Разработка АЧХ корректоров ЛБВ-О с учётом её амплитудно-фазового преобразования для повышения идентичности фазочастотных характеристик широкополосных усилителей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат технических наук Доперальский, Владислав Владимирович

• Доперальский, Владислав Владимирович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Доперальский, Владислав Владимирович

Введение 4-

1. Применение амплитудно-частотных корректоров для 11 расширения полосы частот усилителя на основе ЛБВ

1.1 Особенности ЛБВ как мощного широкополосного 11-П усилителя сверхвысоких частот

1.2 Применение амплитудно-частотных корректоров. Типы 14-28 корректоров

1.3 Характеристики ЛБВ с корректором АЧХ. Повышение 28-35 идентичности характеристик усилителей.

1.4 Выводы 36

2 Разработка математической модели и программы 38 функционального проектирования корректора с учетом характеристик ЛБВ

2.1 Разработка математической модели широкополосного 38-45 шлейфного корректора входного сигнала ЛБВ

2.2 Разработка программы проектирования корректора с 46-55 учетом характеристик ЛБВ

2.3 Сравнение теоретических и экспериментальных 55-67 результатов. Апробация модели и программы.

2.4 Выводы

3 Анализ основных причин неидентичности характеристик 69 шлейфных корректоров АЧХ на коаксиальной и микрополосковых линии для широкополосных ЛБВ и усилителей в целом.

3.1 Анализ чувствительности характеристик к настройке 69-76 шлейфного корректора АЧХ на коаксиальной линиях для широкополосных ЛБВ. микрополосковых линиях для широкополосных ЛБВ.

3.3 Теоретическое и экспериментальное исследование 85-98 влияния допусков, налагаемых на элементы корректора

АЧХ, на характеристики усилителя.

3.4 Выводы 98-100 Заключение 101-102 Список использованных источников 103-108 Приложения 109 Акт о внедрении результатов диссертационной работы 109

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка АЧХ корректоров ЛБВ-О с учётом её амплитудно-фазового преобразования для повышения идентичности фазочастотных характеристик широкополосных усилителей»

Актуальность проблемы. Лампа бегущей волны (ЛБВ) это прибор, широко используемый в различных усилительных цепях. ЛБВ обладает достаточно большой выходной мощностью и широкой полосой частот, она широко используется в системах радиоэлектронного противодействия (РПД) и радиоэлектронной борьбы (РЭБ).

Амплитудно-частотный корректор (корректор) применяется для выравнивания коэффициента усиления и расширения рабочего диапазона частот спиральных ЛБВ. Существуют различные возможности реализации требуемых характеристик такого устройства, однако, к настоящему времени наибольшее распространение в разработках получила шлейфная конструкция корректора. Это объясняется как относительной простотой реализации, так и возможностью достаточно точно рассчитывать характеристики, применяв методы теории СВЧ цепей. Этот тип коректоров существует в двух вариантах конструктивного исполнения: на коаксиальной и микрополосковой линиях передачи.

Вместе с тем, повышение требований по фазоидентичности усилителей на основе ЛБВ в системах суммирования мощностей, поставило задачу оптимизации корректора под конкретный тип прибора, в то время как до недавнего времени было достаточно иметь несколько типовых конструкции корректоров в разных диапазонах частот.

Фазовая характеристика современных широкополосных ЛБВ существенным образом зависит от уровня входного сигнала, так как присутствует амплитудно-фазовое преобразование сигнала (АМ-ФМ преобразование), поэтому разброс амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) корректора преобразуется в отклонения фазы выходного сигнала усилителя. В ЛБВ-0 коэффициент АМ-ФМ преобразования может достигать десятки градусов на 1 дБ изменения мощности входного сигнала (°/дБ) и более. Для того, что бы комплексированное изделие (усилитель) удовлетворяло конкретным, предъявляемым к нему требованиям по идентичности фазо-частотных характеристик (ФЧХ), проектирование корректоров необходимо вести с учетом АМ-ФМ преобразования ЛБВ. Такой подход должен быть использован для анализа влияния на идентичность характеристик комплексированного изделия допусков на размеры и конструкции корректора. Одним из наиболее эффективных и точных путей решения этой задачи является расчет частотных характеристик изделия в целом с учетом экспериментальных или теоретических характеристик ЛБВ.

