Введение к работе
Актуальность темы. Волноводные фазовращатели на p-i-n-диодах применяются в фазированных антенных решетках (ФАР) радиолокационных станций, а также в качестве фазовых модуляторов в приемных и передающих трактах радиоэлектронной аппаратуры.
Управление фазами позволяет радару с ФАР формировать необходимую диаграмму направленности антенны; изменять направление луча неподвижной антенны и, таким образом, осуществляя быстрое сканирование – качание луча, управлять в определённых пределах формой диаграммы направленности – изменять ширину луча, интенсивность боковых лепестков и т.п.
Эти свойства ФАР, а также возможность применять для управления ФАР современные средства автоматики и вычислительной электроники обусловили их перспективность и широкое использование в радиолокации, радиосвязи, радионавигации, радиоастрономии и т.д. ФАР, содержащие большое число управляемых элементов, входят в состав различных наземных (стационарных и подвижных), корабельных, авиационных и космических радиоустройств. Ведутся интенсивные разработки в направлении дальнейшего развития теории и техники ФАР и расширения области их применения.
Одним из важных преимуществ решётки является возможность быстрого обзора пространства за счёт качания луча антенны электрическими методами (электрического сканирования).
Особенно актуальным является использование многопозиционных фазовращателей в качестве управляемых устройств ФАР. Многопозиционные фазовращатели обеспечивают создание ряда дискретных фазовых сдвигов по всему раскрыву и значительную скорость изменения этих сдвигов при сравнительно небольших потерях мощности. Анализ технических параметров фазовращателей, достигнутых на сегодняшний день, показывает, что основными тенденциями их развития являются: уменьшения массогабаритных показателей; расширение полосы рабочих частот; точность установки фазы; повышение мощности входного высокочастотного сигнала; улучшения качества согласования; повышение быстродействия; увеличение динамического диапазона установки фазы. Бывают активные и пассивные ФАР. В них, соответственно, и применяются многопозиционные проходные и отражательные фазовращатели.
Большой вклад в развитие дискретно-коммутируемых фазовращателей внесли Лебедев И.В., Сесторецкий Б.В., Уотсон Д., Хижа Г.С. и другие. Также свой вклад в развитие волноводных фазовращателей с планарными петлями связи с p-i-n-диодами внесли Сивяков Б.К. и Пазухина Т.Г.
На сегодняшний день стоит задача уменьшения поперечных размеров волноводных фазовращателей и увеличение количества дискретов сдвигов фаз, так как это способствует большей плотности размещения модулей ФАР при тех же размерах полотна антенной решетки.
С момента появления волноводных фазовращателей на p-i-n-диодах и по настоящее время постоянно идет процесс совершенствования приборов, стимулом к которому выступают все возрастающие требования со стороны радиотехнических и радиолокационных систем, в которых они применяются, а также постоянная конкуренция с ферритовыми фазовращателями, которые обладают низкими вносимыми потерями, плавным изменением фазового сдвига и небольшой стоимостью. Преимуществами фазовращателей на p-i-n-диодах по сравнению с ферритовыми являются меньший вес, температурная стабильность фазы, низкая потребляемая мощность и реализуемость практически во всех типах линий передачи.
Таким образом, создание волноводных фазовращателей на p-i-n-диодах является актуальной проблемой и требует дальнейшего обобщения и систематизации концептуальных принципов построения, а также обусловливает необходимость разработки новых адекватных методов анализа и синтеза.
Цель диссертационной работы. Разработка фазовращателей проходного и отражательного типов на основе волноводов сложного сечения на p-i-n-диодах с планарными петлями связи, обладающих расширенной полосой рабочих частот, уменьшенными габаритами.
Создание основ теории фазовращателей с планарными петлями связи, включающей метод анализа, математические модели, методы расчета элементов фазовращателей и их компьютерное моделирование.
Исследование влияния конструктивных параметров на выходные электрические характеристики фазовращателей.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:
создание фазовращателей на основе волноводов П-образного поперечного сечения
обоснование и разработка обобщенной концепции построения многопозиционных волноводных фазовращателей отражательного и проходного типа с планарными петлями связи;
выбор метода анализа, разработка математических моделей;
развитие теории расчета с помощью САПР;
анализ влияния различных конструктивных факторов на электрические характеристики фазовращателей;
анализ электромагнитных волн в отражательном фазовращателе на прямоугольном волноводе с продольными диэлектрическими пластинами параллельных узкой стенке.
