Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время информационные технологии все шире охватывают различные сферы деятельности. Увеличивается потребность широкополосного доступа к необходимой информации в любой временной промежуток, вне зависимости от положения получателя информации в пространстве. Этими свойствами обладает, в частности, канал передачи СВЧ диапазона.
Современные мобильные системы связи охватывают как густонаселенные территории, так и территории с малой численностью населения. Однако остается высокой потребность создания временных полевых информационных сетей в малонаселенных районах с возможностью передачи видеоинформации в пункты их сбора. Особенно это важно для предприятий, ведущих поисковые работы, организующих добычу природных ресурсов. Передача видеоряда необходима как для наблюдения работоспособности и обстановки на стационарном оборудовании, работающем в автономном режиме, так и для мобильных подвижных систем для оценки обстановки и увеличения скорости обработки собранной информации. Необходимо отметить целесообразность установки данных систем на подвижные объекты для организации связи в условия невозможности функционирования обычных телекоммуникационных сетей.
Одним из возможных вариантов построения такой подвижной полевой телекоммуникационной сети является вариант представленный на рис. 1. Для сбора и передачи информации используются подвижные объекты 1 и 2, информация передается на подвижную базовую станцию - ретранслятор 3, откуда информация через ретранслятор 4 передается в пункт сбора и анализа информации 5. Причем подвижные объекты 2 могут ретранслировать сигналы других подвижных объектов -1 на подвижную базовую станцию - ретранслятор 3.
Рис. 1. Организация временной полевой телекоммуникационной сети Только СВЧ диапазон обеспечивает возможность передачи большого потока информации, обрабатываемого информационной системой для идентификации наблюдаемых объектов, позиционирования на местности, постановки задачи и накопления видеоинформации для отчета о качестве ее выполнения.
Наибольшую сложность вызывает создание приемопередающих комплектов абонентского оборудования для размещения на подвижных средствах, используемых для сбора и передачи информации 1 и 2, так как они должны в первую очередь выполнять задачи своего непосредственного н|^нА>йнид АЩАЙІЙІ^Й Jiffr0вь|е станции ретранслято-
ры могут размещаться на спецлали ирова^^^д^щ^ма\, которых а настоящее время
СВЭЕ^
С.(1
* 09
имеется достаточное количество модификаций. Оборудование, размещаемое же на подвижных объектах 1 и 2 должно удовлетворять следующим требованиям: должно быть экономичным и технологичным; обладать малой массой и объемом; иметь высокую стойкость к повышенным температурам и их перепадам; предоставлять возможность настройки и ремонта в полевьж условиях. Отечественные технологии в настоящее время не позволяют реализовать эти решения в носимом (ранцевом) варианте и единственный выход - размещение систем на технике.
Особую сложность вызывает создание и размещение высокочастотных блоков приемопередающего тракта телекоммуникационной аппаратуры, так как именно эти блоки имеют наибольшее энергопотребление, и естественно именно в этих блоках выделяется наибольшее количество тепла и именно они наиболее подвержены факторам, влияющим на расстройку системы.
В СВЧ блоках предпочтительно применять адаптивные фильтрующие СВЧ элементы, позволяющие оперативно перестраиваться по частоте и амплитуде, диссипативные элементы, позволяющие работать в жестком импульсном режиме, и конструктивные решения корпусов ИС СВЧ, позволяющие в полевьж условиях производить подстройку параметров системы, ушедших от номинала, вследствие воздействия различных внешних дестабилизирующих факторов (повышенной температуры и ее частых перепадов, вибрации, повышенной запыленности и др.), обусловленных работой техники в полевьж условиях.
Новая область применения такой СВЧ аппаратуры вызывает новые спектры задач, не всегда совпадающие с классическими задачами СВЧ техники, поэтому направление научных работ, посвященное разработке ИС и ГИС СВЧ для установки на передвижной технике является актуальной задачей.
Цель работы и задачи исследования Целью работы является разработка новых технологичных устройств для перестраиваемых СВЧ схем высокой степени интеграции для телекоммуникационных систем, работающих с сигналами повышенной мощности, а Іакже корпусов СВЧ микроблоков, позволяющих осуществлять настройку параметров в процессе эксплуатации.
Для дост ижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
разработка малогабаритных перестраиваемых СВЧ фильтров;
создание диссипативных элементов для ИС и ГИС СВЧ с возможностью распределения теплового поля по двум координатам и минимизации перегрева из-за влияния краевого эффекта;
разработка эффективного метода компенсации влияния корпуса сложной конфи-Іурации ИС СВЧ на параметры элементов схемы;
разработка способа настройки и конструкций корпусов ИС СВЧ, позволяющих осуществлять настройку параметров элементов СВЧ схемы (без разгерметизации) в полевьж условиях.
Основные методы исследования. При решении поставленных задач использовался математический аппарат теории матриц, дифференциального и интегрального исчислений, метод конечных разностей, математическая статистика, а также экспериментальные исследования разработанных СВЧ устройств, их моделирование с использованием САПР СВЧ Microwave Office и ПАРУС.
