Исследование новых классов трансформаторов волновых сопротивлений на основе линий передачи с Т-волнами Разукова, Ирина Анатольевна

Введение к работе

Актуальность работы. Одна из основных проблем, стоящих в настоящее время перед специалистами в области техники СВЧ, заключается в необходимости существенного уменьшения габаритных размеров контрольно-измерительной, испытательной и приемо-переда-ющей (особенно бортовой) аппаратуры. Создание малогабаритных приборов СВЧ, обладающих оптимальными рабочими характеристиками, возможно только при наличии соответствующей элементной базы, в которой особое место занимают различного рода функциональные устройства, обеспечивающие либо необходимое преобразование рабочего сигнала, либо его прохождение по тракту СВЧ без искажений. Один из видов искажений сигнала появляется, если в тракте СВЧ сочленяются функциональные элементы, имеющие разные волновые сопротивления, т.к. в плоскостях их стыковки неизбежно возникает отраженный сигнал. Добиться существенного уменьшения потерь мощности рабочего сигнала, возникающих при соединении функциональных элементов с разными активными волновыми сопротивлениями, можно с помощью включения между этими элементами тракта СВЧ промежуточного согласующего устройства, называемого трансформатором волновых сопротивлений (ТВС).

Наиболее широкое практическое применение нашли ступенчатые ТВС класса I, образованные каскадным соединением отрезков однородных линий передачи (ЛП) одинаковой длины 1=*₀/4 (\о - средняя длина волны полосы согласования), т.к. они обеспечивают качественное согласование в достаточно широкой полосе частот. Однако, эти трансформаторы имеют два существенных недостатка. К первому недостатку относится их значительная длина L=nx_o/4 (п - число звеньев ТВС), что делает невозможным их использование в тех случаях, когда требуется достичь существенного сокращения габаритных размеров устройства, в состав которого они входят. Второй, не менее важный недостаток, заключается в сложности практической реализации п-звенного трансформатора класса I, т.к. по его длине требуется реализовать п+2 размера поперечного сечения. Специалистами в области проектирования радитехнических устройств постоянно ведется поиск новых ступенчатых структур, которые можно было бы использовать в качестве трансформаторов волно-

вых сопротивлений и которые были бы свободны от указанных выше недостатков. Наиболее удачными следует признать две структуры. Первая из них представляет собой каскадное соединение двух отре зков однородных ЛП равной длины I, причем волновые сопротиалсния звеньев такого ТВС принимают чередующиеся значения, равные значе ниям волновых сопротивлений согласуемых ЛП; длина всего устрой ства L=2I меньше, чем х /6. Единственный существенный недостаток этого ТВС заключается в сравнительной узкололосности (ширина но лосы согласования не превышает октавы). Вторая структура вьшолне па на основе каскадного соединения четного числа отрезков одно родных ЛП одинаковой длины I (причем 1<х /4), волновые соиротип ления которых изменяются немонотонно от звена к звену. Использо ние этой структуры позволяет сократить длину трансформатора в 2-4 раза по сравнению с аналогичным устройством класса I. Основ ной недостаток такого трансформатора - необходимость реализации больших перепадов волновых сопротивлений, достигающих в ряде слу чаев зпачений 30-50, что иногда оказывается невозможно осуществи на практике. Кроме этого, указанный трансформатор характеризует ся сложной технологией изготовления, т.к. по длине т -зненноп; устройства необходимо реализовать пи? размера поперечного сече ния.

Таким образом, в свете вышеизложенного следует признать, чч задачи поиска новых структур, позволяющих сократить длину ступеї чатых трансформаторов волновых сопротивлений, а также задачи ис следования их свойств и определения оптимальных параметров явля ются особо актуальными в настоящее время, и от успешного их реїш ния но многом зависят порсииктивы рн:шитин техники ОНЧ, осооишк в области создания малогабаритной контрольно-измерительной и приемо-передающей (стационарной и бортовой) аппаратуры.

Целью работы является поиск новых структур малогабаритны? трансформаторов волновых сопротивлений, выполненных на основе ступенчатых неоднородных линий передачи (НЛП) с Т волнами, а таї же исследование их потенциальных возможностей и определение опті мальных параметров для разных комплексов технических требований,

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые проведен анализ и систематизация структур элект рических цепей ступенчатых трансформаторов волновых с.онротиплп

f)

пий. Построена удобная в вычислительном отношении модель амнли тудно частотных характеристик (ЛЧХ) 'ГНС п приближении 'Г ноли.

