автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Проектирование многодискретных фазовращателей СВЧ

Па правах рукописи

Абдулаева Ума Алиевна

ПРОЕКТИРОВАНИЕ МНОГОДИСКРЕТНЫХ ФАЗОВРАЩАТЕЛЕЙ СВЧ

Специальность: 05.12.07 - Антенны. СВЧ устройства и их технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-11етербур| - 2005

Рабопа выполнена и Да1ес|анском toc\дарственном ¡емшческом viiHuepcMiei е.

Научный руководитель-доктор технических на>к. профессор А.Р.Тагилаев.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Миронснко И.Г.

кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник Федотов Л.II.

Ведущая организация - ОАО 11ИИ «Сапфир».

Защита состоится </у >>/^gx^^gy^ 200^ г. в часов на заседании диссертационного сс^ета д 212.238.03 Санкт-Петербургского Государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» имени В.И.Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан «

Ученый секретрь диссертационного совета

Баруздин С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Широкое продвижение полупроводниковой электроники в СВЧ диапазон началось в 60-е голы после появления новых приборов СВЧ- полупроводниковых диодов и транзисторов, рачличных по принципу действия и назначению. Дальнейшие разработки и исследования в области СВЧ открыли достаточные перспективы, а именно - улучшение характеристик электронной аппаратуры, разработка СВЧ аппаратуры с принципиально новыми функциональными возможностями, повышение экономичности и надежности, улучшение массогабаритных характеристик.

Значительные практические достижения появились в последние годы, в связи с интенсивным развитием одного из направлений СВЧ техники - полупроводниковых управляющих устройств СВЧ.

Самыми массовыми из управляющих устройств, которым было уделено большое внимание, являются фазовращатели. Дискретные фазовращатели находят основное применение в фазированных антенных решетках, что определяет совокупность предъявляемых к ним требований. Для фазовращателей основными параметрами являются: число различных фазовых состояний, фазовый сдвиг, его стабильность, рабочая полоса частот, потери, число управляющих элементов, мощность, потребляемая по цепям управления и др.

Совершенствование различных систем радиотехники и разработка новых поколений систем радиотехники и разработка новых поколений систем обработки информации определяют необходимость создания новых фазовращателей с улучшенными характеристиками.

В настоящее время выделено два подхода к проектированию СВЧ устройств: первый - основанный на плоскостных (пленарных) интегральных схемах и второй - основанный на использовании трехмерной топологии, т.е. переход к объемным интегральным схемам (ОИС) СВЧ. Идеологическую основу реализации ОИС составляет принцип конструкционного соответствия, согласно которому ОИС есть такой подход к построению СВЧ и КВЧ модуля системы сверхбыстрой обработки информации, когда в модуль могут быть (логически, конструктивно, технологически) включены базовые элементы не только созданные специально для ОИС. но и традиционно используемые в плоскостных ИС. устройствах квазиоптики и т.п. Таким образом, существенным отличием и преимуществом ОИС перед другими конструкциями СВЧ модулей систем сверхбыстрой обработки информации является возможность использовать практически весь известный арсенал элементной базы и функциональные устройства.

Целью данной работы является развитие основ построения и консфуктивпой реализации трех мерной юпологии и моделирования многодискрстных фазовращателей СВЧ и их базовых элементов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

a. разработка и исследование фазовращателей и их базовых элементов с трехмерной топологией;

b. разработка общих алгоритмов расчета и анализа фазовращателей СВЧ, реализованных на принципах плоскостных интегральных схем и ОИС:

c. разработка принципов построения многодискретных фазовращателей СВЧ:

d. рассмотрение вопросов разработки СЛПР фазовращателей СВЧ;

с. изготовление макетов, образцов многодискретных

фазовращателей и их базовых элементов, а также внедрение результатов работы в различные устройства радио-электронной аппаратуры.

Объектом исследования являются многодискретные фазовращатели СВЧ, предназначенные для получения фазового сдвига 180°.

Предметом исследований являются принципы построения дискретных фазовращателей, обеспечение необходимого фазового сдвига.

Методы исследований. Основываются на методе подсхем, методологии моделирования, на построении Объемных структур фазовращателей с применением принципов построения планарных интефальпых схем и объемных интегральных схем, проведении эксперимента. При проведении эксперимента использовалась материально-техническая база ОАО НИИ «Сапфир», г. Махачкала, а полевые испытания проводились на территории аэропорта г. Махачкала.

Новые научные результаты. В процессе выполнения исследований авторам получены следующие научные результаты:

1. Разработан общий алгоритм расчета многодискретного фазовращателя, Экспериментальная проверка алгоритма расчета фазовращателей удовлетворительно для практики согласуется с теоретическими результатами.

2. Изложены основные принципы построения фазовраишелей с частотно - не зависимым фазовым сдвигом 180°. позволяющие реализовать структуры с высокой точностью фазового сдвига и низким уровнем паразитной амплитудной модуляции.

3. На базе предложенных принципов расширения полосы рабочих частот управляющих устройств и их базовых элементов разрабооны новые

широкополосные структуры фазовращателей с частотно-независимым фазовым сдвигом 180'.

4. Г1ол>чсны точные выражения амплитуд спектральных составляющих фазоманипулиро ванного сигнала.

5. С помощью пакета прикладных пр01рамм MalhCAD выполнен расчет и анализ переходов между разнотипными линиями передачи.

Практическую ценность работы составляю!

- математическая модель однополосного модулятора;

- принципы построения дискретных фазовраща!елей на базе объемных структур;

- имитатор АРГ1, в состав которого входят разработанные устройства:

- результаты экспериментальных исследований, показавшие высокую эффективность их использования.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. К настоящему времени созданы быстродействующие, бсскорпусныс р-i-n-диоды с балочными выводами, применение которых в фазовращателях позволит вмонтировать их в линии передачи с минимальными реактивностями выводов, что приведет к улучшению их электрических характеристик. Бескорпусные диоды составят элементную базу при проектировании фазовращателей на основе ОИС с улучшенными характеристиками.

