Введение к работе
Актуальность работы. Теоретические вопросы создания многих ножных радиотехнических устройств были решены еще в 60-годах, но к широкое применение сдерживается трудностями создания электри-эски управляемых фазовращателей с плавной перестройкой, удовлет-эряющих жестким техническим и экономическим требованиям.
Возросшие обьемы и сложность задач разработки фазовращате-эй вызывают необходимость использования систем автоматического эоектирования. Обычно такие системы оптимизируют характеристики бранных прототипов схем в соответствии с набором поставленных эебований, однако начальный этап проектирования - выбор протопи схемы фазосдвигагощего устройства, автоматизирован незначи-зльно и предполагает творческое участие самого проектировщика, іибки, допущенные на этом этапе проектирования, оборачиваются зджением технических характеристик и повышением стоимости изде-ія. Потребность проведения такого выбора в соответствии с осо-інностями решаемой задачи стала одной из причин выполнения шной работы.
Существующие способы построения схемы фазосдвигающих уст->йств сводятся к переключению набора отрезков полосковых и мик-шолосковых линий передачи для увеличения длины или времени ідержки, к изменению электрических свойств диэлектрика в линиях іредач, переключению звеньев с различной конфигурацией для '.тройств на элементах с сосредоточенными параметрами.
Существующие методы синтеза фазосдвигающих устройств в ос-івном ориентированы на согласование активных сопротивлений пе-іключаемнх звеньев или фрагментов линий. Эти методы не освещают іпросов плавного непрерывного управления фазой высокочастотного, ілебания при условии одновременного согласования двух комплекс-tx сопротивлений в достаточно широкой полосе.
Таким образом, исследование и разработка методов синтеза [алоговых фазосдвигающих высокочастотных устройств актуальны в іучном и практическом планах.
Цель работы; состоит в разработке методов синтеза широкопо-сных фазосдвигающих устройств с заданными согласуютими и амп-
литудокорректирущими свойствашг, предназначенных для использо вания в фазированных антенных решетках.
Научная новизна. Основой работы являемся расширение облас применения методов синтеза реактивных фазосдвигащих устройсі целью рассмотрения наиболее общего случая управления фазой эле рических колебаний при одновременном обеспечении согласования двух комплексных сопротивлений.
Выполненная работа позволила сформулировать следующие на} ные положения, которые выносятся на защиту:
-
Независимость изменения коэффициента трансформации, с которым связано изменение фазового набега, от режима согласош ния может быть обеспечена только при одновременном управлении двумя элементами'элементарного фазосдвигающего звена по двум различным и определенным для этого звена законам.
-
Функции управления элементами звена зависят от значені коэффициента трансформации и вида эвена.
-
Независимость режима согласования от общего козффициеі трансформации может быть достигнута при каскадировании элементарных фазосдвигащих звеньев в пары и синхронном изменении уровней промежуточной трансформации внутри такого устройства.
-
Практическая реализация различных схем управляемых фа; вращателей связана с направлением трансформации и видом схемы элементарных фазосдвигащих звеньев.
Практическая ценность. В ходе работы решены следующие задачи:
-
Получены формулы расчета элементов 12 элементарных фа сдвигающих 'звеньев, обеспечивающие согласование на одной част* формулы определяющие фазо- и амплитудночастотные характеристик зависимости от сопротивлений генератора и нагрузки, произведа классификация звеньев.
-
Сформулированы ограничения реализуемости таких звенье
-
Разработаны методы синтеза двухзвенных фазосдвигающих устройств на реактивных элементах с сосредоточенными параметр и рекомендованы для использования элементарные фазосдвигающие звенья : 8 схем согласующих при фиксированном фазовом набеге; 4 схемы создающих управляемый фаьовый набег, при
заданных согласующих свойствах.
-
Разработаны методы синтеза многозвенных управляемых фа-зосдвигащих устройств с одной или несколькими частотами согласования двух комплексных сопротивлений.
-
Спроектирован и изготовлен транзисторный усилитель, обеспечивающий необходимые фазовые соотношения для достижения режимов устойчивости.
-
Спроектирован и изготовлен транзисторный плавно управляемый усилитель-фазовращатель диапазона СВЧ.