Помимо этого актуальна задача получения корректоров с идентичными характеристиками, что требует оптимизации корректора при разработке конкретных изделий. Для ее решения необходимы исследования по выявлению и систематизации основных причин неидентичности характеристик корректоров применяемой конструкции.

Изучению идентичности ФЧХ широкополосных спиральных ЛБВ посвящены теоретические и экспериментальные исследования отечественных и зарубежных ученых и инженеров: Каца A.M., Кудряшова В.П., Нудельмана Я.Е., Рафаловича А.Д., Данилова А.Б., Сивякова Б.К., Baruch Е. и др. В последнее время проводились экспериментальные исследования по определению неидентичности характеристик различных типов применяемых корректоров: Тищенко В.И., Беляева Ю.А.

Однако наблюдается отсутствие работ по выявлению и систематизации причин неидентичности корректоров, а также методики совместной разработки корректора АЧХ с учетом реальных характеристик конкретной ЛБВ.

Исходя из вышеизложенного, задача повышения идентичности ФЧХ широкополосных усилителей СВЧ на основе ЛБВ с корректором АЧХ, за счет оптимизации корректора и его разработки с учетом характеристик конкретной ЛБВ является актуальной в настоящее время.

Цель работы: задача повышения идентичности фазо-частотных характеристик широкополосных усилителей СВЧ на основе ЛБВ с корректором АЧХ, за счет разработки корректоров с учетом характеристик: конкретной ЛБВ, и исследование причин неидентичности характеристик шлейфного корректора на микрополосковой и коаксиальной линии.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Исследование и анализ существующих современных конструкций оптимизирующих устройств АЧХ и их возможность применения в составе СВЧ усилителей на основе широкополосной спиральной ЛБВ с АЧХ корректором.

2. Разработка методики анализа и построение математической модели шлейфного корректора АЧХ на коаксиальной и микорополосковой линиях передачи и всего комплексированного изделия: корректор+ЛБВ.

3. Создание на основе модели программы функционального проектирования шлейфных корректоров АЧХ с учетом характеристик ЛБВ. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов. Апробация модели и программы.

4. Анализ чувствительности характеристик корректора для широкополосных ЛБВ к его настройке для шлейфного корректора АЧХ на коаксиальной линии.

5. Анализ чувствительности к допускам характеристик шлейфных корректоров АЧХ для широкополосных ЛБВ на коаксиальной микрополосковых линиях.

6. Теоретическое и экспериментальное исследования влияния допусков, налагаемых на элементы корректора АЧХ, на характеристики усилителя.

7. Апробация на практике выработанных рекомендаций по разработке фазоидентичных СВЧ усилителей на основе широкополосной ЛБВ с амплитудно-частотным корректором.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Установлено, что происходит заметное увеличение неидентичности ФЧХ усилителей корректор + ЛБВ за счет АМ-ФМ преобразования сигнала в ЛБВ, которое в диапазоне частот 2-4 ГГц, вызывает увеличение на 50% неидентичности ФЧХ усилителей корректор + мощная широкополосная ЛБВ относительно неидентичности ФЧХ корректоров, поэтому при проектировании корректоров АЧХ для фазоидентичных усилителей необходимо учитывать не только амплитудную, но и фазоамплитудную характеристику ЛБВ-О.

2. Методика, алгоритм и программа функционального анализа характеристик шлейфного корректора АЧХ на коаксиальной и микрополосковых линиях с учетом фазоамплитудной характеристики ЛБВ, позволяющие проводить интерактивное проектирование и анализ характеристик корректора.

3. Результаты исследования влияния допусков, налагаемых на поперечные и продольные размеры, на идентичность характеристик шлейфных корректоров на коаксиальной и микрополосковых линиях, показавшие, что в коаксиальной конструкции наибольшее влияние (в 2-3 раза) оказывают допуска на поперечные размеры, а в микрополосковой - на продольные (в 9-10 раз).