2. Общий алгоритм расчета и анализа фазовращателей, реализованных на любой полосковой линии передачи и их комбинации.

3. Возможности реализации плавных фазовращателей на основе оптимальной линии передачи и их комбинации (трехмерные топологии).

4. Принципы построения многодискретных фазовращателей с улучшенными характеристиками в полосе частот. Не исследованы вопросы реализации многодискретных фазовращателей с трехмерной топологией.

Апробация работы. 1 фактическая реалигация результатов осуществлялась на устройстве «Имитатор АРП». Имитатор применяется при контрольно- проверочных испытаниях АРМ на предприятиях промышленности, а также при проведении опытно- конструкторских и научно- исследовательских работ для оценки точностных характеристик АРП.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планами научно- исследовательских и опытно- конструкторских работ. Результаты данной работы использованы при выполнении научно- исследовательских работ на вышеуказанном предприятии г. Махачкала.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных рабоI. и? них- 11 сга!ей и тезисы к 2-м докладам па российских научно-технических конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения. че1ырех 1лаи, заключения, списка литературы, включающего 193 наименования. Основная часть работы изложена на 143 страницах машинописного текста. Работа содержит 47 рисунков и 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель работы • и задачи исследования, описана структура диссертации и перечислены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ современного состояния проектирования дискретных фазовращателей и их базовых -элементов на основе плоскостных интегральных схем и ОИС. Рассмотрены вопросы проектирования фазовращателей различных типов и выявлены нерешенные проблемы их моделирования, построения и реализации. Анализ общего состояния проектирования фазовращателей показал, что недостаточно исследованы основы реализации фазовращателей и их базовых элементов с трехмерной топологией.

Первая глава завершается формулировкой основных задач диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрен подход использования переходов между линиями передачи при реализации фазовращателей, в которых осуществляются следующие функции: короткое замыкание токонесущих проводников. Первую функцию можно обеспечить с помощью четвертьволновых разомкнутых (однородных и неоднородных) шлейфов и гальванических контактов. Вторая функция осуществляется, например, в переходе между несимметрично-полосковой линией (НМЛ) и симметрично-щелевой линией (СЩЛ), ¡де основная квази Т- волна IЛ1Л трансформируется в основную волну СЩЛ Н!0. Третью функцию можно выполнить с помощью четвер|ыюлновых, короткозамкнутых (однородных и неоднородных) шлейфов.

Приведены топологии фазовращателей на комбинации линий передач, реализованные па основе рассмотренных схем.

Анализ эквивалентности схемы сдвоенного перехода, можно сделать вывод, что при У2=» или 7.;= с сдвоенный переход превращается в фехшлейфоиый, копе фикция коюрого также приведена. Расположение базовых элементов в фехмерном пространстве СВЧ модуля в системах сверхбысфой обрабожи информации предполагает разработку многослойных переходов.

На основе рассмотренных конструкций сдвоенных переходов можно строить трехслойные переходы.

Эквивалентная схема таких переходов симметрична относительно вертикальной оси. а левая половина чтой схемы совпадает с приведенной жвивалентой схемой и конструкцией сдвоенных шлейфовых переходов между НПЛ и С1ЦЛ. компланарной линией (КЛ) и С1ЦЛ.

Оквивалешы матрицы рассеяния трехслойного перехода имеют вид:

Sno= Бгго^ Sir S22|S|)/( I - S" 2:).

S(20= Sjio3^! S|2 /( I — S" 22 V

где |S|= S22S11 - S12S21, Su - 'элементы матрицы рассеяния сдвоенною перехода, определяемые по схеме.

С целью расширения полосы рабочих частот противоположные стороны кольца на С1ЦЛ связываются дополнительным отрезком С1ЦЛ с большим волновым сопротивлением. В местах соединения в замкнутую СЩЛ последовательно включаются два диода. За счет введения дополнительного отрезка СЩЛ импеданс, шунтирующий переход с входной КЛ на СЩЛ, увеличивается, что приводит к расширению полосы рабочих частот.

Рассмотренный подход можно использовать при реализации ФВ. в котором осуществляется сдвиг фазы. 'Это позволит уменьшить 1абаришые размеры функциональных устройств СВЧ.

Основные функции можно реализовать с помощью четвертьволновых, короткозамкнутых (однородных и неоднородных) шлейфов.

В третьей главе приведен алгоритм расчета матрицы рассеяния дискретного фазовращателя, который основан на методе подсхем. Па основе ■угого алгоритма разработана программа с применением математическою пакета MathCAD.

Приведена общая структурная схема фазовраща!еля. В целом фазовращатель представляется в виде параллельно- последовательного соединения четырехполюсников I и 2. обозначающих коммутатор, который осуществляет смену направления возбуждения выходной линии передачи. Перекрещивание выходных полюсов четырехполюсника 2 отображае! частотно- независимый фазовый сдвиг 180°. Четырехполюсники 3 и 4 отображают входные и выходные согласующие цени комму\z юра соответственно (рис.1).

Рис.1. Общая структурная схема фазовращателя с частотно- независимым

фазовым сдвигом.

Имея алгоритм нахождения матрицы рассеяния каскадно включенных четырехполюсников и коммутатора находим матрицу рассеяния всею фазовращателя. Основным достоинством данного алгоритма является простота и универсальность, возможность использования для расчета и оптимизации фазовращателей с любым вариантом реализации коммутатора. Алгоритм может дополнить существующую СА11Р фазовращателей.