-
Разработан пакет прикладных программ синтеза фазосдви-гающих устройств на элементах с сосредоточенными параметрами для персональной ЭВМ.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы внедрены на предприятии г.' Санкт-Петербурга, что подтверждено актом о внедрении.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы, докладывались и обсуждались на Международной конференции "9 микроволновая конференция MIK0N 91" /Польша, Рыджина, 1991/, Пятой Всесоюзной конференции "Метрологическое обеспечение антенных измерений" /Ереван, 1990/, Третьей Всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития гибридной технологии я гибридных интегральных схем в приборостроения" /Ярославль, 1991/, Научно-техническом семинаре "Проектирование радиоэлектронного оборудования с применением САПР" /Николаев, 1990/, Научно-техническом семинаре "Перспективные элементы СВЧ" /Ленинград, 1991/, Научно-технической конференции училища ЧВВМУ им. П.С.Нахимова /Севастополь, 1990/, Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава ЛЭТИ им. В;И. Ульянова/Ленина/,1990.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ. Список основных публикация приведен в конце автореферата.
Обьем и структура работы. Дисоертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Список литературы включает 120 наименований, в том числе и работы автора. Основная часть работы изложена на 118 страницах машинописного текста. Диссертация со-цержит 51 рисунок и 9 таблиц.
Во введении обосновывается актуальность работы, формулируется цель работы, приводятся основные научные положения, которые выносятся на защиту.
Первая глава имеет обзорный характер и содержит результата экспериментальных исследований устройств управления фазой вві диотехничесних цепях, выполненных другими авторами. Излагаются обіцие требования к решению задачи управления фазой. Приводятся основные существующие методы синтеза фазосдвигающих устройств. Описаны наиболее часто употребляемые способы выбора схемы устройства управления фазой. Дается оценка амплитудночастотных и фазочастотних характеристик описанных устройств управления фазой.
По результатам первой главы сделаны следующие выводы:
-
Несмотря на большое количество работ, посвященных широ кополосному управлению фазой, эта задача полностью не решена.
-
Проектирование устройств управления фазой на элементах с сосредоточенными параметрами традиционными методами теории и пей не всегда обеспечивает желаемые параметры, а более совреме ные методы проектирования на ЭВМ не имеют обоснованных критері выбора или синтеза схемы фазовращателя.
-
Для большинства простых схем процедуры синтеза схемы і основе ЖЧ-прототипов и аппроксимации АЧХ и-ФЧХ фазовращателе! полиномами неоправданно сложны, что вызывает обращение к мето, синтеза устройств с распределенными параметрами и геометричес интерпретацией получаемого сдвига фазы.
-
Не охвачены вопросы синтеза фазовращателей со специал ной формой ФЧХ. Почти не рассматривается вопрос получения тр буемой формы АЧХ.
Наиболее логичен подход к синтезу устройств управления і зой, основанный на каскадировании элементарных звеньев, выбра ных их предлагаемого набора в соответствии с требованиями реп мой задачи, значения номиналов элементов которых расчитаны пс формулам, полученым из условий обеспечения требуемых сдвига g зы и амплитуды выходного сигнала при допустимом рассогласоваї
Ясный смысл формул расчета значений элементов, вида и назначения схемных звеньев, характера влияния на трансформацию и сдвиг фазы отдельных элементов делают такой подход наиболее эффективным для решения следующих, сформулированных на основании приведённого обзора, задач :
-
Получить математические выражения для расчета значений элементов фазосдвигагащих звеньев, обеспечивающих требуемый сдвиг фазы.
-
Сформулировать ограничения физической реализуемости элементов, с точки зрения требуемой полосы частот, сдвига фазы, решения задач согласования и выравнивания.
-
Классифицировать элементарные фазосдвигающие звенья по фазовым, частотным и трансформирующим свойствам.
-
Исследовать зависимость сдвига фазы от вида элементарных звеньев, способа их сочетания в двухзвенные устройства, обеспечение требуемого уровня полезного сигнала.
-
Исследовать зависимость изменения фазовых характеристик от изменения отдельных элементов схемных звеньев с целью обеспечения оптимального режима управления фазой.
-
Исследовать двухзвенные фазосдвигающие устройства с целью получения требуемых АЧХ и ФЧХ.
-
На основании разработанных методов и рекомендаций синтезировать конструктивно-реализуемые, широкополосные, обеспечивающие требуемые амплитудночастотные характеристики и заданную управляемость фазочастотних характеристик, активные фазосдвигающие устройства и составить 'алгоритмы их расчета для ЭВМ.
Вторая глава посвящена анализу и синтезу элементарных фазо-сдвигающих звеньев с заданными согласующими свойствами.
