Моделирование и оптимизация мощных сверхширокополосных аттенюаторов с жидкостной проводящей средой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат технических наук Блинов, Владимир Вячеславович

• Блинов, Владимир Вячеславович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Блинов, Владимир Вячеславович

Введение Л.

1. Анализ современных методик проектирования и основных характеристик мощных аттенюаторов и согласованных нагрузок.

1.1. Аналитический обзор перспективных тенденций проектирования широкополосных мощных аттенюаторов и согласованных нагрузок.

1.2. Критический анализ тенденций развития современных программных средств, предназначенных для моделирования антенно-фидерных устройств

1.3. Обзор и анализ перспективных методов электродинамического моделирования антенн и устройств СВЧ

1.4. Выводы по первой главе.

2. Разработка математических моделей мощных твердотельных и жидкостных аттенюаторов и согласованных нагрузок

2.1. Выбор и анализ схем включения резистивной сборки в аттенюаторах, рассеивающих мощность до 250 Вт.

2.2. Разработка и исследование комплекса эвристических физико-математических моделей мощных жидкостных аттенюаторов.

2.3. Модель жидкостного аттенюатора, основанная на использовании векторных интегральных уравнений, записанных в пространственно-частотной области

2.4. Пространственно-временная форма представления физико-математической модели жидкостного аттенюатора.

2.5. Использование метода конечных интегралов Вейланда для анализа характеристик мощных жидкостных аттенюаторов и согласованных нагрузок.

2.6. Выводы по второй главе.

3. Разработка методики синтеза и оптимизации характеристик мощных жидкостных сверхширокополосных аттенюаторов и построенных на их основе согласованных нагрузок.

3.1. Разработка методики синтеза согласующего симметрирующего полоскового трансформатора для согласования сверхширокополосных аттенюаторов и нагрузок СВЧ диапазона на основе использования генетического алгоритма.

3.2. Разработка двухэтапной методики параметрического синтеза сверхширокополосных жидкостных аттенюаторов и согласованных нагрузок

3.3. Выводы по третьей главе.

4. Разработка и апробация методики проектирования мощных жидкостных сверхширокополосных аттенюаторов и согласованных нагрузок.

4.1. Функционирование подсистем программно-методического комплекса проектирования мощных жидкостных аттенюаторов и согласованных нагрузок.

4.2. Исследование характеристик мощных жидкостных аттенюаторов, и согласованных нагрузок разработанных в соответствии с предложенной методикой.

4.3. Выводы по результатам четвертой главы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование и оптимизация мощных сверхширокополосных аттенюаторов с жидкостной проводящей средой»

Актуальность темы. Мощные аттенюаторы и созданные на их основе согласованные нагрузки УКВ и СВЧ диапазонов волн находят широкое применение в различных радиотехнических системах. Подобные устройства чаще всего изготавливаются путем нанесения поглощающего слоя на керамическую подложку с достаточно высокой теплопроводностью, охлаждаемую с помощью циркуляции жидкого или воздушного хладагента. Достоинства данной технологии очевидны: высокая степень повторяемости устройств, возможность функционирования в сверхширокой полосе частот. Основной ее недостаток заключается в появлении микротрещин на поверхности резистивного слоя вследствие поглощения высокого уровня мощности в неоднородной структуре, состоящей из керамической подложки и полупроводникового покрытия, имеющих различные температурные коэффициенты линейного расширения. В результате гарантийный срок эксплуатации мощных твердотельных аттенюаторов весьма ограничен — чаще всего он не превышает 1 год (фирмы «Bird Electronics», «Anaren», «Hewlett-Packard», «Microwave Devices» и др.). При этом стоимость мощных аттенюаторов весьма велика - к примеру, при рассеиваемой мощности 3 кВт в полосе частот до 1.2 ГГц она колеблется в пределах от 1500 до 3000 евро.

Другой широко используемый способ построения мощных аттенюаторов заключается в реализации бинарной каскадной схемы деления мощности и использования нескольких пленочных резисторов на керамической подложке, предназначенных для рассеивания меньшего уровня мощности — как правило, не более 250 Вт. Недостатки данного способа очевидны: трудность согласования в широкой полосе частот, громоздкость устройства и сложность реализации эффективного теплоотвода.

Во многих случаях применение аттенюаторов осложняется быстро изменяющимся уровнем мощности входного сигнала, необходимостью контролирования параметров сигналов и цепей с прецизионной точностью, требованиями сохранения основных характеристик устройства в широком интервале температуры и других внешних дестабилизирующих воздействий.

Помимо затронутого технического и технологического аспектов данной проблемы, имеется ряд сложностей при строгом электродинамическом моделировании и оптимизации параметров мощных твердотельных сверхширокополосных аттенюаторов, построенных на основе нерегулярных неоднородных линий передачи с потерями, включающих тонкие полупроводниковые пленки со сложной микроструктурой.

