Содержание к диссертации
Введение
1 Нерегулярные распределенно-сосредоточенные структуры, методы их анализа и синтеза (обзор) 10
1.1 ступенчато-нерегулярные структуры 11
1.2 Плавно-нерегулярные структуры 14
1.3 Комбинированные структуры 16
1.4 Цели и задачи исследований 17
2 Модели и алгоритмы анализа нерегулярных структур комбинированного типа 19
2.1 Эквивалентная схема и конечно-разностные уравнения комбинированных структур 19
2.2 Алгоритм расчета входных параметров комбинированных структур 26
2.3 Алгоритм расчета характеристик комбинированных структур при импульсном воздействии 36
2.4 Анализ сходимости численного алгоритма 37
2.5 Пример расчета комбинированной структуры 45
Выводы 52
3 Анализ широкополосных устройств и систем на основе комбинированных структур 53
3.1 Анализ широкополосных комбинированных антенн (решение внутренней задачи) 53
3.2 Модели и алгоритмы анализа согласующе-симметрирующих трансформаторов 68
3.3 Цепочки согласования импедансов на основе неминимально-фазовых фильтров 76
3.4 Цепочки комбинированных фильтров поглощающего типа 90
Выводы 105
4 Экспериментальные исследования 106
4.1 Реализация и экспериментальные исследования согласующе-симметрирующего трансформатора сопротивлений на связанных линиях передачи 106
Выводы по подразделу 112
4.2 Реализация и экспериментальные исследования широкополосных антенн комбинированного типа 113
4.4 экспериментальные исследования согласующих устройств на основе неминимально-фазовых фильтров 133
4.5 Макетирование и экспериментальные исследования цепочек с характеристиками фильтров поглощающего типа 138
Выводы 145
5 Программное обеспечение автоматизированного проектирования и синтеза 147
5.1 Программное обеспечение для расчета входных параметров проволочных комбинированных антенн 148
5.2 Система автоматизированного проектирования согласующих устройств на основе неминимально-фазовых фильтров 161
5.3 Программное обеспечение для моделирования управляющих секций на отрезке связанных линий передачи 167
5.4 Программы оптимизации и синтеза поперечной структуры полосковых линий передачи сложной формы 172
5.5 Программное обеспечение для экспериментального исследования частотных и временных характеристик комбинированных структур 184
Выводы 193
Заключение 194
Список литературы 196
- Алгоритм расчета входных параметров комбинированных структур
- Модели и алгоритмы анализа согласующе-симметрирующих трансформаторов
- Реализация и экспериментальные исследования широкополосных антенн комбинированного типа
- Система автоматизированного проектирования согласующих устройств на основе неминимально-фазовых фильтров
Введение к работе
Актуальность темы. Создание систем связи, радиолокации и радионавигации, работающих в различных диапазонах волн, потребовало в последние годы разработки широкополосных, с перекрытием по частоте 20:1 и более, функциональных устройств, приемных и передающих антенн. Развитие широкополосных систем обусловлено повышением требований к помехозащищенности передачи информации и применением шумоподобных сигналов в технике связи и радиолокации. Вопросам исследования и разработки широкополосных устройств посвящено большое число работ отечественных и зарубежных авторов.
Традиционным путем расширения полосы рабочих частот ВЧ и СВЧ устройств является применение в их составе отрезков нерегулярных линий передачи (НЛП), первичные параметры которых зависят от продольной координаты. Одними из первых в данном направлении были работы А. Л. Фельдштейна, в дальнейшем данное направление получило развитие в работах В.П. Мещанова, Б.М. Каца, И.Н. Салия. Спектральный подход к анализу и синтезу устройств на неоднородных линиях передачи изложен в работах О.Н. Литвиненко, В.В. Козловского, В.И. Сошникова. Синтезу устройств на основе ступенчато-нерегулярных линий передачи посвящены работы Б.А. Беляева, А.А. Лексикова, В.В. Тюрнева, R. Levy и других авторов. В некоторых частных случаях отрезки НЛП могут вырождаться в сосредоточенно-распределенные или “несоразмерные” цепи, подходы к анализу и синтезу которых изложены в работах М. Я. Воронина и В.Р. Шлее.
