Введение к работе
диссертационного совета Димитрюк А.А.
Актуальность работы. Пассивные устройства СВЧ являются важной составляющей частью компонентной базы современной радиоэлектронной аппаратуры. Они выполняют разнообразные функции по обработке сигналов: деление, сложение, фазовое смещение, направленное ответвление, согласование и заданное рассогласование, трансформацию волновых сопротивлений, фильтрацию и другие функции. Оптимизация АЧХ и (или) ФЧХ функциональных устройств в максимально широкой рабочей полосе частот не теряет своей актуальности. Самыми перспективными для достижения максимально возможной ширины рабочей полосы частот базовыми элементами, образующими структуры пассивных функциональных устройств, являются отрезки одиночных и связанных линий передачи (ЛП) с Т- волнами.
Наиболее широкополосными и перспективными для практики являются ступенчатые и плавные нерегулярные линии передачи (НЛП). История исследований структур из ступенчатых и плавных НЛП, а также исследований, разработок и производства устройств СВЧ на их основе насчитывает более восьми десятилетий.
Весомый вклад в исследование и совершенствование пассивных функциональных устройств с Т-волнами внесли отечественные ученые: Аристархов Г.М., Богданов А.М., Бунимович Б.Ф., Вольман В.И., Вольперт А.Р., Воскресенский Д.И., Горбачев А.Г., Давидович М.В., Кац Б.М., Литвиненко О.Н., Малорацкий Л.Г., Метельникова И.В., Мещанов В.П., Митрохин В.Н., Михалевский В.С., Модель З.И., Неганов В.А.,
Нейман М.С., Никольский В.В., Пистолькорс А.А., Рейзенкинд Я.А., Сазонов Д.М., Салий И.Н., Следков В.А., Сестрорецкий Б.В., Сошников В.И., Стародубровский Р.К., Тищенко В.И., Фельдштейн А.Л., Хвалин А.Л., Цоц (Разукова) И.А., Чернышев С.Л., Чумаевская Г.Г.
Плодотворно работали в этом направлении и зарубежные ученые: Arndt F., Bandler J.W., Bolinder F., Cohn S.B., Collin R. E., Cristal E.G.,
Gupta K.C., Jones E.M.T., Kammler D., Kuroda K., Lange G., Levy R.,
Matthaei G.L., Mitra S.K., Monteath G.D., Riblet H. J., Richards P.I.,
Saulich G., Schiffman B.M., Shelton J.P., Temes G.C., Tresselt C.P.,
Wenzel R.J., Wilkinson E.J., Wolfe J.J., Yamamoto S., Young L.2
Среди ступенчатых наиболее изученными структурами функциональных устройств СВЧ являются структуры класса I
[Л1-Л3], представляющие собой каскадное включение отрезков регулярных одиночных либо связанных ЛП одинаковой длины с разными значениями волновых сопротивлений либо коэффициентов связи.
Cтупенчатые структуры класса II были предложены и начали исследоваться позднее [Л4, Л5]. Они образуются каскадным включением отрезков регулярных одиночных или связанных ЛП, различных по длине, с двумя чередующимися значениями волновых сопротивлений или коэффициентов связи. Их преимуществами с практической точки зрения являются значительно меньшее число типов неоднородностей, возможность унификации конструкций и уменьшение габаритов устройств на их основе.
Плавные одиночные и связанные НЛП менее изучены по сравнению со ступенчатыми. Однако они обладают рядом уже доказанных на практике преимуществ перед ступенчатыми [Л6-Л8].
Цель исследования – оптимизация АЧХ и (или) ФЧХ пассивных функциональных устройств СВЧ на линиях передачи с Т-волнами. Достижение поставленной цели осуществляется в результате решения задач параметрического синтеза функциональных устройств. При постановке задач синтеза используется минимаксный критерий.
Основные задачи исследования:
-
Разработка алгоритмов и программ анализа и параметрического синтеза устройств СВЧ с Т- волнами.
