Исследование и разработка методики построения радиоканалов КВЧ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.05, кандидат технических наук Крохин, Владимир Валентинович

• Крохин, Владимир Валентинович
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Крохин, Владимир Валентинович

Содержание

Введение

1. Обзор литературы и постановка задачи исследования

1.1 Особенности применения миллиметровых волн

1.2 Технологии, материалы, устройства и элементная база диапазона КВЧ. Состояние и перспективы развития

1.3 Примеры реализации систем передачи информации КВЧ диапазона

1.4 Микрополосковые антенны диапазона КВЧ

1.5 Постановка задачи исследования

2. Обоснование структуры радиоканала КВЧ диапазона

2.1 Построение математической модели радиоканала КВЧ

2.2 Выбор критерия предпочтения

2.3 Оптимизация параметров системы

3. Исследование технологической воспроизводимости радиоканала КВЧ

3.1 Построение модели функциональной точности

3.2 Статистическое исследование параметров подложек

3.3 Оценка технологической воспроизводимости отдельного излучателя

3.4 Исследование технологической воспроизводимости антенной решетки

4. Исследование влияния изгибных деформаций на параметры излучения антенной решетки

4.1 Исследование влияния вибрации на характеристики антенной решетки

4.2 Выбор и обоснование расчетной модели АР

4.3 Расчет показателей вибропрочности АР

4.4 Исследование взаимосвязи показателей вибропрочности и параметров

конструкции АР

5. Разработка радиоканала передачи информации КВЧ диапазона

5.1 Расчет энергетического потенциала радиоканала КВЧ

5.2 Оптимизация параметров радиоканала

5.3 Учет влияния прогиба MAP на ее КНД

5.4 Конструкторско-технологическая реализация макета радиоканала КВЧ

5.5 Экспериментальное исследование радиоканала КВЧ

5.6 Результаты внедрения

Заключение

Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка методики построения радиоканалов КВЧ»

Введение

В последние годы отмечается повышенный интерес к использованию миллиметровых волн (ММВ) для построения систем радиолокации и передачи информации. Обращение к этому диапазону вызвано с одной стороны, стремительно растущей потребностью в резком увеличении скорости передачи информации и числа доступных для этого каналов, а с другой, перегруженностью хорошо освоенного диапазона сантиметровых волн (СМВ).

Переход к ММВ позволяет обеспечить большее, по сравнению с диапазоном СМВ, число реализуемых широкополосных каналов передачи информации; сужение диаграмм направленности при тех же апертурах антенн, что и в диапазоне СМВ; более высокое (относительно СМВ) разрешение по дальности и угловым координатам; повышенную чувствительность к эффекту Доплера; устойчивость к непреднамеренным и организованным помехам.

Наиболее распространенной технологией изготовления устройств КВЧ является волноводная технология. На основе этой технологии разработан ряд радиотехнических систем, среди которых можно выделить отечественную систему межкомпьютерного обмена данными "КРОСС-8" и английскую систему "В1аск1к", используемую в сетях сотовой связи. Однако применение волноводной технологии, в большинстве случаев, не позволяет решить проблему улучшения массогабаритных параметров конструкции.

Альтернативой волноводной технологии служит гибридная технология конструирования устройств диапазона КВЧ, которая сочетает преимущества

тонкопленочной технологии изготовления элементов и монтажа на поверхности миниатюрных навесных дискретных компонентов.

Гибридная технология позволяет создавать системы с минимальными массогабаритными характеристиками и в случае необходимости наращивать тактико-технические характеристики систем.

Технической основой гибридной технологии в КВЧ диапазоне служат доступная элементная база, недефицитные материалы, а также типовые процессы тонкопленочной технологии.

Вместе с тем несовершенство элементной базы, выражающееся в дефиците мощности генерируемых сигналов, и ограничения технологического характера исключают применение подходов, характерных для диапазона СМВ, при разработке устройств диапазона миллиметровых волн. Поэтому актуальной является постановка и решение отдельных проектно-конструкторских задач, которые совместно с уже решенными задачами составили бы комплексную методику разработки радиотехнических систем диапазона КВЧ.