4. Установлено, что для улучшения идентичности характеристик шлейфного корректора АЧХ на микрополосковых линиях необходимо накладывать допуска на номинальное значение вносимого активного сопротивления резистивным напылением, а не только на геометрические размеры резистивного напыления - это повышает идентичность характеристик в 2 раза.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов. В работе использованы хорошо отработанные на практике методы экспериментального исследования. Для проведения измерений использованы, принятые в промышленности регламентированные ГОСТами, методики и средства измерений. В построенной модели используются известные и общепризнанные методы теории расчета СВЧ цепей на основе эквивалентных представлений. Корректность модели подтверждается хорошим совпадением теоретических и экспериментальных данных, полученных на современном измерительном оборудовании.

Научная новизна работы:

1. Предложена и показана на практике необходимость разработки корректора АЧХ для фазоидентичных широкополосных СВЧ усилителей на основе ЛБВ с корректором АЧХ с учетом фазоамплитудной характеристики широкополосной ЛБВ.

2. Разработаны методика, алгоритм и программа функционального анализа характеристик шлейфного корректора АЧХ на коаксиальной и микрополосковых линиях с учетом фазоамплитудной характеристики ЛБВ.

3. Проведены исследования причин неидентичности частотных характеристик шлейфных корректоров на коаксиальной и микрополосковых линиях для широкополосных спиральных ЛБВ.

4. Установлено, что в корректоре на КЛ наибольшее влияние оказывают допуска на поперечные размеры, а на микрополосковых линиях -на продольные.

5. Показано, что для улучшения идентичности характеристик шлейфного корректора АЧХ на микрополосковых линиях необходимо накладывать допуска на номинальное -значение вносимого активного сопротивления резистивного напыления, а не только на геометрические размеры резистивного напыления.

Практическая значимость заключается в следующем:

1. Полученные в результате исследований рекомендации по уменьшению чувствительности ФЧХ к допускам шлейфных корректоров на коаксиальной и микрополосковых линиях позволяют повысить фазоидентичность усилителей на основе широкополосной ЛБВ с корректором АЧХ и упростить процесс технологической фазировки изделий.

2. Разработанная программа позволяет вести интерактивное проектирование корректора с учетом реальных характеристик ЛБВ, в результате чего уменьшаются трудоемкость, сроки и стоимость проектирования.

3. Результаты работы внедрены в ОАО «НПП «Алмаз», о чем имеется акт внедрения, и могут быть использованы в вузах и на предприятиях радиоэлектронного профиля.

Апробация работы. Работа выполнена на кафедре «Электротехника и электроника» Саратовского государственного технического университета имени. Гагарина Ю.А в период 2008 - 2012 г.г. Результаты работы докладывались и обсуждались на: Международной научной конференции «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности» «АСТИНТЕХ-2010» (Астрахань, 11-14 мая 2010); 9-й Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, СГТУ, 2010); XXIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-24» (Саратов, 21-24 апреля 2011) и научных семинарах кафедры электротехники и электроники СГТУ.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планами НИР ОКР СГТУ и ОАО «НПП «Алмаз».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 3 работы в рекомендованных ВАК изданиях.

Личный вклад автора заключается в участии в формулировке цели и постановке задач исследований, построении математических моделей и написания, на их основе, программы, апробации программы и модели, проведении расчетов. Автор является исполнителем представленных экспериментальных исследований. Обсуждение полученных теоретических экспериментальных результатов проводилось совместно с соавторами научных статей.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,

Заключение диссертации по теме «Антенны, СВЧ устройства и их технологии», Доперальский, Владислав Владимирович

3.4 Выводы

1. При расширении полосы частот с октавы до полутора октав в коаксиальной конструкции наблюдается ухудшение идентичности характеристик при одинаковой расстройке, по сравнению с октавной конструкцией.

2. С увеличением количества плунжеров чувствительность к настройке уменьшается и идентичность улучшается.

3. Установлено различное влияние допусков, налагаемых на поперечные и продольные размеры, на идентичность характеристик шлейфных корректоров на коаксиальной и микрополосковых линиях. Показано, что в коаксиальной конструкции наибольшее влияние (в 2-3 раза) оказывают допуска на поперечные размеры, а в микрополосковой - на продольные (в 9-10 раз).