К настоящему моменту достаточно обстоятельно разработана теория ступенчато-нерегулярных и плавно-нерегулярных линий передачи. Разработана общая теория нерегулярных связанных линий (НСЛ), в том числе и с неуравновешенной электромагнитной связью. Известны работы по анализу и оптимизации распределенных устройств и антенн, содержащих элементы с сосредоточенными параметрами. Однако проектирование устройств на основе комбинированных структур, содержащих отрезки нерегулярных связанных линий передачи с произвольным законом изменения первичных параметров и сосредоточенные или квази-сосредоточенные корректирующие и согласующие элементы различных типов все еще остается сложной задачей.
Один из путей решения обозначенной проблемы разработка алгоритмов анализа и оптимизации устройств на основе нерегулярных структур комбинированного типа, содержащих отрезки нерегулярных связанных линий передачи с произвольным законом изменения первичных параметров и сосредоточенные или квазисосредоточенные корректирующие и согласующие элементы различных типов.
Создание эффективных алгоритмов анализа и оптимизации устройств на основе структур комбинированного типа является актуальной задачей и будет способствовать повышению качественных характеристик и сокращению затрат на разработку.
Цель работы. Анализ, экспериментальные исследования и оптимизация комбинированных структур, содержащих нерегулярные связанные линии передачи произвольной формы и сосредоточенные корректирующие включения.
Задачи исследования. Поставленная цель достигается решением следующих основных задач.
-
Разработка алгоритмов численного анализа структур, содержащих нерегулярные связанные линии передачи произвольной формы и сосредоточенные корректирующие включения.
-
Разработка моделей функциональных устройств на основе нерегулярных комбинированных структур.
-
Разработка программного обеспечения для проектирования устройств и систем на основе нерегулярных комбинированных структур.
-
Экспериментальные исследования комбинированных структур, в том числе во временной области в режиме импульсного воздействия.
-
Оптимизация частотных характеристик комбинированных устройств на основе разработанных моделей, алгоритмов анализа и результатов экспериментальных исследований.
Методы исследования. Для решения поставленных задач применяются методы теории линейных электрических цепей, матричной алгебры, вычислительной математики. При создании комплекса программ использовались методы объектно-ориентированного и модульного программирования. Проверка основных теоретических положений осуществлялась на основе экспериментальных исследований изготовленных опытных образцов и макетов.
Научная новизна работы определяется следующим.
1. Предложен алгоритм численного анализа структур комбинированного типа, содержащих нерегулярные связанные линии передачи с произвольной зависимостью первичных параметров от продольной координаты и корректирующие сосредоточенные или квазисосредоточенные элементы.
2. Разработаны модели и алгоритмы решения внутренней задачи анализа вибраторных комбинированных антенных систем декаметрового диапазона длин волн (ДКМВ), включающих в себя элементы фидерного тракта, согласующе-симметрирующие устройства, корректирующие фильтры и другие устройства.
3. Показано, что применение корректирующих сосредоточенных элементов в составе нерегулярных вибраторов комбинированных антенн и оптимизация профиля вибраторов позволяет расширить полосу рабочих частот антенны. Новизна технических решений подтверждается патентами [1, 2].
4. Реализован расчетно-экспериментальный метод оптимизации входных частотных характеристик комбинированных антенн по результатам измерений характеристик антенны во временной области при импульсном воздействии.
Практическая ценность.
-
Разработанное программное и аппаратное обеспечение позволило реализовать расчетно-экспериментальный метод оптимизации параметров комбинированных антенн диапазона ДКМВ. В результате оптимизации создано несколько образцов широкополосных комбинированных антенн с перекрытием по частоте 20:1.
-
Созданы образцы согласующе-симметрирующих трансформаторов, устройств согласования на неминимально-фазовых фильтрах. Разработаны макеты фильтров поглощающего типа.
-
Разработаны алгоритмы измерений, программное и аппаратное обеспечение для проведения измерений характеристик цепей во временной области с последующим вычислением частотных характеристик.
