Исследование и разработка методов автоматизированного конструирования модульных устройств КВЧ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.05, кандидат технических наук Лейбман, Алексей Михайлович

• Лейбман, Алексей Михайлович
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лейбман, Алексей Михайлович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ КОНСТРУИРОВАНИЯ МОДУЛЬНЫХ

УСТРОЙСТВ квч

1.1. Анализ конструктивно-технологических особенностей радиосистем 9 диапазона КВЧ

1.2. Анализ методов и пакетов прикладных программ 19 автоматизированного проектирования устройств диапазона КВЧ

1.3. Анализ типов и конструкций межмодульных переходов

1.4. Общий подход к проектированию модульных устройств КВЧ

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ МОДУЛЬНЫХ

УСТРОЙСТВ КВЧ

2.1. Анализ и выбор методов моделирования и математического 48 аппарата

2.2. Анализ и разработка математических моделей межмодульных 57 переходов с учетом конструктивных и технологических

погрешностей

2.3. Разработка математических моделей модульных устройств КВЧ с 72 учетом их конфигурации

3. РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНЫХ МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ

ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ МОДУЛЬНЫХ

УСТРОЙСТВ КВЧ

3.1. Выбор критериев и метода оптимизации модульных устройств КВЧ

3.2. Разработка инженерных методов и алгоритма проектирования и 84 оптимизации модульных микрополосковых антенных систем КВЧ

3.3. Разработка инженерных методов и алгоритма проектирования и 103 оптимизации модульных приемных и передающих трактов КВЧ

4. АПРОБАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ И РЕЗУЛЬТАТЫ

ВНЕДРЕНИЯ

4.1. Программная реализация моделей и алгоритмов проектирования и 114 оптимизации модульных устройств диапазона КВЧ

4.2. Результаты апробации и внедрения инженерных методов 119 проектирования модульных радиосистем диапазона КВЧ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка методов автоматизированного конструирования модульных устройств КВЧ»

ВВЕДЕНИЕ

Бурное развитие информационных технологий, начавшееся в середине 80-х годов, повлекло за собой развитие всех связанных с ними областей промышленности, науки и техники. Одним из следствий этого процесса стало освоение относительно новых радиочастотных диапазонов, позволяющих создавать более скоростные и надежные каналы передачи информации. К их числу относится и диапазон КВЧ (миллиметровых волн).

Применение радиоэлектронных устройств диапазона КВЧ позволяет увеличить скорость передачи информации, повысить надежность связи и точность радиолокационной аппаратуры с одновременным снижением массогабаритных характеристик аппаратуры.

Однако при проектировании устройств, работающих в данном диапазоне, возникает и ряд проблем, связанных с физическими и технологическими ограничениями, накладываемыми на элементную базу и системы диапазона КВЧ в целом. Кроме того, серьезное влияние на параметры устройства оказывают технологические и конструктивные погрешности, что связано с его небольшими характеристическими размерами.

Одним из путей развития устройств диапазона КВЧ является применение модульного принципа их построения. Эти устройства обладают большей гибкостью и позволяют обойти указанные выше ограничения, накладываемые при проектировании устройств диапазона КВЧ.

Необходимо отметить, что процесс проектирования на сегодняшний день немыслим без применения методов и средств автоматизированного проектирования. В полной мере это относится и к проектированию устройств диапазонов СВЧ и КВЧ. В мире и в России разработан целый ряд пакетов прикладных программ автоматизированного проектирования таких устройств. Наиболее распространенным среди них является пакет программ Touchstone и Academy фирмы EEsof, формат которого стал, фактически, стандартом для систем такого рода. Это позволяет использовать его в качестве базового средства при проектировании устройств КВЧ.

В качестве базового принципа построения во всех пакетах прикладных программ автоматизированного проектирования устройств СВЧ и КВЧ используется принцип декомпозиции. Это означает, что устройство разбивается на более простые элементы и узлы, моделируемые отдельно, а затем стыкуемые в соответствии со схемой. В случае модульных устройств КВЧ такой подход естественно вытекает из самого принципа их построения. Однако существующие пакеты, в том числе и пакет ЕЕво^ не позволяют полностью учитывать особенности проектирования модульных устройств.

Так, в частности, необходимо решить проблему учета влияния стыковки модулей между собой с использованием межмодульных переходов, разработать механизмы, позволяющие определять требуемую конфигурацию модулей, реализующую заданные тактико-технические характеристики. Кроме того, необходимо учитывать влияние погрешностей и технологических допусков на электрические параметры устройства.

Исходя из всего вышесказанного, можно сформулировать цель работы и задачи исследования.

Цель работы: разработка методов и средств автоматизированного конструкторского проектирования устройств диапазона КВЧ, расширяющих возможности современных средств САПР КВЧ в части учета особенностей модульного построения таких устройств.

Задачи исследования:

• анализ особенностей модульных радиоэлектронных устройств диапазона КВЧ; анализ методов и средств автоматизированного проектирования модульных устройств КВЧ;

• разработка математических моделей межмодульных переходов для модульных устройств КВЧ, учитывающих конструктивные и технологические погрешности;

• разработка механизмов расчета конфигураций модульных устройств КВЧ: микрополосковых антенных систем и приемопередающих трактов;

• разработка алгоритмов и инженерных методов проектирования и оптимизации модульных устройств диапазона КВЧ: микрополосковых антенных систем и приемопередающих трактов;

• проверка работоспособности разработанных моделей, алгоритмов и методов при проектировании конкретных устройств.

Методы исследования. В работе применены как аналитические, так и экспериментальные методы исследования. В качестве основного метода моделирования использованы аппараты вариационных, матричных методов, а также метода приближенных конформных преобразований. При программной реализации использованы языки программирования высокого уровня, в частности язык С++.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• предложены модели межмодульных переходов, позволяющие производить расчет модульных устройств КВЧ с учетом конструктивных и технологических погрешностей таких переходов;

• предложены методы расчета конфигурации модульных устройств КВЧ, позволяющие оценивать зависимость характеристик устройства в целом от параметров и количества применяемых модулей;

• разработан алгоритм и предложены инженерные методы проектирования и структурной оптимизации модульных конструкций приемопередающих трактов и антенных систем диапазона КВЧ, позволяющие определить необходимую конфигурацию устройства и его характеристики.

Практическая ценность работы. В результате проведенных в данной работе теоретических и экспериментальных исследований разработан и внедрен набор прикладных программ, реализующих указанные выше модели и алгоритмы. Эти программы расширяют возможности пакета прикладных программ автоматизированного проектирования Touchstone и Academy в области разработки модульных устройств КВЧ. Предложены методы применения этих программ при проектировании таких устройств.

Внедрение работы. С использованием указанных методов и программ разработана конструкция приемного и передающего трактов и антенной системы модульной радиотелекоммуникационой линии диапазона КВЧ. Разработаны варианты

конфигурации линии, обеспечивающие необходимые тактико-технические требования при различных ее применениях. Разработана и оптимизирована конфигурация модульной микрополосковой антенной системы бортового локационного приемника.

Результаты внедрения подтвердили корректность и практическую ценность разработанных моделей, алгоритмов и методов. Имеются соответствующие акты внедрения.

Апробация работы. Материалы, представленные в данной диссертационной работе, докладывались на следующих конференциях:

• XXI всероссийская научно-техническая конференция «Гагаринские чтения» (Москва, 1996 г.);

• научно-техническая конференция (Таганрог, 1996 г.);

• научно-техническая конференция «Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве» (Москва, 1998).

По результатам исследований автором опубликованы, помимо тезисов указанных докладов, следующие работы:

• Использование пакета программ Touchstone и Academy фирмы EEsof при проектировании элементов и устройств СВЧ и КВЧ. Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 1998, №2.

• Функционально-модульный подход к расчету и проектированию устройств СВЧ и КВЧ. Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 1998, №3.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 140 страницах и иллюстрированных 36 рисунками и 15 таблицами, а также списка литературы из 109 наименований.

Во введении кратко рассмотрены актуальность и практическая значимость работы. Сформулированы цель работы, задачи и методы исследований, научная новизна, практическая ценность, результаты апробации и внедрения данной работы. Приведена структура диссертации и краткое содержание основных разделов.

В главе 1 произведен анализ особенностей радиосистем, работающих в диапазоне КВЧ, рассмотрены ограничения, накладываемые при проектировании

таких систем. Рассмотрены методы и средства автоматизированного проектирования устройств диапазона КВЧ; подробнее рассмотрен пакет фирмы EEsof Touchstone и Academy, как наиболее распространенный и открытый для дополнений. Приведены основные типы межмодульных переходов, предназначенных для использования в модульных устройствах диапазона КВЧ. Предложен общий подход к проектированию модульных устройств КВЧ. Поставлена задача по разработке моделей и алгоритмов, реализующих этот подход.