Научная ценность и новизна работы заключаются в следующем: I. Предложено использование эффекта паразитного резонанса в связанньж шлейф-ны\ конструкциях для создадия новьж.налентночистьж перестраиваемых СВЧ фильтров
Разработан способ перераспределения по двум координатам локальных максимумов перегрева диссипативных СВЧ элементов в сторону наиболее оптимальных тепловых стоков. На основе данного способа разработаны новые конструкции полосковьж согласованных нагрузок и аттенюаторов, защищенные двумя патентами РФ.
Разработана методика компенсации параметров элементов СВЧ схем при использовании корпусов сложной конфигурации, для которых эффективно добавление подстроенных элементов.
Разработан новый способ настройки параметров полосковьж СВЧ элементов схемы без разгерметизации СВЧ микроблока, на основе данного способа разработаны новые конструкции корпусов ИС СВЧ, защищенные двумя патентами РФ.
Практическая ценность работы заключается в том, что: предложен новый способ управления амплитудой паразитного полуволнового резонанса в шлеифньж конструкциях, на его основе разработаны малогабаритные шлейфные перестраиваемые СВЧ фильтры, позволяющие управлять как уровнем полосы пропускания, так и дискретно изменять рабочую частоту, позволяющие добиться экономии площади подложки в 2-3 раза; разработан новый способ распределения локальных перегревов диссипативных элементов СВЧ по двум кобр-' динатам в зависимости от расположения наиболее благоприятных тепловых стоков СВЧ платы, позволяющий исключить вьжод из строя мощньж СВЧ нагрузок и аттенюаторов из-за выжигания участков боковой кромки резистивного слоя, что позволило уменьшить общую площадь рассеивания мощного диссипативного СВЧ элемента примерно в 2 раза; разработана новая программа для определения диапазона регулировок при реализации способа настройки параметров ИС и ГИС СВЧ без разгерметизации СВЧ блока; разработан новый способ настройки параметров ИС СВЧ в полевьж условиях без разгерметизации СВЧ блока; созданы на основе разработанных алгоритмов, моделей и программ патентночистые конструкции телекоммуникационных СВЧ устройств (аттенюаторов, согласованньж нагрузок, микрополосковьж фильтров, СВЧ микроблоков).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции "Проектирование и эксплуатация электронных средств" (г. Казань, 2000 г.); межвузовской научно-технической конференции "Управляющие и вычислительные системы. Новые технологии", (г. Вологда, 2000 г.); ГУ Всероссийской научно-технической конференции "Информационные технологии и электроника", (г. Екатеринбург, 1999 г.).
По основным результатам выполненных исследований опубликовано 15 печатных работ, включая 9 статей, 6 тезисов докладов на международных, всероссийских и межвузовских конференциях, кроме того, имеется 6 изобретений (4 патента РФ и 2 положительных решения на выдачу патента РФ).
Реализация результатов. Теоретические и практические результаты работы использованы при разработке СВЧ устройств в лаборатории микроволновых интегральных компонент и электронных модулей "МИКЭМ" г. Санкт-Петербург. Результаты исследования используются в учебном процессе Московского военного института на кафедре конструирования боевьж машин и Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева на кафедре конструирования и производства микроэлектронной аппаратуры.
Структура работы. Диссертация состоит из введения. 6 глав, заключения и списка литературы. Она изложена на 146 страницах машинописного текста, содержит 72 рисунка,
2 таблицы и список использованных источников из 124 наименований.
Достоверность теоретических результатов обеспечивается достаточной строгостью постановки задачи и корректностью математических преобразований, а также результатами математического моделирования; достоверность практических результатов обеспечивается сравнением с данными публикаций, результатами серий тестовых экспериментов на изготовленных макетах и микроблоках СВЧ, положительными результатами патентной экспертизы.
Основные положения, выносимые на защиту.
Метод управления паразитным полуволновым резонансом с помощью активных СВЧ элементов и его использование для проектирования перестраиваемых по амплитуде и частоте малогабаритных СВЧ фильтров.
Метод распределения теплового поля диссипативных СВЧ элементов по двум координатам, позволяющий снизить их габариты, увеличить рассеиваемую мощность и исключить выжигание резистивного слоя на боковой кромке.
Модель, позволяющая учесть параметры элементов СВЧ схем в зависимости от конфигурации экранирующего корпуса, позволяющая учесть изменение параметров СВЧ элементов после помещения СВЧ платы в корпус на этапе их проектирования, за счет оптимального введения подстроечных элементов.
Метод настройки параметров элементов СВЧ схемы в процессе эксплуатации позволяет осуществлять коррекцию выходньж характеристик СВЧ микроблока без его разгерметизации.
Математические модели элементов и устройства, разработанные на их основе:
модель управления паразитным полуволновым резонансом, а также перестраиваемые СВЧ фильтры на ее основе;
модель ромбовидного резистивного элемента, а также согласованные СВЧ нагрузки и аттенюаторы на ее основе;
модель настроечного корпусного элемента, а также конструкции настраиваемых СВЧ микроблоков, разработанные на ее основе.
