Методы аналитического синтеза многозвенных диссипативных структур техники СВЧ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.21, кандидат технических наук Покровская, Людмила Юрьевна

• Покровская, Людмила Юрьевна
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Покровская, Людмила Юрьевна

Введение

1. Анализ известных методов синтеза идеальных многозвенных резонансных СВЧ-структур

1.1 Особенности и недостатки существующих прототипов

1.2 Анализ физических моделей многозвенных СВЧ-структур

1.2.1 Особенности и недостатки существующих физических моделей

1.2.2 НЧ-прототип

1.2.3 Ступенчатый прототип

1.2.4 В ДФ-прототип

1.2.5 ВДСЗС-прототип ;

1.3 Физические модели ВДСЗС-прототипа

1.4 Обобщенная "частотная" переменная в теории проектирования

СВЧ устройств на основе В ДСЗС-прототипа

1.5 Математический аппарат теории проектирования устройств СВЧ на основе ВДСЗС-прототипа

1.6 Обобщенные волновые параметры ВДСЗС-прототипа

1.7 Обобщенные математические модели каскадных многозвенных структур

1.8 Методы точного синтеза ВДСЗС-прототипа

1.8.1 Модифицированный метод неопределенных коэффициентов

1.8.2 Метод редукции коэффициента отражения

1.9 Выводы по разделу 40 2 Разработка методов синтеза идеальных СВЧ-структур как основы методов синтеза структур с поглощением 42 2.1 Разработка нового прототипа многозвенных структур на связанных линиях

2.1.1 Новый прототип связанных линий передачи

2.1.2 Новая переменная в теории связанных линий передачи

2.1.3 Основные математические модели нового прототипа связанных линий

2.1.4 Новый прототип СВЧ фильтров на связанных линиях

2.2 Математические модели прямого аналитического синтеза ВДСЗС- 62 прототипа

2.3 Выводы по разделу

3 Синтез многозвенных структур с неидентичными звеньями

3.1 Синтез двузвенного устройства с максимально плоской характеристикой

3.2 Синтез двузвенного устройства с чебышевской характеристикой

3.3 Метод синтеза высокодобротных многозвенных структур с неидентичными звеньями

3.4 Синтез многозвенных согласующих устройств с существенно неидентичными звеньями

3.5 Выводы по разделу

4 Анализ и синтез многозвенных структур с учетом поглощения

4.1 Математические модели ВДСЗС-прототипа с учетом поглощения

4.1.1 Комплексные продольные волновые числа

4.1.2 Комплексные волновые сопротивления линий передачи с распространяющимися и запредельными волнами

4.1.3 Модуль и фаза коэффициентов отражения от границ раздела волноводов с распространяющимися и запредельными волнами

4.1.4 Модуль и фаза коэффициента отражения от барьеров

4.1.5 Модуль и фаза коэффициента прохождения через барьер

4.1.6. Ослабление амплитуды волны в резонансном слое за цикл

4.1.7 Математические модели прототипа однозвенной резонансной структуры с учетом поглощения

4.2. Аналитический синтез ВДСЗС-прототипа с поглощением методом неопределенных коэффициентов

4.2.1 Синтез прототипа однозвенной структуры с поглощением

4.2.2 Синтез прототипа двузвенной структуры с поглощением

4.2.3 Синтез прототипа трехзвенного устройства с максимально плоской характеристикой по отраженной волне

4.2.4 Алгоритм синтеза многозвенных структур с поглощением

4.3. Разработка математического и алгоритмического обеспечений автоматизированного проектирования каскадных СВЧ-устройств с поглощением

4.4.Модели и алгоритмы аналитического синтеза многозвенных дис-сипативных ГШФ с четвертьволновыми связями

4.4.1Модели и алгоритмы синтеза двухзвенной структуры по отраженной волне 133 4.4.2 Аналитический синтез многозвенных диссипативных ППФ с АУ связями.

4.5 Математические модели нового прототипа связанных линий с 145 учетом поглощения

4.6 Разработка моделей многозвенных диссипативных структур с двухмодовыми резонансными звеньями

4.7 Выводы по разделу 157 5. Экспериментальные исследования многозвенных диссипативных структур техники СВЧ

5.1 Разработка высокоточных измерителей £ и tg8 диэлектриков на

СВЧ и их математических моделей.

