Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Основные параметры систем радиомониторинга и радиопротиводействия, использующие сигналы диапазона СВЧ для передачи и приема информации, во многом определяются параметрами устройств СВЧ, входящими в выходные и входные высокочастотные тракты. Изначально, системы радиомониторинга и радиопротиводействия являются широкополосными и сверхширокополосными системами, что накладывает определенные требования на разрабатываемые устройства СВЧ. Поиск новых принципов и методов проектирования устройств СВЧ, теоретическое обоснование этих принципов, разработка соответствующих схемотехнических решений построения устройств, позволяющих улучшить их частотные характеристики, расширить диапазон рабочих частот, снизить габариты, наиболее полно использовать технологические и конструктивные достижения в области микроминиатюризации устройств, повышение эффективности методов проектирования с использованием современных вычислительных средств и программного обеспечения, продолжают оставаться актуальными задачами по совершенствованию техники СВЧ.
Актуальность данного направления подтверждается продолжающимися многочисленными публикациями в зарубежной и отечественной периодической литературе, связанными с совершенствованием схемотехнических, конструктивных и технологических решений, а также принципов проектирования устройств СВЧ.
Цель диссертации
Целью диссертации является поиск новых принципов и методов проектирования устройств СВЧ, разработка соответствующих схемотехнических решений их построения, позволяющих улучшить частотные характеристики, расширить рабочий диапазон частот, снизить габариты и массу, придать устройствам новые частотные свойства и функциональные возможности. Задачи, решаемые в диссертации:
1. Обоснование метода структурного синтеза устройств СВЧ, включающего в себя: синтез отдельных структур с наперед заданными частотными свойствами, последующее совмещение этих структур между собой и со структурами устройств СВЧ, синтезируемых классическим способом.
2. Формулировка и доказательство теоремы для каскадного включения
одинаковых реактивных симметричных четырехполюсников. Введение
функции P(f ) для подобных структур, определяющей частотные свойства
результирующего четырехполюсника и не зависящей от числа последовательно соединенных одиночных четырехполюсников.
3. Теоретическое исследование частотных свойств функций \ + P(f )
широкополосных периодических структур с короткозамкнутыми и разомкнутыми шлейфами.
4. Исследование возможностей применения метода структурного синтеза, с использованием периодических и непериодических широкополосных структур с короткозамкнутыми и разомкнутыми шлейфами, для создания различных линейных и нелинейных устройств СВЧ.
5. Разработка ряда схемотехнических решений, полученных методом структурного синтеза для проектирования линейных и нелинейных устройств СВЧ.
6. Получение численных и экспериментальных результатов, подтверждающих выводы проведенных теоретических исследований.
Методы исследования.
При решении поставленных задач использовались методы теории радиотехнических цепей и сигналов, линейной и нелинейной алгебры, компьютерного схемотехнического и электродинамического моделирования, нелинейного анализа.
Научная новизна
Предложен и обоснован метод структурного синтеза, включающего в себя: синтез отдельных структур с наперед заданными частотными свойствами, последующее совмещение этих структур между и со структурами устройств СВЧ, синтезируемых классическим способом.
Сформулирована и доказана теорема для каскадного включения одинаковых реактивных симметричных четырехполюсников. Для подобных структур введена функция P{f ), определяющая частотные свойства результирующего четырехполюсника и, не зависящая от числа последовательно соединенных одиночных четырехполюсников.
- Определены частотные свойства функций \ + P(f ) широкополосных
периодических структур с короткозамкнутыми и разомкнутыми шлейфами, а также зависимость этих свойств от параметров элементов одиночного четырехполюсника.
Доказана возможность применения метода структурного синтеза, с использованием периодических и непериодических широкополосных структур с короткозамкнутыми и разомкнутыми шлейфами, для создания различных линейных и нелинейных устройств СВЧ с целью получения заданных частотных характеристик, значительного увеличения числа вариантов схемотехнического построения устройств, расширения рабочего диапазона частот, придания устройствам новых частотных свойств и функциональных возможностей, уменьшения габаритов.