К числу таких задач следует отнести:

- обоснование структуры радиоканала КВЧ;

- исследование конструкторско-технологической воспроизводимости узлов радиоканала КВЧ;

- исследование влияния внешних механических воздействий на функциональные показатели радиоканала КВЧ.

Решению перечисленных задач и посвящена диссертация.

Целью работы является разработка научных положений, составляющих основу комплексной методики проектирования радиоканалов КВЧ диапазона.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

- построение математической модели радиоканала КВЧ и оптимизация его структуры и параметров;

- построение модели функциональной точности излучателя МПЛ АР;

- статистическое исследование параметров диэлектрических подложек АР;

- анализ технологической воспроизводимости параметров излучателя и АР;

- исследование влияния изгибных деформаций антенной решетки на ее функциональные параметры.

Для достижения поставленных целей используются методы нелинейного программирования, теории допусков, теории вероятности и математической статистики.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- предложена математическая модель радиоканала КВЧ на основе которой решена задача оптимизации энергетических и массогабаритных параметров радиоканала;

- определены количественные оценки влияния параметров диэлектрических подложек АР на КНД и входное сопротивление;

- получены показатели распределения диэлектрической проницаемости и толщины поликоровых подложек, которые позволяют оценить разброс КНД и входного сопротивления излучателя и модуля АР;

- определены границы разброса КНД и входного сопротивления излучателя АР при использовании методов фотолитографии для получения

конфигурации элементов АР. Установлена связь между разбросом параметров АР и энергетическими показателями радиоканала;

- получены количественные оценки влияния изгибных деформаций полотна АР на ее КНД. Предложена методика проектного и поверочного расчетов АР в условиях воздействия вибрации;

- предложена комплексная методика разработки радиоканала КВЧ, охватывающая схемотехнические и конструкторско-технологические задачи.

Практическая ценность диссертации заключается в разработке комплексной методики построения радиоканалов КВЧ, позволяющей выбрать оптимальную структуру, минимизировать массогабаритные и энергетические характеристики радиоканала, учесть энергетические потери за счет производственного разброса КНД АР и изменения КНД при воздействии внешних механических дестабилизирующих факторов.

Применение предложенной методики обеспечивает повышение эффективности проектно-конструкторских работ и снижение трудоемкости процесса проектирования.

Результаты работы использованы на предприятии ОАО "Фазотрон-НИИР" при разработке и изготовлении демонстрационного макетного образца активного координатора миллиметрового диапазона волн, в научно-техническом отчете каф. 404 МАИ о четвертом этапе НИЭР "Кубик" "Разработка, создание и испытания макетного образца бортового активного координатора миллиметрового диапазона волн", а также внедрены в учебный процесс каф. 401 МАИ, что подтверждено соответствующими актами внедрения.

На защиту выносятся:

- методика обоснования структуры и параметров радиоканала КВЧ;

- результаты статистического исследования параметров диэлектрических подложек МПЛ АР;

- результаты анализа технологической воспроизводимости МПЛ АР;

- методика проектного и поверочного расчетов конструктивных параметров полотна МПЛ АР в условиях внешних механических воздействий.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе доложены и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

- международной научно-технической конференции "Современные научно-технические проблемы гражданской авиации" (Москва, 1996г.);

- международной студенческой конференция "Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве"(Москва, 1997г.);

- международном научно-техническом семинаре "Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации" (Алушта, 1997г.);

- пятой ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (Москва, 1999г.).

Результаты диссертации опубликованы в 4-х печатных работах и одном отчете о НИР.

Диссертация состоит из пяти глав и содержит 118 страниц машинописного текста. Работа снабжена 49 иллюстрациями на 33 листах.