Целью настоящего раздела является решение задачи выбора вида схемы и способа управления его, обеспечивающих требуемые управляемый фазовый набег и коэффициент передачи на центральной рабочей частоте. Создание фазового набега представляет собой процесс накопления электрической энергии реактивными элементами цепей с последующей передачей ее с задержкой. Одиночный колебательный контур способен задерживать сигнал на время близкое к половине периода вынужденного колебания, другими словами, создавать фазовый набег до ISO градусов. Как известно, время задержки
- б -
сигнала зависит от соотношения сопротивлений генератора и нагруз ки контура, т.е., коэффициента трансформации резонансной трансформирующей цепи. Для обеспечения требуемого коэффициента передачи необходимо решить задачи согласования комплексных сопротивлений генератора и нагрузки, трансформации активных сопротивлений, выравнивания спада усиления транзисторов и компенсации активных потерь в управляемых элементах. Требуемый коэффициент передачи резонансной цепи обеспечивается при неизменном коэффициен те отражения в процессе регулирования фазового набега, управляемый фазовый набег при неизменном коэффициенте отражения достигается одновременным изменением сопротивлений генератора, нагрузки и коэффициента трансформации резонансной цепи. Таков принцип действия предлагаемого фазовращателя. На основе этого подхода был предложен метод синтеза и анализа элементарных фазосдвигаю-щих звеньев с заданными согласующими свойствами и многозвенных фазосдвигащих устройств на их основе.
Суть метода заключается в выделении элементарных фазосдви-гающих звеньев /ЗФЗ/, одновременно являющихся и элементарными согласующими звеньями /ЭСЗ/. Элементарным звеном является параллельный колебательный контур с подключенными активными сопротивлениями нагрузки и генератора, элементы которого расчитываются по формулам полного согласования на одной рабочей частоте. Э53 каскадируются в согласованном нагруженном режиме в согласующую и выравнивающую фазосдвигающую цепь /СВЩ/, способную обеспечит* требуемую полосу пропускания и заданные параметры регулирования ФЧХ. Для получения формул расчета элементов звеньев к ним присос диняются активные сопротивления нагрузки и генератора -R и2о Полное согласование на одной частоте CJcпроисходит, если входное сопротивление нагруженного звена Z6x удовлетворяет условию :
Решением системы уравнений, с учетом требований физической реализуемости элементов звеньев, являются формулы синтеза элементы такого звена. В зависимости от способа подключения, один из реактивных элементов колебательного контура может быть поделен на две части и точка подключения будет находится между этими частями, т.е., Эй может иметь в своем составе два или три реактивны:
элемента. Для двухэлементного Э53 система уравнений однозначно определяет номиналы его элементов. Если звено имеет три элемента, то один из них может быть произвольно задан.
Частотные характеристики Э53 представляются частотным коэффициентом передачи (ч(і.со) і который определяется отношением комплексных амплитуд напряжения выхода Qg и входа Ц-t і
K(Lvo)--^--KiM+LKaM ;
АЧХ определяется зависимостью модуля коэффициента передачи:
К(и)=\|К?М+К1(ы) ; 5ЧХ определяется частотной зависимостью его аргумента:
Формулы расчета номиналов элементов Э$3, полученные в результате наложения условия полного согласования с генератором и нагрузкой, ограничения физической.реализуемости их элементов и выражения для вычисления ИХ и АЧХ приведены в таблицах._ Они были использованы для проведения экспериментов на ЭВМ, ставших основными инструментами.исследования.
Полученные'формулы позволяют синтезировать и анализировать эднозвенные СВФЦ и многозвенные СВЩ с одной, общей частотой.
Для анализа СВЩ с неодинаковыми частотами полного согласования, был предложен алгоритм анализа частотных характеристик.
В ходе анализа были отобраны 12 согласующих звеньев, при по-иощи которых можно представить практически все цепи лестничной структуры. Эти звенья использовались в качестве ЭЭ53 с заданными зогласующими свойствами /табл.1./. Основные свойства описанных Э53 и рекомендации к их использованию приведены в табл.2.
По результатам второй главы сделаны следующие выводы :
-
Вид базовой характеристики зависит от вида звена.
-
Задача обеспечения режима согласования и создание управ-иемого фазового набега решается каскадированием ЭФЗ в пары и вменением уровня промежуточной трансформации внутри пары.
-
Задача получения фазосдвигающего устройства с управлявши сдвигом фазы, при условии согласования импедансов, состоящих із одного активного и одного реактивного элементов произвольного іида, при произвольном соотношении активных и реактивных состав-
Таблица I ЭФЗ с заданными согласующими свойствами
вид авенА
N
ВИД ЗВЄНА
N
ВИД ЗВЄНА
\LC RI
ю
-и
\4l /лС r
Н. U =т=
s с.
Таблица 2 Основные свойства и рекомендации использования Э$3
ляющих, может быть решена каскадированием элементарных фазосдви-гающих звеньев при их минимальной числе, равном четырем.
