авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Разработка многопозиционных волноводных фазовращателей с p-i-n-диодами для фазированных антенных решеток

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

БОНДАРЕНКО Антон Леонидович


РАЗРАБОТКА МНОГОПОЗИЦИОННЫХ ВОЛНОВОДНЫХ

ФАЗОВРАЩАТЕЛЕЙ С P-I-N-ДИОДАМИ ДЛЯ ФАЗИРОВАННЫХ
АНТЕННЫХ РЕШЕТОК

Специальность 05.12.07 – Антенны, СВЧ – устройства и их технология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего профессионального образования
«Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, Сивяков Борис Константинович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Комаров Вячеслав Вячеславович кандидат технических наук, доцент
Семенов Владимир Константинович
Ведущая организация: ЗАО «НПЦ «Алмаз-Фазотрон», г. Саратов

Защита состоится «26» декабря 2011 г. в 13 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.242.01 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: г. Саратов, ул. Политехническая, д.77, корп.1, ауд. 414.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».

Автореферат разослан «_____» ноября 2011 г.

Автореферат размещен на сайте ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.». www.sstu.ru « _____ » ноября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Димитрюк А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Волноводные фазовращатели на p-i-n-диодах применяются в фазированных антенных решетках (ФАР) радиолокационных станций, а также в качестве фазовых модуляторов в приемных и передающих трактах радиоэлектронной аппаратуры.

Управление фазами позволяет радару с ФАР формировать необходимую диаграмму направленности антенны; изменять направление луча неподвижной антенны и, таким образом, осуществляя быстрое сканирование – качание луча, управлять в определённых пределах формой диаграммы направленности – изменять ширину луча, интенсивность боковых лепестков и т.п.

Эти свойства ФАР, а также возможность применять для управления ФАР современные средства автоматики и вычислительной электроники обусловили их перспективность и широкое использование в радиолокации, радиосвязи, радионавигации, радиоастрономии и т.д. ФАР, содержащие большое число управляемых элементов, входят в состав различных наземных (стационарных и подвижных), корабельных, авиационных и космических радиоустройств. Ведутся интенсивные разработки в направлении дальнейшего развития теории и техники ФАР и расширения области их применения.

Одним из важных преимуществ решётки является возможность быстрого обзора пространства за счёт качания луча антенны электрическими методами (электрического сканирования).

Особенно актуальным является использование многопозиционных фазовращателей в качестве управляемых устройств ФАР. Многопозиционные фазовращатели обеспечивают создание ряда дискретных фазовых сдвигов по всему раскрыву и значительную скорость изменения этих сдвигов при сравнительно небольших потерях мощности. Анализ технических параметров фазовращателей, достигнутых на сегодняшний день, показывает, что основными тенденциями их развития являются: уменьшения массогабаритных показателей; расширение полосы рабочих частот; точность установки фазы; повышение мощности входного высокочастотного сигнала; улучшения качества согласования; повышение быстродействия; увеличение динамического диапазона установки фазы. Бывают активные и пассивные ФАР. В них, соответственно, и применяются многопозиционные проходные и отражательные фазовращатели.

Большой вклад в развитие дискретно-коммутируемых фазовращателей внесли Лебедев И.В., Сесторецкий Б.В., Уотсон Д., Хижа Г.С. и другие. Также свой вклад в развитие волноводных фазовращателей с планарными петлями связи с p-i-n-диодами внесли Сивяков Б.К. и Пазухина Т.Г.

На сегодняшний день стоит задача уменьшения поперечных размеров волноводных фазовращателей и увеличение количества дискретов сдвигов фаз, так как это способствует большей плотности размещения модулей ФАР при тех же размерах полотна антенной решетки.

С момента появления волноводных фазовращателей на p-i-n-диодах и по настоящее время постоянно идет процесс совершенствования приборов, стимулом к которому выступают все возрастающие требования со стороны радиотехнических и радиолокационных систем, в которых они применяются, а также постоянная конкуренция с ферритовыми фазовращателями, которые обладают низкими вносимыми потерями, плавным изменением фазового сдвига и небольшой стоимостью. Преимуществами фазовращателей на p-i-n-диодах по сравнению с ферритовыми являются меньший вес, температурная стабильность фазы, низкая потребляемая мощность и реализуемость практически во всех типах линий передачи.

Таким образом, создание волноводных фазовращателей на p-i-n-диодах является актуальной проблемой и требует дальнейшего обобщения и систематизации концептуальных принципов построения, а также обусловливает необходимость разработки новых адекватных методов анализа и синтеза.

Цель диссертационной работы. Разработка фазовращателей проходного и отражательного типов на основе волноводов сложного сечения на p-i-n-диодах с планарными петлями связи, обладающих расширенной полосой рабочих частот, уменьшенными габаритами.

Создание основ теории фазовращателей с планарными петлями связи, включающей метод анализа, математические модели, методы расчета элементов фазовращателей и их компьютерное моделирование.

