Проектирование многодискретных фазовращателей СВЧ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат технических наук Абдулаева, Ума Алиевна

• Абдулаева, Ума Алиевна
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Абдулаева, Ума Алиевна

список сокращений.

ВВЕДЕНИЕ.

глава 1. анализ современного состояния проектирована многодискретных фазовращателей.

1.1. Общие сведения.

1.2. Дискретные ФВ.

1.3. Плавные фазовращатели.

1.3.Комбинированные МДФ.

1.4.выводы по главе.

1.5.3АДАЧИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

глава 2. базовые элементы много дискретных фазовращателей.

2.1. Переходы с однородными шлейфами.

2.2. Сдвоенные шлейфовые переходы.

2.3. Общая матрица рассеяния переходов.

2.4. Переходы с неоднородными шлейфами.

ВЫВОДЫ.

глава 3. моделирование широкополосного

ДИСКРЕТНОГО ФАЗОВРАЩАТЕЛЯ.

3.1. Основные принципы построения САПР ФВ.

3.2. Структура САПР ФВ.

3.3. Общий алгоритм расчета ФВ с дискретом 180°.

3.4. Общее уравнение.

3.5. Широкополосные высокоточные дискретные фазовращатели.

3.6. Моделирование широкополосного дискретного фазовращателя на базе однополосного модулятора.

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

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

4.1. Практическая реализация результатов.

4.2. Постановка эксперимента.

4.3. Логические принципы проектирования.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Проектирование многодискретных фазовращателей СВЧ»

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Получены точные выражения амплитуд спектральных составляющих фазоманипулированного сигнала.

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

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

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

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

В защиту вносятся следующие основные положения:

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

2. общий алгоритм расчета и анализа (МДФ);

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

4. результаты разработок (МДФ);

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

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

Заключение диссертации по теме «Антенны, СВЧ устройства и их технологии», Абдулаева, Ума Алиевна

Выводы по главе 4

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

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

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

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

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

3. Предложенные принципы расширения полосы рабочих частот ФВ

СВЧ.

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

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

5. Получены точные выражения амплитуд спектральных составляющих фазоманипулированного сигнала.

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

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

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

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

127

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Абдулаева, Ума Алиевна, 2005 год

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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