-
Созданные модели и алгоритмы анализа, изложенные в диссертационной работе, легли в основу оригинального программного обеспечения:
-
программа анализа входных частотных характеристик проволочных комбинированных антенн SWR2W;
-
программа синтеза согласующих устройств на основе секций неминимально-фазовых фильтров MatchWizard;
-
программное обеспечение для анализа управляющих секций на отрезке связанных линий передачи CoupledLineSimulator;
-
программа VIP-Line, позволяющая осуществлять параметрический синтез топологии микрополосковых связанных линий с вертикальной вставкой по заданным требованиям на конструктивные и электрические параметры.
-
программа SemiAngle для анализа первичных погонных параметров линии с лицевой связью методом конформных отображений.
-
Реализация и внедрение результатов исследований.
Работа выполнена на кафедре телекоммуникации и основ радиотехники Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. Достижения практического характера, в которых используются полученные автором результаты, внедрены в ФГНУ ГНТЦ “Наука” (г. Москва). Результаты работы используются в учебном процессе в Оренбургском государственном университете на кафедре “Проектирование и технология радиоэлектронных средств”, в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники на кафедрах: “Телекоммуникации и основ радиотехники”, “Радиоэлектронных технологий и экологического мониторинга”, “Радиоэлектроники и защиты информации”, “Сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники”.
Результаты работы использованы при мелкосерийном производстве приборов “Векторный импульсный измеритель характеристик цепей Р4-И-01” и программного обеспечения “ИмпульсМ v.1.0”, “ИмпульсМ v.2.0” для анализа частотных характеристик цепей в импульсном режиме.
Апробация результатов. Основные положения диссертационной работы представлялись на следующих конференциях и выставках:
Всероссийская научно-технической конференция "Современные проблемы радиоэлектроники", г. Красноярск, 2002 г.
Всероссийская научно-техническая конференция “Научная сессия ТУСУР”, г. Томск, 2004, 2005, 2007 гг.
Международная научно-практическая конференция “Электронные средства и системы управления”, г. Томск, 2004, 2005, 2007 гг.
Международный конгресс-выставка “Global Education – Образование без границ - 2007”, г. Москва, 2007 г.
Международная Крымская конференция “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии” (КрыМиКо’2008), г. Севастополь, 2008 г.
Основные научные положения, выносимые на защиту.
1. Предложенный рекурсивный алгоритм численного анализа волновых процессов в нерегулярных связанных линиях передачи, содержащих сосредоточенные неоднородности, обеспечивает вычисление распространяющихся квази-Т волн по известным значениям напряжений и токов в одном из сечений структуры и данных о параметрах конструкции связанных линий передачи без вычисления матриц собственных значений и собственных векторов.
2. Распределено-сосредоточенный характер рассматриваемых комбинированных структур обусловливает преимущество использования измерений характеристик цепей в импульсном режиме, с последующим вычислением частотных характеристик, при реализации расчетно-экспериментального метода оптимизации.
3. Совокупность предпринятых мер: применение нерегулярного профиля вибраторов; включение корректирующих фильтров; использование согласующе-симметрирующего устройства на входе позволяет расширить полосу рабочих частот комбинированной антенны и обеспечить перекрытие по частоте 20:1 при ограниченном уровне входного КСВ.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 26 работ, в том числе 5 в журналах из перечня ВАК. Получен 1 патент на изобретение, 1 патент на полезную модель. Результаты диссертационной работы отражены в 7-ми отчетах о НИР.
Структура и объем работы
Алгоритм расчета входных параметров комбинированных структур
Как было показано в подразделе 2.1, для использования конечно-разностного алгоритма расчета волновых процессов, кроме закона изменения первичных параметров , от номера узла сетки, необходимо иметь информацию о комплексных амплитудах напряжения и тока на входе комбинированной структуры, как функции частоты. Рассмотрим алгоритм решения этой задачи применительно к комбинированным структурам. На рисунке 2.3 приведен пример схемы нерегулярной структуры комбинированного типа. Структура состоит из нерегулярных связанных линий передачи, в разрывы которых включены элементы с сосредоточенными параметрами.