Первая глава посвящена обзору литературных источников и постановке задач исследования. Во второй главе разработана методика выбора структуры радиоканала КВЧ, позволяющая минимизировать энергетические и массогабаритные

характеристики радиоканала. Третья глава посвящена анализу технологической воспроизводимости микрополосковых устройств диапазона КВЧ, статистическому исследованию параметров диэлектрических подложек и разработке методов компенсации влияния технологических погрешностей на тактико-технические характеристики радиоканала КВЧ. В четвертой главе рассмотрено влияние изгибных деформаций полотна антенной решетки на ее КНД и предложены методики проектного и поверочного расчетов показателей вибропрочности по критерию допустимого изменения КНД. В пятой главе приведен пример практического применению разработанной методики проектирования КВЧ радиоканала, описана конструкция и принципиальная схема его укороченного макета, приведены результаты экспериментальных исследований подтверждающие разработанные теоретические положения. В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

Заключение диссертации по теме «Интегральные радиоэлектронные устройства», Крохин, Владимир Валентинович

Выводы:

1. Установлена связь между изменением КНД MAP и амплитудой прогиба полотна MAP вызванной вибрацией. Предложена модель для расчета прогиба основания MAP при вибрациях.

2. Разработана методика проектного и поверочного расчетов показателей вибропрочности MAP по критерию допустимого снижения КНД, позволяющая связать функциональные показатели MAP и показатели вибропрочности конструкции.

3. Получены количественные оценки взаимосвязи параметров конструкции MAP с показателями вибропрочности.

5. Разработка радиоканала передачи информации КВЧ диапазона

Для иллюстрации методики проектирования КВЧ радиоканалов ниже выполнена проектно-конструкторская разработка радиоканала передачи информации к параметрам которого предъявляются следующие требования:

Скорость передачи информации 10 Мбит/с

Ширина полосы частот, А£ 26 МГц

Дальность действия канала, Я 10 км

Рабочая длина волны, X 8 мм

Отношение сигнал/шум, q 20 дБ

Прототипом разрабатываемого радиоканала является система КРОСС-8, представляющая собой беспроводной ETHERNET мост и работающая в диапазоне частот 37 - 39,5 ГГц. Система выполнена по волноводной технологии с применением параболической антенны диаметром 35 см. Габариты системы - 37x64x35 см, масса -11 кг.

Использование данных о прототипе дает возможность, сравнив характеристики системы, приведенные в ТУ, с характеристиками проектируемого канала, судить о достоверности предложенных методик и по отдельным параметрам оценить выигрыш в результате применения гибридной технологии.

Радиоканал реализуется на микроэлектронной элементной базе. Антеннами являются микрополосковые АР. Приемник строится по супергетеродинной схеме. Для определения суммарных потерь в приемном тракте воспользуемся данными, приведенными в [44].

Заключение

Основными результатами работы являются:

1. Методика выбора структуры радиоканала КВЧ, учитывающая затухание при распространении КВЧ сигнала и позволяющая минимизировать суммарную массу приемопередатчика радиоканала при заданных энергетических характеристиках.

2. Проведено исследование влияния технологической погрешности изготовления микрополоскового излучателя на его КНД и входное сопротивление. Определены факторы, оказывающие наибольшее влияние на КНД и входное сопротивление излучателя: относительная диэлектрическая проницаемость материала подложки и глубина вреза микрополосковой линии в тело излучателя.

3. Определены значения параметров излучателя, минимизирующие технологическую погрешность входного сопротивления и КНД излучателя. Выполнено статистическое исследование партии поликоровых подложек толщиной 0,25 мм показавшие что относительная диэлектрическая проницаемость и толщина подложки распределены по нормальному закону с допусками ±0,35 и ± 0,02 мм соответственно.

4. Установлена количественная взаимосвязь производственной погрешности КНД АР и дальности действия радиоканала. Показано, что для компенсации производственной погрешности КНД необходим запас энергетического потенциала не менее 50%.

5. Проведено исследование воздействия факторов внешней среды на параметры АР. Установлено, что наряду с известными в качестве критерия вибропрочности целесообразно использовать допустимый прогиб основания АР исходя из ограничений на относительное изменение КНД.