В главе 2 произведен анализ и выбор математического аппарата, предназначенного для моделирования модульных устройств диапазона КВЧ. Предложены модели основных видов межмодульных переходов для таких устройств, позволяющие производить расчет S-параметров перехода как при номинальных значениях его геометрических и физических характеристик, так и с учетом конструктивных и технологических погрешностей. Разработаны модели, позволяющие производить расчет конфигурации модульных устройств КВЧ -микрополосковых антенных систем и приемопередающих трактов.

В главе 3 произведен анализ и выбор критериев и методов структурной оптимизации модульных устройств КВЧ. Предложен алгоритм и инженерные методы проектирования и структурной оптимизации модульных микрополосковых антенных систем, рассмотрены примеры. Предложен алгоритм и инженерные методы проектирования и оптимизации модульных приемных и передающих трактов диапазона КВЧ. Указанные методы рассчитаны на применение пакета прикладных программ Touchstone и Academy в качестве базового средства проектирования.

В главе 4 описана структура разработанного набора прикладных программ, реализующего указанные выше модели, алгоритмы и методы. Приведены данные о практической апробации и внедрении результатов данной работы в рамках НИЭР «КУБИК» кафедры 404 Московского Государственного Авиационного Института.

В заключении приведены основные результаты работы и выводы по ней.

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ КОНСТРУИРОВАНИЯ МОДУЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ КВЧ

1.1. Анализ конструктивно-технологических особенностей радиосистем диапазона КВЧ

Одним из наиболее бурно развивающихся в последнее время частотных

•5 -л

диапазонов является диапазон миллиметровых волн (длина волны от 10" до 10" м), иначе называемый диапазоном крайне высоких частот (КВЧ) [1, 2, 3]. Основными преимуществами, достигаемыми при переходе на эти частоты, являются:

• увеличение рабочей полосы частот, а, следовательно, либо повышение скорости передачи информации, либо увеличение числа каналов связи, либо повышение надежности связи;

• уменьшение массогабаритных характеристик устройств за счет использования меньшей длины волны;

• использование относительно свободного, по сравнению с другими, традиционными, частотного диапазона (формально к диапазону КВЧ относятся частоты 30 - 300 ГГц, однако к нему часто добавляют и более низкие частоты, начиная от 23 ГГц), что упрощает выделение частоты для работы новой системы.

По данным [2] в таблицах 1.1 и 1.2 приводится статистика рынка цифровых радиостанций миллиметрового диапазона волн, а также прогноз его развития на ближайшие годы.

Таблица 1.1. Рынок радиостанций миллиметрового диапазона волн.

Год 1997 1998 1999 2000 2001

Падение цены 1,00 0,95 0,90 0,80 0,70

Число радиостанций 140.000 180.000 215.000 290.000 350.000

Цена приемопередатчика, долларов 1000 950 900 800 700

Рынок приемопередатчиков, млн. долларов 140 170 193 232 245

Цена наружного блока *, долларов 2000 1900 1800 1600 1400

Рынок наружных блоков, млн. долларов 280 340 386 464 490

Цена радиостанции **, долларов 6500 6150 5850 5200 4550

Рынок радиостанций ***, млрд. долларов 0,91 1,20 1,17 1,4 1,5

* - Наружный блок включает приемопередатчик, дуплексер, синтезатор(ы) частот и обработку промежуточной частоты.

** - Радиостанция включает наружный блок и внутренний блок (в основной модем). *** - Прогноз предполагает умеренное падение цен.

Таблица 1.2. Прогноз рынка радиостанций разных частот (тысяч).

Год 23/26 ГГц 38 ГГц

1997 50 40

1998 65 50

1999 70 70

2000 100 90

2001 120 110

Приведенная статистика, а также явные преимущества таких устройств, показывают высокую перспективность разработок в области создания устройств КВЧ.

Подобные разработки уже ведутся в большинстве российских и зарубежных компаний, работающих в области создания и производства радиотехнических устройств. Радиосистемы диапазона КВЧ могут применяться для нужд локации, передачи информации, в охранных системах и т.п. Так, в частности, компания Alcatel разработала серии цифровых приемопередатчиков Alcatel 9400UX и 9400LX, работающих на частотах 28 ГГц и 38 ГГц [4]. Фирмой Italtel разработан целый ряд разновидностей цифровых радиорелейных линий, работающих в этом диапазоне, например система Italtel SRA L работает в диапазонах 27,5н-29,5, 37,0-^39,5 и 54,0-^57,5 ГГц [5]. Аналогичные разработки имеются и у ряда других зарубежных фирм, таких как Siemens, Motorola и другие.

В России также разработан ряд систем передачи информации, работающих в диапазоне КВЧ, в частности к ним относится совместно разработанная фирмой «Сеть-сервис» и ГНПП «Исток» радиорелейная линия стандарта Ethernet M-link/Sandra, работающая на частоте 95 ГГц [6]. В ГНПП «Исток» разработаны также системы «Сурдина», «Береза» и ряд других. Аналогичные работы ведутся и в других российских компаниях, в частности на московском НПП «Пульсар» [7, 8].

Однако при разработке устройств, работающих в диапазоне КВЧ, возникает ряд проблем, связанных с технологическими и конструктивными ограничениями. Кроме того, необходимо отметить относительную слабость полупроводниковой элементной базы этого диапазона по сравнению с более традиционными диапазонами ВЧ и СВЧ, что связано и с физическими ограничениями полупроводниковой техники.

Так, в частности, выходная мощность современных полупроводниковых усилителей диапазона КВЧ ограничена 100 - 150 мвт (до 300 мвт в новейших разработках компаний Alpha Industries и МА/СОМ), тогда как для успешного решения многих задач передачи информации и радиолокации требуется мощность порядка нескольких ватт и выше.

Ограничение также накладывается и на площадь подложек для микросборок КВЧ. Оно связано со сложностью поддержания достаточной точности изготовления проводников на краях подложек большого размера. Таким образом, изготовление микросборок КВЧ на подложках площадью более 3000 - 5000 мм сильно затруднено. В частности, это не позволяет создавать микрополосковые антенные решетки

большой площади, являющиеся одним из наиболее перспективных и удобных для применения типов антенных систем этого диапазона.

Решением многих из указанных проблем может стать использование модульных устройств КВЧ.

При модульном построении устройства, когда мощность нескольких усилителей суммируется и передается на антенну, ограничение по мощности одного усилителя может быть обойдено. Гипотетический вариант такого построения приведен на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Гипотетический вариант модульного построения передающего блока. 1 - несущая пластина, 2 - микрополосковая фазированная антенная решетка, 3 - раздающая линия передачи (волновод), 4 - суммирующая линия передачи (волновод), 5 - модуль генератора, 6 - модули усилителя-модулятора.

Основу конструкции составляют два прямоугольных волновода (3 и 4) и металлическая пластина (1) с установленными на ней подложками микрополосковой фазированной антенной решетки (2).

Генератор (5) создает колебания несущей частоты и выдает их через переход в раздающий прямоугольный волновод (3). К этому волноводу через щелевые или зондовые волноводно-микрополосковые переходы, расположенные через целое число длин волн, подключаются усилители-модуляторы (6). При этом конфигурация щелей подобрана таким образом, чтобы мощность, снимаемая различными усилителями, была примерно равной. Усиленный сигнал через аналогичные переходы, также расположенные через целое число длин волн, отдается в суммирующий волновод (4), где складывается по мощности и передается на микрополосковую фазированную антенную решетку (2).

Таким образом, несмотря на ограничение отдельного усилительного блока в 100 - 150 мвт, получена мощность на антенне в N раз больше (N - число блоков усилителя-модулятора). При этом габаритные размеры всего устройства весьма невелики, кроме того, достигаются высокие коэффициенты использования объема и площади. Это пример устройства с вертикальным модульным наращиванием.

Ограничение площади подложки при конструировании микрополосковых фазированных антенных решеток также может быть обойдено при модульном построении. В этом случае на подложках стандартного размера 48x60 мм (96x60 мм) либо меньше напыляются отдельные модули антенной решетки, после чего они могут быть состыкованы в антенное полотнище гораздо большего размера. Перспективный вариант такой конструкции приведен на рис. 1.2.

Основанием данной конструкции является металлическая пластина (1), на которой установлены с одной стороны модули фазированной антенной решетки (2), (3), а с другой микросборки (модули) генератора, усилителей, модуляторов и демодуляторов и т.п. (4). Кроме того, там же находятся и микрополосковые элементы, соединяющие эти блоки.

Следует также отметить, что антенные системы, работающие на прием (2) и передачу (3), имеют ортогональную, по отношению друг к другу, поляризацию, что позволяет создать дуплексную связь с развязкой между двумя каналами около 15 - 20 дБ только за счет поляризации. Кроме того, при необходимости обеспечить большую развязку, можно использовать каналы приема и передачи, разнесенные и по частоте.

Рис. 1.2. Перспективный вариант модульной конструкции микрополосковой

фазированной антенной решетки. 1 - несущая пластина, 2 - приемная антенна, 3 - передающая антенна, 4 - микросборки генерирования и обработки сигнала.

