себе свойства селективных и коммутационных СВЧ устройств;

- разработана автоматизированная методика проектирования каскадных схем твердотельных выключателей лестничного и инверторного типов, базирующаяся на методах синтеза электрических фильтров;

- установлены предельные соотношения для параметров твердотельных переключателей лучевого типа;

- получены выражения для элементов матрицы импедансов базового сочленения микрополосковых линий, входящего в состав переключателей, что позволяет выполнять моделирование многоканальных переключателей на электродинамическом уровне строгости;

- разработаны схемы, конструкции и методы автоматизированного проектирования двумерных и многомерных коммутационных матриц;

- разработаны методы автоматизированного проектирования схем твердотельных фазовых и амплитудных модуляторов, базирующиеся на применении понятия виртуального импеданса;

- предложены схемы резервирования коммутационных СВЧ устройств^ и разработаны методы их проектирования с применением ЭВМ;

- предложены концептуальные идеи, позволяющие с обобщенных позиций рассматривать типовые подходы к проектированию СВЧ устройств.

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту В диссертации разработаны новые, обобщенные концепции и подходы к автоматизированному проектированию представительных классов селективных и коммутационных СВЧ устройств. На защиту выносятся следующие основные результаты работы:

- концептуальная систематика базовых идей и подходов к синтезу и автоматизированному проектированию фильтров СВЧ;

- математические модели, алгоритмы и программное обеспечение для выполнения сквозного цикла проектирования класса микрополосковых фильтров с параллельно связанными резонаторами;

- методология синтеза шлейфных микрополосковых фильтров с псевдоэллиптической АЧХ и диплексеров на их основе;

- концепция создания обобщенного класса устройств на основе цепей дендритового типа, сочетающих в себе свойства селективных и коммутационных СВЧ устройств;

- методика автоматизированного проектирования каскадных схем твердотельных выключателей лестничного и инверторного типов, базирующаяся на методах синтеза электрических фильтров;

- предельные соотношения для твердотельных переключателей лучевого типа;

- схемы, конструкции и методы автоматизированного проектирования двумерных и многомерных коммутационных матриц;

- методы автоматизированного проектирования схем твердотельных фазовых и амплитудных модуляторов, базирующиеся на применении понятия виртуального импеданса;

- схемы резервирования коммутационных СВЧ устройств и методы их

- и -

проектирования с применением ЭВМ.

Практическая ценность. Практическая ценность работы заключается в том, что предложенные идеи, подходы, методики, алгоритмы и программы дают возможность не только повысить уровень, качество и эффективность проектирования представительных и вполне конкретных, широко применяющихся на практике классов селективных и коммутационных СВЧ устройств, но и открывают принципиально важную для дальнейшего их совершенствования возможность единого, обобщенного, синтетического осмысления базовых идей проектирования изделий радиоэлектроники, стоящих на еще более высоком иерархическом структурном уровне организации.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на 9-й Международной школе-семинаре "Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ"(Самара, 1997 г.), 52-й научной сессии, посвященной Дню радио (НТОРЭС им. А.С.Попова, Москва, 1997 г.), 8-й Международной школе-семинаре "Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ" (Охотино, 1996г.), 5-й Международной научно-техничекой конференции "Математическое моделирование систем сверхбыстрой обработки информации на объемных интегральных схемах (ОИС) СВЧ и КВЧ" (Сергиев Посад, 1995 г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Интегральные информационные системы" (Москва, 1989 г.), два доклада на заседаниях семинара "ОИС СВЧ и биоэнергоинформационные технологии", организованном при МНТОРЭС им. A.C. Попова (Москва, ноябрь 1996 г., февраль 1997 г.).

Реализ