5.1.1 Обоснование структуры измерительного устройства, методов измерения и их математических моделей.

5.1.2 Измерение е и диэлектриков

5.2 Изготовление и экспериментальные исследования синтезированных диссипативных структур техники СВЧ

5.3 Выводы по разделу 182 Заключение 183 Список литературы 196 Приложение 1 191 Приложение 2 203 Приложение 3 205 Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы аналитического синтеза многозвенных диссипативных структур техники СВЧ»

Актуальность темы. Повышение эффективности существующих радиотехнических систем специального назначения, как и разработка новых •бразцов техники СВЧ в сложившейся экономической ситуации невозможны ¡ез существенного сокращения сроков и стоимости отработки элементов и стройств СВЧ-диапазона.

Однако, современное производство СВЧ-устройств остается трудоем-:им и малопроизводительным процессом. В значительной степени это отно-ится к многозвенным резонансным структурам СВЧ-диапазона, выполняющим роль частотно-избирательных устройств.

Задача создания частотно-избирательных устройств СВЧ-диапазона вляется в электродинамике СВЧ одной из ключевых. Фильтрующие устрой-тва входят в состав большинства СВЧ-узлов. Кроме классических примене-:ий в качестве устройств подавления частотных составляющих сложного игнала, СВЧ-фильтры используются и для решения задач разделения частот многоканальных распределительных устройствах.

Несмотря на существенные успехи в теории проектирования многовенных фильтрующих и согласующих устройств СВЧ-диапазона, связанных работами А.Л. Фельдштейна, JI.P. Явича, В.Ф. Взятышева, В.В. Шевченко, >.Ю. Капилевича, JI.B. Алексейчика, М.Е. Ильченко, В.А. Коробкина, Ю.В. Егорова, В.В. Никольского, Ю.М. Безбородова, Т.И. Нарытника, Б.Ф. Федо-ова, Г.А. Малкова, Г.А. Мирских, A.B. Полынкина, A.B. Черешнева в Рос-ии и П. Ричардса, Н. Рибле, Д. Матгея, JI. Янга, Е. Джонса в США, А. Мат-умото в Японии, и многих других за рубежом, проблема сроков и стоимости тработки новых образцов техники СВЧ остается нерешенной.

Основной причиной, не позволяющей решить проблему, является от-утствие методов синтеза многозвенных резонансных структур, учитываючих поглощение в самом процессе синтеза, а не на завершающей стадии, как то принято в известных методах.

Поэтому задача создания методов синтеза диссипативных структур вляется весьма важной и актуальной, поскольку ее решение позволит суще-твенно повысить эффективность технологии производства техники СВЧ пу-ем значительного сокращения и даже полной ликвидации доводочных и на-троечных работ.

Объект исследования диссертации — диссипативные многозвенные олноводно-диэлектрические структуры техники СВЧ и особенности техно-огии их проектирования и производства.

Предмет исследования диссертации — взаимосвязанная совокуп-ость методов, моделей и алгоритмов проектирования многозвенных резо-ансных диссипативных структур с распределенными постоянными, обеспе-ивающая, путем повышения точности их проектирования, снижение сроков стоимости технологических процессов производства техники СВЧ.

Целью работы является сокращение сроков и стоимости отработки овых образцов техники СВЧ на основе резонансных многозвенных диссипа-ивных структур путем существенного уменьшения объема или полного ис-лючения настроечных и доводочных работ за счет повышения точности роектирования.

Задачи исследований:

Заключение диссертации по теме «Радиотехнические системы специального назначения, включая технику СВЧ и технологию их производства», Покровская, Людмила Юрьевна

5.3 Выводы по разделу

Учет поглощения в синтезе диссипативных структур позволил устано-1ть следующие особенности в их АЧХ.

1. Независимо от числа звеньев и вида характеристики удается синтезировать ППФ, имеющие нулевые ограничения в полосе пропускания, т. е. реализовать полное согласование многозвенной диссипативной структуры с питающей линией.

2. Уменьшение погрешности в величине \ГЛ{\ в полосе пропускания может превышать 1-2 порядка в зависимости от величины потерь в структуре.