На сегодняшний день можно выделить два подхода к проектированию СВЧ устройств, которые выполняют предъявляемые к ним требования, такие как, например, постоянный фазовый сдвиг-, равенство прямых потерь во всех фазовых состояниях фазовращателя и коэффициентов отражения в полосе частот и так далее. Первый подход основан на л

плоскостных (пленарных) интегральных схемах. Второй подход основан на использовании комбинации различных полосково-щелевых линий передачи (симметричная и несимметричная щелевые, несимметричная колосковая, компланарная и другие линии передачи) в одном базовом элементе или функциональном узле, т.е. использование трехмерной топологии - переход к объемным интегральным схемам СВЧ.

Второй подход, как показывает выполненный литера1уриый обзор, позволяет существенно увеличить число схемных решений устройств и вариантов их конструктивного воплощения. Использование этого подхода ношо,1яе1 разработать широкополосные и малогабаритные управляющие уст ройства СВЧ и их базовые элементы.

Одним из основных параметров, характеризующих мно1 одискрешый фазовращатель, являются максимальный фазовый сдвиг и минимальный дискрет. На практике максимальный фазовый сдвиг равен 360 I рат.. а дискрет вносимого фазового сдвига около 1 град.

Достаточно рассмо!рен один подход при построении многодискретных фазовращателей: формирование требуемых фазовых сдвигов непосредственно на несущей частоте. Недостатком этого подхода

является тр)Дность обеспечения в широкой полосе (более 100%) фазовые сдви! и до 360 i рад. с диск-pei ом около 1 i рад.

Предлагаемый в работе подход построения многодискретных фазовращателей обеспечивает формирование требуемых фазовых сдвигов на одном пизкочасюшом сигнале с последующим преобразованием в рабочий диапазон частот.

При этом подходе частота сигнала, па коюром осущес1вляе!ся формирование фазовых сигналов, необходимо выбрать относительно низкой и удобной для реализации устройств, формирующих фазовые сдвиги. Oio позволит выполниib более просто предъявляемые к ним требования но точностным характеристикам.

В работе предлагается реализовать предложенный подход при построении многодискретного фазовращателя на базе однополосного модулятора (рис.2).

Основным требованием к однополосному модулятору является подавление несущей частоты и одной из боковых гармоник до определенною значения, которая не будет влиять на фазовые сдвиги оставшейся боковой гармоники.

Проведенные эксперименты подтверждают эффективность предложенного подхода к построению многодискретного фазовращателя на базе однополосного модулятора по фазокомпенсационному способу. На рис. 3 приведена структурная схема однополосного модулятора.

Принцип работы однонолосного модулятора заключается в следующем: высокочастотный сигнал, поступивший на вход, разветвляется и симметрируется в синфазном делителе Д и ампли гудоравные еж налы, проходя через фазовращатели ФВ1 и ФВ2, приобретают постоянный фазовый сдвиг, равный 90°. В балансных модуляторах БМ1 и RM2 высокочастотные сигналы модулируются низкочастотным сигналом. Далее сигналы с балансных модуляторов суммируются в сумматоре С. иричем компоненты несущей частоты практически отсутствуют (подавленный в ВМ1 и БМ2), а составляющие верхней боковой частоты, в силу приобретенных фазовых соотношений на выход не попадают. В модуляторе формируется однополосный сигнал разностной частоты. Частота модулирующего сигнала составляет 5 кГн, полоса частот высокочастотного сигнала- 100-400 МГц.

Фаза модулированного сигнала меняется с дискретом 1,40625° от 0° до 360°. Результаты экспериментальных исследований приведены в 1аблице 1.

Однополосная модуляция позволяет подавить несущую и одну боковую 1армонику до уровня 28 дЬ. Окснеримешальные исследования подтверждают возможность создания широкополосных дискретных

фазоираишелей с фазовой ошибкой не более 1° на базе описанною однополосною мод>ляюра.

Необходимо отмстить, что подавление нссушсй частоты и второй боковой 1армоники разрабошнною образца однополоспого модуляюра составили 29 дЬ в полосе часю1. Для создания высокоточных фазовращателей на основе предложенного принципа, работающих более двухо^тавиой полосе частот. возникае1 проблема обеспечения подавления гармоник не менее 29 дБ. Экспериментальные исследования подтверждают возможность создания широкополосных дискретных фазовращателей с фазовой ошибкой не более 1° на базе описанного однополосного модулятора.

•Необходимо отменить, что подавление несущей частоты и второй боковой гармоники разработанного образца однополосного модулятора составили 29 дБ в полосе частот.

П...П

ОМ

Вход

Выход

ФВ

Модулирующий сигнал

Рис. 2 . Структурная схема многодискрстного фазовращателя.

ФШ

Вход

га

ФВ2

Мол. сигнал 0° ц,80°

КМ1

С

ЬМ2

Выход -►

90° || 270° Мод. сигнал

Рис. 3. Структурная схема однополосного модулятора.

Таблица I.

Фаза

модулирующего сигнала.

Фаза выходного ВЧ сигнала, i рад.

Частота ВЧ сигнала, МГц

f=5 кГц 100,005 200,005 300,005 400,005

1,4062 5 1,406 1,408 1,411 1.416

2.8125 2,813 2,816 2,817 2.89

5,625 5,630 5,632 5,634 5.639

11,25 11,23 11.3 11.34 11.39

25,5 22,6 22.9 22,95 23.00

45 45,4 45,46 45,6 45.7

90 90.1 90,5 90,9 90.60

180 180,2 180,2 180,6 180,75

360 360,2 360,8 360.9 360.25

Рассмотренный принцип построения позволяет реализован, фазовращатели с высокими точностными характеристиками в широких диапазонах частот. Анализ гоноло1ий фазовращателей с фазовым сдвиюм 180° показал, что их общая структурная схема может быть представлена в виде на рис. 4.