6. Предложена модель АР для расчета показателей вибропрочности и методики проектного и поверочного расчетов, позволяющие учесть ограничения на допустимый прогиб основания АР исходя из требований КНД.

7. Разработана структура радиоканала КВЧ на основе прототипа системы КРОСС-8. Сравнение параметров разработанного канала с параметрами прототипа позволило сделать вывод об адекватности предложенных моделей. Проведены экспериментальные исследования укороченного макетного образца радиоканала, определены показатели дальности связи и суммарных потерь, удовлетворительно совпадающие с расчетными.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Крохин, Владимир Валентинович, 1999 год

Литература

1. Активная микрополосковая антенна с двумя диодами Ганна с улучшенными характеристиками излучения. - Экспресс-информация ВНИИТИ. Сер. Радиотехника и связь, 1995, №10.

2. АркушаЮ.В. и др. Диоды Ганна миллиметрового диапазона на основе 1п Ро б Аво 4 -Радиотехника и электроника, 1994, №11.

3. Балыко А.К. и др. Линеаризация модуляционных характеристик широкодиапазонных генераторов на ЛПД миллиметрового диапазона длин волн с варакторной перестройкой частоты. - Радиотехника и электроника, 1994, №7.

4. Барабанов А.Р. Усилитель на ЛПД 5-мм диапазона. - Радиоэлектроника, 1992, №10.

5. Бушминский И. П. и др. Технология и автоматизация производства радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Радио и связь, 1989.

6. Быков Д.В. и др. Схемотехнические и конструкторско-технологические аспекты создания ОИС СВЧ. - Зарубежная радиоэлектроника, 1993, №5.

7. Войнич Б.А. Дальность действия радиотехнических систем. - М.: МАИ, 1988.

8. Войнич. Б.А. Энергетический и конструкторский расчет микроэлектронных радиотехнических систем. - М.: МАИ, 1996.

9. Воробьев В.И. Оптическая локация для радиоинженеров. - М.: Радио и связь, 1983. Ю.Высоцкий Б.Ф., Войнич Б.А. Теоретические соотношения для оценочных и

сравнительных расчетов радиоэлектронных станций с полупроводниковыми активными фазированными решетками. - Межвузовский сборник научных трудов. Рязань. РТТИ, 1994.

П.Голин и др. Приемопередающие модули активных ФАР. - Зарубежная радиоэлектроника, 1993, №5.

12.Гостюхин B.JI. и др. Активные фазированные антенные решетки. - М.: Радио и связь, 1993.

13.Гостюхин B.JL, Гринев К.И., Трусов В.И. Вопросы проектирования активных ФАР с использованием ЭВМ. - М.: Радио и Связь, 1983.

14.Гринев A.B., Зайкин А.Е. Электродинамический анализ антенных решеток КВЧ диапазона с оптическим и электроннолучевым управлением. - Радиотехника и электроника, 1996, №5.

15.Дмитриев В.А. Методы расчета пассивных элементов интегральных схем СВЧ и КВЧ диапазонов. - Зарубежная радиоэлектроника, 1994, №7/8.

16.Итоги науки и техники. Под ред. Мириманова Р. Г. - Серия «Радиотехника». Т.20, ВИНИТИ, 1980.

17.Карпушин В.И. Виброшумы радиоаппаратуры. - М.: Советское радио, 1977.

18.Конструирование аппаратуры на БИС и СБИС; Под ред. Высоцкого Б.Ф. - М.: Радио и Связь, 1989.

19.Конструирование радиоэлектронных средств. Под ред. Назарова A.C. - М.: МАИ, 1996.

20.Конструкционные материалы: Справочник/ Арзамасов Б.Н., Бромстерм В.А., Буше H.A. и др.; Под ред. Арзамасова Б.Н. - М.: Машиностроение, 1990.

21.Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. - М.: Наука, 1970.

22.Макеев Ю.Г. и др. Полупроводниковый генератор

миллиметрового диапазона. - Радиоэлектроника, 1995, №10.

23 .Нефедов Е.И., Панченко Б.А. Микрополосковые антенны. - М.: Радио и Связь, 1986.