Подобная конструкция также обладает малыми массогабаритными характеристиками и высоким коэффициентом использования площади (до 0,9).

Эти примеры показывают возможности модульного построения систем КВЧ, которое позволяет преодолеть современные технологические ограничения. Помимо приведенных, возможно использование еще ряда вариантов модульного построения, например конструкции с комплексным, горизонтальным (увеличение апертуры антенны) и вертикальным (наращивание мощности) расположением модулей.

Таким образом, применение модульного построения открывает простор для создания серий последовательно наращиваемых устройств КВЧ. Используя ограниченный набор стандартных модулей, стыкуемых между собой в различных комбинациях и количествах, можно создавать широкие серии устройств с различными характеристиками, специально ориентированных на конкретные условия применения [9].

В общем случае можно считать, что модульные устройства КВЧ состоят из набора функциональных блоков - модулей, соединяемых между собой при помощи межмодульных переходов.

Так, в частности, для проектирования модульных приемопередающих трактов требуются следующие модули:

• генераторы;

• смесители;

• умножители частоты;

• усилители:

• мощности;

• промежуточные;

• малошумящие;

• модуляторы;

• демодуляторы;

• фильтры;

• переключатели;

• другие модули, необходимые для удовлетворения конкретных специфических требований, а также комплексные, включающие в себя несколько функций.

Конструктивно модули могут быть выполнены как в виде отдельной подложки с микрополосковыми либо щелевыми выводами, так и в корпусированном виде с волноводными либо коаксиальными выводами. К первому типу относятся большинство модулей, функционально представляющих собой отдельные узлы, соответственно приведенному выше списку. Модули такого типа производятся как зарубежными компаниями (Alpha Industries, MA/COM, Hewlett Packard и др.), так и отечественными (НЛП «Пульсар» и др.). В таблицах 1.3 и 1.4 приведены примеры баз данных зарубежных модулей, составленных для выбора усилителей мощности и малошумящих усилителей соответственно нижней части диапазона КВЧ (32 или 38 ГГц).

Ко второму, в основном, относятся более сложные устройства, такие как, например, высокоточные фильтры и генераторы, в частности коаксиальные модули производства компаний Farran Technologies, DBS Microwave, а также комплексные устройства, например приемные и передающие блоки DRTl-38xx и DRRl-38xx (DRTl-23xx и DRRl-23xx) компании Hewlett Packard. Эти блоки представляют собой готовые модули приемного и передающего трактов для цифровой радиолинии на частоту 37-40 ГГц (23-26 ГГц).

Суммируя все вышесказанное, можно выделить основные особенности радиосистем диапазона КВЧ. Во-первых, это необходимость модульного построения подобных систем, обеспечивающего требуемые параметры системы независимо от технологических и физических ограничений. Во-вторых, проблема обеспечения стыковки отдельных модулей, то есть разработки и расчета необходимых межмодульных переходов. Данная проблема усугубляется тем, что при малой длине волны в диапазоне КВЧ возрастает влияние конструктивных и технологических погрешностей изготовления таких переходов на параметры системы в целом.

В связи с упомянутыми особенностями радиосистем КВЧ, они требуют корректировки существующих подходов и методов конструирования, речь о которых пойдет далее.

Таблица 1.3.

Усилители мощности нижней части диапазона КВЧ.

Производитель Тип Рабочая Коэффициент Максимальная КСВ Тип ВХОДНОЙ и

частота, ГГц усиления слабого выходная ВЫХОДНОЙ

сигнала, дБ МОЩНОСТЬ, МВТ линий

Hewlett Packard HMMC-5040 21-40 12 100 2,0 МПЛ

DBS Microwave DBP-3135N627 31-35 24 500 2,2 КК

DBP-3135N827 31-35 32 500 2,2 КК

DBP-3135N425 31-35 24 300 2,2 КК

DBP-3238N723 32-38 23,5 200 2,2 КК

DBP-3238N823 32-38 29 200 2,2 КК

Alpha Industries AA035P2-00 30-35 12 350 1,9 МПЛ

AA038P1-00 37-40 14 90 1,9 МПЛ

MA/COM MI43-0003-DIE 37-40 18 150 2,2 МПЛ

Таблица 1.4.

Усилители малошумящие нижней части диапазона КВЧ.

Производитель Тип Рабочая Коэффициент Максимальная Коэффициент ксв Тип входной

частота, усиления, дБ выходная шума, дБ и выходной

ГГц мощность, МВТ линий

Hewlett Packard HMMC-5038 37-40 20 20 4,8 1,5-1,8 МПЛ

DBS Microwave DBP-3135N627 32-38 24 10 3,5 2,0 КК

DBP-3135N827 32-38 22 20 5,0 2,0 КК

DBP-3135N425 32-38 27 10 4,0 2,0 КК

DBP-3238N723 32-38 28 20 5,0 2,0 КК

DBP-3238N823 32-38 33 10 4,0 2,0 КК

Alpha Industries AA028N1-00 24-30 16 8 2,8 1,5-1,8 МПЛ

AA035N1-00 35-40 14 8 3,0 1,9 МПЛ

MA/COM MI40-0005-DIE 37-40 17 8 4,5 2,0 МПЛ

1.2. Анализ методов и пакетов прикладных программ автоматизированного проектирования устройств диапазона КВЧ

Как известно, существует два основных подхода к моделированию и расчету устройств СВЧ и КВЧ [11, 12, 13]:

• принцип целостного моделирования;

• принцип декомпозиции.

В первом случае для расчета и оптимизации используется модель, связывающая входные, выходные и конструктивно-технологические характеристики устройства в целом. Данный подход ограничен в использовании только моделями достаточно простых устройств. Это определяется тем, что при росте сложности устройства модель в свою очередь усложняется настолько, что ее обработка с использованием современных математических методов и вычислительной техники становится крайне затруднительной.

В подавляющем большинстве современных систем расчета и моделирования устройств СВЧ и КВЧ используется принцип декомпозиции [12, 13]. При таком подходе схема при расчете разбивается на элементы - функциональные узлы, для которых существуют либо математические модели, либо экспериментальные данные исследований. Далее, каждый элемент моделируется на заданном диапазоне частот с заданными условиями. Результаты моделирования отдельных элементов стыкуются в соответствии со схемой, образуя, таким образом, модель устройства в целом. На этом принципе построены практически все современные автоматизированные системы расчета и моделирования устройств СВЧ и КВЧ.

Применительно к расчету модульных конструкций КВЧ, использование принципа декомпозиции логически вытекает из самого принципа их построения [9]. Действительно, модульная конструкция уже разбита на отдельные элементы, получение параметров которых, чаще всего, не представляет трудности. Более того, большинство компаний-производителей модулей, используемых для построения модульных систем КВЧ, поставляет вместе с ними и наборы параметров, которые могут быть использованы для моделирования устройств в большинстве современных систем автоматизированного проектирования.

Однако в этом случае возникает проблема стыковки между отдельными модулями. Как уже указывалось выше, модули могут иметь различные типы выводов, что приводит к необходимости разработки целого ряда переходных устройств. Кроме того, в связи с малой длиной волны необходимо учитывать конструктивные и технологические погрешности, допускаемые при выполнении таких элементов.

Принцип декомпозиции заложен в основу работы подавляющего большинства современных систем автоматизированного проектирования (САПР) устройств СВЧ и КВЧ.

Разработка специализированных САПР СВЧ и КВЧ началась в 60-ые годы. На сегодняшний день существует целый ряд пакетов программ, зарубежных и российских, предназначенных для расчета, моделирования и разработки конструкции систем СВЧ. В той или иной степени они пригодны и для расчета модульных устройств КВЧ, как в целом, так и отдельных модулей. Все они используют для расчета принцип декомпозиции, описывая схему устройства при помощи набора базовых элементов.

Наиболее известным и широко применяемым среди них является пакет программ фирмы EEsof, включающий в себя программы Touchstone для расчета и моделирования линейных устройств СВЧ и КВЧ, Libra для расчета и моделирования нелинейных устройств СВЧ и КВЧ и Academy для создания чертежей, а также ряд вспомогательных утилит [14, 15, 16]. В комплексе они позволяют проводить весь цикл проектирования. Форматы данных, применяемые в программе Touchstone, стали своего рода стандартом и часто используются для обмена данными между различными САПР. Ниже этот пакет программ будет рассмотрен подробнее.

Компанией Hewlett Packard разработана программа MDS, предназначенная для расчета и моделирования полупроводниковых и гибридных схем СВЧ и КВЧ [17]. Программа имеет в своем составе богатую библиотеку элементов, объемом около 40 тысяч, обеспечивает моделирование линейных и нелинейных схем, а также позволяет проводить электродинамическое моделирование. Интерфейс программы очень удобен, и считается образцом в своей области.