I I

Параллельно- последовательное соединение четырехполюсников I и 2 обошачае! коммутаюр. осуществляющий смен> направления возбуждения линий передачи. Перекрещивание выходных полюсов четырехполюсника 2 отображает частотно-независимый фазовый сдвиг 180°. Четырехполюсники 3 и 4 оюбражаю! входные и выходные coiласуюицие цени коммутатра

COOI BCTCTBCHHO.

Разбиваем схему коммутатора на две подсхемы: первая представляет собой параллельный тройник, первый, из выходов которого нагружен на четырехполюсник 1. а вторая - последовательный тройник, второй, из выходов которого нагружен на четырехполюсник 2. Используя существующие общие алгоритмы, можно записать матрицу рассеяния первой и второй подсхем следующим образом. Элемент мафицы рассеяния имеют вид:

s„=5,;+[(р4s:\ -p.s'xs's:+s:x)+да -^д;хад+ад)]* х (/>/», - W;

stt ^s''-РХК +(РХ-РХЖ)х(РА~РА)

S, =[(P,s;,-PXK +(РХ-РЛЖ]х(РЛ-РР<Г;

s:: = s;: + i(P, s: - РХЖ.Яп + ад,)+да - РХЖК + 5,;.«?;;)] х

x(PtP,~ PfJ'-,

где S'° ~ индекс матрицы

h - индекс положения элемента

р, =1 -ад-ад,; р2 =-ад,-ад;

р _ С 1 С" С 1 С" •

*i — — "«"я:'

/>, =1-ад-ад.

S'"" - )лемешы мафицы рассеяния шестинолюспика Л (В).

Рис. 4. Сщуктупная схема дискретного фазовпашагеля

в

6

1

Рис. 5. Подсхемы для расчета дискретного фазовращателя.

^ =

^ ^12 ^

5;, 5;,

ст1 о' с2 о! &ч с1 с"

" 1-ад

S" -

s:, +

s: +

S]\S"IS[I

1-ад

S:tSltSu

I-ад

ад

i-ад,

•S1, ДД,

i -ад, у.ад

i-ад У.У

i -ад

s;; +

5;: +

ад

1 -SnSu

i-ад; уад

i-ад.

y, +

адУ. УАг i-ад i-ад

i-ад ^ ад^

' У У?

£•> I УУУ;

1 - УА",

1 — «S, A:

i-ад

УУ, i - У У

s' +

УУ,У 1 - _

[5]н -

<¡> ( У У У

' ~УАи

УУ

i-ад уу

1-5;, s;,

Ol №

1 - S^S'!2

S' + УУУ1 1-5:, 5"

11 22 г (

£2 t У1У2У

1 -ад,

УУ,

1 - S'tiS'„

y УААз "

УУУг

i-ад.

S' +

С'С1'С1 P'i nJ р* О'' о1

C.Í . с<( , I, ,2 И "и"!'

л., "I--ГГГТ +

i-ад; i-ад', 1-5;,5;',

с*,/ о1' с* Ç'' Cf/ С1 С1' Ç1*

О,/ , 'ХА,*3!. С' °21,>«'511

л., + Г—ГГГТ *>„ 7 ~~

i-ад 11 i-ад; i-ад;

ад у у , аду,

i-ад' i-ад :: i-yy

+

Я-1

1

■ "и";;

ад

)

1-« ад

1-ад 1-ВД

»-ад

Используя алгоритм нахождения матрицы рассеяния каскадно включенных четырехполюсников 3, 4 и коммутатора 1. 2, находим мафицу рассеяния всего фазовращателя.

Данный алгоритм достаточно прост и универсален, поэтому он можа быть использован для расчета и оптимизации фазовращателей с любым вариантом реализации коммутатора, что и составит основу их автоматизированного проектирования.

Из-за конечной развязки четырехполюсника 1 или 2 (рис. 5) в режиме запирания напряжение на выходе коммутатора складывается из двух составляющих:

волны, прошедший через четырехполюсник 1 или 2 в режиме пропускания, и напряжения

1/га ,1 ,|ехр{(<1», „ ,},

волны, прошедшей через четырехполюсник 2 или 1 в режиме запирания, или

'А^п^иИ'.Ч+ехгк,:,,}

Здесь |и,х] - модуль напряжения па входе фазовращаюш; фаза считается равной о; знаки «+» и «-» в индексе означают режимы пропускания и запирания четырехполюсников 1, 2 сош ветст ценно.

В четвертой главе выполнена постановка эксперимента. При проведении женеримеша использовался измери1ель разноаи фаз Ф2-34 предназначенный для измерения разноаи фаз между двумя синхрон ¡ыми синусоидальными сигналами с цифровым отображением информации.

Подавление несшей и нижней боковой гармоники проводилось на четырех модулягорач. В эксперименте использовались: генератор cm налов специальной формы Г6-36. Измерения проводились в диапазоне частот от 100-400 МГц. амплитуда модулирующего сигнала 2.5 В.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Рассмотрены принципы построения многодискретных фазовращателей и и\ базовых элементов, основанные на увеличении числа V4 шлейфов в области переходов между разнотипными линиями передачи, применении неоднородных (круговых) шлейфов и каскадном включении переходов. Эти принципы являются основными для создания широкополосных фазовращателей, построенных на принципах ОИС.

2. Разрабошн общий алгоритм расчета однонолосного модулятора. Экспериментальная проверка алгоритма расчета фазовращателей удовлетворительно для практики согласуется с теоретическими результатами.

