Содержание к диссертации
Принятые сокращения 5
Введение 6
1 Общая характеристика разрабатываемых методов
и прецизионных средств измерения ^-параметров активных
СВЧ-цепей 13
Введение в раздел. 13
-
Описание СВЧ-цепей в пространстве S-параметров 13
-
Методы анализа устойчивости и измерения S-параметров активных СВЧ-цепей « .24
-
Принцип построения имитационного анажзатора для систем автоматизированного проектирования усилительных
и автогенераторных СВЧ-устройств 28
Выводы 39
2 Математическое моделирование, способы калибровки
и структурный синтез имитационных анализаторов СВЧ-цепей ...42
Введение в раздел 42
-
Вывод обобщенного уравнения физического преобразования имитационных анажзаторов .43
-
Математические модеж имитационных анажзаторов
и их 1-шлейфных перестраиваемых согласующих трансформаторов....49
-
Математическая модель гомодинного имитационного анажзатора с перестраиваемым измерительным датчиком.... 49
-
Математическая модель двухсигнального имитационного анажзатора ' 54
-
Математическая модель ff-шлейфных перестраиваемых согласующих трансформаторов 58
2.3 Способы кажбровки имитационных анажзаторов 64
-
Способ кажбровки детекторов 64
-
Способ кажбровки измерительных датчиков гомодинного имитационного анажзатора 66
-
Способ кажбровки измерительных датчиков двухсигнального имитационного анажзатора. 70
-
Способ кажбровки tf-шлейфных перестраиваемых согласующих трансформаторов. 71
2.4 Способы кажбровки контактных устройств 74
2.4.1 Конструкции контактных устройств
и их классификация 74
-
Способ калибровки коаксиального контактного устройства 80
-
Способ кажбровки полоскового контактного устройства 84
-
Способ кажбровки зондового контактного устройства..87
-
Перенос результатов калибровки имитационного анализатора стандартными коаксиальными мерами
на измерение S-яараметров полосковых СВЧ-цепей 88
2.5 Стрртурный синтез имитационного анажзатора для систем автоматизированного проектирования усшштельных
и автогенераторных СВЧ-устройств 90
Выводы 95
3 Оценка и методы уменьшения суммарной погрешности
измерения имитационного анализатора СВЧ-цепей 97
Введение в раздел. 97
3.1 Методика оценки суммарной погрешности измерения
на основе ряда Тейлора 97
-
Методика..... 97
-
Математическая модель 106
-
Оценка суммарной погрешности измерения на основе вариации ее частных составляющих .116
-
Амплитудная и фазовая адаптация имитационного анажзатора и его метрологические характеристики 126
-
Амплитудная адаптация ....126
-
Фазовая адаптация 130
-
Метрологические характеристики 133
3.4 Основные результаты теоретических исследований 134
Выводы..... .......135
4 Режимы работы имитационного анализатора СВЧ-цепей 137
Введение в раздел 137
4.1 Режим работы в системе автоматизированного
пректированйя усшштельных и автогенераторных СВЧ-устройств... 137
-
Процедура имитационного моделирования 137
-
Методжа выбора ^-эксплуатационных характеристик... 139
-
Метод анажза устойчивости .141
-
Метод измерения 5-параметров. 143
-
Методика определения констрртивно-топологических параметров и диапазона их технологических подстроек 148
4.2 Режим работы в системе технологического контроля
полупроводниковых приборов 150
4.3 Режим оценки готовности производства к выпуску
усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств 150
4.4 Автономный режим 152
Выводы 157
5 Техническая реализация имитационных анализаторов
СВЧ-цепей, сравнительный анализ и внедрение в промышленности..158
Введение в раздел 158
-
Техническая реализация 158
-
Сравнительный анализ теоретических
и экспериментальных результатов 164
-
Внедрение в промышленности 167
-
Конструкции и технические характеристики усилительных
и автогенераторных СВЧ-устройств 168
-
Конструкция и технические характеристики модуля СВЧ-усилителя для спутниковой связи 168
-
Конструкция и технические характеристики модуля СВЧ-усилителя для радиопередатчика 169
-
Конструкция и технические характеристики модуля СВЧ-автогенератора, стабилизированного плоскопараллельной структурой на основе диэлектрического резонатора, включенной
в выходной цепи 170
5.4.4 Конструкция и технические характеристики модуля
СВЧ-автогенератора, стабилизированного плоскопараллельной
стрртурой на основе диэлектрического резонатора, включенной
в петле обратной связи 172
Выводы 174
Заключение 175
Библиография 176
Принятые сокращения
ГСМ - Государственная система обеспечения единства измере-
ДР - диэлектрический резонатор
Щ - измерительный датчик