Предложен ряд схемотехнических решений, полученных методом структурного синтеза для проектирования линейных и нелинейных устройств СВЧ таких как: трансформаторов активных, реактивных и комплексных сопротивлений, согласованных нагрузок; устройств деления и сложения мощности; детектирующих, смесительных и умножительных устройств; управляющих устройств с полупроводниковыми элементами; фильтров СВЧ.
Практическая ценность
Результаты проведенных теоретических исследований позволили предложить ряд новых схемотехнических решений, защищенных как авторским свидетельством, так и разработанными устройствами СВЧ для систем радиомониторинга и радиопротиводействия, которые производятся или планируются к производству на предприятиях РФ: ФГУП «ЦНИРТИ им. академика А.И. Берга» г. Москва, ФГУП «НИИ «Экран» г. Самара. Обоснованность и достоверность результатов работы подтверждается:
проведением численных экспериментов с использованием современных вычислительных средств и программного обеспечения;
полученными экспериментальными результатами и совпадением их с результатами численных экспериментов;
разработанными устройствами СВЧ для ряда ОКР и выпускаемой промышленностью радиотехнических систем в организациях РФ.
Публикации и апробации
Результаты диссертации опубликованы в 17 печатных работах, из которых 3 в журналах, включенных в перечень ВАК РФ, 1 в сборнике научных трудов ФГУП «ЦНИРТИ им. академика А.И. Берга», а 1 является авторским свидетельством. Основные результаты работы докладывались на Всесоюзных, Российских и Международных научно-технических конференциях: Областной школе семинаре «Повышение надежности, качества и быстродействия РЭА на основе объемных интегральных схем СВЧ», Куйбышев 1987 г.; IV Всесоюзной научно-технической конференции «Математическое моделирование и САПР радиоэлектронных и вычислительных систем СВЧ и КВЧ на объемных интегральных схемах», Волгоград 1991 г.; X Международной научно-технической конференции «Радиолокация навигация связь», Воронеж 2004 г.; III Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», Волгоград 2004 г.; XII научно-технической конференции «Космические информационно-управляющие системы наблюдения», Москва 2008 г.; VII Международной научно-технической конференции, посвященной 150-летию со дня рождения А. С. Попова «Физика и технические приложения волновых процессов», Самара 2008 г; X Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», Самара 2011. Положения, выносимые на защиту:
1. Метод структурного синтеза устройств СВЧ, суть которого заключается в следующем: в синтезе структур с наперед заданными частотными свойствами, в совмещении структур между собой и со структурами различных устройств, синтезируемых классическим способом, в значительном увеличении числа параметров для последующего параметрического синтеза с целью получения заданных амплитудно- и фазо-частотных характеристик,
в значительном увеличении числа вариантов схемотехнического построения устройств, в ряде случаев придание результирующей структуре новых частотных свойств и функциональных возможностей, в уменьшении габаритов.
2. Теорема: «При каскадном включении одинаковых реактивных сим
метричных четырехполюсников функция рабочего затухания результирую
щего четьфехполюсника L" (/ ) в полосе пропускания не превышает значе
ний функции 1 + РС/;), где p(jj = {Ьр(fJ-l)/(l-a^(fj), Lp{fw) - функция
рабочего затухания одиночного четьфехполюсника, al l (f ) -элемент клас
сической матрицы передачи одиночного четьфехполюсника, f -рабочая
частота в полосе пропускания четьфехполюсника».
3. Результаты теоретических исследований частотных свойств функций
\ + P(f ) для широкополосных периодических структур с короткозамкнуты-
ми и разомкнутыми шлейфами в зависимости от параметров элементов одиночного четьфехполюсника.
4. Схемотехнические решения, полученные методом структурного син
теза, для проектирования линейных и нелинейных устройств СВЧ таких как:
трансформаторов активных, реактивных и комплексных сопротивлений, со
гласованных нагрузок; устройств деления и сложения мощности; детекти
рующих, смесительных и умножительных устройств; управляющих уст
ройств с полупроводниковыми элементами; фильтров СВЧ.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения, одного Приложения и содержит 133 страницы основного текста, 9 страниц списка литературы (76 наименования), 65 рисунков, 2 таблицы.