1. Предложен и исследован новый класс (класс II) ступенчатых ТВС, выполненных на основе каскадного включения четного числа от резков одиночных однородных ЛП разной длины, волновые сопротивло ния которых принимают чередующиеся значения, рапные, и частности, значениям волновых сопротивлений согласуемых ЛИ. Для указанного частного случая ТВС решены прямые и обратные задачи чебышевекой и максимально плоской аппроксимаций заданных ЛЧХ: установлено, что использование такой ступенчатой структуры для построения ТВС но зволяет достичь сокращения длины устройства в 1.!> ? раза по сран нению с аналогом класса 1. Решена задача синтеза ТИС с учетом влияния ступенчатых неоднородности на ЛЧХ устройства.

2. Предложены и исследованы две новые структуры малогабнрит ных ступенчатых ТВС, обеспечивающие сокращение длины устройства в 2-4 раза по сравнению с аналогом класса ]. Первая из предложенных структур основана на каскадном соединении четного числа отрезков однородных линий передачи разной длины, волновые сопротивления которых изменяются немонотонно от отрезка к отрезку. (3 основу второй структуры положен общий случай ступенчатой структуры клас са II, когда волновые сопротивления отрезков ЛП принимают череду ющиеся значения, не равные волновым сопротивлениям согласуемых линий передачи. Установлены законы изменения волновых соиротивле ний и длин звеньев предложенных малогабаритных ТВС.

3. Впервые провидено экспериментальное исследование стуиен чатах трансформаторов класса IJ в коаксиальном и микрополосконом исполнениях. С помощью расчетно экспериментального метода синтеза проведена корректировка параметров ТВС, найдеішнх в приближении Т-волн.

Практическое значение работы определяется тем, что в ней най дены новые и более оптимальпые технические решения в области син теза согласующих устройств. Разработан пакет прикладных программ анализа различных типов ступенчатых структур трансформаторов волновых сопротивлений, вошедший в состав действующей в Централь пом НИИ измерительной аппаратуры системы автоматизированного про вотирования устройств СВЧ.

Положения, выносимые на защиту

1. Обобщенная структура ТВС, основанная на каскадном соединении четного числа отрезков однородных ЛП разной длины, волновые сопротивления которых изменяются немонотонно от отрезка к от резку, при этом длины отрезков, отстоящих на одинаковое расстояние от середины устройства равны, позволяет в 2-4 раза уменьшить длину ТВС по сравнению с аналогами класса I.

2. Ступенчатая структура класса II, выполненная на основе каскадного соединения четного числа отрезков однородных ЛП разной длины, волновые сопротивления которых принимают чередующиеся значения, не равные волновым сопротивлениям согласуемых ЛП, при чем длины отрезков, отстоящих на одинаковое расстояние от середины устройства равны, имеет в 2-4 раза меньшую длину, чем анало гичный трансформатор класса I. ТВС характеризуются упрощенной технологией изготовления, т.к. по их длине необходимо реализовать только четыре размера поперечного сечения ЛП.

3. Трансформатор волновых сопротивлений, основанный на каскадном соединении четного числа отрезков однородных ЛП разной длины, волновые сопротивления которых принимают чередующиеся зна чения, равные волновым сопротивлениям согласуемых линий передачи причем длины отрезков, отстоящих на одинаковое расстояние от середины устройства равны, в 1,5-2 раза короче аналога класса I, и кроме этого, характеризуется наиболее простой среди ступенчатых ТВС технологией изготовления, т.к. по его длине необходимо реали зовать только два размера поперечного сечения.

Апробация результатов работы Материалы и основные положения диссертации обсуждались и были одобрены:

на Всесоюзном научном семинаре по методам синтеза и применению многослойных интерференционных систем (г.Москва, МГУ,1984г.)

на межведомственной научно-технической конференции по проблемам разработки методов и средств контроля полупроводниковых и диэлектрических структур (г. Саратов, 1986 г.);

на межведомственных научно-технических конференциях по пробл ме состояпия и тенденций развития контрольно-измерительного оборудования, КВЧ диапазона (г. Саратов, 1987, 1909 г.);

на Международной научно-технической конференции по проблемам мам математического моделирования и САПР систем сверхбыстрой об-

работки информации на объемных интегральных схемах СВЧ и КВЧ (г. Сергиев Посад, 1995г.);

- на Международной научпо-технической конференции по актуаль ным проблемам электронного приборостроения (г.Саратов, 1996г.).

Публикации По результатам выполненных исследований онубли ковапо 4 статьи (в центральных научных журналах АН СССР), 1 ста тья (на английском языке) опубликована в журнале 7KEE Trans, on Microwave Theory and Techniques, опубликовано 6 тезисов докладов, получено два авторских свидетельства на изобретения, часть материалов включепа в аналитический обзор, посвященный ТПС на основе линий передачи с Т-волнами, а также в 2 монографии.

Объем работы Диссертационная работа содержит введение, три главы, заключение и список литературы. Материал изложен на 111 стр. машинописного текста, содержит ?б стр. рисунков, ?0 стр. таблиц и 7 стр. списка литературы.