Введение к работе
Актуальность работы. В последнее время в России наблюдается повышение интереса к задачам разработки и необходимости создания современных импортозамещающих, конкурентоспособных на внутреннем и мировом рынках сверхширокополосной измерительной и функциональной аппаратуры СВЧ и КВЧ диапазонов. Использование новых материалов и технологий, разработка на их основе элементов и устройств даёт возможность улучшать технические характеристики аппаратуры. К подобным устройствам относятся сверхширокополосные пассивные устройства, являющиеся основными частями измерительных приборов - векторных и скалярных анализаторов параметров цепей.
Из анализа литературных источников следует, что практически нет работ, в которых при расчёте характеристик устройств учитывались бы потери в материалах, металлах и диэлектрике, из которых эти устройства выполнены. Недостаточно внимания уделяется также влиянию производственных и технологических допусков на характеристики устройств. В тоже время, для повышения точности измерений учёт этих факторов может оказаться важным. Реальные устройства всегда имеют потери, поэтому их учёт на стадии разработки качественно должен улучшить совпадение экспериментальных данных с расчётными.
Использование, построенной на основе таких устройств, сверхширокополосной аппаратуры даёт значительный технический и экономический эффект и значительное уменьшение номенклатуры контрольно-измерительных приборов. Сверхширокополосность аппаратуры гарантирует её универсальность и интенсивность использования. Совершенствование приёмно-передающей и контрольно-измерительной аппаратуры, создание широкополосных и сверхширокополосных пассивных устройств диапазонов СВЧ и КВЧ представляет собой актуальную научно-техническую проблему, имеющую важное практическое значение. Для её решения необходимо проведение комплекса работ, направленных на разработку, исследование и доведения до создания серийных образцов устройств СВЧ и КВЧ диапазонов.
Один из путей решения обозначенной проблемы - разработка эффективных комбинированных подходов и методов анализа и синтеза сверхширокополосных устройств на основе отрезков нерегулярных одиночных и связанных линий на современной технологической базе с использованием современных материалов.
Цель работы. Разработка и исследование узловой базы пассивных СВЧ и КВЧ устройств для измерительного оборудования на основе нерегулярных линий с распределёнными параметрами, конструктивная реализация которых обладает новизной; улучшение основных характеристик устройств на основе
комплексного охвата проблемы; реализация с учётом потерь в линиях моделей и методик расчёта конфигурации и топологии устройств в виде эффективных вычислительных алгоритмов.
Задачи исследования.
Поставленная цель достигается решением следующих основных задач.
Исследование в приближении Т-волны описания сверхширокополосных пассивных устройств на нерегулярных линиях и создание на их основе эффективных комбинированных моделей, учитывающих потери в материалах, ёмкости скачков геометрических размеров линии, паразитные погонные реактивности.
Разработка и оптимизация параметров коаксиальных согласованных переходов в тракте и между трактами диапазона 0...50 ГГц.
Разработка и оптимизация параметров коаксиальных фиксированных нагрузок и аттенюаторов на резистивных тонкоплёночных покрытиях диапазона 0...50 ГГц.
Разработка и оптимизация параметров делителей мощности и направленных ответвителей на нерегулярных линиях для коаксиальных трактов с диапазоном до 20 ГГц.
Методы исследований. Для решения поставленных задач применяются методы теории линейных электрических цепей, метод декомпозиционного проектирования, матричной алгебры, вычислительной математики, специализированных систем моделирования и автоматизированного проектирования.
Научно-техническая новизна работы.
На основе декомпозиционного подхода в приближении Т-волны и с учётом потерь предложен алгоритм анализа и оптимального синтеза конструкции коаксиальных ступенчатых согласующих шайб и согласованных переходов по критерию достижения в заданном диапазоне частот минимального значения КСВН.
Реализован новый подход к анализу сверхширокополосного фиксированного коаксиального аттенюатора на основе предложенной эквивалентной схемы с учётом потерь и с дополнительными реактивными элементами.
Разработан сверхширокополосный делитель мощности на подвешенной подложке с согласующим ступенчатым переходом. По совокупности параметров устройство превосходит известные отечественные аналоги и находится на уровне зарубежных. Конструкция делителя защищена патентом РФ на изобретение № 2412507.
Разработана и апробирована новая конструкция направленного ответви-теля на нерегулярных связанных линиях с резистивными согласующими эле-
ментами. На техническое решение получено положительное решение по заявке №2010125799 о выдаче патента Российской Федерации.
5. Эффективность и новизна предлагаемых подходов определяется тем, что достигнутые технические характеристики серийно выпускаемых устройств на ЗАО «НПФ «Микран» соответствуют техническому уровню ведущих отечественных и мировых производителей.