3. Уменьшение погрешности в величине ширины полосы пропускания может составлять до 2~ раз также в зависимости от величины потерь.

4. Применение развитых методов синтеза устраняет факт сужения полосы пропускания реального устройства, синтезированного без учета потерь, как это имеет место в современной практике проектирования.

5. Применение развитых методов синтеза диссипативных структур в совокупности с разработанными ранее методами синтеза структур с частотно-зависимыми связями позволяет практически полностью исключить операции подгонки и настройки в структурах с незначительным влиянием волн высших типов.

6. Влияние волн высших типов на точность проектирования может быть снижена учетом разработанных в работе моделей двухмодовых структур с поглощением.

Заключение

В результате выполнения диссертационной работы решена задача существенного повышения точности и производительности процессов проектирования и производства многозвенных диссипативных устройств техники СВЧ, что позволяет повысить эффективность технологии производства техники СВЧ путем значительного сокращения доводочных и котировочных работ.

1. Разработан (совместно с A.B. Полынкиным) новый прототип многозвенных устройств на связанных линиях, учитывающий отличие волн в линиях от поперечных, а также дисперсию элементов связи и поглощение, обеспечивающий повышение точности проектирования фильтрующих устройств данного типа.

2. Предложен обобщенный прототип многозвенных диссипативных структур - ВДСЗС-прототип с поглощением, позволяющий учесть влияние поглощения не только в линиях передачи резонансных звеньев, но и в элементах связи, что обеспечивает повышение точности проектирования.

3. Разработаны модели прямого аналитического синтеза многозвенных фильтрующих и согласующих устройств, обеспечивающих существенное повышение производительности процесса проектирования.

4. Разработаны модели и алгоритмы синтеза структур с неидентичными звеньями, обеспечивающие повышение точности их проектирования.

5. Установлены соотношения между элементами матрицы рассеяния - однозвенных и двухзвенных диссипативных структур как с непосредственными связями, так и с четвертьволновыми связями, обеспечивающие создание алгоритмов наращивания и редукции математических моделей многозвенных диссипативных структур.

6. Разработан алгоритм наращивания математических моделей диссипативных структур с непосредственными и четвертьволновыми связями. (на основе алгоритма В.И. Бондаренко для идеальных структур), обеспечивающий существенное повышение точности и производительности процесса анализа многозвенных диссипативных структур.

7. Разработан алгоритм редукции математических моделей многозвенных диссипативных структур с непосредственными и четвертьволновыми связями (на основе алгоритмов Бондаренко В.И. для идеальных структур) - математический аппарат методов синтеза диссипативных структур: классический и метод неопределенных коэффициентов.

8. Разработаны методы синтеза многозвенных диссипативных структур по отраженной и проходящей волнам, обеспечивающие значительное повышение точности проектирования реальных многозвенных СВЧ-структур.

Диссертационная работа выполнялась по гранту МО РФ "Фундаментальные исследования волновых процессов в многозвенных СВЧ-структурах и разработка нового метода их проектирования.

Методы, представленные в настоящей работе, могут быть использованы при разработке методов синтеза многозвенных диссипативных структур как оптического, так и звукового диапазонов, а также многослойных структур на сверхпроводящих пленках с носителями энергии и информации в виде электронных волн.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Покровская, Людмила Юрьевна, 2000 год

1. А. С. 238632 СССР.

2. Аганин А.Г., Бердышев В.П. Фильтры на связанных неоднородных линиях с улучшенной избирательностью. // Радиоэлектроника. 1997. - N° 7. - С.51 - 56 (Известия высших учебных заведений).

3. Алексеев Л.В., Знаменский А.Е. Автоматизация проектирования фильтров СВЧ. -М.: Связь, 1977, 80 с,

4. Альтман Дж. Устройства СВЧ / Пер. а англ. под. ред. И.В. Лебедева. М.: Мир, 1968.-488 с.

5. Афромеев В.И. Проектирование волноводно-диэлектрических фильтров на запредельном волноводе // Радиотехника. 1983. -№ 2 - С. 52 - 54. Баскаков С.И. Электродинамика и распространение радиоволн: Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. шк., 1992. - 416 е.: ил.