-
Синтез фильтров и трансформаторов волновых сопротивлений (ТВС) на основе новых структур, образованных каскадным включением отрезков регулярных одиночных линий передачи разной длины с двумя чередующимися значениями волновых сопротивлений.
-
Синтез фильтров на основе ступенчатых и плавных (одиночных и связанных) ЛП с согласованными и несогласованными нагрузками, в том числе на основе тандемного включения отрезков связанных ЛП.
-
Синтез направленных ответвителей (НО) на основе одноэлементных и многоэлементных связанных плавных НЛП.
-
Синтез фиксированных фазовращателей (ФФ) на основе новых структур из одиночных и связанных ЛП.
-
Синтез малогабаритных ступенчатых направленных ответвителей и трансформаторов волновых сопротивлений.
-
Синтез делителей мощности (ДМ) на основе новых структур из одиночных ЛП со шлейфами и конденсаторами.
-
Анализ предельных диапазонных свойств направленных ответвителей и трансформаторов волновых сопротивлений на основе ступенчатой структуры класса II.
-
Внедрение расчетно-экспериментального метода оптимизации для минимизации отклонений теоретических АЧХ и (или) ФЧХ от экспериментальных частотных характеристик синтезируемых функциональных устройств.
Методика и средства проведения исследования. Проведенное исследование базировалось на методах теории многополюсников, теории матриц, методах нелинейного программирования, расчетно-экспериментальном методе оптимизации. Частотные характеристики устройств описывались в приближении Т-волн с помощью классических и волновых матриц передачи и рассеяния. Для решения задач параметрического синтеза использовались методы: выравнивания максимумов, линеаризации Пшеничного, e-наискорейшего спуска Демьянова и Малоземова, метод сопряженных градиентов.
Результаты и положения, выносимые на защиту
-
Программа параметрической оптимизации устройств СВЧ с Т- волнами, включенная в Реестр программ для ЭВМ.
-
Решены задачи синтеза фильтров и трансформаторов волновых сопротивлений, структура которых образована каскадным включением отрезков регулярных одиночных линий передачи разной длины с двумя чередующимися значениями волновых сопротивлений. Найдены основополагающие закономерности в распределении электродинамических параметров базовых элементов структуры, из которых следуют, в частности, необходимые условия для обеспечения максимальной (предельной) ширины рабочей полосы частот: нечетное число ступеней и симметрия структуры - для фильтров; четное число ступеней и антиметрия структуры - для трансформаторов волновых сопротивлений и для устройств, выполняющих одновременно и функцию фильтра, и функцию трансформатора волновых сопротивлений.
-
Для фильтров гармоник на основе отрезка связанных плавно-нерегулярных линий передачи установлен принципиально новый класс оптимальных решений задачи параметрической оптимизации, характеризующийся двумя максимальными значениями коэффициента связи, расположенными на одинаковом расстоянии от центра области связи. Решения этого класса позволяют существенно уменьшить максимальное значение коэффициента связи, обеспечить «плавность» изменения геометрических размеров по длине связанных линий передачи, увеличить уровень передаваемой мощности.
-
Решены задачи синтеза направленных ответвителей на основе одноэлементных и многоэлементных связанных плавных НЛП. Найдены оптимальные с точки зрения практической реализуемости решения, которые обеспечивают совершенные экспериментальные характеристики переходного ослабления (с коэффициентом перекрытия рабочего диапазона частот более 25) и направленности (более 30 дБ).
-
На основе новых структур, образованных каскадным включением чередующихся отрезков одиночных регулярной и нерегулярной ЛП разной длины, решены задачи синтеза фильтров гармоник и полосно-пропускающих фильтров, обладающих, вследствие исключения электрических неоднородностей, более совершенными характеристиками, чем фильтры на ступенчатых одиночных линиях передачи.