После объединения в начале 90-ых годов фирмы EEsof с компанией Hewlett Packard были начаты разработки по объединению двух пакетов, и создан новый пакет

программ, Series IV [18]. Он включает в себя как ядро системы MDS, так и утилиты, отдельные программы и форматы данных пакета EEsof, а также целый набор новых программ и подсистем, обеспечивающих, в результате, полный цикл проектирования СВЧ и КВЧ устройств и систем. Пакет позволяет проводить электродинамическое моделирование планарных устройств, визуализацию распределения токов и электрических полей. На сегодняшний день версия 6.x пакета Series IV является наиболее мощным и удобным инструментом автоматизации проектирования устройств СВЧ и КВЧ [19], но высокая цена сильно ограничивает его применение, особенно в нашей стране, делая предпочтительными более старые версии программ MDS и Touchstone.

Фирмой Compact Software разработана программа Super-Compact, обеспечивающая моделирование и оптимизацию линейных устройств СВЧ и КВЧ [20, 21]. По своим характеристикам и возможностям программа близка к программе Touchstone, однако, имеет больше ограничений, в частности диапазон моделируемых устройств ограничен четырехполюсниками, тогда как число выводов моделируемого устройства для семейства программ EEsof и Hewlett Packard ограничена не менее чем 100, в зависимости от версии программы и мощности используемой вычислительной базы.

В странах СНГ также велись и ведутся активные разработки в области создания и модернизации САПР устройств СВЧ и КВЧ [22].

ЦИТ Алмаз-42 разработаны пакеты программ МПП (для сквозного проектирования микрополосковых устройств СВЧ и КВЧ от моделирования до создания топологии) и ВФ (для моделирования ряда волноводных устройств) [23, 24].

Программы MW CAD, MWS и "Парус" предназначены для расчета и моделирования ряда отдельных устройств СВЧ и КВЧ в гибридном и полупроводниковом исполнении [25, 26].

Пакет программ SDCHF предназначен для расчета устройств СВЧ и КВЧ на основе плоскопараллельных волноводов [27].

Интерес представляет программный комплекс ПРАММИС, предназначенный для автоматизированного проектирования линейных и нелинейных устройств СВЧ и КВЧ. По своим возможностям и характеристикам он схож с пакетом программ EEsof,

при этом используется входной язык программы Touchstone. Комплекс задуман, как открытый для дополнений, - предусмотрено встраивание программ расчета любых базовых элементов, реализованных на языке Фортран-77 [28].

Из всех приведенных пакетов программ САПР СВЧ и КВЧ устройств наибольшее распространение, как уже упоминалось, получил пакет программ фирмы EEsof, благодаря своей относительной простоте при широких возможностях. Кроме того, многие другие программы позволяют использовать при описании схем формат входного языка Touchstone. Поэтому именно на этом пакете, в силу его распространенности и открытости для дополнений, следует остановиться подробнее [14,16,30].

Для расчета и моделирования устройства используется программа Touchstone. Расчет ведется, как уже упоминалось, с использованием принципа декомпозиции. Вся структура разбивается на отдельные элементы, каждый из которых может быть описан либо при помощи стандартной модели из библиотеки пакета, либо представлен в виде «черного ящика». Процессы внутри «черного ящика» не известны, но он может быть описан S - параметрами, связывающими сигналы на выводах блока. Параметры таких элементов хранятся в отдельных файлах. Описание структуры, разбитой на элементы, кодируется при помощи простого и удобного формального языка системы и также сохраняется в файле.

Файл описания имеет блочную структуру, при которой каждый блок содержит информацию по определенной теме. Описание может состоять из следующих разделов (блоков): блок описания единиц измерения, блок, описания переменных, блок описания устройства, блок описания окончаний (нагрузок), блок описания выходных параметров, блок задания сетки частот, блок оптимизации и других.

Различные параметры отдельных элементов могут задаваться как постоянными, так и переменными величинами. В последнем случае для параметра задаются его начальное и граничные значения, а при проведении автоматической оптимизации либо ручной подстройки возможен его более точный подбор.

Стандартная библиотека пакета содержит большое количество элементов, которые могут быть использованы при составлении файла описания структуры. Каждый из них имеет внутреннюю модель, которой он и заменяется при расчете.

Часто имеется возможность выбора из нескольких моделей одного элемента с разным уровнем приближения к реальности, от абсолютно идеального элемента до реальной модели, учитывающей множество факторов, например «идеальная линия передачи» - «физическая линия передачи с потерями» - «микрополосковая линия передачи». Существуют также модели одинаковых элементов, описываемых через различные параметры, например катушка индуктивности, описываемая через число витков или длину намотки, что часто упрощает описание структуры и ее дальнейшие расчеты.

Библиотека стандартных элементов пакета содержит, в частности, следующие элементы:

• микрополосковые линии и их элементы;

• полосковые линии и их элементы;

• коаксиальные кабели и их элементы;

• копланарные линии и их элементы;

• прямоугольные металлические волноводы и их элементы;

• идеальные соединения;

• идеальные и физические (с потерями) линии передачи и их элементы;

• идеальные активные элементы;

• физические активные элементы;

• идеальные пассивные элементы;

• физические пассивные элементы;

• проволочные и ленточные выводы и соединения;

• прочие элементы.

Помимо элементов, перечисленных выше, для описания структуры могут использоваться собственные элементы в виде «черного ящика» с числом выводов от 1 до 20. Для подобного элемента на некотором интервале частот с произвольным шагом задаются 8-параметры, между заданными значениями недостающие интерполируются, но экстраполяция невозможна.

Такие данные могут представлять собой либо экспериментальный материал, либо результат моделирования с помощью какого-либо препроцессора. Первый вариант активно используется для описания конкретных активных приборов

(транзисторы, диоды, усилители) и модулей. В состав пакета входит обширная библиотека подобных элементов, кроме того, многие фирмы-производители активных элементов, такие как Siemens, Linear Technologies, Motorola, Philips и другие поставляют пакеты описаний компонентов своего производства.

Второй вариант позволяет открыть пакет для дополнений новыми возможностями. В частности именно этот вариант позволяет более полно учитывать конструктивно-технологические особенности модульных конструкций КВЧ, то есть параметры межмодульных переходов и конфигурацию устройства.

После описания проводится моделирование структуры на заданном интервале частот с заданным шагом. Результаты моделирования могут выводиться как в численной (табличной) форме, так и в графическом представлении (линейные, логарифмические и круговые диаграммы). Результатами могут быть различные параметры системы, такие как, например, S-, Н-, Y- и Z- параметры, волновые сопротивление и проводимость, коэффициент усиления по мощности и напряжению, шумовые параметры, КСВ и другие, а также выражения, составленные из нескольких параметров. Для графического представления данных можно задать до 99 систем координат с различным масштабом по осям, в каждой из них может быть представлено до 4 графиков. Результаты моделирования могут быть в любой момент сохранены в файле.

Как уже упоминалось выше, в случае использования переменных для задания параметров элементов структуры, возможно проведение оптимизации структуры по любому из выходных параметров, а также по нескольким параметрам с использованием комплексного критерия качества с задаваемыми пользователем коэффициентами влияния. Оптимизация может осуществляться несколькими методами, в том числе методом случайного перебора, градиентным, минимаксным и другими. После оптимизации в файл описания вводятся значения переменных, соответствующие оптимальной конструкции. Кроме того возможна ручная подстройка значений переменных с постоянным выводом результатов для контроля вносимых изменений, что позволяет приводить параметры устройства в соответствие с технологическими и конструктивными ограничениями.

В состав пакета также входит утилита Linecalc, позволяющая рассчитывать параметры (волновое сопротивление, удельные потери) микрополосковых линий в зависимости от геометрических параметров и материала подложки.

После проведения моделирования и оптимизации, структура может быть представлена на чертеже. Для этого используется программа Academy, входным файлом для которой является описание структуры.

Чертеж в программе Academy имеет стандартную для систем автоматического проектирования многослойную структуру, когда для обозначения различных уровней структуры используются различные слои чертежа, например слой проводников, слой диэлектрика, слой границ подложки и т.п.

Программа позволяет вносить любые изменения в чертежи, кроме того, имеется возможность моделирования измененной конструкции, для чего вызывается программа Touchstone.

Чертеж может в любой момент быть выведен на плоттер или принтер, кроме того, возможно выделение координат элементов в отдельный табличный файл типа для последующего использования в построении масок, фотошаблонов и т.п. В комплект пакета могут входить отдельные программы постпроцессоров, приводящих файлы типа к виду, используемому в различных автоматических системах производства.

В целом, процесс автоматизированного проектирования устройства СВЧ или КВЧ при помощи пакета EEsof сводится к алгоритму [16], приведенному на рисунке 1.3.

1. Создание, если это необходимо, файлов описаний элементов типа «черный ящик» для модулей, не имеющих аналогов в стандартной библиотеке пакета.

2. Создание файла описания структуры при помощи встроенного текстового редактора.