4. При расширении полосы частот с октавы до полутора октав в микрополосковой конструкции наблюдается незначительное улучшение идентичности характеристик по сравнению с коаксиальной конструкцией.

5. При увеличении рабочих частот, с сохранением ширины полосы, при абсолютных производственных допусках в микрополосковой конструкции наблюдается непропорциональное увеличению частота ухудшение идентичности характеристик, в отличие от коаксиальной конструкции.

6. Выявлено, что лучшие результаты получаются при наложении допусков в микрополосковой конструкции на номинальное значение вносимого активного сопротивления резистивным напылением, в отличие от наложения допусков на геометрические размеры резистивного напыления.

7. Экспериментально-теоретическим путем с использованием программы, описанной в главе 2 и реальных экспериментально измеренных амплитудных и амплитудно-фазовых характеристик широкополосной ЛБВ, показана необходимость учета изменения ФЧХ всего усилителя за счет амплитудно-фазового преобразования сигнала в ЛБВ. Для этого надо вести анализ АЧХ и ФЧХ корректора и ЛБВ совместно, то есть проектировать корректор с учетом реальных амплитудных и фазовых характеристик конкретной ЛБВ.

8. Проведена апробация применения полученных результатов исследований на практике. В результате разработан корректор к усилителю, и получен СВЧ усилитель, который имеет идентичность ФЧХ с различными экземплярами корректоров, превосходящий требования технического задания в 3,8 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Применение существующей конструкции корректора АЧХ шлейфного типа для СВЧ усилителей на основе широкополосных ЛБВ является предпочтительным. Причины этому: простота технологической реализации, возможность получения необходимой полосы частот до нескольких октав, достаточно низкое рабочие значение Ксти (не более 1,5), возможностью получения АЧХ достаточно большой ширины (до 2-4 октав) и возможностью реализации различных перепадов АЧХ.

2. Построена математическая модель шлейфного корректора АЧХ на коаксиальной линии и микрополосковой линии и всего комплексированного изделия: корректор+ЛБВ.

3. На основе модели создана программа функционального проектирования шлейфных корректоров АЧХ с учетом характеристик ЛБВ. Программа является инструментом проектирования шлейфных корректоров на коаксиальной линии и микрополосковой линии. Ее можно использовать для анализа характеристик всего усилителя (корректор+ЛБВ).

4. Осуществлен учет распределенного затухания резистивного напыления вдоль длины линии в микрополосковой конструкции в виде представления набором дискретных активных элементов с отрезками линии без потерь, что является удобным и достаточно точным и простым дл.; использования входных данных в той форме, как они используются в конструкторской документации корректора.

5. Проведена апробация модели и программы. Учет реальных характеристик ЛБВ и хорошее соответствие теоретических и экспериментальных характеристик корректоров потверждает корректность анализа характеристик усилителя данной программой.

6. Экспериментальным и расчетным путем показано увеличение неидентичности ФЧХ цепочки корректора+ЛБВ за счет амплитудно-фазового преобразования сигнала в ЛБВ, следовательно проектирование корректора АЧХ для фазоидентичных усилителей надо вести совместно с ЛБВ, то есть проектировать корректор с учетом реальных амплитудных, фазовых и фазоамплитудных характеристик конкретной ЛБВ.

7. Влияние допусков на поперечные и продольные размеры, на идентичность характеристик шлейфного корректора на коаксиальной линии и микрополосковой линии различно. В коаксиальной конструкции наибольшее влияние оказывают допуска на поперечные размеры, а в микрополосковой - на продольные.

8. Для улучшения идентичности характеристик шлейфного корректора АЧХ на МПЛ необходимо накладывать допуска на номинальное значение вносимого активного сопротивления резистивным напылением, а не только на геометрические размеры резистивного напыления.