3. Изложены основные принципы построения фазовращателей с частогпо-нсзависимым фазовым сдвигом 180°, позволяющие реализовать структуры с высокой точностью фазового сдвига и низким уровнем паразитной амплитудной модуляции. Причина состоит в относительной простоте получения электрической симметрии структуры фазовращателей. На базе предложенных принципов расширения полосы рабочих частот управляющих устройств и их базовых элементов разработаны новые широкополосные структуры фазовращателей с частотно-независимым фазовым сдвигом 180°. Структуры фазовращателей с частотно-независимым фазовым сдвигом 180° обладают возможностями выполнять целый набор функциональных нафузок. Используя в качестве управляемых проводимостей p-i-n диоды, такие структуры могут выполнять функции фазовращателя или фазового манипулятора, согласованного или несогласованного выключателя, плавного coi. lacoBaHHoi о или несогласованного аттенюатора, ограничителя мощности. Расписано общее уравнение таких структур и получены выражения для ам1ши)удной и фазовой ошибок.

4. Получены точные выражения амплитуд спектральных составляющих фа jomuh и пул и рован ного сигнала.

5. Рассмотрены вопросы практической реализации широкополосных дискретных фазовращателей на различных линиях передачи и их комбинации. Максимальная полоса рабочих частот дискретных фадовраишелей на несимметричной полосковой, симметричной и несимметричной щелевых линиях достигаются при использовании круговых шлейфов.

6. Рассмотрены принципы построения дискретных фа »вращателей. Даются практические рекомендации но конструированию диекрешыч фазовращателей.

7. С помощью пакета прикладных программ МаЛСАО можно провести расче! и анализ переходов между разночинными линиями передачи и управляющих устройств.

8. В данной работе разработаны основы проектирования широкополосных дискретных фазовращателей СВЧ и их базовых элементов с улучшенными характеристиками в широкой полосе частот на основе различных комбинаций линий передач.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Абдулаева У.А., Тагилаев А.Р., Юнусов С.К.. Принципы построения высокочастотных широкополосных дискретных фазовращателей. //Сборник тезисов докладов научно- технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов ДП'У.- Махачкала, 1999.- С. 122.

2. Абдулаева У.А., Юнусов С.К. Конструкторско- технологическая оптимизация ОИС. //Вопросы проектирования и опыт разработки современных радиотехнических систем и приборов: Сб. научи. фудов -Махачкала, 1996,- С. 69.

3. Абдулаева У.А., Сфиева Д.К., Тагилаев Л.Р. Точный расче! фиксированных аттеньюаторов па комбинации полосковых линий передач. //Вестник ДГТУ, 1999,- С.70-73.

4. Абдулаева У.А., Сфиева Д.К., Тагилаев А.Р. Общий алюритм расчета плавных аттеньюаторов. //Вестник ДГТУ, 1999.- С.76-79.

5. Абдулаева У.А., A.P.Taiилаев, С.К. Юнусов. Сиаемный подход к проектированию дискретных фазовращателей.//Вестник ДГТУ. Тех. науки». Махачкала: Вестник ДП'У. Технические науки. №4,2000,- С. 178-182.

6. Абдулаева У.А., Тагилаев А.Р. 11ринципы построения высокочастотных многодискретных фазовращателей. //Физика волновых процессов. 199V.- №2, том 2, С. 50-52.

7. Абдулаева У.А.. Тагилаев А.Р. Проблемы построения широкополосных фазовращателей. //Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ.- М.. 1999,- Вып. 3(24), С. 96-99.

8. Абдулаева У.А.. Тагилаев А.Р. Проблемы построения ВЧ широкополосных высокоточных дискретных фазовращателей. Секция №6 «Передача и обработка информации в радтиехнических системах». Международная НТК «Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ»,- Самара.-1999,- С.27-28.

Абдуласва У.А.. А.Р. Тагиласв. Исследование высокоточных мноюдискретных фазовращателей. //Международная научно- техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов»,-Самара.- 2001. С.28-29.

10. Абдулаева У.А., Тагилаев А.Р., С.К.Юнусов. Сквозное проектирование дискретных фазовращателей. //Сборник научных статей ДГТУ.- Махачкала-2001.- С.ЗО-ЗЗ.

11. Абдуласва У.А. Общий алгоритм расчета матрицы рассеяния диск:peí ною фазовращателя. //Сборник тезисов докладов научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов ДГТУ.- Махачкала.- 2004.- С.56-57.

12 Абдулаева У.А. Широкополосные высокоточные дискретные фаюкращатели. //Радиолюбитель.- М.- 2005. № 3, С.18-20.

13 Абдулаева У.А., Курбанов Д.С. Увеличение рабочей полосы частот ОИС. // Сборник научных статей ДГТУ.- Махачкала.- 2005.- С.64-68.

Абдуласва Ума Алисвна ПРОЕКТИРОВАНИЕ MllOl ОДИСКРЕТ!1ЫХ

фазовращателей свч

Автореферат

Сдано в набор 27.10.2005. Подписано в печать 27.10.2005. Формат 60x80 1/16.1 арпитура « l imes New Roman».

_Уел, иеч. л.: 1.0. Заказ № 315 , тираж 100 жз._

Издачельско-полиграфический цетр ДГТУ 367015. г. Махачкала, пр. И.Шамиля. 70

№2 2 166

РНБ Русский фонд

2006-4 17195

список сокращений.

ВВЕДЕНИЕ.

глава 1. анализ современного состояния проектирована многодискретных фазовращателей.

1.1. Общие сведения.

1.2. Дискретные ФВ.

1.3. Плавные фазовращатели.

1.3.Комбинированные МДФ.

1.4.выводы по главе.

1.5.3АДАЧИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

глава 2. базовые элементы много дискретных фазовращателей.

2.1. Переходы с однородными шлейфами.

2.2. Сдвоенные шлейфовые переходы.

2.3. Общая матрица рассеяния переходов.

2.4. Переходы с неоднородными шлейфами.

ВЫВОДЫ.

глава 3. моделирование широкополосного

ДИСКРЕТНОГО ФАЗОВРАЩАТЕЛЯ.

3.1. Основные принципы построения САПР ФВ.

3.2. Структура САПР ФВ.

3.3. Общий алгоритм расчета ФВ с дискретом 180°.