3. Предварительное моделирование структуры и отладка файла описания, результаты которых показывают пути дальнейшей оптимизации структуры.

4. Оптимизация структуры (приближение к оптимуму методом Монте-Карло и уточнение оптимальной точки градиентным методом).

Рис. 1.3. Алгоритм проектирования устройств СВЧ и КВЧ в пакете ЕЕэо^

5. Ручная подстройка параметров структуры с учетом конструктивных и технологических ограничений.

6. Окончательное моделирование полученной структуры для проверки всех ее параметров на соответствие требованиям (результаты могут быть сохранены для дальнейшего использования в файле).

7. Создание копии файла описания, переработанной в соответствии с требованиями программы Academy (замена навесных компонентов микрополосковыми элементами для их установки).

8. Ввод переработанного описания в программу Academy и автоматическое создание чертежа структуры.

9. Доработка чертежа структуры в соответствии с конструктивными и технологическими ограничениями.

10. Решение вопроса о необходимости дополнительной оптимизации в связи с произведенными доработками структуры.

11. Дополнительная оптимизация и моделирование структуры для проверки внесенных в чертеж изменений (с использованием сохраненной копии первоначального описания).

12. Создание окончательного чертежа.

13.Переработка чертежа (удаление узлов), и его оформление.

14. Вывод результатов либо на плоттер (принтер), либо в файл для его последующей обработки постпроцессорами.

При использовании подобного алгоритма проектирования устройств КВЧ, полный цикл работ по проектированию составит от 1-2 дней до 2-3 недель в зависимости от сложности устройства и объема требуемой конструкторской документации.

Как уже упоминалось пакет EEsof Touchstone и Academy является наиболее распространенным и удобным пакетом прикладных программ проектирования устройств КВЧ, предоставляющим широкие возможности для дополнения и расширения. Поэтому именно его имеет смысл использовать в качестве базового при проектировании модульных конструкций устройств КВЧ. Кроме того, формат данных этого пакета считается стандартом, и часто используется при обмене между

различными САПР СВЧ, что позволяет распространить разработанные дополнения на другие пакеты.

Однако, проблема учета конструктивно-технологических погрешностей переходов при стыковке модулей, а также проблема зависимости параметров модульного устройства от его геометрической конфигурации, решены в основных системах САПР не полностью.

Для учета влияния параметров межмодульных переходов имеет смысл использовать элементы типа «черный ящик», содержащие 8-параметры таких переходов. Для создания подобных файлов необходимо разработать набор программ-препроцессоров, способных при расчете учитывать технологические допуски. В следующем разделе приведены основные типы межмодульных переходов, используемых при проектировании модульных устройств КВЧ.

1.3. Анализ типов и конструкций межмодульных переходов

В целом, межмодульные переходы можно классифицировать по ряду признаков [31, 32].

По типу соединяемых линий передачи:

• соединение однотипных линий передачи;

• соединение разнотипных линий передачи.

При этом в качестве линий передачи могут использоваться самые различные варианты, но наибольшее практическое применение в настоящий момент имеют следующие:

• микрополосковая линия (МПЛ);

• симметричная щелевая линия (СЩЛ);

• прямоугольный волновод (ПВ);

• коаксиальный кабель (КК).

Таким образом, чаще всего применяются межмодульные переходы, предназначенные для соединения именно этих типов линий.

По конструкции соединения переходы подразделяются на следующие основные классы:

• переходы с непосредственным гальваническим соединением;

• ленточные переходы;

• шлейфные переходы;

• щелевые переходы.

Самым широко применяемым вариантом перехода между двумя МПЛ на отдельных подложках в одной плоскости является переход с непосредственным гальваническим контактом [33, 34]. Конструкция перехода приведена на рисунке 1.4.

Рис. 1.4. Конструкция перехода с непосредственным гальваническим констактом между двумя микрополосковыми линиями в одной плоскости. 1 - подложка, 2 -проводник микрополосковой линии, 3 - ленточный проводник.

МПЛ (2), выполненные на отдельных подложках (1), связаны между собой ленточным проводником (3). Такой переход прост в изготовлении, однако, весьма чувствителен к конструктивно-технологическим погрешностям изготовления элементов и особенно их совмещения.

Переход с коаксиального кабеля к микрополосковой и щелевой линиям также обычно выполняется с непосредственным гальваническим контактом [32, 33] и имеет те же преимущества и недостатки, что и описанный выше. Часто применяются миниатюрные коаксиальные розетки и вилки стандартов 8МА, БМЕ, и других, монтируемые прямо на МПЛ и СЩЛ.

Переход ПВ - МПЛ «ножевого типа» [32, 35, 36] также относится к категории переходов с непосредственным гальваническим контактом. В данном случае, для трансформации Н-волны прямоугольного волновода в Т-волну микрополосковой линии используется отрезок П-образного волновода, с волновым сопротивлением, равным сопротивлению МПЛ, шириной выступа, равной ширине полоска и толщиной воздушного зазора, равной толщине подложки. Конструкция такого перехода приведена на рисунке 1.5.

Рис. 1.5. Конструкция перехода прямоугольный волновод - микрополосковая линия

«ножевого типа».

1 - прямоугольный волновод, 2 - выступ П-образного волновода, 3 - подложка с микрополосковой линией.

В [37] приведен вариант перехода ПВ - МПЛ на торец ПВ с использованием соединительного проводника, обеспечивающего гальванический контакт между МПЛ и широкой стенкой ПВ. В качестве согласующего элемента используется винт в противоположной широкой стенке ПВ. Переход очень удобен для создания модульных конструкций КВЧ на базе модулей микрополосковой ФАР, обладает низким КСВ, однако, весьма сложен конструктивно.

Переход КК - МПЛ с непосредственным гальваническим контактом, при котором КК подходит к МПЛ со стороны экранного проводника, и через отверстие в подложке проходит на сторону сигнального проводника, прост в изготовлении и часто используется при конструировании модельных образцов. Однако его недостатками являются невысокая механическая прочность и относительно высокие потери в переходе.

На рисунке 1.6. приведена конструкция ленточного перехода между двумя МПЛ, расположенными на различных сторонах подложки [32, 38].

Рис. 1.6. Ленточный переход между двумя микрополосковыми линиями. 1 - верхний слой металлизации. 2 - нижний слой металлизации.

В данной конструкции токонесущий проводник одной МПЛ является гальваническим продолжением экранного проводника другой, а в качестве соединяющего и согласующего элемента выступает отрезок ленточной линии (МПЛ с ограниченной шириной проводников).

В шлейфных переходах выравнивание потенциалов в проводниках соединяемых линий осуществляется при помощи четвертьволновых (полуволновых) шлейфов. Разработан и применяется целый ряд переходов такого типа [32, 39, 40], однако наибольший интерес представляют переходы между двумя МПЛ (рисунок 1.7) и между МПЛ и СЩЛ (рисунок 1.8).

Рис. 1.7. Конструкция шлейфного перехода между двумя микрополосковыми

линиями.

Заключение диссертации по теме «Интегральные радиоэлектронные устройства», Лейбман, Алексей Михайлович

Основные результаты главы 3:

1. Проанализированы и выбраны критерии оптимизации модульных устройств диапазона КВЧ. Выбран наиболее простой и удобный метод структурной оптимизации таких устройств - метод последовательных отсечений.

2. Рассмотрены методы проектирования модульных микрополосковых антенных систем диапазона КВЧ с использованием программы Touchstone. Приведены методы, дополняющие программу для использования в проектировании модульных конструкций. Получен общий алгоритм проектирования таких систем. Рассмотрен пример.

3. Рассмотрены методы проектирования модульных конструкций приемных и передающих трактов диапазона КВЧ с использованием программы Touchstone. Приведены методы, дополняющие программу, дополняющие программу для использования в проектировании модульных конструкций. Получен общий алгоритм проектирования модульных трактов.

4. АПРОБАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ И РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ

4.1. Программная реализация моделей и алгоритмов проектирования и оптимизации модульных устройств диапазона КВЧ

Для реализации моделей и алгоритмов, полученных в главах 2 и 3, разработан набор прикладных программ, предназначенный для работы как в составе пакета фирмы EEsof Touchstone и Academy, так и в качестве самостоятельного средства автоматизированного проектирования. Указанные программы дают возможность полнее учитывать конструктивно-технологические особенности модульных устройств диапазона КВЧ на этапе их проектировании. Структура набора программ и принципы его взаимодействия с компонентами пакета прикладных программ автоматизированного проектирования СВЧ и КВЧ фирмы EEsof Touchstone и Academy приведены на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Структура набора программ для расчета модульных устройств КВЧ и его взаимодействие с пакетом программ фирмы ЕЕзо£

Программы, вошедшие в набор, могут быть условно разделены на три группы:

• программы расчета S-параметров межмодульных переходов с учетом конструктивных и технологических погрешностей;

• программы расчета энергетических параметров и определения конфигурации модульных приемопередающих трактов;

• программы расчета параметров и определения конфигурации модульных антенных систем.