В третьей главе описываются экспериментальные исследования широкополосных фазосдвигащих устройств и разработка метода их синтеза. Основной задачей, из возникающих при разработке широкополосных фазосдвигающих устройств является выбор типов и числа каскадируемых звеньев, а также выбор значений промежуточных сопротивлений трансформации и разделения или совмещения выполняемых задач для каждого отдельного Э3. Распределение основных функций а именно: I - согласование двух комплексных сопротивлений; выравнивание усиления активных элементов и коррекция общего вида АЧХ в соответствии с поставленными условиями; 2 - обеспечение требуемого вида и пределов регулировки ЧХ, сводится к разбиению всех Э3 на две группы. Первая группа обеспечивает процесс управления фазочастотними характеристиками и участвует в образовании АЧХ. Вторая группа формирует вид и пределы регулирования АЧХ, производит выравнивание спада усиления активных элементов, осуществляет согласование комплексных сопротивлений, создает нерегули- * руемый постоянный фазовый набег. Первая группа функционирует в условиях согласования двух активных сопротивлений генератора и нагрузки, в которые трансформированы комплексные сопротивления при помощи звеньев второй группы.
В разд. 3.1. . приведены результаты анализа частотных характеристик и 'трансформирующих свойств однозвенных фазосдвигающих устройств на базе звеньев первой группы, метод расчетов согласованного режима управления ФЧХ и формулы расчета элементов Э$3 при фиксировании одного из элементов звена. Формулы были получены из системы уравнений й, при помощи выделения части переменных в качестве фиксированных, т.е., заранее задаваемых, для оставшихся переменных, в количестве равном числу уравнений, решалась система. Замена задаваемых переменных производилась вплоть до исчерпания розможных комбинаций..Такие формулы синтеза позволяют, расчитав в качестве опорных номиналы отдельных элементов, задавать их при последующих расчетах не нарушая режима согласования.
В разд. 3,2» . приведены результаты исследования фазосдвигающих устройств на осьове сдвоенных симметричных ЭЮ № 6 и 7 с
одной частотой полного согласования. В разд. 3.3 приводятся результаты исследования многозвенных фазосдвигающих устройств в режиме согласования с несколькими, отличными частотами.
Бразд. 3.4. описан метод синтеза многозвенных широкополосных фазосдвигающих устройств. Суть метода заключается в выполнении следующих процедур :
-
Определение типа фазосдвигающего устройства - пассивное или активное; управляемое или неуправляемое; дискретно-коммутируемое или аналоговое.
-
Выбор типов активных и управляющих элементов и представление их схем замещения.
-
Проверка реализуемости требований поставленной задачи согласования комплексных сопротивлений и выбор типов неуправляемых звеньев. ^
-
Выбор собственных частот согласования для ЭФЗ и разделение функций формирования АЧХ и ФЧХ между звеньями.
-
Расчет номиналов реактивных элементов неуправляемых звеньев и синтез их АЧХ и ФЧХ.
-
Расчет номиналов элементов управляемых звеньев и синтез, их АЧХ и ФЧХ.
-
Расчет результирующих АЧХ и ФЧХ и проверка выполнения поставленных условий, заверешение расчета в случае их выполнения или переход к п.4 в случае невыполнения требований к ФЧХ и переход к п.З в случае невыполнения требований к АЧХ.
По результатам третьей главы сделаны следующие выводы :
-
Изменение фазового набега зависит от изменения коэффициента трансформации элементарного звена.
-
Независимость изменения коэффициента трансформации от режима согласования может быть обеспечена только при одновременном управлении двумя элементами звена по двум различным и определенным для этого звена законам.
-
Независимость режима согласования от общего коэффициента трансформации может быть достигнута при каскадировании Эй в пары и синхронном изменении уровней промежуточной трансформации внутри такого устройства.
-
Вид функций управления элементами звена зависит от значения коэффициента трансформации и вида эвена. -
- II -
-
Практическая реализация различных схем управляемых фазовращателей связана с направлением трансформации и видом схемы элементарного звена.
-
Предлагаемый метод синтеза фазосдвигающих устройств путем каскадирования элементарных звеньев и расчета величин их элементов с применением различных собственных частот полного согласования, при пересчете промежуточных уровней трансформации на этих частотах, обеспечивает широкие полосы согласования, выравнивание характеристик активных приборов, изменение фазового набега в заданных пределах регулирования и коррекцию суммарной АЧХ устройства, обеспечивает физическую реализуемость элементов, малый диапазон их изменения в процессе управления.
