Введение к работе
Актуальность проблемы. Тенденцией развития современных полупроводниковых приемопередающих устройств является непрерывное продвижение в область высоких частот, повышение требований к уровню преобразуемой мощности, ширине полосы рабочих частот, надежности и технологичности при одновременном уменьшении веса и габаритов. Этому в значительной степени способствует прогресс твердотельных технологий, который привел к созданию новых типов электронных приборов, и к возможности проектирования новых схем и систем в интегральном и полупроводниковом исполнении. При этом проектирование и анализ разрабатываемых интегральных схем, работающих в области высоких частот, а также устройств и систем на их основе, неизбежно должны быть более детальными и точными. Этот фактор, а также необходимость учета значительного числа других факторов, обусловленных спецификой СВЧ – диапазона, порождают проблему разработки единых методологических и математических основ эффективного и качественного проектирования с использованием современных САПР.
Важной частью общей проблемы разработки современных полупроводниковых приемопередающих устройств является проблема широкополосного согласования произвольных импедансов источника сигнала и его нагрузки. Решение этой проблемы представляет большую практическую значимость, так как позволяет обеспечить оптимальное построение широкополосных приемо-передающих трактов на этапе проектирования за счет наилучшего построения и использования внутренней структуры устройств.
Активные исследования в области проектирования широкополосных согласующих устройств ведутся начиная с 70-х годов 20 столетия, как в нашей стране, так и зарубежом. Были получены различные варианты конструктивного исполнения таких устройств, а также методы их анализа.
Фундаментальный вклад в теорию анализа и расчета согласующих устройств внесли советские, российские и зарубежные ученые, среди которых: А.Л. Фельдштейн, Л.Р. Явич, Э.В. Зелях, Б.М. Заикин, Л.Г. Плавский, А.Е. Смирнов, Л. Г. Малорацкий, И.И. Чупров, Г.А. Дегтярь, Г.Н, Девятков, М.А. Силаев, И.П. Бушминский, Г.П. Петин, А.Е. Смирнов, В.И. Говорухин, Б.И. Ивлев, А.Н. Шишмаков, Б.Н. Красноголовый, S. Maas, T. Abele, Y Shimado, H. Berner, K. Haddad, N. Hughess и другие.
Однако, в настоящее время остаются нерешенными следующие задачи:
1 Несмотря на успехи практического проектирования широкополосных согласующих устройств, в самой общей постановке, данная проблема всё ещё остаётся без должного теоретического обоснования и соответствующих методов расчета.
2 В существующих работах до сих пор не решена проблема создания единой методики расчета согласующих устройств для различных конструктивных исполнений. В частности, отсутствует обобщенный аналитический метод расчета и анализа основных характеристик широкополосных согласующих устройств для разнообразных конструктивных исполнений.
Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка единого метода расчета основных параметров широкополосных балансных симметрирующих трансформаторов сверхвысокочастотного диапазона различного конструктивного исполнения.
Задачи исследования. Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:
-
Анализ существующих конструкций балансных симметрирующих трансформаторов, методов их расчета и определение путей улучшения характеристик таких устройств.
-
Разработка конструкций балансных симметрирующих устройств с улучшенными характеристиками и методов их расчёта.
-
Разработка общего аналитического метода анализа и расчёта параметров симметрирующих трансформаторов в различном конструктивном исполнении.
-
Экспериментальные исследования разработанных методов, алгоритмов расчёта широкополосных согласующих устройств.
Методы исследований Основная часть работы выполнена с применением теории цепей СВЧ, теории матричного анализа, теории решения систем дифференциальных уравнений. Все расчёты получены с использованием численных методов, реализованных в средах математического программирования и имитационного моделирования с помощью пакета программ AWR MicroWave Office 2002, MathCAD.
Научная новизна работы. Научная новизна работы заключается в разработке единого универсального метода анализа и расчета широкополосных согласующих устройств различных конструкций, основанного на матричных преобразованиях. Разработанный метод позволяет автоматизировать процесс проектирования таких устройств, заключающийся в выборе конкретного конструктивного исполнения и расчета всех параметров и характеристик широкополосных согласующих устройств.
Достоверность полученных результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным использованием исходных теоретических и экспериментальных данных. Изложенные в работе положения теоретически обоснованны, подтверждены сопоставлением результатов аналитического расчета с данными, полученными в результате имитационного моделирования и экспериментальных исследований.
Практическая значимость работы.
Изложенный в диссертации метод анализа и расчета широкополосных согласующих устройств позволяет проектировать современные высокостабильные согласующие устройства сверхвысоких частот. Его преимущества доказаны результатами экспериментального и имитационного моделирования.
Применение данного метода расчета подобных устройств позволяет автоматизировать процесс анализа и проектирования радиотрактов современных цифровых радиостанций.
Предложенный метод анализа и расчета широкополосных согласующих устройств и рекомендации по его применению для повышения качества широкополосных согласующих устройств, применяемых в цифровых радиотрактах мобильных средств связи приемопередающих трактов, были внедрены в серийной продукции ведущего предприятия радиотехнической отрасли ОАО «Корпорация –Новосибирский завод Электросигнал», лауреата премии Совета министров СССР в области науки и техники, что подтверждается соответствующим актом внедрения. Результаты данной работы были внедрены в учебный процесс СибГУТИ, что подтверждается соответствующим актом внедрения.
Результаты теоретического и экспериментальных исследований могут быть полезны широкому кругу разработчиков научно-исследовательских проектных учреждений, занимающихся проектированием мобильных средств радиосвязи.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на международных и российских конференциях различного уровня: Proceeding of Siberian Workshop on Electron device and materials EDM 2003, Чемал, 2003г.; Proceeding of Siberian Workshop on Electron device and materials EDM 2004, Чемал, 2004г.; Proceeding of Siberian Workshop on Electron device and materials EDM 2005 Чемал, 2005 г.; Современные проблемы радиоэлектроники (СПР-2004), Красноярск 2004 г.; Сибдальсвязь 2005, Новосибирск-Владивосток, 2005г.; IIX международная конференция Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП -2006)., Новосибирск, 2006г.; IX международная конференция Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП- 2008), Новосибирск, 2008г; Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск 2010г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано восемнадцать работ, в том числе три статьи в сборниках, рекомендованных ВАК, одна статья, депонированная в ВИНИТИ, восемь докладов на НТК различного уровня.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основная часть работы содержит 138 страниц текста с 101 иллюстрацией. Список литературы насчитывает 51 наименование. Общий объем работы с приложениями составляет 140 страниц.