Первая группа программ реализует модели межмодульных переходов, полученные в разделе 2.2. Они позволяют производить расчет следующих типов переходов:

• переход МПЛ-МПЛ с непосредственным гальваническим контактом;

• переход МПЛ-МПЛ шлейфного типа;

• переход МПЛ-СЩЛ шлейфного типа;

• переход МПЛ-МПЛ ленточного типа;

• резонансный переход МПЛ-МПЛ щелевого типа;

• резонансный переход МПЛ-ПВ щелевого типа;

• резонансный переход МПЛ-КК щелевого типа;

Входными данными для программ являются геометрические (размеры элементов, толщина подложки и слоев напыления и т.п.) и физические (относительная диэлектрическая проницаемость подложки, проводимость материала и т.п.) параметры перехода, выходными - S-параметры. При этом S-параметры отражаются на дисплее и, одновременно, заносятся в файл типа S2P в формате описания элемента типа «черный ящик» программы Touchstone, что позволяет в дальнейшем использовать их при расчетах модульных устройств КВЧ по методикам, предложенным в главе 3. Поскольку форматы данных программы Touchstone являются фактически стандартом для САПР СВЧ и КВЧ, то полученные таким образом результаты могут применяться при проектировании модульных устройств и систем КВЧ с использованием средств САПР других компаний.

Помимо расчета номинальных S-параметров переходов, производится и расчет их погрешности при заданных погрешностях его входных параметров. Результаты также заносятся в файл описания элемента типа «черный ящик».

Программы, входящие во вторую группу, позволяют проводить оценочный энергетический расчет модульных приемопередающих трактов, давая представление о том, какое количество модулей и какого типа требуется для реализации заданных параметров тракта. В основе этих программ лежат энергетические модели модульных радиосистем, приведенные в разделе 2.3.

В набор входят программы, позволяющие производить расчет следующих типов радиосистем:

• система радиосвязи «точка-точка»;

• активная PJIC с двумя антеннами и пространственной селекцией каналов;

• активная PJIC с одной антенной и временной селекцией каналов;

• активная PJIC обзора Земли веерным лучом;

• полу активная PJTC (разнесенная);

• активная PJIC с активным ответом (система запрос-ответ);

• пассивная PJIC.

Программы, относящиеся к третьей группе, позволяют оценивать параметры направленности модульной антенной системы, определяя необходимое количество антенных модулей заданного типа, необходимое для реализации требуемых КНД и уровня боковых лепестков, при различных типах амплитудного распределения. В их основе лежат модели и таблицы, приведенные в разделе 2.3. Программы позволяют вести расчет следующих типов антенных систем:

• плоская антенная решетка с прямоугольным раскрывом;

• плоская антенная решетка с круговым раскрывом;

• плоская антенная решетка с прямоугольным раскрывом, предназначенная для электронного сканирования.

Все представленные программы реализованы на языке С++ и предназначены для работы на персональном компьютере типа IBM PC в среде операционных систем Windows З.х/Windows 95/Windows NT либо OS/2, в зависимости от версии пакета программ EEsof, используемого в качестве основного средства проектирования. Они имеют оконный пользовательский интерфейс и просты в использовании.

Минимальные требования к персональному компьютеру:

• процессор 486DX либо выше;

• оперативная память 8 Мбайт;

• свободный объем на жестком диске 10 Мбайт.

Выполнение указанных требований позволяет производить моделирование модульных микрополосковых конструкций средней сложности (порядка 10-20 модулей для трактов и 50-100 для антенных систем). При необходимости моделирования систем большей сложности, требуется увеличение оперативной памяти до 16 (32) Мбайт и использование процессора типа Pentium либо аналогичного ему.

4.2. Результаты апробации и внедрения инженерных методов проектирования модульных радиосистем диапазона КВЧ

Апробация моделей, алгоритмов и методов, полученных в результате данной работы, проводилась в рамках исследований по НИЭР «Кубик», проводимых кафедрой 404 МАИ совместно с КПП «Пульсар» [7, 107]. Целью работ являлась разработка серии модульных телекоммуникационных средств диапазона КВЧ.

В рамках данной НИЭР была разработана модульная радиотелекоммуникационная линия (РТКЛ) диапазона КВЧ. Приемопередающий блок РТКЛ (его общий вид приведен на рисунке 4.2) состоит из следующих модулей, стыкуемых в различных комбинациях:

• передающий модуль (выходная мощность 70 мвт);

• приемный модуль;

• модуль обработки сигнала;

• модуль микрополосковой фазированной антенной решетки (ФАР). ш

Кг

Рис. 4.2. Макетный образец приемопередающего блока радиотелекоммуникационной линии диапазона КВЧ. 1 - передающий модуль, 2 - приемный модуль, 3 — модуль обработки сигнала, 4 -передающая антенна, 5 - приемная антенна.

При использовании одного передающего и одного приемного модулей, а также приемной и передающей антенн, состоящих их одного модуля ФАР каждая (подобный вариант и приведен на рис. 4.2), максимальная дальность связи РТКЛ составляет 6 км.

При использовании антенных полотен размером 160x160 мм (16 модулей ФАР в каждом, горизонтальная модульная конструкция) и 16 передающих модулей при одном приемном модуле и одном модуле обработки сигнала дальность связи превышает 50 км.

Результаты данной работы, в частности, были использованы при разработке приемного и передающего трактов РТКЛ, а также при определении необходимой конфигурации модулей РТКЛ, реализующих необходимые характеристики при различных вариантах применения устройства.

Основным требованием к передающему тракту являлось значение выходной мощности, равное 70 мвт при минимальной суммарной площади подложек. Рабочая частота 32 и 34 ГГц для двух каналов; вид модуляции - фазовая манипуляция. Все функциональные модули, входящие в состав тракта, собственного производства НПП «Пульсар». Параметры модулей приведены в таблице 4.1. Структурная схема передающего тракта, по которой осуществлялся расчет в соответствии с методикой раздела 3.3, приведена на рис. 4.3.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных в рамках данной диссертационной работы исследований получены следующие результаты:

1. Проведенный анализ особенностей проектирования радиосистем диапазона КВЧ показал:

• наличие технологических и физических ограничений, не позволяющих эффективно развивать данные перспективные системы;

• возможность применения модульного построения для таких устройств, позволяющих преодолеть существующие ограничения за счет наращивания системы;

• недостаточную проработанность вопросов автоматизированного проектирования таких систем с использованием существующих пакетов прикладных программ, а именно:

• необходимость учета влияния межмодульных переходов, включая и конструктивно-технологические погрешности их исполнения, что связано с малым характеристическим размером устройств диапазона КВЧ;

• необходимость определения конфигурации модульного устройства, обеспечивающей требуемые характеристики.

2. Проведенный анализ математического аппарата и методов моделирования показал, что наиболее применимыми методами моделирования устройств КВЧ являются вариационные, матричные методы и метод приближенных конформных преобразований. Также применимы эмпирические модели, полученные на практической основе. При определении погрешности необходимо использовать вероятностный метод.

3. С использованием указанных методов разработаны модели межмодульных переходов, применяемых в проектировании модульных радиосистем диапазона КВЧ с учетом конструктивно-технологических погрешностей их выполнения.

4. Разработаны модели модульных устройств диапазона КВЧ, позволяющие определять их конфигурацию по заданным параметрам устройства.

5. Предложены алгоритм и инженерные методы проектирования и оптимизации модульных микрополосковых антенных систем диапазона КВЧ, позволяющие осуществлять расчет и выбор оптимального варианта конструкции с учетом влияния межмодульных переходов и конструктивно-технологических погрешностей, с использованием в качестве базового средства автоматизированного проектирования пакета прикладных программ Touchstone и Academy фирмы EEsof.

6. Предложены алгоритм и инженерные методы проектирования и оптимизации модульных приемных и передающих трактов диапазона КВЧ, позволяющие осуществлять расчет и выбор оптимального варианта конструкции с учетом влияния межмодульных переходов и конструктивно-технологических погрешностей, с использованием в качестве базового средства автоматизированного проектирования пакета прикладных программ Touchstone и Academy фирмы EEsof.

7. Разработан набор прикладных программ, реализующих указанные выше модели, для работы в составе пакета фирмы EEsof при проектировании и оптимизации модульных устройств диапазона КВЧ.

8. Разработанные модели, алгоритмы, методы и программы апробированы при проектировании реальных устройствах диапазона КВЧ, в частности радиотелекоммуникационной линии и бортового радиолокационного приемника.

Результаты данной диссертационной работы внедрены в рамках НИЭР

КУБИК» на кафедре 404 Московского Государственного Авиационного института.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лейбман, Алексей Михайлович, 1998 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Применение радиоволн миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Сборник научных трудов АН УССР. Харьков, 1990. - 158 стр.