-
Решены задачи синтеза фиксированных фазовращателей новых структур на связанных линиях передачи (регулярных, ступенчатых, одноэлементных плавных и многоэлементных). Найденные решения, в отличие от известных, учитывают параметры всех базовых элементов синтезируемой структуры.
-
Решены задачи синтеза фиксированных фазовращателей на одиночных линиях передачи, защищенные шестью патентами. Фазосдвигающий канал в них представляет собой ступенчатые или плавные линии передачи с параллельно включенным в центре структуры короткозамкнутым шлейфом. Доказана аналитическая эквивалентность параллельно включенного короткозамкнутого шлейфа длиной l с волновым сопротивлением Z двум параллельно включенным короткозамкнутому и разомкнутому шлейфам длиной l/2 с волновым сопротивлением 2Z.
-
Решены задачи синтеза малогабаритных ступенчатых направленных ответвителей на связанных ЛП, а также трансформаторов волновых сопротивлений и делителей мощности на основе новых структур на одиночных ЛП со шлейфами и конденсаторами, содержащих меньшее число неоднородностей и отличающихся уменьшенными продольными размерами по сравнению с ранее известными.
-
Установлены предельные диапазонные свойства направленных ответвителей на связанных линиях передачи и трансформаторов волновых сопротивлений на одиночных линиях передачи, структуры которых образованы каскадным включением отрезков, у которых длины разные, а коэффициенты связи (для ответвителей) и волновые сопротивления (для трансформаторов) принимают два чередующихся значения.
Аргументированность, достоверность и обоснованность результатов работы. Использование приближения Т-волн при построении математических моделей базировалось на допущении малости поперечных размеров ЛП и неоднородностей в них по сравнению с длиной волны. Такой подход, основанный на использовании основной (упрощенной) математической модели, оправдывает многолетний и успешный опыт исследований в различных областях науки и техники [Л9, Л10]. Разработанные программы анализа и параметрической оптимизации апробировались решением тестовых задач. В пользу достоверности результатов свидетельствуют полученные экспериментальные характеристики конкретных разработанных функциональных устройств СВЧ и результаты внедрения их в производство.
Научная новизна работы.
-
Впервые решены задачи синтеза трансформаторов волновых сопротивлений на основе структуры, образованной каскадным включением отрезков одиночных линий передачи разной длины, волновые сопротивления которых равны согласуемым волновым сопротивлениям. Установлено, что для получения оптимальных частотных характеристик структура должна быть антиметричной. Найдены условия антиметрии структуры. Установлено, что продольные размеры трансформаторов на основе исследованной структуры уменьшаются с ростом перепада согласуемых волновых сопротивлений и всегда меньше продольных размеров трансформаторов волновых сопротивлений классической ступенчатой структуры.
-
Предложены новые структуры малогабаритных трансформаторов волновых сопротивлений на одиночных ЛП с конденсаторами и со шлейфами, содержащие меньшее число неоднородностей, по сравнению с ранее известными. Структуры защищены 2 патентами на изобретения. Решены задачи синтеза трансформаторов волновых сопротивлений на основе этих структур.
-
Впервые решены задачи синтеза фильтров гармоник на основе структуры, образованной каскадным включением нечетного числа отрезков регулярных одиночных линий передачи разной длины с двумя чередующимися значениями волновых сопротивлений. Установлено, что для получения оптимальных частотных характеристик структура должна быть симметричной. Найдены условия симметрии структуры.
-
Предложена новая структура многоэлементной плавной линии передачи, образованная каскадным включением регулярных и нерегулярных экспоненциальных отрезков одиночных линий, защищенная авторским свидетельством на изобретение. Найдены оптимальные параметры фильтров гармоник и полосно-пропускающих фильтров на ее основе. Показана важная в прикладном отношении возможность построения фильтров на основе многоэлементной коаксиальной ЛП, диаметр внутреннего проводника которой изменяется по закону плавной кусочно-линейной функции. Экспериментальное исследование коаксиального фильтра гармоник и микрополоскового полосно-пропускающего фильтра подтвердило общность и эффективность использования Т-модели при синтезе фильтров на основе многоэлементной ЛП.
