Синтез широкополосных согласующих устройств с заданными фазовыми характеристиками Вольхин Дмитрий Игоревич

Введение к работе

Актуальность работы. Важной частью задачи проектирования современных СВЧ устройств является проблема широкополосного согласования произвольных иммитансов источника сигнала и нагрузки. Она является сложной в теоретическом плане, однако ее решение представляет большую практическую значимость с точки зрения оптимального построения проектируемого устройства, его внутренней структуры.

Перспективным направлением в рамках указанной проблемы является задача разработки и исследования методов синтеза широкополосных согласующих устройств с расширенными функциональными возможностями, связывающих произвольные иммитансы источника сигнала и нагрузки в произвольном электрическом элементном базисе. Одним из таких устройств являются широкополосные согласующие устройства с заданными фазовыми характеристиками, которые позволяют решать задачи широкополосного согласования комплексных сопротивлений и коррекции фазочастотной характеристики.

Методы синтеза указанных устройств в отечественной и зарубежной литературе не встречаются, однако задачам широкополосного согласования посвящены труды таких ученых как Yarman B.S. Youla D., Chen W.-K., Л.И. Бабак, Г.Н, Девятков, а задачам коррекции фазочастотной характеристики и проектированию устройств с заданными фазовыми характеристиками посвящены труды отечественных и зарубежных ученых, среди которых Э.В. Семенов, Н.Д. Малютин, А.Н. Сычев, Schiffman B.M., Levy R., Rhodes J., Scanlan J. Значительный вклад в разработку алгоритмов и методов синтеза устройств с заданными амплитудно- и фазочастотными характеристиками внесли отечественные ученые А.Ф. Белецкий, А.А. Ланнэ, И.И. Трифонов, А.Д. Артым.

Задача коррекции фазочастотной характеристики традиционно решается с помощью отдельных пассивных устройств – фазовых корректоров, состоящих из фазовых звеньев. Количество фазовых звеньев может достигать нескольких десятков, в зависимости от требований, предъявляемых к форме фазовой характеристики. Применение широкополосного согласующего устройства с заданными фазовыми характеристиками позволит ослабить требования к фазовому корректору, либо полностью взять его функции на себя.

Современные методы синтеза широкополосных согласующих устройств в основном ориентированы на синтез минимально-фазовых цепей и работают только с амплитудно-частотной характеристикой устройства, тогда как при установке требований одновременно к амплитудно- и фазочастотной характеристике в результате синтеза получится неминимально-фазовая цепь.

Для синтеза таких цепей перспективным представляется развитие на класс широкополосных согласующих устройств с заданными фазовым характеристиками метода синтеза, предложенного Г.Н. Девятковым, который позволяет контролировать фазочастотную характеристику синтезируемого устройства на этапе построения начального приближения.

Кроме того, важной задачей на СВЧ является реализация полученного решения, в связи с чем актуальным является разработка математических моделей структур на линиях передачи, удобных с точки зрения реализации на СВЧ.

Исходя из изложенного выше можно сформулировать цель и задачи настоящей работы.

Цель работы. Исследование и разработка метода автоматизированного синтеза широкополосных согласующих устройств с заданными фазочастотными характеристиками, связывающих произвольные иммитансы источника сигнала и нагрузки, в сосредоточенном, сосредоточенно-распределенном и распределенном соразмерном электрическом элементном

базисе, ограниченном линиями передачи с Т-волной, практическая реализация предложенных методов.

Задачи исследований. Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:

1. Исследование существующих методов решения задачи синтеза широкополосных согласующих, фазокорректирующих устройств и устройств с заданными амплитудно- и фазочастотными характеристиками.

2. Определение критериев неминимально-фазового четырехполюсника, представленного в z-(y-)матричной форме, функции собственных параметров которого имеют форму Фостера.

3. Исследование методов реализации неминимально-фазовых четырехполюсников, представленных в z-(y-)матричной форме в сосредоточенном электрическом элементном базисе.

4. Разработка и исследование z-(y-)матричных моделей структур в распределенном соразмерном электрическом элементном базисе, ограниченном линиями передачи с Т-волной, удобных для практической реализации на СВЧ.

5. Разработка автоматизированных методов синтеза широкополосных согласующих устройств при произвольных иммитансах источника сигнала и нагрузки, воспроизводящих заданную фазочастотную характеристику.

6. Решение практических задач синтеза широкополосных согласующих устройств с заданными фазовыми характеристиками.

Объект исследований. Широкополосные согласующие устройства с заданными фазовыми характеристиками в сосредоточенном, сосредоточенно-распределенном и распределенном соразмерном электрических элементных базисах.

Предмет исследований. Метод синтеза широкополосных согласующих устройств с заданными фазовыми характеристиками в сосредоточенном, сосредоточенно-распределенном и распределенном соразмерном электрических элементных базисах.

Методы исследования. Перечисленные выше задачи решались с использованием
методов теории функций комплексного переменного, линейной алгебры, оптимизации и
вычислительной математики, линейных электрических цепей, вычислительных

экспериментов. При определении структур функций собственных параметров синтезируемой цепи использовались функции собственных параметров идеального согласующего реактивного четырехполюсника в виде бесконечных равномерно сходящихся рядов первой и второй форм Фостера. Также использовались методы решения задач нелинейного минимаксного приближения с ограничениями. Применялось численное моделирование на основе программ Mathcad, AWR Microwave Office, CST Microwave Studio.