9. Проведено внедрение полученных результатов исследований в ОАО «НПП «Алмаз», о чем получен акт внедрения. В результате разработан корректор к усилителю, и получен СВЧ-усилитель, который имеет идентичность ФЧХ с различными экземплярами корректороь, превосходящий требования технического задания.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Доперальский, Владислав Владимирович, 2012 год

1. Кац A.M. Сигнал в лампах с бегущей волной: в 2 ч. Ч. 1. Лампа бегущей волной О-типа./ Кац A.M., Кудряшов В.П., Трубецков Д.И // Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, СГУ. 1984. 144 с.

2. Кудряшов В.П. Фазовые характеристики ЛЕВО. Обзоры по электронной технике. Сер. 1. Электроника СВЧ, 1976, вып. 7(376). 56 с.

3. Справочник по вакуумной электронике. Компоненты и устройства./ Под. Ред. Дж. Айхайера, М. Тамма. Перевод с английского Е.Б. Махияновой под редакцией д.э.н. проф., к.ф. м.н. H.A. Бушуева/ Москва: Техносфера. 2011. - 504. с.

4. Barry Manz// Advancing TWTs // The Journal of Electronic Defense| July 2009. P. 25-30.

5. Цейтлин М.Б. Лампа с бегущей волной / М.Б. Цейтлин, A.M. Кац // Советское радио, 1964. 312 с.

6. Шевчик В.Н. Аналитические методы расчета в электронике СВЧ./ Шевчик В.Н., Трубецков Д.И. // М.: Сов. радио, 1970. 584 с.

7. Трубецков Д.И. Лекции по сверхвысокочастотной электроники для физиков. Том 1. / Трубецков Д.И., Храмов А.Е. // М: Физматлит, 2003. 496 с.

8. Заявка 2237694 ФРГ, МКИ HOI J 23/32 Lauffeldverstärkerröhre stabilisiertem Verzögerungsmass / H. Heynish (ФРГ); Siemens AG (ФРГ). № Р2237694. 9-35; Заявлено 31.07.72; Опубл. 25.07.74.

9. Ю.А. Мирошников// Корректор амплитуды входного сигналя ЛБВ//электронная техника. Сер. СВЧ- техника вып. 1(445), 1992. С. 3- 7.

10. А.с. 7771759 СССР, МКИ 4 HOI J 23/16. Устройство для коррекции амплитудно частотной характеристики тракта/ Е.В. Василенко, Н.В. Манькоп, B.C. Ховратович (СССР). Опубл. в Бюл. № 38, 1980.

11. А.с. 711652 СССР, МКИ 4 Н 01 PI20. Коаксиальный фильтр побочного излучения/ В.И. Вольман, В.Б. Каток/ Опубл. в Бюлл. № 3, 1980.

12. Пат. РФ №2033666. МПК Н01Р1/203, Н01Р1/22 / Поглощающий амплитудный корректор / Петренко В.П./ Опубл.: 20.041995.

13. Пат. Япония JP2009171515 (А), 30.07.2009 Н01Р1/00; Н01Р7/04; Н01Р7/08; Н01Р1/00; Н01Р7/04; Н01Р7/08 / Asao Hideki; Kanbara Risui; Kubosaki Mitsuriu.

14. Пат. Япония WO 01/18959 Al, 15.03.2001 H03H 7/01, H01P 1/00/ Variable amplitude equalizer/ Suzuki, Masayoshi JP.

15. Пат. США US 6,351,193, В1/ H01P 1/20; H03H 5/00 / Microwave equalizer with internal amplitude correction/ Jose Luis Caceres Armendatz; Silvia Delgano Cabello; Isinro Hidalgo Carpintero, all of Madrid (ES)/ Опубл. 21.02.2002.

16. Пат. США US 5,235,295/ HO IP 1/20 / Microwave equalizer suitable for aerospace applications/ Regis Barbaste, Portet; Joel Larroque, Montrabe; Albert Cerro, Ramonville St Agne; Florence Labarre, Versailles, all of France / Опубл. 10.04.1993.

17. Пат. 3440555 США. МКИ НОЗ f 3158, 3/10, 3/12. Shaped-loss attenuator for equalizing the gain of a travelling wave amplifier / H.J. Wolkstein (США), Navy (США). № 537618; Заявлено 21.03.66; Опубл. 22.04.69.