Алгоритм расчета входных параметров комбинированной структуры, а также напряжений и токов ( , ) на входе при заданных граничных условиях был предложен в [99]. Он состоит из следующих этапов: 1) структурная (блочная) дискретизация; 2) дискретизация отрезков нерегулярных связанных линий; 3) расчет погонных параметров элементарных отрезков НСЛ; 4) расчет матриц передачи отрезков НСЛ; 5) расчет матриц передачи сосредоточенных включений; 6) расчет полной матрицы передачи комбинированной структуры; 7) вычисление напряжений и токов на входе комбинированной структуры; 8) расчет распределения напряжений и токов. Рассмотрим подробно перечисленные этапы. На первом этапе осуществляется декомпозиция комбинированной структуры на конечное число блоков, представляемых в виде многополюсников так, как это показано на рисунке 2.4. Многополюсники описываются классическими или волновыми матрицами передачи. Схема блочной дискретизации нерегулярных структур комбинированного типа Многополюсник Zг описывает внутренним сопротивлениям генераторов E1, E2,…, EN. Многополюсник Zн соответствует сопротивлениям оконечных нагрузок на выходе комбинированной структуры. Нахождение матриц многополюсников Zг и Zн не вызывает затруднений, так как исходными являются уравнения, записываемые по законам Кирхгофа [103].
Многополюсники, описываемые матрицами AL1, AL2,…, ALm,…, ALM, представляют отрезки нерегулярных связанных линий. Матрицы передачи AL1, AL2,…, ALM для произвольного закона изменения первичных параметров НСЛ и для случая неравенства фазовых скоростей нормальных волн в общем виде в настоящее время не получены. Для частных случаев экспоненциальной зависимости первичных параметров от продольной координаты или по закону гиперболических функций, рядом авторов [2, 4, 12, 13] были получены матричные параметры НСЛ. Результаты упомянутых и других работ применимы для отрезков НСЛ, если зависимости их первичных параметров соответствуют указанным условиям. Однако требование равенства фазовых скоростей нормальных волн, принятые в публикациях [2, 4, 12, 13], значительно сужают область применимости известных решений отыскания матричных параметров НСЛ. Тем не менее, выделение отрезков НСЛ на данном этапе блочной дискретизации целесообразно, так как позволяет подойти к определению их матричных параметров с учетом особенностей каждого из отрезков НСЛ.
Многополюсники Q1, Q2,…, Qm,…, QM-1 отражают включение сосредоточенных неоднородностей. Определение матриц передачи Q1, Q2,…, QM-1, как было отмечено в подразделе 2.1, основывается на представлении сосредоточенных элементов в виде элементарных отрезков регулярных линий передачи с соответствующими параметрами. В данном случае определение параметров Qm через эквивалентное представление в виде распределенной структуры позволяет рассматривать всю блочную структуру (см. рис. 2.4) как однородную на следующем этапе дискретизации. Присутствие сосредоточенных элементов с матрицами Zг, Zн учитывается через граничные условия.
Перейдем к описанию следующего этапа дискретизации комбинированной структуры.На данном этапе производится дискретизация параметров отрезков нерегулярных связанных линий передачи, поперечное сечение которых зависит от продольной координаты. Для этого каждый из отрезков НСЛ, описываемых матрицами , разбивается на элементарные отрезки dl. В общем случае дискретизация может производиться путем разбиения отрезков НСЛ неравномерной сеткой. Однако такой прием, как показывают численные эксперименты, лишь осложняет процедуру дискретизации. Более продуктивным является максимально возможное уменьшение dl на шаге сетки. Ограничивающим фактором здесь являются вычислительные ресурсы. Рассмотрим далее дискретизацию типа 2D, при которой учитываются особенности структуры в плоскости x-y. При равномерном шаге по координате x необходимо учитывать неодинаковость физических длин линий передачи, образующих НСЛ, вследствие наклона средних линий составляющих проводников. На рисунке 2.5 приведен фрагмент N-проводной НСЛ, поясняющий геометрию задачи в плоскости z=const.
Модели и алгоритмы анализа согласующе-симметрирующих трансформаторов
По виду характеристик можно судить о том, что структура обладает симметрией относительно оси x в плоскости XY. Времена возникновения отраженных импульсов соответствуют неоднородностям комбинированной структуры: место стыка согласующего снижения и вибраторов ( 0.13 мкс), первый корректирующий фильтр (0.182 мкс), второй корректирующий фильтр (0.354 мкс), оконечные нагрузки (0.45 мкс). Остальные отраженные импульсы, поступающие на вход КС, являются результатами многократных переотражений сигнала от корректирующих фильтров и оконечных нагрузок. На рисунке 2.23 приведены формы сигналов на выходе комбинированной структуры.