В четвертой главе приводятся результаты экспериментальной разработки схемы и конструкции усилителя-фазовращателя. В п. 4.1. и 4.2. приведены обоснование требований к схеме с позиций согласования, выравнивания АЧХ и регулирования фазового набега, разработка требований к конструкции для достижения технологичности, стабильности параметров и уменьшения стоимости. В п.4.3, приведена последовательность синтеза схемы фазовращателя-усилителя с учетом конструктивных и технологических требований СВЧ-диапаэона.
Электрическая принцыпиальная схема фазовращателя показана на рис. І. Схема ЇВ состоит из трех СВФЦ. Первая СВЩ согласует входной импеданс транзистора Vi с линией с сопротивлением 50 Ом. Вторая СВЩ согласует выходной импеданс транзистора V1 с входным импедансом транзистора V2 и создает управляемый-фазовый набег. Треья СВЩ согласует выходной импеданс транзистора V2 с линией с сопротивлением 50 Он. Изменение фазового набега производится при помощи блока_^гсіравляемнх ЭВЗ, составленного из двух 90-градусных секций /рис.1,6/. Такая секция представляет собой два вст-речновключенных Т-образных звена /ЭФЗ К96/, которые представлены по отношению к предидущим и последующим звеньям промежуточным сопротивлением трансформации Rm , а по отношению друг к другу -Re . Процесс управления осуществляется синхронным изменением управляющих напряжений Ш и U2 , что эквивалентно изменению Re . Зависимость управляющих напряжений отдФ показана на рис.2.
3 п.4.4 описаны конструкция и характеристики фазовращателя и результаты лабораторных экспериментов. Фазовращатель выполнен б
Рис.1. Принцыпиальная электрическая схема фазовращателя - а), 90-градусная секция управляемых ЭЙ - б) .
и,вг
+45 дф, ГгоЭ
Рио.2. Зависимость U» и Ыг отдЦ' на частоте 2,4 ГГц.
/ I - U4
- ІЗ -
виде ыакета ГИС, заключенного в металлический корпус. Макет ГИС представляет собоЗ металлизированное основание, на которое установлены полупроводниковые активные элементы, межкаскадныа СВЩ, цепи развязки по питанию, соединители и т.п. СВ$Ц изготовлены в виде печатных элементов размещенных на трех сторонах законченных модулей. ГИС разбита на отдельные конструктивные элементы, что позволяет проводить экспериментальные измерения с любой из частей устройства. Для имитации условий реальной ГИС все цепи питания выполнялись с 15% допуском на номиналы, все элементы ЭФЗ - с 5% допуском, для полупроводниковых элементов имитировались условия разбросов параметров в пределах допустимых для партии приборов, управляющие напряжения врьировались в пределах 10% допуска. Теоретические расчеты отклонений характеристик фазовращателя подтверждены в ходе лабораторных экспериментов.
АЧХ такого фазовращателя измеренные в процессе экспериментов показаны на рис.3,а , а приращение фазового набега на рис.3,6.
По результата!-! четвертой главы сделаны следующие выводы :
-
Предложенные методы синтеза фазосдвигающих устройств являются оптимальными с точки зрения минимизации потерь на отражение СВЧ-сигнала, так как предполагают, с учетом активных потерь управляемых элементов, полное отсутствие потерь рассогласования в границах полосы пропускания и высокую степень приближения к идеальной форме АЧХ.
-
Отличительной чертой разработанных методов является их универсальность. Они позволяют согласовывать импедансы устройств, производить коррекцию АЧХ устройтсв до заданной формы, обеспечивать заданный диапазон изменения фазы без изменения АЧХ, производить расчеты для обеспечения фазовых фронтов внутри устройства с точки зрения устойчивости синтезированных схем.
-
В процессе создания методов решена проблема использования паразитных элементов схем замещения приборов в качестве полезных и участвующих в формировании АЧХ и ФЧХ.
-
Методы применимы в инженерной практике, совместимы с методами параметрического или структурного синтеза схемы и предусматривают использование несложной вычислительной техники.
9-*
«З
V
2.25
a
55 2Л
Частота , ГГц Частота, ГГц
g.55 ,2.7
Рію.з.
АЧХ фазовращателя - &) , $ЧХ фазовращателя - 6j / кривая I - положение -90 градусов; 2—60; З - 0; 4 - +60; 5 - +90; б - -ЗО; 7 - +30 /
5. Использование методов позволяет формулировать предельные ограничения на отклонения номиналов под влиянием особенностей технологических процессов изготовления фазовращателей на сосредоточенных элементах.
