Введение к работе
Актуальность проблемы. Лампа бегущей волны (ЛБВ) – это прибор, широко используемый в различных усилительных цепях. ЛБВ обладает достаточно большой выходной мощностью и широкой полосой частот, она широко используется в системах радиоэлектронного противодействия (РПД) и радиоэлектронной борьбы (РЭБ).
Амплитудно-частотный корректор (корректор) применяется для выравнивания коэффициента усиления и расширения рабочего диапазона частот спиральных ЛБВ. Существуют различные возможности реализации требуемых характеристик такого устройства, однако к настоящему времени наибольшее распространение в разработках получила шлейфная конструкция корректора. Это объясняется как относительной простотой реализации, так и возможностью достаточно точно рассчитывать характеристики, применяя методы теории СВЧ цепей. Этот тип корректоров существует в двух вариантах конструктивного исполнения: на коаксиальной и микрополосковой линиях (КЛ и МПЛ, соответственно) передачи.
Вместе с тем повышение требований по фазоидентичности усилителей на основе ЛБВ в системах суммирования мощностей поставило задачу оптимизации корректора под конкретный тип прибора, в то время как до недавнего времени было достаточно иметь несколько типовых конструкций корректоров в разных диапазонах частот.
Фазовая характеристика современных широкополосных ЛБВ существенным образом зависит от уровня входного сигнала, так как присутствует амплитудно-фазовое преобразование сигнала (АМ-ФМ преобразование), поэтому разброс амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) корректора преобразуется в отклонения фазы выходного сигнала усилителя. В ЛБВ-О коэффициент АМ-ФМ преобразования может достигать десятки градусов на 1 дБ изменения мощности входного сигнала (/дБ) и более. Для того, чтобы комплексированное изделие (усилитель) удовлетворяло конкретным предъявляемым к нему требованиям по идентичности фазо-частотных характеристик (ФЧХ), проектирование корректоров необходимо вести с учетом АМ-ФМ преобразования ЛБВ. Такой подход должен быть использован для анализа влияния на идентичность характеристик комплексированного изделия допусков на размеры и конструкции корректора. Одним из наиболее эффективных и точных путей решения этой задачи является расчет частотных характеристик изделия в целом с учетом экспериментальных или теоретических характеристик ЛБВ.
Помимо этого, актуальна задача получения корректоров с идентичными характеристиками, что требует оптимизации корректора при разработке конкретных изделий. Для ее решения необходимы исследования по выявлению и систематизации основных причин неидентичности характеристик корректоров применяемой конструкции.
Изучению идентичности ФЧХ широкополосных спиральных ЛБВ посвящены теоретические и экспериментальные исследования отечественных и зарубежных ученых и инженеров: Каца А.М., Кудряшова В.П., Нудельмана Я.Е., Рафаловича А.Д., Данилова А.Б., Сивякова Б.К., Baruch E. и др. В последнее время проводились экспериментальные исследования по определению неидентичности характеристик различных типов применяемых корректоров (Тищенко В.И., Беляева Ю.А.).
Однако наблюдается отсутствие работ по выявлению и систематизации причин неидентичности корректоров, а также методики совместной разработки корректора АЧХ с учетом реальных характеристик конкретной ЛБВ.
Исходя из вышеизложенного, задача повышения идентичности ФЧХ широкополосных усилителей СВЧ на основе ЛБВ с корректором АЧХ за счет оптимизации корректора и его разработки с учетом характеристик конкретной ЛБВ является актуальной в настоящее время.
Цель работы: задача повышения идентичности ФЧХ широкополосных усилителей СВЧ на основе ЛБВ с корректором АЧХ за счет разработки корректоров с учетом характеристик конкретной ЛБВ и исследование причин неидентичности характеристик шлейфного корректора на КЛ и МПЛ
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
-
Исследование и анализ существующих современных конструкций оптимизирующих устройств АЧХ и их возможность применения в составе СВЧ усилителей на основе широкополосной спиральной ЛБВ с АЧХ корректором.
-
Разработка методики анализа и построение математической модели шлейфного корректора АЧХ на КЛ и МПЛ и всего комплексированного изделия: корректор+ЛБВ.
-
Создание на основе разработанной модели программы функционального проектирования шлейфных корректоров АЧХ с учетом характеристик ЛБВ. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов. Апробация модели и программы.
-
Анализ чувствительности характеристик корректора для широкополосных ЛБВ к его настройке для шлейфного корректора АЧХ на КЛ.
-
Анализ чувствительности к допускам характеристик шлейфных корректоров АЧХ для широкополосных ЛБВ на КЛ и МПЛ.
-
Теоретическое и экспериментальное исследования влияния допусков, налагаемых на элементы корректора АЧХ, на характеристики усилителя.