3.4. Общее уравнение.

3.5. Широкополосные высокоточные дискретные фазовращатели.

3.6. Моделирование широкополосного дискретного фазовращателя на базе однополосного модулятора.

3.7. Расширение полосы рабочих частот ФВ с частотнонезависимым фазовым сдвигом 180°.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

4.1. Практическая реализация результатов.

4.2. Постановка эксперимента.

4.3. Логические принципы проектирования.

ВЫВОДЫ.

Широкое продвижение полупроводниковой электроники в СВЧ диапазон началось в 60-е годы после появления новых приборов СВЧ полупроводниковых диодов и транзисторов, различных по принципу действия и назначению [1]. Дальнейшие разработки и исследования в области СВЧ открыли достаточные перспективы, а именно - улучшение характеристик электронной аппаратуры, разработка СВЧ аппаратуры с принципиально новыми функциональными возможностями, повышение экономичности и надежности, улучшение массогабаритных характеристик.

Значительные практические достижения появились в последние годы в связи с интенсивным развитием одного из направлений СВЧ техники -полупроводниковых управляющих устройств (УУ) СВЧ устройств.

Самыми массовыми из УУ, которым было уделено большое внимание, являются фазовращатели [1, 2, 3, 6, 8]. УУ - дискретные фазовращатели (ФВ) находят основное применение в фазированных антенных решетках (ФАР), что определяет совокупность предъявляемых к ним требований. Для ФВ основными параметрами являются: число различных фазовых состояний, фазовый сдвиг, его стабильность, рабочая полоса частот, потери, число управляющих элементов, мощность, потребляемая по цепям управления и др.

Совершенствование различных систем радиотехники и разработка новых поколений систем радиотехники и разработка новых поколений систем обработки информации определяют необходимость создания новых ФВ с улучшенными характеристиками.

На сегодняшний день можно выделить два подхода к проектированию СВЧ устройств. Первый подход основан на плоскостных (планарных) интегральных схемах [2,3, 4]. Второй подход основан на использовании комбинаций симметричная и несимметричная щелевые (СЩЛ, НЩЛ), несимметричная полосковая (HTTJT), компланарная (KJT) и другие ЛП в одном базовом элементе (БЭ) или функциональном узле, т.е. использование трехмерной топологии - переход к объемным интегральным схемам (ОИС) СВЧ [8, 11, 12, 13]. * Второй подход позволяет существенно увеличить число схемных решений устройств и вариантов их конструктивного воплощения. Использование этого подхода позволяет разработать широкополосные и малогабаритные ЦЦ и их базовые элементы [12, 19, 20, 22, 23, 24].

Идеологическую основу реализации ОИС составляет принцип конструкционного соответствия, согласно которому, ОИС есть такой подход к построению СВЧ и КВЧ модуля системы сверхбыстрой обработки щ информации, когда в модуль могут быть (логически, конструктивно, технологически) включены БЭ не только созданные специально для ОИС, но и традиционно используемые в плоскостных ИС, устройствах квазиоптики и т.п. Таким образом, существенным отличием и преимуществом ОИС перед другими конструкциями СВЧ модулей ССОИ является возможность использовать практически весь известный арсенал элементной базы и функциональные устройства.

Принцип конструкционного соответствия по смыслу ближе к известному физическому принципу соответствия, согласно которому любая ^ новая физическая теория должна включать в себя предыдущие теории и результаты в виде неких частных случаев.

Другим фундаментальным принципом ОИС является принцип оптимальности БЭ. В силу того, что разработано достаточно большое количество линий передач, становится очевидным, что необходим некий общий подход к конструированию ССОИ. Это необходимо, чтобы оптимально использовать в ней преимущества БЭ, выполненных на различных ЛП.

В первой главе рассматривается классификация ФВ, а также ,'щ рассматриваются основные требования к ним. Фазовращатели СВЧ, по характеру изменения фазы делятся на плавные, дискретные и комбинированные.

Оптимальные фазовращатели могут быть разработаны, используя принципы построения ОИС СВЧ. Для нахождения параметров оптимальных ФВ, реализованных на базе НПЛ, необходимо решить систему как минимум из трех уравнений.

При построении плавных ФВ с фазовым сдвигом более 360° необходимо подключить к ОС два и более резонансных контуров. При этом уровень ПАМ возрастает.

Во второй главе рассмотрены базовые элементы дискретных фазовращателей. Рассмотрен подход, который можно использовать при реализации ФВ, в котором осуществляется сдвиг фазы. Это позволит уменьшить габаритные размеры ФУ СВЧ. Так же в главе говорится о том, что основные функции можно реализовать с помощью четвертьволновых, короткозамкнутых (однородных и неоднородных) шлейфов.

В третьей главе использован алгоритм нахождения MP четырехполюсников, который позволяет найти MP всего ФВ. Рассмотрен общий алгоритм анализа, который может быть использован для расчета и оптимизации ФВ с любым вариантом реализации коммутатора. Рассмотренный алгоритм может составить основу САПР ФВ. Рассмотрены окончательные выражения амплитуд спектральных составляющих, нормированных относительно амплитуды входного сигнала. Экспериментально проверен предложенный подход построения МДФ на базе ОМ, построенного по фазокомпенсационному способу.

В главе четыре представлен эксперимент, результат которого показал, что для всех четырех исследуемых модуляторов глубина паразитной модуляции составляет m = (5.11)дБ, а по техническому условию допускается до 13 дБ.

Получены точные выражения амплитуд спектральных составляющих фазоманипулированного сигнала.

Рассмотрены вопросы практической реализации широкополосных дискретных фазовращателей на различных линиях передачи и их комбинации. Максимальная полоса рабочих частот дискретных • фазовращателей на несимметричной полосковой, симметричной и несимметричной щелевых линиях достигаются при использовании круговых шлейфов.