Научная новизна.

7. Предложен метод синтеза нового класса широкополосных согласующих устройств с заданными фазовыми характеристиками при произвольных иммитансах источника сигнала и нагрузки в сосредоточенном, сосредоточенно-распределенном и распределенном соразмерном электрическом элементном базисе, ограниченном линиями передачи с Т-волной, позволяющий находить оптимальные решения.

8. Впервые определены критерии в виде неравенств для четырехполюсника в сосредоточенном электрическом элементном базисе, представленного в z-матричной форме с функциями собственных параметров в виде первой формы Фостера с учетом ограничений на физическую реализуемость, потенциально обладающего неминимально-

фазовыми свойствами, позволяющие обоснованно выбрать структуру функций собственных параметров широкополосного согласующего устройства с заданной фазовой характеристикой.

3. Предложен широкополосный трансформатор активных сопротивлений, способный воспроизводить фазовую характеристику фазового звена второго порядка с различными параметрами, а также линейную фазочастотную характеристику при высоком уровне коэффициента преобразования мощности в рабочей полосе частот.

4. С учетом специфики задачи синтеза широкополосных согласующих устройств с заданными фазовыми характеристиками впервые найдены y-матричные модели в виде второй формы Фостера и условия схемной реализуемости структур в распределенном соразмерном электрическом элементном базисе, удобных для практической реализации на СВЧ.

Практическая значимость работы.

1. Предложенный в диссертации метод синтеза широкополосных согласующих устройств с заданными фазовыми характеристиками при произвольных иммитансах источника сигнала и нагрузки реализован в виде программы, позволяющей находить оптимальные решения в виде z-(y-)матричной математической модели в сосредоточенном и соразмерном распределенном электрическом элементном базисе с учетом ограничений на физическую и схемную реализуемость.

2. Найденные в виде неравенств критерии четырехполюсника, представленного в z-матричной форме в виде первой формы Фостера и потенциально обладающего неминимально-фазовыми свойствами позволяют обоснованно выбирать структуры функций собственных параметров согласующего устройства с заданной фазовой характеристикой.

3. Применение найденных схемных ограничений для различных нормальных электрических цепей в соразмерном распределенном электрическом элементном базисе позволяет получить решения, удобные с точки зрения практической реализации на СВЧ.

Научные положения, выносимые на защиту.

4. Предложенное развитие двухэтапного метода позволяет решать задачу синтеза широкополосных согласующих устройств с заданными фазовыми характеристиками при произвольных иммитансах источника сигнала и нагрузки в сосредоточенном, сосредоточенно-распределенном и распределенном электрическом элементном базисе, ограниченном соразмерными линиями передачи с Т-волной.

5. Найденные матричные модели структур в виде второй формы Фостера в распределенном электрическом элементном базисе, ограниченном соразмерными линиями передачи с Т-волной, позволяют синтезировать широкополосные согласующие устройства с заданными фазовыми характеристиками, удобные для практической реализации на СВЧ.

6. Определены критерии четырехполюсника в z-матричной форме, собственные параметры которого представляют собой канонические формы Фостера, позволяющие обоснованно выбирать структуры функций собственных параметров согласующего устройства с заданной фазовой характеристикой потенциально обладающего неминимально-фазовыми свойствами.

7. Предложен широкополосный трансформатор активных сопротивлений в соразмерном распределенном электрическом элементном базисе способный воспроизводить фазовую характеристику фазового звена второго порядка с различными параметрами, а также линейную фазочастотную характеристику в рабочей полосе частот.

Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты практического характера, полученные в диссертационной работе, внедрены в АО «НИИИП-НЗиК» (Новосибирск), ООО «НПП Триада-ТВ» (Новосибирск). Также результаты исследований используются в учебном процессе НГТУ и в научно-исследовательской работе студентов и магистрантов, обучающихся по направлениям подготовки 11.04.02 – Инфокоммуникационные технологии и системы связи и 11.04.03 – Конструирование и технология электронных средств.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: Наука. Технологии. Инновации 2015 (Новосибирск), 17th International conference of young specialists on Micro/nanotechnologies and electron devices, EDM (Республика Алтай, Эрлагол) 2016, 18th International conference of young specialists on Micro/nanotechnologies and electron devices, EDM (Республика Алтай, Эрлагол) 2017, Актуальные проблемы электронного приборостроения 2014 (Новосибирск), Актуальные проблемы электронного приборостроения 2016 (Новосибирск), Научная сессия ТУСУР–2016 (Томск), 54-я международная научная студенческая конференция МНСК–2016 (Новосибирск).

Личный вклад автора. Все положения и результаты, выносимые на защиту и составляющие основное содержание диссертационной работы, получены автором лично или при непосредственном его участии.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 научных работ: 5 статей в ведущих научных журналах и изданиях, входящих в перечень, рекомендованный ВАК РФ; 10 статей и докладов опубликованы в сборниках и материалах Международных и Российских конференций; 1 патент на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы. Объём работы составляет 148 страниц машинописного текста, включая 99 рисунков, 6 таблиц и список литературы из 88 наименований.