-
Апробация на практике выработанных рекомендаций по разработке фазоидентичных СВЧ усилителей на основе широкополосной ЛБВ с АЧХ корректором.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Установлено, что происходит заметное увеличение неидентичности ФЧХ усилителей корректор + ЛБВ за счет АМ-ФМ преобразования сигнала в ЛБВ, которое в диапазоне частот 2-4 ГГц вызывает увеличение на 50% неидентичности ФЧХ усилителей корректор + мощная широкополосная ЛБВ относительно неидентичности ФЧХ корректоров, поэтому при проектировании корректоров АЧХ для фазоидентичных усилителей необходимо учитывать не только амплитудную, но и фазоамплитудную характеристику ЛБВ-О.
-
Методика, алгоритм и программа функционального анализа характеристик шлейфного корректора АЧХ на КЛ и МПЛ с учетом фазоамплитудной характеристики ЛБВ, позволяющие проводить интерактивное проектирование и анализ характеристик корректора.
-
Результаты исследования влияния допусков, налагаемых на поперечные и продольные размеры, на идентичность характеристик шлейфных корректоров на КЛ и МПЛ, показавшие, что в коаксиальной конструкции наибольшее влияние (в 2-3 раза) оказывают допуски на поперечные размеры, а в микрополосковой – на продольные (в 9-10 раз).
-
Установлено, что для улучшения идентичности характеристик шлейфного корректора АЧХ на МПЛ необходимо накладывать допуски на номинальное значение вносимого активного сопротивления резистивным напылением, а не только на геометрические размеры резистивного напыления – это повышает идентичность характеристик в 2 раза.
Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов. В работе использованы хорошо отработанные на практике методы экспериментального исследования. Для проведения измерений использованы принятые в промышленности регламентированные ГОСТами, методики и средства измерений. В построенной модели используются известные и общепризнанные методы теории расчета СВЧ цепей на основе эквивалентных представлений. Корректность модели подтверждается хорошим совпадением теоретических и экспериментальных данных, полученных на современном измерительном оборудовании.
Научная новизна работы:
-
Предложена и показана на практике необходимость разработки корректора АЧХ для фазоидентичных широкополосных СВЧ усилителей на основе ЛБВ с корректором АЧХ с учетом фазоамплитудной характеристики широкополосной ЛБВ.
-
Разработаны методика, алгоритм и программа функционального анализа характеристик шлейфного корректора АЧХ на КЛ и МПЛ с учетом фазоамплитудной характеристики ЛБВ.
-
Проведены исследования причин неидентичности частотных характеристик шлейфных корректоров на КЛ и МПЛ для широкополосных спиральных ЛБВ.
-
Установлено, что в корректоре на КЛ наибольшее влияние оказывают допуска на поперечные размеры, а на МПЛ – на продольные.
-
Показано, что для улучшения идентичности характеристик шлейфного корректора АЧХ на МПЛ необходимо накладывать допуска на номинальное значение вносимого активного сопротивления резистивного напыления, а не только на геометрические размеры резистивного напыления.
Практическая значимость заключается в следующем:
-
Полученные в результате исследований рекомендации по уменьшению чувствительности ФЧХ к допускам шлейфных корректоров на КЛ и МПЛ позволяют повысить фазоидентичность усилителей на основе широкополосной ЛБВ с корректором АЧХ и упростить процесс технологической фазировки изделий.
-
Разработанная программа позволяет вести интерактивное проектирование корректора с учетом реальных характеристик ЛБВ, в результате чего уменьшаются трудоемкость, сроки и стоимость проектирования.
-
Результаты работы внедрены в ОАО «НПП «Алмаз», о чем имеется акт внедрения, и могут быть использованы в вузах и на предприятиях радиоэлектронного профиля.
Апробация работы. Работа выполнена на кафедре «Электротехника и электроника» Саратовского государственного технического университета имени. Гагарина Ю.А в период 2008-2012 г.г. Результаты работы докладывались и обсуждались на: Международной научной конференции «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности» «АСТИНТЕХ-2010» (Астрахань, 11-14 мая 2010); 9-й Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, СГТУ, 2010); XXIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-24» (Саратов, 21-24 апреля 2011) и научных семинарах кафедры электротехники и электроники СГТУ.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планами НИР ОКР СГТУ и ОАО «НПП «Алмаз».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Личный вклад автора заключается в участии в формулировке цели и постановке задач исследований, построении математических моделей и написания, на их основе, программы, апробации программы и модели, проведении расчетов. Автор является исполнителем представленных экспериментальных исследований. Обсуждение полученных теоретических и экспериментальных результатов проводилось совместно с соавторами научных статей.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Ее объем 110 страниц, включая 76 рисунков, 1 таблицу, 46 наименований цитируемых источников.