Рассмотрены принципы построения дискретных фазовращателей. Даются практические рекомендации по конструированию дискретных фазовращателей.

С помощью пакета прикладных программ MathCAD проведен расчет и анализ переходов между разнотипными линиями передачи и управляющих устройств.

В данной работе разработаны основы проектирования широкополосных дискретных фазовращателей СВЧ и их базовых элементов с улучшенными характеристиками в широкой полосе частот на основе различных комбинаций линий передач. А

В защиту вносятся следующие основные положения:

1. принципы реализации многодискретных фазовращателей (МДФ) и их базовых элементов на оптимальной линии передачи;

2. общий алгоритм расчета и анализа (МДФ);

3. принципы построения (МДФ) с улучшенными характеристиками с применением трехмерной топологии;

4. результаты разработок (МДФ);

5. изготовление макетов, образцов (МДФ) и их базовых элементов и внедрение результатов работы в различные устройства радиоэлектронной аппаратуры.

Диссертационная работа посвящена решению этих задач, и состоит из четырех глав.

Выводы по главе 4

Максимальная амплитуда сигнала на входе 1 для всех четырех модуляторов составляет Umax = 4 В, минимальная амплитуда изменяется Umin = (3,5-К>)В.

Глубина паразитной модуляции по ТУ допускается до 13 дБ. В результате эксперимента получим для всех четырех модуляторов глубина паразитной модуляции составляет m = (5. 11)дБ. Думаю, что имеет место неточность измерений и m при более точных измерениях составила бы ш = (4. 10)дБ. Коэффициент потерь допускается до - 5 дБ. Во всех четырех модуляторах Кпот. Находится в пределах допустимого.

Идея ОИС СВЧ и КВЧ пригодна для любой существующей и будущей технологии. Гибридная интегральная технология ОИС не является естественной в силу навесного монтажа активных, нелинейных и других приборов. В таком варианте конструкции необходимо устраивать навесные панели или отводить для них более высокие «потолки» в специальных этажах ОИС, устраивать навесные перемычки для выравнивания потенциала в компланарной линии и т.д. Повсеместное освоение и использование, например, монолитных и полупроводниковых ИС откроет перед системами сверхбыстрой обработки информации на ОИС огромные перспективы для уменьшения мас-согабаритных параметров, увеличения быстродействия, повышения надежности и т.п. Особенно это видно на рассмотренных в работе объемных конструкциях. В заключение, исходя из проделанной работы, можно сделать выводы.

1. Рассмотрены принципы построения многодискретных фазовращателей и их базовых элементов, основанные на увеличении числа ХУ4 шлейфов в области переходов между разнотипными линиями передачи, применении неоднородных (круговых) шлейфов и каскадном включении переходов. Эти принципы являются основными для создания широкополосных фазовращателей, построенных на принципах ОИС.

2. Разработан общий алгоритм расчета МФВ. Экспериментальная проверка алгоритма расчета фазовращателей удовлетворительно для практики согласуется с теоретическими результатами.

3. Предложенные принципы расширения полосы рабочих частот ФВ

СВЧ.

4. Изложены основные принципы построения фазовращателей с частотно- не зависимым фазовым сдвигом 180°, позволяющие реализовать структуры с высокой точностью фазового сдвига и низким уровнем паразитной амплитудной модуляции. Причина состоит в относительной простоте получения электрической симметрии структуры фазовращателей.

5. На базе предложенных принципов расширения полосы рабочих частот управляющих устройств и их базовых элементов, разработаны новые широкополосные структуры фазовращателей с частотно-независимым фазовым сдвигом 180°. Структуры фазовращателей с частотно-независимым фазовым сдвигом 180° обладают возможностями выполнять целый набор функциональных нагрузок. Используя в качестве управляемых проводимостей р-i-n диоды, такие структуры могут выполнять функции фазовращателя или фазового манипулятора, согласованного или несогласованного выключателя, плавного согласованного или несогласованного аттенюатора, ограничителя мощности. Расписано общее уравнение таких структур и получены выражения для амплитудной и фазовой ошибок.

5. Получены точные выражения амплитуд спектральных составляющих фазоманипулированного сигнала.

6. Рассмотрены вопросы практической реализации широкополосных дискретных фазовращателей на различных линиях передачи и их комбинации. Максимальная полоса рабочих частот дискретных фазовращателей на несимметричной полосковой, симметричной и несимметричной щелевых линиях достигаются при использовании круговых шлейфов.

7. Рассмотрены принципы построения дискретных фазовращателей. Даются практические рекомендации по конструированию дискретных фазовращателей.

8. С помощью пакета прикладных программ MathCAD можно провести расчет и анализ переходов между разнотипными линиями передачи и управляющих устройств.

9. В данной работе разработаны основы проектирования широкополосных дискретных фазовращателей СВЧ и их базовых элементов с улучшенными характеристиками в широкой полосе частот на основе различных комбинаций линий передач.

127

1. Г.С. Хижа, И.Б. Барсуков, Е.А. Серебрякова. СВЧ Фазовращатели и переключатели. - М.: Радио и связь, 1984, с. 183.

2. Вайсблат А.А. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах. М.: Радио и связь, 1987.

3. Ильченко Е.М., Осипов В.Г. Электрически управляемые СВЧ-переключатели на полупроводниковых диодах. Известия вузов. Сер. Радиоэлектроника, 1977, т. 20, № 2, с. 5-17.

4. Карпов В.М., Малышев В.А., Перевощиков И.В. Широкополосные устройства СВЧ на элементах с сосредоточенными параметрами. М.: Радио и связь, 1984.

5. Конструкторско- технологические основы проектирования полосковых микросхем./ Под ред. Бушминского И.П., М.: Радио и связь, 1987.

6. Тагилаев А.Р. Аналоговые Фазовращатели СВЧ. Радиотехника, 1990, № 10.