2. Lamberto Raffaelli. MMW Digital Radio Front Ends: Market, Application and Technology. Microwave journal, №2 1997, стр. 32-41.

3. Bahl I. J., Bhartia P. Millimeter wave engineering and applications. New York, Willey, 1984.-714 стр.

4. Digital Microwave Radio Transceivers. Alcatel Telecom. Microwave journal, №1 1997, стр. 83-85.

5. Italtel. Цифровые радиорелейные линии. Каталог. Italtel, 1998.

6. Информационные листки ГНПП «Исток». 1997.

7. Научно-технический отчет по третьему этапу НИЭР «КУБИК» кафедры 404 Московского Государственного Авиационного института. 1997.

8. Научно-технический отчет РОО НТО «Радар» по теме «Исследование и разработка радиотелекоммуникационной линии для систем боевого управления различных видов вооруженных сил». 1997.

9. Лейбман А. М. Функционально-модульный подход к расчету и проектированию устройств СВЧ и КВЧ. Технология и конструирование в электронной аппаратуре. №3 1998.

10. Конструирование радиоэлектронных средств. Под ред. А. С. Назарова. М.: МАИ, 1996.-380 стр.

11. Автоматизированное проектирование устройств СВЧ. Под ред. В. В. Никольского. М.: Радио и связь, 1982. - 272 стр.

12.Гупта К., Гардж Р., Чадха Р. Машинное проектирование СВЧ-устройств. Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1987. - 177 стр.

13.Воскресенский Д. И., Гостюхин В. Л., Максимов В. М., Пономарев Л. И. Устройства СВЧ. М.: МАИ, 1993. - 80 стр.

14. Touchstone and Libra Reference. Ver. 3.5. 1992.

15. Силаев M. А. Системы автоматизированного проектирования СВЧ-устройств на IBM-совместимых персональных компьютерах. Часть 1. РЕЙС ВИНИТИ. №4 1997. стр. 9-18.

16.Лейбман А. М. Использование пакета программ Touchstone и Academy фирмы EEsof при проектировании элементов и устройств СВЧ. Технология и конструирование в электронной аппаратуре. №2 1998, стр. 14-17.

17. Hewlett Packard. Overview of the RF Microwave Design System HP 85150B. 1994, 24 стр.

18. Hewlett Packard. Overview of Series IV. High frequency Design Software from HP-EEsof. 1995, 35 стр.

19. Hewlett Packard. New in Series IV. Ver. 6.0. 1996, 18 стр.

20. Super-Compact. User's manual. Compact Software Inc. №1 07504. 1987.

21.Разевиг В. В. Проектирование устройств СВЧ. PC WEEK/RU, №47 от 2.12.1997. стр. 45-49.

22. Силаев М. А. Системы автоматизированного проектирования СВЧ-устройств на IBM-совместимых персональных компьютерах. Часть 2. РЕЙС ВИНИТИ. №5 1997. стр. 2-15.

23.МПП. Пакет программ сквозного цикла проектирования микрополосковых плат СВЧ. // Реклама ЦИТ «Алмаз-42».

24. ВФ. Пакет программ автоматизации проектирования волноводных и волноводно-ферритных СВЧ-устройств. // Реклама ЦИТ «Алмаз-42».

25.Безродный Б. Ф., Кулаков К. В., Красноперкин В. М. Автоматизированная система проектирования гибридных и монолитных интегральных схем СВЧ-диапазона на IBM-PC. 2-ая Крымская конференция «СВЧ-техника и спутниковый прием». Материалы конференции. Севастополь, 8-10 октября 1992, стр. 137-143.

26. Кузнецов Д. И., Нурмеев К. Н., Тюхтин М. Ф. Пакет прикладных программ «Парус» - инструмент для схемотехнического и топологического проектирования ИС СВЧ. 2-ая Крымская конференция «СВЧ-техника и спутниковый прием». Материалы конференции. Севастополь, 8-10 октября 1992, стр. 144-148.

27.ВИМИ. Информационный листок №89-0474. Пакет прикладных программ по расчету характеристик устройств СВЧ на основе плоскопараллельных волноводов. М.: МАИ, 1989.

28.Казанджан H. Н., Сухоруков И. В. Комплекс программ автоматизированного проектирования микроволновых интегральных схем ПРАММИС для ПЭВМ класса IBM-PC. 3-я Крымская конференция «СВЧ-техника и спутниковый прием». Материалы конференции. Севастополь, 20-23 сентября 1993, Т. 4, стр. 413-416.

29.Лейбман А. М. Использование пакета программ Touchstone для расчета модульных конструкций диапазона КВЧ. Тезисы доклада на научно-технической конференции «Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве». Москва. 1998, стр. 105-106.

30. Academy. Schematic Editor and Layout for Touchstone and Libra, ver. 3.5, 1992.

31.Неганов В. А., Нефедов E. И., Яровой Г. П. Полосково-щелевые структуры сверх-и крайневысоких частот. М.: Наука, 1996. - 304 стр.

32.Гвоздев В. И., Нефедов Е. И. Объемные интегральные схемы СВЧ. М.: Наука, 1985.-256 стр.

33. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств. Под ред. В. И. Вольмана. М.: Радио и связь, 1982. - 328 стр.

34. Анализ и оптимизация конструкций радиоэлектронных и электронно-вычислительных средств. Под ред. А. С. Назарова. М.: МГТУ, 1995. - 44 стр.

35.Буданов В. Н., Ильин А. Я., Черненко Е. И., Чернышева С. А. Измерительные переходные устройства для СВЧ интегральных схем. Электронная техника. Серия 1. Электроника СВЧ. №2 1975, стр. 77-80.

36.Воскресенский Д. И., Гостюхин В. Л., Максимов В. М., Пономарев Л. И. Устройства СВЧ. Линии передачи СВЧ. М.: МАИ, 1992. - 84 стр.

37. Depuis Philippe и Atanic Jean-Luc. Переход между микрополосковой линией и волноводом. Патент Французской Республики № 91 04773 (2675637), кл. H 01 Р 5/10, 1991.

38.Калина В. Г. Ленточные широкополосные переходы между линиями передачи, проводники которых лежат по разные стороны СВЧ-платы. Электронная техника. Серия 1. Электроника СВЧ. №4 1980, стр. 19-23.

39. Калина В. Г., Гвоздев В. И. Шлейфные переходы между миниатюрными линиями передачи с пленочными проводниками. Электронная техника. Серия 1. Электроника СВЧ. №6 1979, стр. 37-43.

40.Damene Guy. Переход между щелевой и микрополосковой линиями. Патент Французской Республики № 2254889, кл. Н 01 Р 5/08,1983.

41. Калина В. Г., Гвоздев В. И. Расчет герметичных щелевых соединений микрополосковых СВЧ схем. Электронная техника. Серия 1. Электроника СВЧ. №10 1979, стр. 28-36.

42.Маттей Д. Л., Янг Л., Джонс Е. М. Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. Пер. с англ. М.: Связь, Т. I - 1971, 440 стр. Т. II - 1972, 418 стр.

43.Рахаев А. А., Пахомов В. В. Переход между двумя микрополосковыми линиями. Патент СССР. №1388962А1, кл. Н 01 Р 5/02, 1988.

44. Rao J. S., Joshi К. К., Das В. N. Analasys of small aperture coupling between rectangular waveguide and microstrip line. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. Vol. 29, № 2. 1981, стр. 150-154.

45.Чаплин А. Ф., Яковенко И. Г., Ящишин Е. М. и др. Волноводно-полосковый переход. Патент СССР. №1188814А, кл. Н 01 Р 5/107,1985.

46.Лямзин В. М., Тумакова Р. Н., Воскобойник М. Ф., Буданов В. Н. Герметичный волноводно-микрополосковый переход (его варианты). Патент СССР. №1054851А, кл. Н 01 Р 5/107, 1983.

47. Яшин А. А. Конструкторский синтез широкополосных согласующих устройств для гибридных и полупроводниковых интегральных СВЧ-схем. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Тула, 1988. - 207 стр.

48. Митра Р., Ли С. Аналитические методы теории волноводов. Пер. с англ. под ред. Г. И. Воскресенского. М.: Мир, 1974.

49. Никольский В. В. Вариационные методы для внутренних задач электродинамики. М.: Наука, 1967. - 460 стр.

50.Михлин С. Г. Вариационные методы в математической физике. М.: Наука, 1970.-512 стр.

51. Никольский В. В. К обоснованию метода Трефтца для задач дифракции. Труды МИРЭА, 1974, вып. 70. Электродинамика, антенны и техника СВЧ, стр. 3-23.

52. Тарасик В. П. Математическое моделирование технических систем. Минск: ДизайнПРО, 1997. - 640 стр.

53.Агно А. Математика для электро- и радиоинженеров. Пер. с франц. М.: Наука, 1965.-780 стр.

54.Фильчаков П. Ф. Приближенные методы конформных отображений. Киев: Наукова думка, 1964. - 532 стр.