МП - измерительный преобразователь
ВД - имитационный анализатор СВЧ-цедей
ККО - комплексный коэффициент отражения
МП - комплексный коэффициент передачи
КП - коаксиальный переход
Щ - коэффициент полезного действия
КСВ - коэффициент стоячей волны
КУ - контактное устройство
ККУ и ПКУ - коаксиальное и полосковое контактное устройство
ПЛ - полосковая линия
НМ - направленный мост
ОКР - опытно-констррторские работы
ППРС - плоскопараллельная резонансная структура
ППФ - полосно-пропускащий фильтр
ПСТ - перестраиваемый согласующий трансформатор
ПТБШ - полевой транзистор с затвором Шоттки
РФ - режекторный фильтр
САПР - система автоматизированного проектирования
СКО - среднее квадратическое отклонение
СМ - средство измерения
СВЧ - сверхвысокая частота
СТК - система технологического контроля
СЦ - согласующая цепь
ТЗ - техническое задание
ФНЧ - фильтр нижних частот
ЭСЗ - эквивалентная схема замещения
Введение к работе
Актуальность работы. Эффективность современных систем автоматизированного проектирования (САПР) усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств, которые повсеместно применяются в наземных и спутниковых системах телевидения и связи, системах радиолокации и радионовигации, определяется точностью и адекватностью измерения исходных для проектирования [1 - 121 ^-параметров активных компонентов этих устройств. Для точного измерения б'-пара-метров активных компонентов необходимы методы и прецизионные" средства, распространяющие действие Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСМ), неоценимый научный и практический вклад в создание которой внесли известные ученые Петров В.П., Гутина Э.М., Костюченко К.К., Шейнин Э.М., Евграфов В.И., Хворое- / тов Б.А., Рясный Ю.В., Пальчун Ю.А., Калмыков A.M. и др. [19, 20,/ 63, 64, 146 - 150], на измерение S-параметров активных СВЧ-цепей-J
Решению проблем точного измерения S-трсшетроб посвящены" работы известных зарубежных ученых Bosisio R.G., Ы S.H., Mazum-der S.R., Muller 0. и др. [36 - 40], в которых разработаны методы измерения S = /(Г)-параметров активных компонентов, основанные на измерении их комплексных коэффициентов отражения (ККО) Г. В известных методах точность измерения S-параметров определяется точностью измерения ККО Г.
При измерении ККО Г классическими анализаторами СВЧ-цепей (АЦ) на основе 12-ти - полюсных измерительных датчиков (МД), неоценимый научный и практический вклад в создание которых внесли известные во всем мире ученые Allred С, Bergfroff G., Bonte В., Engen G.F., Hoer С.Н., Nemoto Т., Roe K.O., Stumper U., Wait D.F., Woods D. и др. [З, 13 - 15, 17, 18, 20 - 28, 46 - 48, 63, 116, 121 - 125], регистрируют три & = 1, 2, 3 значения мощности Рк стоячей волны с после дующим определением ККО Г*.
Погрешность измерения ККО Г зависит как от динамического диапазона A = 1^^^) стоячей волны с минимумом и максимумом Р , , так и от фазового сдвига 6 , 2г = 2, 3 ее решет-
771 ь ть у mats лі рируемых мощностей Pfe. Так, например, при амплитудном ограничении А . ^ А < А и фазовом условии 6Ъ = 8 погрешность измерения
ККО Г не превышает заданного предела допуска, где А , и8 - предельно допустимые значения динамического диапазона А и оптимальное значение фазового сдвига.
Недостатком известных Щ является то, что они поддерживают их амплитудную адаптацию к измеряемому ККО Г в виде одностороннего амплитудного ограничения А ^ А (адаптация сверху), при котором погрешность измерения ККО Г с малым модулем |Г| < 0,3, превысив предел ее допуска, неограниченно возрастает. Кроме того, такие Щ из-за узкополосности их ВД не могут поддерживать их фазовую адаптацию в виде фазового условия 8Ь = 6Q в широком частотном диапазоне, что также увеличивает погрешность измерения ККО Г.
Для решения этой проблемы необходима разработка и исследование АЦ, альтернативных известным, работающих как в двухсигналь-ном, так и гомодинном режимах [15, 20, 29 - 33, 146 - 148, 157, 160], которые могут измерять как ККО Г, так и комплексные коэффициенты передачи (ККП) Т активных компонентов. Кроме того, необходима разработка математических моделей таких АЦ, способов калибровки их детекторов и ВД, а также методов амплитудной и фазовой адаптации Щ [15, 29, 30, 33, 47, 49, 68, 157, 160] к измеряемым ККО Г и ККП Т в широком динамическом и частотном диапазонах их измерения в виде двухстороннего амплитудного ограничения Ami ^ А < А (безусловная адаптация) и фазового условия 8. = 8П, что повышает точность измерения этих параметров.