7. Гуита К., Гардж Р., Чадха Р. Машинное проектирование СВЧ устройств. Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1987.

8. Гвоздев В.И., Нефедов Е.И. Объемные интегральные схемы СВЧ. — М.: Наука, 1985.

9. Котов Е.П. и др. Полосковые платы и узлы. Проектирование и изготовление. М.: Советское радио, 1979, с. 243.

10. Ю.Воробьев П. А., Малютин Н.О. Подстрочный полосковый фазовращатель. Вопросы радиоэлектроники, сер. ОТ, 1975, вып. 10. -97 с.

11. П.Нефедов Е.И., Фиалковский А.Т. Полосковые линии передачи: теория и расчет типичных неоднородностей. М.: Наука, 1974.

12. Нефедов Е.И., Саидов А.С., Тагилаев А.Р. Широкополосные микрополосоковые управляющие устройства СВЧ. М.: Радио и связь, 1994.

13. Математическое моделирование и САПР на объемных интегральных схемах СВЧ и КВЧ /тезисы докладов V Международной НТК, Сергиев Посад, 1995// Под ред. Е.И. Нефедова. Журнал Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ, 1995, № 3, с. 180.

14. Широкополосный фазовращатель. В.И. Гвоздев, В.А. Шепетина. -Журнал Радиотехника, 1990, № 3, с. 27.

15. Аналоговые Фазовращатели СВЧ. А.Р. Тагилаев. Журнал Радиотехника, 1990, № 10, с. 29.

16. Полосковые тс/2 фазовращатели. А.Р. Тагилаев. Журнал Радиотехника, 1991, № 2, с. 14.

17. Теория микрополосковых линий на многослойных бианизотропных подложках. И.С. Нефедов. Журнал Радиртехника и электроника, 2000, том 45, № 2, с. 150-156.

18. Спектр сигнала на выходе дискретного фазовращателя. Е.Р. Максимов. Журнал Радиотехника, 1990, № 2, с. 73-76.

19. Радиотехнические цепи и сигналы. Гоноровский И.С. — М.: Советское радио, 1967.

20. Математическая модель полосковой линии с учетом потерь. А.Н. Коваленко, А.Ю. Козлов. Журнал Радиотехника, 1992, № 10-11, с. 7582.

21. Автоматизированное проектирование устройств СВЧ. Коваленко А.Н., Козлов А.Ю. М.: Мир ЭА, 1989.

22. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств./Под ред. В.И. Больмана. М.: Радио и связь, 1982.

23. Помехоустойчивость и эффективность передачи сообщений с помощью время-импульсной и фазовой модуляции и кодирования. В.Н. Бронников. Журнал Радиотехника, 1993, № 8-9, с. 53-56.

24. Измерение частоты несущей фазоманипулированного сигнала с помощью быстрого преобразования Фурье. В.И. Симашко. Журнал Радиотехника, 1993, № 10-12, с. 23-28.

25. Анализ рабочей мощности дискретных фазовращателей с использованием энергетической диаграммы. В.В. Алексеев, А.Л. Кондратьев. Журнал Радиотехника, 1994, № 9, с. 20-23.

26. Повышение точности пеленгации в ФАР с дискретным фазированием. А.А. Абрамов, М.С. Черняков. Журнал Радиотехника, 1993, № 10-12, с. 55-58.

27. Владимиров А.А., Лямина М.В. и др. Быстродействующие переключательные диоды с балочными выводами для микроэлектронных управляющих СВЧ-устройств. Электронная промышленность, 1987, вып. 9, с. 108-110.

28. Полупроводниковые приборы. Сверхвысокочастотные диоды. Справочник./Пд ред. Б.А. Наливайко. М.: Томск МГП «РАСКО», 1992.

29. Электродинамические основы автоматизированного проектирования ИС СВЧ./Под ред. Е.И. Нефедова. М.: Изд. ИРЭ АНССР, 1981.

30. Ф. Тишер. Техника измерений на СВЧ. М.: Государственное издательство физико-математической литературы. 1963, с. 218-221.

31. Ж. Будурис, П. Шеневье. Цепи сверхвысоких частот. М.: Советское радио, 1979.

32. СВЧ-устройства на полупроводниковых диодах./Под ред. В. Мальского и Б.В. Сестрорецкого. М.: Советское радио, 1964.

33. Клягин Л.Е. Широкополосные Фазовращатели. М.: Связь, 1971.

34. Полосковые платы и узлы. Проектирование и изготовление.ЛТод ред. Е.П. Котова и В.Д. Каплуна. М.: Советское радио, 1979.

35. Конструкторское проектирование микросхем СВЧ./Под ред. И.П. Бушминского. М.: Радио и связь, 1991.

36. Конструкторско-технологические основы проектирования полосковых микросхем./Под ред. И.П. Бушминского. М.: Радио и связь, 1987

37. Микроэлектронные устройства СВЧ./Под ред. Г.И. Васильева. М.: Высшая школа, 1988.

38. В.В. Алавердов, А.В. Горши, А.Р. Тагилаев. Многодискретные аттеньюаторы.//Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ. 1993, № 2, с. 79-84.

39. Карпов В.М., Малышев В.А., Перевощиков И.В. Широкополосные устройства СВЧ на элементах с сосредоточенными параметрами. М.: Радио и связь, 1984.

40. Бова Н.Т., Стукало П.А., Храмов В.А. Управляющие устройства СВЧ. -Киев: Техника, 1973.

41. Микроэлектронные устройства СВЧ./Под ред. Г.И. Веселова. — М.: Высшая школа, 1988.

42. Реш Е.А. Потери в элементарных отражательных фазовращателях на р-i-n-диодах. Изв. ЛЭТИ, 1975, вых. 161, с. 30-33.

43. СВЧ полупроводниковые приборы и их применение. Под ред. Уотсона.