6. Бачинина Е.Л. К расчету волноводных фильтров с четвертьволновыми связями.

7. Радиотехника и электроника. 1994. - № 6. - С. 941 - 948.

8. Безбородов Ю.М., Нарытник Т.Н., Федоров В.Б. Фильтры СВЧ надиэлектрических резонаторах. Киев: Тэхника, 1989,184 с.

9. Безбородов Ю.М., Федоров В.Б., Иванов В.Н. Диэлектрические СВЧ фильтрына круглом запредельном волноводе // Электрон, техника. Сер. Электроника

10. СВЧ. 1981. - Вып. 8. - С. - 5 -7.

11. Белоцерковский Г.Б. Основы радиотехники и антенны. М.: Советское радио, 1968, 432 с.

12. Бердышев В.П., Аганин А.Г. Полосно-пропускающий фильтр на секциях связанных ступенчатых линий. // Радиоэлектроника. 1997. - № 2. - С.43 - 48 (Известия высших учебных заведений).

13. Березин Л.В., Вейцель В.А. Теория и проектирование радиосистем. М.: Сов. радио, 1977.-448 с.

14. Бондаренко O.B. Казанский Б.В. Колчигин H.H. Резонансная и полосовая система модовой селекции, преобразования и поглощения волн. // Радиоэлектроника. 1996. - № 1. - С.23 - 34 (Известия высших учебных заведений).

15. Будурис Ж, Шеневье П. Цепи сверхвысоких частот. М.: Советское радио, 1979, 288 с.

16. Гвоздев В.И., Нефедов Е.И. Объемные интегральные схемы СВЧ. -М.: Наука, 1985.-255 с.

17. Гребенщиков И.В., Власов А.Г., Непорент М.Н. Просветление оптики. М.: Гостехиздат, 1946. - 190 с.

18. Григорьев А.Д. Электродинамика и техника СВЧ: Учеб. для вузов. М.: Высш. шк., 1990.-335 е.: ил.

19. Гулд X., Тобочник Я. Компьютерное моделирование в физике: В 2-х частях. Пер. с англ. М.: Мир, 1990. - 349 е.: ил.

20. Ильинский A.C., Слепян Г.Я. Колебания и волны в электродинамических системах с потерями. М.: Изд-во МГУ, 1983. - 232 с.

21. Ильченко М.Е. Характеристики твердотельных многорезонансных полосовых фильтров // Электрон, техника. Сер. Электроника СВЧ. 1984. - Вып. 4. - с. 2226.

22. Ильченко М.Е., Малков Г.А., Мирских Г.А. Твердотельные СВЧ фильтры. -Киев: Техника, 1977. 120 с.

23. Капилевич Б.Ю. Волноводные диэлектрические фильтры. М.: Связь, 1980. -136 с.

24. Капилевич Б.Ю., Трубехин Е.Р. Аналитический синтез запредельно волноводно-диэлектрических фильтров // Радиотехника и электроника. 1983. -Т. 28. -№ 12. -С 2359-2365.

25. Капилевич Б.Ю., Трубехин Е.Р. Волноводно-диэлектрические фильтрующие структуры. М.: Радио и связь, 1990. - 272 е.: ил.

26. Кириллов Л.Г. Двоскина Ю.Н. СВЧ устройства на запредельных волноводах // Зарубежн. электроника. -1974,- №3- С. 92 120.

27. Ковалев И.И. Пассивные и активные цепи СВЧ. М.: Радио и связь, 1981, 200 е.: ил.

28. Лебедев И.В. Гутцайт Э.М. Резонатор типа запредельного волновода// Радиотехника и электроника 1956.-Т. I. - № 10 - С. 1303.

29. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. М.: Высш. шк., 1970. - 440 е.: ил. Маттей Д.Л., Янг JL, Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. - М.: Связь, 1971, 493 с.

30. Микроэлектронные устройства СВЧ / Н.Т. Бова, Ю.Г. Ефремов, В.В. Конин и др. Киев; Техника, 1984. - 184 с.

31. Никольский В.В. Теория электромагнитного поля. М.: Высш. школа, 1961. -372 с.

32. Остапенко А.Г. Анализ и синтез линейных радиоэлектронных цепей с помощью графов. М.: Радио и связь, 1985. - 280 с.