55.Фильчаков П. Ф. Численные и графические методы прикладной математики. Киев: Наукова думка, 1969. - 800 стр.

56.Коппенфельс В., Штальман Ф. Практика конформных отображений. Пер. с нем. М.: Иностранная литература, 1963. - 406 стр.

57. Яшин А. А. Математические модели синтеза сверхширокополосных квазирегулярных микрополосковых переходов для объемных интегральных СВЧ -схем. Электронная техника. Серия 1. Электроника СВЧ. №1, 1986, стр. 3-8.

58.Чобан Я. М., Яшин А. А. Синтез расширяющегося перехода микрополосковой линии, выполненной на тонкой полиимидной подложке. Электронная техника. Серия 1. Электроника СВЧ. №5, 1983, стр. 23-26.

59. Яшин А. А. О применении одного класса приближенных конформных отображений для расчетов параметров МПЛ. Радиотехника, №12, 1984, стр. 69-70.

60. Фильчакова В. П. Конформные отображения областей специального типа. - Киев: Наукова думка, 1969. - 252 стр.

61.Вазов В., Форсайт Дж. Разностные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных. Пер. с англ. М.: Иностранная литература, 1963.-487 стр.

62. Орлов В. П. Решение внутренних задач электродинамики конечно-разностным методом. - В кн. Теория дифракции и распространения волн: VI Всесоюзный симпозиум по дифракции и распространению волн. Краткие тексты докладов. Т.1. М.: - Ереван, 1973, стр. 425-429.

63.Harrington R. F. Matrix methods for field problems. Proc. IEEE. Vol. 55, №2, 1967, стр. 136-149.

64.Farrar A., Adams A. T. Matrix methods for microstrip three - dimensional problems. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. Vol. 20, № 8. 1972, стр. 497-504.

65.Farrar A., Adams A. T. Computation of lumped microstrip capacities by matrix methods - Rectangular section and end effect. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. Vol. 19, № 5. 1971, стр. 495-497.

66.Фомин А. В., Боченков Ю. И., Сорокопуд В. А. Технология, надежность и автоматизация производства БГИС и микросборок. М.: Радио и связь, 1981.- 352 стр.

67. Фомин А. В., Умрихин О. Н. Методы оценки и оптимизации конструктивно-технологических характеристик микроэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры. М.: МАИ, 1989. - 67 стр.

68. Конструирование микроэлектронной аппаратуры. Под ред. Б. Ф. Высоцкого. М.: Советское радио, 1975. - 364 стр.

69. Конструирование и расчет БГИС, микросборок и аппаратуры на их основе. Под ред. Б. Ф. Высоцкого. М.: Радио и связь, 1985. - 289 стр.

70. Микроэлектронные устройства СВЧ. Под ред. Г. И. Веселова. М.: Высшая школа. 1988,-280 стр.

71.Minoru Maeda. An analysis of gap in microstrip transmission lines. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. Vol. 20, № 6. 1972, стр. 390-396.

72. Peter Benedek, P. Silvester. Equivalent capacitances for microstrip gaps and steps. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. Vol. 20, № 11. 1972, стр. 729-733.

73.Букреев И. H., Варфоломеев И. Н., Воробьева и др. Проектирование элементов и подсистем. М.: МАИ, 1989. - 60 стр.

74.Hering Е., Bressler К., Gutekunst J. Elektronik for Ingenieure. Dusseldorf: VDI Verlag, 1994.-676 p.

75.Peter Benedek, P. Silvester. Equivalent capacitances of microstrip open circuits. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. Vol. 20, № 8. 1972, стр. 511-516.

76. Гвоздев В. И. Применение несимметричной щелевой линии в микросхемах СВЧ. Радиотехника и электроника, т. 27, 1982, №11, стр. 2110-2116.

77.Schuppert Bernd. Microstrip/slotline transitions: modeling and experimental investigation. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. Vol. 36, № 8. 1988, стр. 1272-1282.

78.Просвирнин С. JI. Волновое сопротивление щелевой линии. Радиотехника и электроника, т. 20, 1975, №4, стр. 820-822.

79. Литвиненко Л. Н., Просвирнин С. Л., Шестопалов В. П. Электродинамические характеристики щелевого волновода. Радиотехника и электроника, т. 19, 1974, №3, стр. 520-527.

80. Cohn S. В. Slot-line on a dielectric substrate. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. Vol. 17, № 10. 1969, стр. 768-778.

81. Калина В. Г. Расчет ленточной линии передачи. Электронная техника. Серия 1. Электроника СВЧ. 1979, № 2, стр. 45-54.

82. Grampagne R., Khoo G. Approximation for the symmetrical parallel-strip transmission line. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. Vol. 24, № 8. 1976, стр. 532-534.

83.Гвоздев В. И., Макарова Е. В., Меланченко Н. Е. Широкополосные переходы между микрополосковыми и полосковыми линиями передачи. Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции «Теория и практика конструирования и обеспечение надежности и качества РЭА». М.: Знание, 1978, стр. 53.

84. Калина В. Г., Белякова С. В., Буданов В. Н. К теории волноводов с ферритовой сферой при учете ближнего поля. Электронная техника. Серия 1. Электроника СВЧ. 1968, № 9, стр. 16-36.

85.Темнов В. М. Расчет экранированных полосковых линий, связанных через щель. Радиотехника и электроника, т. 20, 1975, №7, стр. 1502-1504.

86.Бова Н. Т., Малюга В. Ф., Омельянюк И. В, Исследование микрополоскового перехода с щелевым резонатором связи. Известия вузов СССР -Радиоэлеткроника. Т. 26, 1981, №5, стр. 89-91.

87. Jeffrey В. Knorr. Slot-line transitions. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. Vol. 22, № 5. 1974, стр. 548-554.

88. Kumar M., Das В. N. Coupled transmission lines. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. Vol. 25, № 1. 1977, стр. 7-10.

89. Гвоздев В. И., Меланченко Н. Е, Чернущенко А. М. Исследование частотных характеристик щелевых переходов. М.: МИЭМ, 1979. - 78 стр.

90.Вешникова И. Е., Евстронов Г. А. Теория согласованных щелевых излучателей. Радиотехника и электроника, т. 11, 1965, №7, стр. 1181-1189.

91. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование ФАР. Под ред. Д. И. Воскресенского. М.: Радио и связь, 1994. - 592 стр.

92. Теоретические основы радиолокации. Под ред. Я. Д. Ширмана. М.: Советское радио, 1970. - 420 стр.

93. Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника. Т. 1. М.: Советское радио, 1977.-346 стр.

94.Ерохин Г. А., Чернышев О. В., Козырев Н. Д., Кочержевский В. Г. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. М.: Радио и связь, 1996.-352 стр.

95. Демин В. П., Куприянов А. И., Сахаров А. В. Радиоэлектронная разведка и радиомаскировка. М.: МАИ, 1997. - 156 стр.

96. Автоматизированное проектирование антенн и устройств СВЧ. Под ред. Д. И. Воскресенского. М.: Радио и связь, 1988. - 240 стр.

97.Амитей Н., Галиндо В., By Ч. Теория и анализ ФАР. Пер. с англ. М.: Мир, 1974.-455 стр.

98. Айзенберг Г. 3., Ямпольский В. Г., Терешин О. Н. Антенны УКВ. Части 1, 2. М.: Связь, 1977. - 667 стр.

99. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование ФАР. Под ред. Д. И. Воскресенского. М.: Радио и связь, 1981. - 432 стр.

100. Панченко Б. А., Нефедов Е. И. Микрополосковые антенны. М.: Радио и связь, 1986.-265 стр.

101. Аваев Н. А., Наумов Ю. Е., Фролкин В. Т. Основы микроэлектроники. М.: Радио и связь, 1991. - 288 стр.

102. Лейбман А. М. Микрополосковые фазированные антенные решетки, проблема технологической воспроизводимости. Тезисы доклада на XXI всероссийской научно-технической конференции «Гагаринские чтения». М. 1996, стр. 162.

103. Радиопередающие устройства. Под ред. В. В. Шахгильдяна. М.: Радио и связь, 1996.-560 стр.

104. Головин О. В. Радиоприемные устройства. М.: Высшая школа, 1997. - 384 стр.

105. Горшков Б. И. Элементы радиоэлектронных устройств. М.: Радио и связь, 1989.-245 стр.

106. Рэд Э. Т. Схемотехника радиоприемников. М.: Мир, 1989. - 435 стр.

107. Научно-технический отчет по четвертому этапу НИЭР «КУБИК» кафедры 404 Московского Государственного Авиационного института. 1998.

108. Каганов В. И. СВЧ полупроводниковые радиопередатчики. М.: Радио и связь, 1981.-400 стр.

109. Лейбман А. М. Проектирование модульных устройств КВЧ. Тезисы доклада на научно-технической конференции. Таганрог. 1996, стр. 82-83.