По виду рассчитанных характеристик также можно судить о временной задержке сигнала в рассмотренной структуре, которая соответствует времени появления прошедшего тестового сигнала (0.225 мкс). Из характеристики также видно, что в процессе распространения импульсный сигнал претерпевает многочисленные отражения, в структуре имеют место сложные резонансные явления.
Предложенный подход был применен при расчете параметров проводных систем, антенн [90, 91, 27, 122, 99], а также в рефлектометрии [110, 125]. Результаты моделирования и экспериментальных исследований устройств и систем на основе комбинированных структур отражены в разделах 3 и 4. 1) Предложен алгоритм численного анализа структур комбинированного типа, содержащих в своем составе нерегулярные связанные линии передачи и сосредоточенные или квази-сосредоточенные корректирующие включения. 2) Предложен и описан матричный алгоритм анализа комбинированных структур, позволяющий определить токи и напряжения на входах КС, необходимые для старта предложенного конечно-разностного алгоритма. 3) Произведено сравнение точности расчетов по выражениям (2.42) и (2.43). Сравнение показало, что способ замены производной приближенным выражением для “центральной” производной имеет меньшую погрешность вычисления для всех рассмотренных вариантов формы отрезка НЛП. 4) Результаты численных экспериментов позволяют говорить о хорошей сходимости предложенного конечно-разностного алгоритма. 5) Сравнение результатов численного анализа с результатами аналитического решения для напряжения на выходе одиночной нерегулярной линии передачи показало хорошую точность численного анализа. При 100 узлах разбиения отрезка НЛП достигается погрешность вычисления напряжения на конце НЛП 0,5 %. 6) Приведенный пример расчета комбинированной структуры иллюстрирует применение итерационной процедуры расчета характеристик и параметров структур комбинированного типа. 7) Показано, что предложенный метод расчета комбинированных структур позволяет детально исследовать картину волновых процессов в комбинированных структурах без ограничений на закон изменения первичных параметров связанных линий, характер и количество включенных сосредоточенных неоднородностей. 8) Описанный метод расчета применим не только для моделирования комбинированных структур, но и для реализации расчетно-экспериментального метода при исследовании устройств на основе комбинированных структур. В разделе представлены модели широкополосных функциональных устройств и элементов антенн на основе структур комбинированного типа. Материал данного раздела основывается на изложенных в разделе 2 алгоритмах расчета и применяется для решения следующих задач: анализа волновых процессов в вибраторах комбинированных антенн [92 94, 27, 102]; моделирования согласующе-симметрирующих трансформаторов сопротивлений [126, 127]; анализа и синтеза устройств согласования на основе неминимально-фазовых фильтров [128 132]; анализа фильтров поглощающего типа [133].
Под термином комбинированная антенна (КА) [27] понимается антенна, излучающие вибраторы которой содержат сосредоточенные или квази-сосредоточенные включения, позволяющие улучшить технические и технико-эксплуатационные характеристики антенн: расширить полосу рабочих частот, синтезировать необходимую диаграмму направленности, уменьшить габаритные размеры и т.д. В разделе приводятся модели анализа двух- и четырехпроводных (по числу излучающих вибраторов) комбинированных антенн, решается задача расчета входных частотных и временных характеристик антенн при импульсном воздействии. С помощью предложенного и описанного в разделе 2 конечно-разностного алгоритма [90, 91] рассчитывается распределение токов в вибраторах комбинированной антенны.
Реализация и экспериментальные исследования широкополосных антенн комбинированного типа
Проведем анализ модели фильтра поглощающего типа на предмет достижения предельных характеристик избирательности фильтра, обеспечения минимального уровня отражения от входа фильтра полосе пропускания фильтра. Для этого произведем серию вычислений характеристик фильтра, варьируя следующие его основные параметры: коэффициент электромагнитной связи отрезков СЛ, относительная полоса заграждения режекторных фильтров, подключенных к балластным нагрузкам, коэффициент неуравновешенности фазовой скорости.