Практическая значимость работы.
Разработанные алгоритмы анализа и синтеза одиночных и связанных нерегулярных линий передачи могут быть использованы для расчёта сверхширокополосных пассивных устройств СВЧ и КВЧ диапазонов.
На основе декомпозиционного подхода разработанные алгоритмы анализа и синтеза, изложенные в диссертационной работе, легли в основу оригинального программного обеспечения:
программа анализа и синтеза направленного ответвителя;
программа по расчёту геометрических размеров диэлектрических шайб и ступенчатых переходов.
Разработанные переходы и нагрузки для коаксиального тракта тип 2,4 мм использованы в ОКР «Исследование перспективных путей разработки и создания сверхширокополосных направленных устройств и расчёт элементов ко-аксиально-волноводного тракта для контрольно-измерительной аппаратуры диапазона до 50 ГГц», выполняемую по Постановлению № 218 Правительства РФ в соответствии с договором 13.G25.31.0011 от 07.09.2010 г.
На основе оригинальных аналитических моделей и численного моделирования нерегулярных линий разработана и внедрена на ЗАО «НПФ «Микран» узловая база пассивных устройств (более 20 наименований) для коаксиальных трактов тип 7 мм, тип 3,5 мм, тип 2,4 мм.
Научные положения, выносимые на защиту.
Применение метода декомпозиции для составления эквивалентной схемы, учитывающей потери, и добавление в неё шунтирующих ёмкостей скачкообразного изменения диаметров коаксиальной линии, позволяет разрабатывать диэлектрические шайбы сложной конфигурации и согласованные переходы с её включением, обеспечивающие значение КСВН в тракте менее 1,025.
Использование в эквивалентной схеме аттенюатора на распределённых элементах подводящих линий с потерями, ёмкости разрыва полосковых проводников, индуктивностей и ёмкостей, образованных погонными параметрами распределённого резистивного слоя конечной длины с постоянным значением ослабления и комплексной постоянной распространения, позволяет проводить расчёты переходных характеристик с погрешностью не более 0,05%.
3. Добавление плоских свободно-потенциальных резистивных согласующих элементов определённой конфигурации, расположенных в области сильной связи в несимметричном направленном ответвителе на связанных нерегулярных полосковых линиях, позволяет увеличить в 1,5 раза (в сторону верхних частот) коэффициент перекрытия рабочего диапазона.
Достоверность полученных результатов.
Достоверность расчётов по предложенным алгоритмам анализа и синтеза
пассивных устройств СВЧ и КВЧ диапазонов, определяется совпадением с результатами численных экспериментов в системах автоматизированного проектирования, совпадением в пределах погрешности с результатами экспериментальных исследований опытных образцов.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях:
Международная Крымская конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (КрыМиКо'2008, 2009, 2010, 2011), г. Севастополь.
Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и
молодых учёных "Научная сессия ТУ СУР" (НС ТУСУР - 2008, 2009, 2010,
2011), г. Томск.
Всероссийская научно-техническая конференция молодых учёных и студентов с международным участием «Современные проблемы радиоэлектроники» 2008, 2011, г. Красноярск.
Всероссийская научно-практическая конференция с международным уча
стием «Информационные технологии и математическое моделирование», 2009,
г. Анжеро-Судженск.
Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы радиофизики» (АПР - 2008, 2010) г. Томск.
Всероссийская научно-техническая конференция «Обмен опытом в обла
сти создания сверхширокополосных РЭС», 2010, г. Омск.
Публикации. По результатам проведённых исследований опубликовано 23 работы, в том числе 3 публикации в журналах из перечня ВАК, 1 патент РФ на изобретение, 1 положительное решение по заявке на патент РФ на изобретение.
Личный вклад автора. Диссертация является итогом исследований автора, проводившихся совместно с сотрудниками ЗАО «НПФ «Микран» и ТУСУР. Основные исследования, результаты которых представлены в диссертации, были выполнены по инициативе автора. Совместно с научным руководителем обсуждались цели работы и пути их достижения, результаты работы. Личный вклад включает выбор методик исследований, проведение численных расчётов,
подготовку экспериментальных образцов и измерение их характеристик, обработку экспериментальных результатов. Большая часть статей по теме диссертации написана после обсуждения с соавторами. Соавторами являются научный руководитель, сотрудники НПФ «Микран» и студенты старших курсов, выполняющие исследования под руководством автора, в том числе в рамках двух хоздоговорных НИР, ответственным исполнителем которых является автор.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем работы составляет 154 страницы машинописного текста, включая 76 рисунков и список литературы из 148 наименований.