Для преодоления вышеобозначенных трудностей' в настоящей работе создана методика моделирования и оптимизации характеристик мощных сверхширокополосных аттенюаторов, построенных на основе двух- или многопроводных линий, погруженных в жидкостную полупроводящую среду с высокой диэлектрической проницаемостью, обладающей также высокой теплопроводностью, принудительная циркуляция которой обеспечивает эффективный отвод рассеиваемой мощности.

Работа выполнена в рамках следующих научных направлений ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»: «Разработка и исследование перспективных радиоэлектронных и лазерных устройств, систем передачи, приема, обработки и защиты информации», «Вычислительные системы и программно-аппаратные комплексы». Тематика диссертации связана с приоритетным направлением развития науки, технологий и техники Российской Федерации «Опто-, радио- и акустоэлектроника, оптическая и сверхвысокочастотная связь». Результаты работы отражены в отчете по госбюджетной НИР ГБ 2001.29 (регистрационный номер 01.200.208898), проводимой ГОУВПО «ВГТУ» (г. Воронеж) и в ряде отчетов по НИР и ОКР, выполняемых ФГУП «НКТБ «Феррит» (г. Воронеж).

Целью диссертационной работы является разработка и апробация методики моделирования и оптимизации мощных сверхширокополосных аттенюаторов, построенных на основе двух- и многопроводных линий, погруженных в полупроводящую жидкостную среду с высокой диэлектрической проницаемостью и высокой теплопроводностью.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

- проведения аналитического обзора материалов, посвященных разработке, исследованию и оптимизации характеристик мощных сверхширокополосных аттенюаторов и построенных на их основе согласованных нагрузок, и выявления перспективных тенденций их моделирования и проектирования;

- разработки методики анализа электродинамических процессов, протекающих в двух- и многопроводных неоднородных линиях, погруженных в полупроводящую жидкостную среду, позволяющей оценить характеристики затухания и отражения электромагнитных волн в анализируемой структуре на разных уровнях строгости построения физико-математических моделей;

- разработки методики синтеза и оптимизации характеристик мощных жидкостных сверхширокополосных аттенюаторов и построенных на их основе согласованных нагрузок, позволяющей выбрать близкие к оптимальным параметры поглощающей среды и геометрии двух- или многопроводной линии, по критерию обеспечения ослабления входного уровня мощности не менее, чем на 10-20 дБ на выходе аттенюатора, и уровня отраженного сигнала на входе не более, чем -20 дБ относительно входного сигнала;

- оценки адекватности и верификации разработанной методики моделирования и оптимизации характеристик мощных жидкостных сверхширокополосных аттенюаторов и построенных на их основе согласованных нагрузок на основе данных строгого электродинамического моделирования проектируемых устройств и результатов их натурных экспериментальных исследований.

Методы исследования. При выполнении работы использовались основные положения теории диссипативных линий передачи, методы вычислительной электродинамики, методы математического моделирования и параметрической оптимизации, стандартные методики измерения характеристик фидерных линий УКВ и СВЧ диапазонов волн.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- предложен принцип построения мощных сверхширокополосных аттенюаторов и согласованных нагрузок на основе двух- или многопроводных линий, расположенных в жидкостной полупроводящей среде, являющейся одновременно поглощающей и теплопроводящей средой, позволяющий проектировать и создавать устройства с существенно уменьшенными габаритными размерами и массой (за счет высокого значения диэлектрической проницаемости электролита), обладающие высокой надежностью и повышенным сроком эксплуатации, а также - низкой себестоимостью;

- разработан комплекс математических моделей проволочных линий передачи в полупроводящей жидкостной среде, позволяющий анализировать процессы распространения, затухания и отражения электромагнитных волн на различных уровнях их представления: от самого грубого приближения отрезка однородной регулярной диссипативной линии; использования тонкопроволочного приближения проводников, позволяющего описать распределение токов с помощью системы уравнений Халленовского вида; использования векторных интегральных уравнений для объектов, состоящих из идеально проводящего (или конечно проводящего) металла и полупроводника, решаемых в пространственно-частотной области; использования итеративной схемы решения системы векторных интегро-дифференциальных уравнений, описывающих граничную задачу, в пространственно-временной области;

- разработана методика параметрической оптимизации мощных сверхширокополосных аттенюаторов, построенных на основе двух- или многопроводных линий, погруженных в полупроводящую жидкостную среду с с высокой диэлектрической проницаемостью и высокой теплопроводностью, основанная на использовании генетического алгоритма для выбора геометрии и материальных свойств синтезируемого устройства, реализующего критерий минимизации уровня входных отражений при заданном минимальном ослаблении;

- разработана и апробирована методика проектирования мощных жидкостных сверхширокополосных аттенюаторов и согласованных нагрузок, отличающаяся возможностью рационального выбора степени строгости физико-математических моделей, описывающих распространение и затухание электромагнитных волн в проволочных линиях передачи, помещенных в полупроводящую жидкостную среду.