18. Пат. РФ №2073938. МПК 6 Н01Р1/00, Н01Р1/20 / Активный корректор амплитудно частотных искажений/ Капкин С.П., Бахтин Ю.В./ Опубл.: 20.02.1997.

19. Пат. РФ №2238605. МПК Н01РЗ/08, Н01Р1/18, Н01Р1/22/ Управляемый микрополосковый корректор наклона амплитудно частотной характеристики/ Бахтин Ю.В. (RU), Капкин С.П. (RU), Прищенко A.M. (RU), Токарева Н.В. (RU)/ Опубл: 20.10.2004.

20. Пат. РФ №2248650. МПК Н01Р5/08 / Автоматический корректор амплитудно частотной характеристики/ Гурский С.М. (RU)./ Опубл.: 20.03.2005.

21. Искажения и коррекция сигналов в электронных приборах СВЧ/ Межвузовский научный сборник./ Изд-во Саратовского университета 1988г. Ред. коллегия проф. Д.М. Петров, проф. В.А. Солнцев, инженер В.В. Степанчук. 38 с.

22. Викулов И.К. Программа создания мощных СВЧ- модулей-перспективное направление военной СВЧ- радиоэлектроники в СШАЮлектронная техника. Сер. 1, СВЧ техника. -1993. - Вып. 4(458). - С 3-7.

23. Широкополосные спиральные лампы бегущей волны w комплектованные устройства / Бондаренко С.М., Кудряшов В.П, Кузьмин Ф.П., Рафалович А.Д. // Радиотехника, 2001, №2.-С 37-45

24. Викулов И. Вакуумная СВЧ электроника в США. Состояние г» тенденции развития./ И. Викулов, к.т.н., Н. Кичаева // Электроника, наука, технологии, бизнес. 5/2007, С. 66-77.

25. С.И. Ребров / Электронная СВЧ техника // Электронная техника, Сер.1, СВЧ техника, вып. 1(500), 2009, С. 31 - 70.

26. Данилов А.Б. Разработка амплитудно- и фазоидентичных ламп бегущей волны / Данилов А.Б., Нудельман Я.Е., Рафалович А.Д. // Радиотехника, 2002, №2.- С 41 -47.

27. Baruch Even-ог/ Broadband phase equalizing technique for combining high power TWTs. Microwave Journal, 1988, v. 31, № 12.

28. Фельдштейн А. Л. Справочник по элементам волноводной техники.(2е изд., перераб. и дополн. )/ А.Л. Фельдштейн, Л.Р. Явич, В.П. Смирнов// «Советское радио» Москва 1967г. 652 с.

29. Дж.Л. Альтман./Устройства сверхвысоких частот.(перевод с англ.) Под ред. проф. И. В. Лебедева/ Издательство «Мир» Москва 1968. 488 с.

30. Гупта К. Машинное проектирование СВЧ устройств, (перевод с англ.)Под ред. В.Г.Шейкмана/ К.Гупта, Р.Гардж, Р.Чадха // Москва «Радио и связь» 1987г. 432 с.

31. Доперальский В.В. Проектирование амплитудных корректоров для широкополосных усилителей с учетом характеристик ЛБВ / Б.К. Сивяков, В.В. Доперальский, А.Б. Данилов // Вестник СГТУ. 2011. № 1(52). С. 61-170.

32. Михайлов А.Ю. Исследование одночастотных амплитудной и фазоамплитудной характеристик широкополосной ЛБВ/ Михайлов А.Ю., Сивяков Б.К.// Техническая электродинамика и электроника. Сборник научных трудов/ Издательство СГТУ, город Саратов 2008 г. С70-72.

33. Доперальский В.В. Анализ основных причин неидентичности характеристик амплитудных шлейфных корректоров на коаксиальной и микрополосковой линии для широкополосных ЛБВ / В.В. Доперальский, Б.К. Сивяков // Вестник СГТУ. 2011. №1(54). С. 115-120.

34. Замести гель директора НГПД «Электронные системы» по научной работе, Заслуженный деятель науки РФ,доктор технических наук1. Начальник отдела,главный конструктор ОКР «Донор-02», главный конструктор У52243