-
Впервые решены задачи параметрической оптимизации фильтров гармоник на одиночных ступенчатых линиях передачи с учетом ограничений на величины волновых сопротивлений звеньев.
-
Впервые решены задачи параметрической оптимизации фильтров гармоник на основе тандемного включения отрезков связанных регулярных или ступенчатых линий передачи. Структуры защищены авторским свидетельством на изобретение. Проведен сравнительный анализ полученных решений.
-
При решении задач синтеза фильтров гармоник на основе отрезка связанных плавных линий передачи найден принципиально новый класс оптимальных решений, который обеспечивает существенное упрощение реализуемости фильтров за счет уменьшения максимального значения коэффициента связи по сравнению с классическими решениями.
-
Впервые решены задачи параметрической оптимизации фильтра нижних частот на основе новой структуры, образованной тандемным соединением двух связанных плавных линий передачи с выходными плечами, нагруженными на несогласованные нагрузки. Показано, что использование такой структуры позволяет существенно уменьшить максимальное значение коэффициента связи, по сравнению с известными фильтрами.
-
Предложены три новые структуры фиксированных фазовращателей на одиночных линиях передачи, защищенные шестью патентами на изобретения и полезные модели. Фазосдвигающий канал в них представляет собой ступенчатые или плавные линии передачи с параллельно включенным в центре структуры короткозамкнутым шлейфом. Доказана аналитическая эквивалентность параллельно включенного короткозамкнутого шлейфа длиной l с волновым сопротивлением Z двум параллельно включенным короткозамкнутому и разомкнутому шлейфам длиной l/2 с волновым сопротивлением 2Z. Решены задачи синтеза фиксированных фазовращателей на основе этих структур. Показана эффективность применения расчетно-экспериментального метода при изготовлении фазовращателей на микрополосковых линиях передачи.
-
Решены задачи синтеза фиксированных фазовращателей на основе модифицированных ступенчатых структур на связанных линиях передачи. Их отличием от известных является то, что в фазосдвигающем канале соединение плеч отрезков связанных линий выполнено в виде отрезка регулярной ЛП, длина которого учитывается в процессе оптимизации. Структуры защищены авторским свидетельством на изобретение.
-
Найдены оптимальные электродинамические параметры фиксированных фазовращателей: электрические длины и коэффициенты связи. Структура фазосдвигающего канала фазовращателей представляет собой четырехполюсник, образованный из восьмиполюсника (тандемного включения отрезков регулярных связанных линий передачи). Показано, что использование тандемного включения в структуре позволяет одновременно уменьшить и коэффициент связи, и длины отрезков связанных ЛП без ухудшения фазочастотных характеристик по сравнению с ранее известными фазовращателями.
-
Впервые решены задачи параметрической оптимизации фиксированных фазовращателей на основе отрезка симметричных нерегулярных связанных линий передачи.
-
Решены задачи параметрической оптимизации малогабаритных делителей мощности на основе новых структур из регулярных ЛП с сосредоточенными и распределенными параметрами. Полученные технические решения защищены патентом на изобретение.
-
Предложена новая структура направленного ответвителя, образованная каскадным включением чередующихся отрезков нерегулярных и регулярных связанных ЛП, отличающихся длиной и коэффициентами связи. Структура защищена авторским свидетельством на изобретение. Найдены электродинамические параметры базовых элементов структуры, обеспечивающие чебышевские характеристики переходного ослабления в рабочей полосе частот и отличающиеся меньшими значениями максимального коэффициента связи по сравнению со ступенчатыми направленными ответвителями.