Проблема точного измерения S-параметров активных компонентов усугубляется тем, что эти компоненты имеют разнообразные типы входных трактов и чаще всего полосковые, для которых нет стандартных мер. Это приводит к необходимости разработки контактных устройств (КУ), например, коаксиальных (ККУ) [15, 51 - 54, 151, 152, 155, 158], альтернативных полосковым (ПКУ) [4, 15, 30, 56 -62, 115, 16П, обеспечивающих подключение к Щ как стандартных коаксиальных мер при калибровке АЦ, так и исследуемых полосковых компонентов при измерении их S-параметров. Кроме того, необходима разработка способов калибровки ККУ [15, 51 - 55, 151, 152, 155, 158] расчетными полосковыми калибраторами, обеспечивающих перенос результатов калибровки АЦ стандартными коаксиальными мерами на измерение S-параметров полосковых компонентов.
Проблема адекватного измерений, S-парамещюв связана с тем, что S - S{Q)-параметры активных компонентов зависят от режима работы этих компонентов, который определяется их Q-эксплуатацион- ными характеристиками, например, такими как напряжения питания, частота усиления или генерации, входная мощность и ККО нагрузок (нагрузочные ККО) этих компонентов, задающие их режим усиления или генерации как усилительного или автогенераторного СВЧ-уст-ройства в целом. Множеству возможных значений Q-эксплуатационных характеристик активного компонента соответствует множество значений его Я-параметров в режиме усиления или генерации. Это требует введения в рассмотрение понятия адекватного измерения S-парамет-ров активных компоненнтов при их заданных Q-эксплуатационных характеристиках [15, 16, 41, 42, 153, 154, 156, 159]. Эти характеристики должны быть выбраны при условии удовлетворения Qy А-тех-нических характеристик активного компонента как усилительного или автогенераторного СВЧ-устройства в целом, например, таких как напряжение питания, входная и выходная мощности, рабочая частота или частота генерации, коэффициенты усиления по мощности и шуму и др., техническому заданию (ТЗ) Qy Атз этого устройства.
Решение проблемы адекватного'измерения S-параметров активных компонентов требует разработку метода анализа устойчивости этих компонентов [15, 114, 154, 159], определяющего границы областей устойчивых и неустойчивых нагрузочных ККО на их комплексной плоскости, что существенно облегчает выбор этих компонентов для проектируемых усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств, а также разработку, альтернативного известным, метода измерения S = /(Г, Т, d)-параметров этих компонентов при их заданных Q-эксплуатационных характеристиках [15, 16, 41, 42, 154, 159].
Для реализации этих методов в составе САПР усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств, системы технологического контроля (ОТК) полупроводниковых приборов или же автономно необходимо преобразование Щ в имитатор-анализатор этих устройств (имитационный АЦ (Щ)) [15, 16, 41, 42, 154, 159], измерительный преобразователь (ЖІ) которого содержит перестраиваемые согласующие трансформаторы (ПСТ), которые задают требуемые нагрузочные ККО й активного компонента этих устройств. Также необходима разработка способа калибровки ПСТ такого ИАЦ.
Точное и адекватное измерение S-параметров активных компонентов проектируемых САПР и имитируемых и оптимизируемых Щ усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств при условии, когда Qy А-технические характеристики этих устройств удовлетворяют их T3Qy Атз исключает необходимость многократной констррторской коррекции опытного образца этих устройств при проведении цикла опытно-конструкторских работ (ОКР), тем самым повышая экономическую эффективность производства этих устройств.
Таким образом, актуальность диссертационной работы очевидна, так как разработка ее темы как в научном, так и в практическом аспектах обеспечивает повышение точности и адекватности измерения S-параметров активных СВЧ-цепей, что повышает эффективность САПР усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств, следовательно экономическую эффективность их производства. Цель и задачи исследования
Целью диссертации является повышение точности и адекватности измерения ^-параметров активных СВЧ-цепей.
Для достижения поставленной цели были решены следующие основные научно-технические задачи: разработаны методы анализа устойчивости и измерения S-na-раметров активных СВЧ-цепей при их зданных ^-эксплуатационных характеристиках, включая разработку методики выбора последних; предложен принцип построения МАЦ для САПР усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств, а также прогрессивные технические решения по конструированию его ШІ и ККУ; разработаны математические модели Щ и способы калибровки его детекторов, ИД, ПСТ и ККУ; разработаны методики оценки суммарной погрешности измерения Щ на основе ряда Тейлора и вариации ее частных составляющих; разработаны методы амплитудной и фазовой адаптации МАЦ и методика определения его метрологических характеристик; эксперименально исследованы разработанные рабочие образцы прецизионных Щ в составе САПР усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств, СТК полупроводниковых приборов и автономно, включая режим оценки готовности производства к серийному выпуску усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств с внедрением ИАЦ и отдельно разработанных рабочих образцов прецизионных ККУ в промышленности. Метода исследования Решение поставленных задач было осуществлено на основе сов- ременных теории радиотехнических измерений, теории радиотехнических систем и цепей, теории вероятностей и математической статистики, линейной алгебры, вычислительной математики и моделирования на ЭВМ.