На первом этапе исследовалось влияния коэффициента электромагнитной связи k отрезков связанных линий на частотные характеристики ФПТ. Целью исследования было определение допусков на величину коэффициента электромагнитной связи k, в пределах которых обеспечивается уровень коэффициента отражения от входа ФПТ не превышающий 20 дБ. На рисунке 3.36 приведены частотные характеристики фильтра при трех значениях коэффициента связи k: 0.74; 0.707; 0.67. В диагональные плечи были включены фильтры Баттерворта третьего порядка с относительной полосой заграждения 10%, фазовые скорости нормальных мод равны между собой, длина отрезков связанных линий передачи соответствует /4. На рисунке 3.36 а показана частотна характеристика обратных потерь ФПТ при трех значениях коэффициента связи СЛ, на рисунке 3.36 б частотная характеристика прямых потерь.
Как видно из рисунка 3.36, минимум отражения от входа ФПТ в полосе пропускания, как и предполагалось, достигается при значении коэффициента связи k=0.707. При таком значении коэффициента связи отрезок СЛ представляет собой квадратурный мост. Предельное отклонение коэффициента электромагнитной связи k от оптимального значения 0.707, при котором уровень обратных потерь не превышает 20 дБ, составляет ±5%.
Кроме того, были получены предельные значения коэффициента электромагнитной связи k, при которых возникает совпадение характеристик передачи и отражения в окрестности центральной частоты фильтра. При этом максимальный коэффициент передачи (отражения) составляет 3 дБ. На рисунке 3.37 приведены характеристики, типичные для описанного режима работы ФПТ.
На втором этапе исследовалось влияние неравенства фазовых скоростей в отрезке связанных линий передачи на характеристики ФПТ. За основу был взят идеальный ФПТ (см. рис. 3.35), основные параметры которого приведены в подразделе 3.4.2. Был произведен ряд расчетов для различных значений коэффициента неуравновешенности фазовых скоростей мод . В результате чего было выяснено, что частотные характеристики ФПТ сильно зависят от степени неуравновешенности скоростей мод. Уже при небольшом значении неуравновешенности, не превышающем 5%, частотные характеристики фильтра сильно искажаются, особенно в области высоких частот. На рисунке 3.38 приведены характеристики ФПТ, в котором фазовые скорости мод отличаются на 3%. При этом характеристики фильтров с более быстрой четной модой и более быстрой нечетной модой практически совпадают.
На третьем этапе производилась оценка предельной широкополосности фильтров поглощающего типа, а также влияния полосы заграждения режекторных фильтров в диагональных плечах отрезка связанных линий на характеристики фильтра в целом. Было установлено, что при любой полосе заграждения фильтров, подключенных к балластным нагрузкам характеристики коэффициента передачи ФПТ на базе отрезка линий передачи с 3 дБ связью обратно пропорциональны характеристикам режекторных фильтров. При этом максимум коэффициента отражения от входа фильтра возрастает с увеличением относительной полосы пропускания. Особенно сильно данный эффект начинает проявляться при относительной полосе пропускания фильтра большей 30%. Был предложен способ повышения согласования фильтров с полосой пропускания 30% и более, который заключается в расширении полосы связи отрезка СЛ. Это может быть достигнуто заменой отрезка регулярных связанных линий отрезком плавно-нерегулярных или ступенчато-нерегулярных связанных линий передачи. На рисунке 3.39 приведены примеры частотных характеристик ФПТ: с относительной полосой пропускания 50% на базе отрезка регулярных СЛ со связью 0.707; на основе ступенчато-нерегулярной СЛ, состоящей из трех отрезков равной длины с коэффициентами электромагнитной связи, равными 0.2, 0.85, 0.2. Структурная схема ФПТ на отрезке ступенчато-нерегулярных связанных линий приведена на рисунке 3.40.
На четвертом этапе рассматривались способы повышения избирательности цепочек поглощающего типа. Как было показано выше, характеристика коэффициента передачи ФПТ обратно пропорциональна характеристике режекторных фильтров, включенных диагональные плечи отрезка СЛ. Применение нерегулярных связанных линий слабо влияет на амплитудно-частотную характеристику коэффициента передачи фильтра. Это позволяет сделать вывод, что основным способом повышения избирательности ФПТ является увеличение порядка режекторных фильтров. Однако реализация такого подхода сопряжена с рядом трудностей, таких как: большие габариты фильтра, рост потерь в полосе пропускания, требования к идентичности частотных характеристик режекторных фильтров, технологическая трудоемкость. Другим способом повышения избирательности ФПТ является создание фильтрующих цепочек, содержащих фильтры поглощающего типа и классические “отражающие” фильтры. На рисунке 3.41 приведены схемы включения фильтров, позволяющие получить неотражающие цепочки с несимметричными (а, б) и симметричными (в) свойствами четырехполюсников, образуемых в виде каскадного включения ФПТ и ППФ.