24. Новое применение техники миллиметрового диапазона волн - Радиоустройства и системы, 1993, №2.

25.0вечкин С.М. Уменьшение температурной чувствительности генераторов на ЛПД миллиметрового диапазона длин волн с варакторной перестройкой частоты. -Радиотехника и Электроника, 1994, № 8-9.

26.0мельяненков М.Ю и др. Системы передачи видеосигналов в миллиметровом диапазоне длин волн. - Радиоэлектроника, 1995, №9.

27.0слабление в дожде радиоволн с частотой 35,8 ГГц. - Экспресс-информация ВНИИТИ. Сер. Техника СВЧ, 1992, №21.

28.Подчищаева О.В. Перестройка частоты генератора на планарном диоде Ганна из фосфида индия с помощью оптической накачки. - Радиотехника и электроника, 1995, №1.

29.Потапов A.A. Радиофизические эффекты при взаимодействии электромагнитного излучения миллиметрового диапазона волн с окружающей средой. - Зарубежная радиоэлектроника, 1992, №8.

30.Правда В.И. и др. Синтез твердотельных генераторно-излучающих модулей на диэлектрических резонаторах микроволнового диапазона. - Радиоэлектроника, 1995, №9.

31 .Радиотехнические системы диапазона миллиметровых волн. - Экспресс-информация ВНИИТИ. Сер. Радиотехника СВЧ, 1990, №34.

32.Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. - М.: Высшая школа, 1988.

33.Справочник по радиолокации. Под ред. Сколника М. - М.: Советское радио, 1976.

34.Токарев М.Ф., Талицкий Е.Н., Фролов В.А. Механические воздействия и защита РЭА. - М.: Радио и Связь, 1994.

35.Трепаков В.К. Проектирование радиопередающих миниатюрных устройств. - М.: МАИ, 1982.

36.Фомин А.В., Боченков Ю.И., Сорокопуд В.А. Технология, надежность и автоматизация производства БГИС и микросборок - М.: Радио и связь, 1981.

37.Хомин Д. Разумная обшивка. - Техника-молодежи, 1995, №2.

38.Экспресс информация по зарубежной электронной технике. - 1989, вып. 75.

39.Экспресс информация по зарубежной электронной технике. - 1989, вып. 80.

40. 10 to 50 Ghz Ultra-Flat Response Directional Couplers. Krytar. - Microwave Journal, Nov. 1993. vol. 36, №11.

41. 18 to 95 Ghz Microstrip Ferrite Devices. Dorado International Corp. - Microwave Journal, Sep. 1993, vol. 36, №9.

42.26 to 40 Ghz Low Noise Receiver Front-End. MITEQ. - Microwave Journal, Jan. 1993, vol. 36, №1.

43. 40- 60 Ghz Amplifiers and Multipliers. Miliwave. - Microwave Journal, Feb. 1993, vol. 36, №2.

44. Active antennas: new mm-wave goal. - Microwave & RF, March 1988, vol.27, №3.

45. Boch E. High Bandwidth mm-wave Indoor Wireless Local Area Networks. -Microwave Journal, Jan 1996, vol. 39, №1.

46. Fitzsimmons G.W. & Co. A Connectorless Module for an EHF Phased-Array Antenna. -Microwave Journal. Jan. 1994, vol. 37, №1.

47.Monolithic Phased Arrays for EHP. - Microwave Journal, March 1988, vol. 31, №3.

48. Olson F.A. Microwave Solid State Power Amplifiers Performance: Present & Future. -Microwave Journal, Feb. 1995, vol. 38, №2.

49. Raffaell L. & Stewart E. Millimeter-wave Monolithic Components for Automotive Applications. - Microwave Journal. Feb. 1992, vol. 35, №2.

50. Slobodnic A.J.& Co. A Monolithic GaAs 36 Ghz Four-Bit Phase Shifter. - Microwave Journal, June 1993, vol. 36, №6.

51.The Challenge of the patch. - Microwave & RF, March 1988, vol.27, №3.