-
Решены задачи параметрической оптимизации малогабаритных направленных ответвителей на связанных линиях передачи. Найдены закономерности в распределении длин ступеней трехступенчатых симметричной и несимметричной структур, позволяющие вдвое сократить габариты направленных ответвителей на их основе. Полученные технические решения защищены авторским свидетельством и патентом на изобретение.
Практическая значимость работы определяется следующим:
-
Оптимальные параметры, найденные при решении задач параметрического синтеза функциональных устройств СВЧ на основе исследованных структур, представлены в виде таблиц. Их использование дает исчерпывающую информацию для проведения инженерных расчетов конкретных функциональных устройств СВЧ.
-
Таблицы оптимальных параметров, построенные в приближении Т-волн, представляют собой новые классы оптимальных решений для новых и известных ранее структур трансформаторов волновых сопротивлений, делителей мощности, направленных ответвителей, фильтров, фиксированных фазовращателей.
-
Эти решения следует рассматривать как базовые, основополагающие. Их практическое использование может быть осуществлено двумя основными способами. В одних случаях найденные частотные характеристики могут быть реализованы непосредственно (без уточнения модели) на коаксиальных, полосковых, микрополосковых ЛП. В других случаях эти решения могут быть использованы как первые приближения для применения расчетно-экспериментального метода оптимизации, позволяющего скорректировать найденные решения, используя результаты экспериментального исследования или модели более высокого уровня точности. Таким образом, таблицы оптимальных решений, найденных в приближении Т-волн, обладают значительной общностью и имеют широкую область практического использования.
-
Разработанные программы анализа и параметрической оптимизации, обладают достаточной общностью: их можно использовать для решения задач анализа и синтеза различных функциональных устройств СВЧ; полученные на их основе оптимальные электродинамические параметры могут быть использованы в различных рабочих диапазонах частот синтезируемых устройств. Программа параметрической оптимизации защищена свидетельством о её официальной регистрации.
Личный вклад. Результаты, отраженные в разделе «Научная новизна» и положенные в основу положений и результатов, выносимых на защиту, получены лично автором. Разработка алгоритмов и программ анализа и параметрической оптимизации, проведение расчетов, анализ результатов исследований и представление их на научных конференциях также осуществлены автором диссертации.
Апробация работы. Основные результаты обсуждались на Всесоюзной научной сессии НТО им. Попова (г. Днепропетровск, 1977 г.), VII Республиканской конференции по радиоизмерениям (г. Каунас, 1977 г.), Всесоюзных научных семинарах (г. Москва, 1984, 1985 гг.), Всесоюзных научно-технических конференциях (г. Новосибирск, 1984 г.; г. Одесса,
1988 г.; г. Суздаль, 1989 г.), Межведомственных научно-технических конференциях (г. Киев, 1978 г., г. Саратов, 1986, 1987, 1989 гг.), IX Международной школе-семинаре «Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ» (г. Самара, 1997 г.), 8-й Международной Крымской конференции (г. Севастополь, Крым, Украина, 1998 г.), Международной конференции «Новые технологии в радиоэлектронике и системах управления» (г. Нижний Новгород, 2002 г.), II и III Международных научно-технических конференциях «Физика и технические приложения волновых процессов» (2003 г. Самара, 2003, Волгоград, 2004 г.), VII, XIII Международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь» (г. Воронеж, 2001, 2007 гг.), 2-м, 4-м и 6-м рабочих семинарах IEEE Saratov-Penza Chapter (г. Саратов, 1998, 2000, 2002 гг.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано в открытой печати 90 работ, среди которых 2 монографии, 2 статьи в ведущих международных научных журналах, 37 статей в центральных научных журналах из перечня ВАК, 3 авторских свидетельства, 11 патентов на изобретения и полезные модели, 1 свидетельство об официальной регистрации программы в Реестре программ для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 8 глав, заключения, списка литературы из 193 наименований. Работа изложена на 316 страницах, содержит 119 рисунков, 90 таблиц и 22 страницы списка литературы.