33. Покровская Л.Ю. Математические модели прототипа однозвенной резонансной структуры с учетом поглощения // Известия ТулГУ серия "Радиооптика и радиотехника СВЧ". Том 2. Вып.1. Тула, 1999. - с. 41.

34. Покровская Л.Ю. Математические модели прямого аналитического синтеза прототипа трехзвенного фильтра // Сб. тезисов докладов XV научной сессии, посвященной Дню Радио. Тула, 1998. - с.5.

35. Покровская Л.Ю. Математические модели прямого аналитического синтеза ВДСЗС-прототипа. // Сб. тезисов докладов XV научной сессии, посвященной Дню Радио. Тула, 1998. - с.6.

36. Покровская Л.Ю. Модели и алгоритмы прямого аналитического синтеза каскадных многозвенных СВЧ-фильтров с неидентичными резонансными звеньями. Труды НТК "Радио и волоконно-оптическая связь, локация и навигация". Том 1. Воронеж, 1997. - с.142-151.

37. Покровская Л.Ю., Макарецкий Е.А., Бондаренко В.И. Лазерный дистанционный датчик угловых отклонений.// Методы и средства измерений физических величин Тез. докл. II Всероссийской НТК (18 19 июня 1997 г.).- Нижний Новгород. Часть I,- С. 66.

38. Покровская Л.Ю. Синтез прототипа однозвенной структуры с поглощением. В печати.

39. Покровская Л.Ю., Покровский Ю.А., Макарецкий Е.А., Полынкин A.B. Обобщенный волновой синтез многозвенных структур с распределенными параметрами на основе ВДСЗС-прототипа: Учебное пособие. Тула, ТулГУ, 1996. - 84 с.

40. Покровская Л.Ю. Алгоритмы построения математических моделей многозвенных измерительных СВЧ -структур с четвертьволновыми связями с учетом поглощения. // Сб. тезисов докладов XVI научной сессии, посвященной Дню Радио. Тула, 1999. - с.4.

41. Покровская Л.Ю., Покровский Ю.А., Макарецкий Е.А., Полынкин A.B. Новый прототип фильтрующих СВЧ-устройств на связанных линиях и методы его синтеза // Сб. тезисов докладов 51-й научной сессии, посвященной Дню Радио. Часть 1.-М., 1996. с.56-57.

42. Покровская Л.Ю., Покровский Ю.А., Полынкин A.B., Черешнев A.B. Автоматизированное проектирование фильтрующихи согласующих СВЧ-устройств на основе ВДСЗС-прототипа. Учеб. пособие / Под ред. Ю.А. Покровского. Тула, 1997.

43. Покровская Л.Ю., Полынкин A.B., Кудряшов А.Н., Черешнев A.B., Измерение флуктуаций диэлектрической проницаемости в различных образцах СВЧ-материалов // Сб. тезисов докладов XV научной сессии, посвященной Дню Радио. Тула, 1998. - с.9.

44. Покровский Ю.А. Взаимодействие плоских волн с плоскими системами. Тула; ТПИ, 1982.-30 с.

45. Покровский Ю.А. Новый прототип фильтрующих и согласующих устройств СВЧ- и оптического диапазонов и точные методы его синтеза // Разраб. и исслед. гибрид, интегр. схем СВЧ и оптич. диапазонов. Тула, ТулПИ, 1987. -с. 5-12.

46. Покровский Ю.А. Обобщенный электродинамический синтез радиооптических устройств с частотной и угловой избирательность, на основе нового прототипа // Разраб. и исслед. гибрид, интегр. схем СВЧ и оптич. диапазонов. Тула, ТулПИ, 1987. - с. 21-29.

47. Покровский Ю.А., Макарецкий Е.А., Покровская Л.Ю., Полынкин A.B. Обобщенный волновой синтез многозвенных структур с распределенными параметрами на основе ВДСЗС-прототипа: Учебное пособие. Тула, ТулГУ, 1996. - 84 с.

48. Рибле H. Общий синтез четвертьволновых трансформаторов полного сопротивления // Вопр. радиолокац. техники. 1957. - № 4 /40/. - С. 3 -14. Роудз Дж. Д. Теория электрических фильтров / Пер. с англ. В.И. Хижниченко. -М.: Сов. радио, 1980. - 210 с.