Достоверность основных теоретических положений и выводов подтверждена экспериментальными исследованиями рабочих образцов прецизионных Щ и ККУ в составе ОАПР предприятия ШІ0 * Радио" (г. Москва), ОКБ "Салют" (г. Новосибирск) и 000 НПФ "Микран" (г. Томск).
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые предложно комплексное решение проблемы точного и адекватного измерения S-параметров активных ОВЧ-цепей в виде: методов анализа устойчивости и измерения S-параметров активных ОВЧ-цепей при их заданных ^-эксплуатационных характеристиках и методики выбора последних; принципа построения Щ для САПР усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств и прогрессивных технических решений по конструированию его ШІ и ККУ; математических моделей Щ и способов калибровки его детекторов Ш, ПСТ и ККУ; методик оценки суммарной погрешности измерения Щ на основе ряда Тейлора и вариации ее частных составляющих; методов амплитудной и фазовой адаптации ИАЦ и методики определения его метрологических характеристик. Практическая ценность и значимость работы
Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные метода, и прецизионные средства повышают точность измерения S-параметров пассивных СВЧ-цепей с малым модулем, что важно для поверочных схем ГСМ. Кроме того, она состоит в том, что эти методы и прецизионные средства распространяют действие ГСМ на точное и адекватное измерение S-параметров активных СВЧ-цепей, включая и полосковые.
Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные методы и прецизионные средства повышают эффективность САПР' усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств и СТК полупроводниковых приборов, тем самым повышая экономическую эффектив- ность их производства. Основные положения, выносимые на защиту
На защиту выносятся следующие научные положения, обеспечивающие повышение точности и адекватности измерения ^-параметров активных СВЧ-цепей.
Принцип построения Щ для САПР усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств, а также технические решения по конструированию его ИП и ККУ.
Математические модели Щ и способы калибровки его ИД, ПСТ и ККУ.
Методика оценки суммарной погрешности измерения ]Щ на основе вариации ее частных составляющих.
Методы амплитудной и фазовой адаптации Щ и методика определения его метрологических характеристик.
Методы анализа устойчивости и измерения ^-параметров активных СВЧ-цепей при их заданных ^-эксплуатационных характеристиках, включая методику выбора последних. Реализация в промышленности и внедрение
Основные результаты работы были получены при выполнении хоздоговорных ЖР И 24 - 126] и внедрены на предприятиях НИИ "Радио" (г. Москва), 000 НПФ "Микран" (г. Томск), ОКБ 'Салют" (г. Новосибирск), НГТУ (г. Новосибирск) и СибГУТИ (г. Новосибирск) в виде: рабочих образцов прецизионных АЦ для измерения входных, выходных и нагрузочных импедансов активных компонентов усилительных и автогенераторшх СВЧ-устройств (А.с. і 1656419); рабочего образца прецизионного МАЦ для анализа устойчивости и измерения S-параметров активных компонентов имитируемых Щ усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств (А. с. $1758595, М 830564); рабочих образцов прецизионных Ш для СІК полупроводниковых приборов (А.с. *1436152, Л1478156, 11578667, М584001, М608762, #1682942, Ш774286); программных продуктов САПР в виде библиотеки математических моделей активных и пассивных компонентов усилительных и авто- генераторных СВЧ-устройств и их самих в целом; - опытных образцов усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств, разработанных САПР, в состав которой был введен Щ, для телекоммуникационных систем связи и радиолокации.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались 23-х научно-технических конгрессах, конференциях и семинарах всех уровней, включая и международные [16, 42, 68, 111, 116, 121 - 123, 128, 131, 133 -135, 140 - 145, 151 - 1541.
Публикации ЇЇО-ЛЄІіЮ-^ЩССЄртаіЩ_^^
27 статей [16, 33, 41, 42, 51, 68, 76, 88, 90, 99, 127, 138 -140, 143, 151 - 162], из которых 11 в центральной печати [33, 41, 51, 88, 127, 157 - 161], получено 10 авторских свидетельств на изобретения [29, 30, 49, 52 - 56, 59, 114] и зарегистрировано 3 отчета по НИР [124 - 126]. Структура и объеи работы
Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и библиографии. Ее материал изложен на 189-и страницах и иллюстрируется 60-ю рисунками и 9-ю таблицами. Библиография включает 161-0 наименование.