Методы исследования.
Решение перечисленных выше задач выполнено с применением: теории СВЧ цепей с сосредоточенными и распределенными параметрами; теории электромагнитного поля; метода декомпозиции и методов оптимизации; численного решения алгебраических уравнений. Кроме того, в работе используется численное моделирование с использованием современных САПР.
Научная новизна:
-
Разработана методика моделирования волноводных фазовращателей с планарными петлями связи и p-i-n-диодами на П-образном волноводе.
-
Предложены новые конструкции фазовращателей проходного и отражательного типов на волноводах П-образного сечения с p-i-n-диодами и планарными петлями связи.
-
Спроектирован дискретный проходной фазовращатель на 16 положений фазы на основе волновода П-образного поперечного сечения с планарными петлями связи и p-i-n-диодами.
-
Получены аналитические выражения, позволяющие определить постоянные распространения и волновые сопротивления волн в отражательном фазовращателе на прямоугольном волноводе с числом до трех продольных диэлектрических пластин.
Практическая значимость.
Предложены конструкции фазовращателей на волноводах
П-образного сечения на p-i-n-диодах с планарными петлями связи. Разработанные методики проектирования фазовращателей с планарными петлями связи позволяют осуществлять анализ и оптимизацию электрических характеристик и параметров, в результате чего повышается качество, сокращаются сроки и стоимость проектирования. Применение волновода
П-образного сечения позволяет уменьшить габариты фазовращателя.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международных и всероссийских конференциях: «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (АПЭП-2008, Саратов, 2008); «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности» («АСТИНТЕХ – 2009», Астрахань, 2009); «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2009); «Математические методы в технике и технологиях» (ММТТ- 23, Саратов, 2010).
Достоверность и обоснование результатов.
Достоверность основных положений и выводов подтверждена результатами аналогичных теоретических и экспериментальных исследований, законами и принципами электродинамики, корректным применением методов теории СВЧ цепей с сосредоточенными и распределенными элементами, обоснованностью упрощающих допущений, а также применением современных вычислительных средств и там где это возможно сравнением с экспериментом.
Реализация результатов.
Результаты работы использованы при проведении работ в ОАО «КБ «Кунцево», г. Москва. По материалам работы подана заявка на изобретение «Дискретный проходной фазовращатель» №2011130712/20(045347) от 21.07.2011.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ, из них 2 работы – в рекомендуемом ВАК РФ издании. Содержание диссертации также отражено в 2 научно-исследовательских работах (информ. карта №2201055982 и регистр. карта № 1201156820).
Научно-исследовательский раздел диссертационной работы выполнялся в соответствии с федеральной программой «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («У.М.Н.И.К.»).
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация общим объемом 110 страниц состоит из введения, трех глав, заключения и содержит 56 рисунков, 2 таблицы, список использованной литературы из 95 наименований.
Личный вклад автора состоит в разработке методики проектирования и исследовании многодискретного проходного фазовращателя на волноводе с П-образным поперечным сечением, а также в выводе дисперсионного уравнения прямоугольного волновода с тремя продольно расположенными диэлектрическими пластинами.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
-
Предложены фазовращатели проходного и отражательного типов на волноводе П-образного сечения с p-i-n-диодами и планарными петлями связи, отличающиеся уменьшенными поперечными габаритными рахмерами и расширенной полосой рабочих частот.
-
Развиты методики расчета фазовращателей на П-образном волноводе, позволяющие проводить его проектирование, анализ и оптимизацию.
-
Проведен анализ влияния продольных диэлектрических пластин в прямоугольном волноводе в количестве до трех на характеристики отражательного волноводного фазовращателя с планарными петлями связи и p-i-n-диодами, позволивший определить частотные свойства, установить взаимосвязь электрических и конструктивных параметров фазовращателя.
-
Увеличение числа продольных диэлектрических пластин в прямоугольном волноводе приводит к тому, что высшие типы волн появляются раньше, что приводит к сужению рабочей полосы частот фазовращателя.