49. Рыбкин A.A., Рыбкин А.З., Хренов JI.C. Справочник по математике. М.: Высш. шк, 1987. - 480 с.

50. Семенихина Д.В., Возбуждение колебаний в СВЧ-резонаторе с распределенной нелинейной нагрузкой. // Радиоэлектроника. 1998. - № 1. - С.27 - 32 (Известия высших учебных заведений).

51. Семин И.А. Точный расчет числа типов собственных колебаний прямоугольного полого резонатора // Радиотехника и электроника. 1994. - № 1.-С.1-5.

52. Силаев М.А., Брянцев C.B. Приложение матриц и графов к анализу СВЧ-устройств. М.: Сов. радио, 1970. - 248 с.

53. Справочник по расчету и конструированию полосковых устройств / С.И. Бахарев, В.И. Вольман, Ю.Н. Ли, и др. / Под ред. В.И. Вольмана. М.: Радио и связь, 1982.-328 с.

54. Трубин A.A. Расчет фильтров на цилиндрических диэлектрических резонаторах в полосковой линии передачи // Радиоэлектроника. 1998. - № 4. - С. 14 - 19 (Известия высших учебных заведений).

55. Трубин A.A. Расчет характеристик полосно-заграждающих фильтров на диэлектрических резонаторах // Радиоэлектроника. 1997. - № 9. - С.62 - 72 (Известия высших учебных заведений).

56. Фельдштейн A.JI., Явич JI.P. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М.: Связь, 1971. -388 с.

57. Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. Справочник по элементам волновой техники. -М.: Сов. радио, 1967. 652 с.

58. Фильтры и цепи СВЧ. Пер. с англ. Л.В. Алексеева, А.Е. Знаменского, B.C. Полякова. -М.: Связь, 1976, 248 с.

59. Халяпин Д.Б. Коаксиальные и полосковые фильтры сверхвысоких частот. М.: Связь, 1969.-64 е.: ил.

60. Хелзайн Дж. Пассивные и активные цепи СВЧ. М.: Радио и связь, 1981, 200 е.: ил.

61. Херреро Д., Уиллонер Г. Синтез фильтров. М.: Советское радио, 1971, 232 с. Хотунцев Ю.Л. Полупроводниковые СВЧ устройства: (Анализ и синтез). - М.: Связь, 1978. - 256 е.: ил.

62. Черешнев A.B. и др. Совершенствование физико-математического обеспечения вычислительных систем информационно-вычислительных комплексов СВЧ- и оптического приборостроения. // Сб. тезисов докладов XIY научной сессии, посвященной Дню Радио. Тула, 1997.

63. Черешнев A.B., Бедим A.B. Алгоритмы проектирования фильтрующих СВЧ-устройств // Сб. тезисов докладов XY научной сессии, посвященной Дню Радио. Тула, 1998.

64. Черешнев A.B., Бедим A.B. Итерационный синтез СВЧ-фильтров на основе нового прототипа. Тезисы докладов Всероссийской студенческой конференции "Гагаринские чтения" М.: МАТИ им. Циолковского, 1998.195

65. Шуп Т. Решение инженерных задач на ЭВМ. М.: Мир, 1982. - 238 с. I. Brauer J.K., Scheibe E.R. Cutoff-coupled microwave filters I I Proc. Nat. Electron. Conf. Chicago JTJ. - 1968. - v. 24 - № 1. - 3. 163 - 168.

66. Graven G. Waveguide bandpass filters using evanescent modes // Electronics letters. 1966. - V. 2 - P. 142 - 144.

67. Reed I. Low-Q Microwave Filters. "Proc. IRE", 1950, v. 38, № 7.

68. Richards P.G. Resistor-transmission line circuits // Proc. JPE. 1948, V. 26, № 2.-P. 217-220.

69. Young L. Stepped-impedance Transformers and Filters Prototypes. "IRE Trans.", 1962, v. MTT 10, № 5.

70. Young L. The Quarter-wave Transformer Prototype Circuit. "IRE Trans.", 1960, v. MTT-8, №5.196