Практическая значимость работы заключается в разработке инженерной методики проектирования мощных жидкостных сверхширокополосных аттенюаторов и согласованных нагрузок УКВ и СВЧ диапазонов волн, характеризующихся уменьшенными габаритными размерами и массой, высокой надежностью и увеличенным сроком эксплуатации, а также - низкой себестоимостью. Созданы экспериментальные образцы аттенюаторов и согласованных нагрузок, характеризующиеся в полосе частот от 50 до 1000 МГц уровнем коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) не более 1.2 при минимальном ослаблении 20 дБ (максимальные габаритные размеры созданных устройств не превышают 500x150x150 мм3).

Реализация и внедрение результатов работы.

Основные теоретические и практические результаты работы использованы в ФГУП НКТБ «Феррит» (г. Воронеж); научно-производственном предприятии ЗАО «ИРКОС» (г. Москва). Ряд результатов внедрен в ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» (г. Воронеж) при курсовом и дипломном проектировании студентов специальности «Радиотехника», а также в лабораторных работах по дисциплине «Устройства СВЧ и антенны». Ряд результатов внедрен в учебный процесс ВВТУ ФСО РФ (г. Воронеж).

Основные положения, выносимые на защиту:

- принцип построения мощных сверхширокополосных аттенюаторов и согласованных нагрузок, заключающийся в использовании двух- или многопроводных линий передачи, погруженных в емкость с электролитом, состоящим из солевого раствора ЫаС1 в смеси дистиллированной воды и изопропилового спирта, позволяющий, благодаря высоким диэлектрической проницаемости, электропроводности и теплопроводности жидкости, создавать высоконадежные устройства, с уменьшенными габаритами и массой;

- комплекс математических моделей проволочных линий передачи в полупроводящей жидкостной среде, в котором протекающие физические процессы описываются на различных уровнях строгости, использование которого позволяет рационально реализовать процедуру параметрической оптимизации устройств в сверхширокой полосе частот и проанализировать синтезированные устройства на строгом электродинамическом уровне; методика параметрической оптимизации мощных сверхширокополосных жидкостных аттенюаторов и согласованных нагрузок, позволяющая существенно улучшить качество согласования синтезируемых устройств и сократить время их проектирования за счет использования генетического алгоритма для отыскания глубокого минимума целевой функции, описывающей уровень отражения и затухания электромагнитных волн в структурах;

- методика проектирования мощных жидкостных аттенюаторов и согласованных нагрузок, позволяющая создавать устройства с габаритными размерами и массой, существенно меньшими, чем их твердотельные аналоги, функционирующие в полосе частот с коэффициентом перекрытия до 20 и более и характеризующиеся уровнем коэффициента отражения не более -20 дБ при уровне входной мощности до 10 кВт и более.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международных научно-технических конференциях: 7-й международной научно-технической конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (С&Т 2006 г.), г. Воронеж; 13-й международной научно-технической конференций «Радиолокация, навигация и связь» (ИЛЛЯС 2007 г.), г. Воронеж; 8-й международной научно-технической конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (С&Т 2007 г.), г. Воронеж, а также на ежегодно проводимых научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, студентов и аспирантов ГОУВПО «ВГТУ» (Воронеж, 2004-2008).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12 научных работах, в том числе 7 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1, 2, 3, 5, 6] - разработка методики проектирования мощных сверхширокополосных жидкостных аттенюаторов и согласованных нагрузок, изготовление макетов и проведение экспериментов; [4, 9] — созданы физико-математические модели мощных широкополосного аттенюатора и изодуктора; [8] - разработаны модели мощных широкополосных нагрузок и предложена методика их параметрического и структурного синтеза; [7, 10] - аналитический обзор мощных широкополосных аттенюаторов и нагрузок; [11, 12] - проведен расчет, анализ и оптимизация основных характеристик мощного аттенюатора в жидкостной проводящей среде в сверхширокой полосе частот.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего наименования, и шести приложений. Работа содержит страниц, рисунков и таблиц.

Заключение диссертации по теме «Антенны, СВЧ устройства и их технологии», Блинов, Владимир Вячеславович

4.3 Выводы по результатам четвертой главы

1. В четвертой главе разработана и апробирована методика проектирования мощных жидкостных сверхширокополосных аттенюаторов и согласованных нагрузок, отличающаяся возможностью рационального выбора степени строгости физико-математических моделей, описывающих распространение и затухание электромагнитных волн в проволочных линиях передачи, помещенных в полупроводящую жидкостную среду.

2. Апробирована методика моделирования и оптимизации мощных сверхширокополосных аттенюаторов и согласованных нагрузок, построенных на основе двух- и многопроводных линий, погруженных в полупроводящую жидкостную среду с высокой диэлектрической проницаемостью и высокой теплопроводностью, позволившая создать ряд малогабаритных надежных устройств, функционирующих в полосе частот с двадцатикратным перекрытием и более.

3. Разработанная методика проектирования мощных жидкостных аттенюаторов и согласованных нагрузок позволяет создавать устройства с габаритными размерами и массой, существенно меньшими, чем их твердотельные аналоги, функционирующие в полосе частот с коэффициентом перекрытия до 20 и более и характеризующиеся уровнем коэффициента отражения не более -20 дБ при уровне входной мощности до 10 кВт и более.