Система автоматизированного проектирования согласующих устройств на основе неминимально-фазовых фильтров
Результаты численных и экспериментальных исследований согласующе-симметрирующего трансформатора подтвердили применимость разработанной модели устройства для анализа характеристик и проектирования широкополосных ССТ на связанных линиях передачи. В результате экспериментальных исследований было произведено уточнение модели ССТ.
Сопоставление расчетных и экспериментальных результатов исследования комбинированных антенн диапазона ДКМВ позволяет утверждать, что предложенные модели и алгоритмы анализа достаточно достоверно отражают физические процессы в комбинированных структурах, и в частном случае, в комбинированных антенных системах. Разработанное программное обеспечение позволяет производить расчет и оптимизацию входных параметров и распределения токов в вибраторах комбинированных антенн согласно техническому заданию на разработку.
Применение метода импульсной рефлектометрии (с последующим вычислением частотных характеристик) для диагностики нерегулярных комбинированных структур имеет преимущества перед классическим анализом в частотной области, так как позволяет выявить причины появления локальных отражений. Использование данного метода измерений наряду с применением математического моделирования позволило установить причину рассогласования при оптимизации параметров комбинированной антенны и предложить техническое решение, обеспечивающее уменьшение коэффициента отражения по входу в широкой полосе частот. Предложенное техническое решение защищено патентом РФ [163, 167].
Результаты экспериментальных исследований согласующих устройств на основе неминимально-фазовых фильтров подтверждают высказанное предположение о возможности достижения локального согласования широкополосной комбинированной структуры. Результаты анализа хорошо согласуются с результатами экспериментальных исследований, что подтверждает адекватность разработанных моделей.
Наряду с рассмотренным способом согласования, который заключается во включении между выходами ССТ и вибраторами комбинированной антенны неминимально-фазовых фильтров с идентичными частотными характеристиками, особый интерес представляют режимы включения фазовых фильтров с неодинаковыми частотными характеристиками и открывающиеся при этом дополнительные степени свободы за счет регулировки режимов возбуждения комбинированной антенны. 6. Разработанные и изложенные в разделе 3 рекомендации к проектированию цепей поглощающего типа с селективными свойствами нашли подтверждение в процессе макетирования, изготовления и измерения характеристик макетов. 7. Проведенные экспериментальные исследования подтверждают эффективность разработанных алгоритмов и программ расчета первичных параметров сложных полосковых структур по заданным конструктивным требованиям. 8. Остается открытым вопрос синтеза управляемых фильтров поглощающего типа с заданными аплитудно-частотными и фазо-частотными характеристиками. Разработанные модели и алгоритмы анализа структур комбинированного типа, описанные во втором и третьем разделах, послужили основой для разработки специализированного программного обеспечения. Программное обеспечение, описываемое в данном разделе, представляет собой оригинальные разработки автора диссертации, а также продукты, созданные при его непосредственном участии. Программное обеспечение включает в себя средства проектирования устройств и систем на основе связанных линий передачи: программу анализа входных параметров проволочных антенн комбинированного типа [159]; систему автоматизированного проектирования согласующих устройств на основе неминимально-фазовых фильтров [131, 129, 174]; программу моделирования управляющей секции на отрезке связанных линий передачи [170]; программы оптимизации и синтеза поперечной структуры полосковых линий передачи сложной формы [171 173]. Также разработано программное обеспечение “ИмпульсМ 1.0” и “ИмпульсМ 2.0” для векторного импульсного измерителя характеристик цепей для анализа и диагностики структур комбинированного типа в импульсном режиме с последующим вычислением их частотных характеристик [164, 175, 176, 109, 156]. позволяющее автоматизировать процесс диагностики функциональных узлов и систем, применить расчетно-экспериментальный метод проектирования [1]