Исследование влияния конструктивных параметров на выходные электрические характеристики фазовращателей.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

  • создание фазовращателей на основе волноводов П-образного поперечного сечения
  • обоснование и разработка обобщенной концепции построения многопозиционных волноводных фазовращателей отражательного и проходного типа с планарными петлями связи;
  • выбор метода анализа, разработка математических моделей;
  • развитие теории расчета с помощью САПР;
  • анализ влияния различных конструктивных факторов на электрические характеристики фазовращателей;
  • анализ электромагнитных волн в отражательном фазовращателе на прямоугольном волноводе с продольными диэлектрическими пластинами параллельных узкой стенке.

Методы исследования.

Решение перечисленных выше задач выполнено с применением: теории СВЧ цепей с сосредоточенными и распределенными параметрами; теории электромагнитного поля; метода декомпозиции и методов оптимизации; численного решения алгебраических уравнений. Кроме того, в работе используется численное моделирование с использованием современных САПР.

Научная новизна:

  1. Разработана методика моделирования волноводных фазовращателей с планарными петлями связи и p-i-n-диодами на П-образном волноводе.
  2. Предложены новые конструкции фазовращателей проходного и отражательного типов на волноводах П-образного сечения с p-i-n-диодами и планарными петлями связи.
  3. Спроектирован дискретный проходной фазовращатель на 16 положений фазы на основе волновода П-образного поперечного сечения с планарными петлями связи и p-i-n-диодами.
  4. Получены аналитические выражения, позволяющие определить постоянные распространения и волновые сопротивления волн в отражательном фазовращателе на прямоугольном волноводе с числом до трех продольных диэлектрических пластин.

Практическая значимость.

Предложены конструкции фазовращателей на волноводах
П-образного сечения на p-i-n-диодах с планарными петлями связи. Разработанные методики проектирования фазовращателей с планарными петлями связи позволяют осуществлять анализ и оптимизацию электрических характеристик и параметров, в результате чего повышается качество, сокращаются сроки и стоимость проектирования. Применение волновода
П-образного сечения позволяет уменьшить габариты фазовращателя.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международных и всероссийских конференциях: «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (АПЭП-2008, Саратов, 2008); «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности» («АСТИНТЕХ – 2009», Астрахань, 2009); «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2009); «Математические методы в технике и технологиях» (ММТТ- 23, Саратов, 2010).

Достоверность и обоснование результатов.

Достоверность основных положений и выводов подтверждена результатами аналогичных теоретических и экспериментальных исследований, законами и принципами электродинамики, корректным применением методов теории СВЧ цепей с сосредоточенными и распределенными элементами, обоснованностью упрощающих допущений, а также применением современных вычислительных средств и там где это возможно сравнением с экспериментом.

Реализация результатов.

Результаты работы использованы при проведении работ в ОАО «КБ «Кунцево», г. Москва. По материалам работы подана заявка на изобретение «Дискретный проходной фазовращатель» №2011130712/20(045347) от 21.07.2011.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ, из них 2 работы – в рекомендуемом ВАК РФ издании. Содержание диссертации также отражено в 2 научно-исследовательских работах (информ. карта №2201055982 и регистр. карта № 1201156820).

Научно-исследовательский раздел диссертационной работы выполнялся в соответствии с федеральной программой «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («У.М.Н.И.К.»).

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация общим объемом 110 страниц состоит из введения, трех глав, заключения и содержит 56 рисунков, 2 таблицы, список использованной литературы из 95 наименований.

Личный вклад автора состоит в разработке методики проектирования и исследовании многодискретного проходного фазовращателя на волноводе с П-образным поперечным сечением, а также в выводе дисперсионного уравнения прямоугольного волновода с тремя продольно расположенными диэлектрическими пластинами.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

  1. Предложены фазовращатели проходного и отражательного типов на волноводе П-образного сечения с p-i-n-диодами и планарными петлями связи, отличающиеся уменьшенными поперечными габаритными рахмерами и расширенной полосой рабочих частот.
  2. Развиты методики расчета фазовращателей на П-образном волноводе, позволяющие проводить его проектирование, анализ и оптимизацию.
  3. Проведен анализ влияния продольных диэлектрических пластин в прямоугольном волноводе в количестве до трех на характеристики отражательного волноводного фазовращателя с планарными петлями связи и p-i-n-диодами, позволивший определить частотные свойства, установить взаимосвязь электрических и конструктивных параметров фазовращателя.
  4. Увеличение числа продольных диэлектрических пластин в прямоугольном волноводе приводит к тому, что высшие типы волн появляются раньше, что приводит к сужению рабочей полосы частот фазовращателя.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна основных результатов, обосновано практическое значение работы, характеризуются методы исследования, представлены положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации работы, публикациях и структуре диссертации.

Первая глава работы посвящена аналитическому обзору литературы по проблеме построения волноводных фазовращателей на p-i-n-диодах. Рассмотрены известные в настоящее время схемотехнические решения и методы расчета. Приведены технические характеристики и указаны применения фазовращателей на p-i-n-диодах.

Анализ САПР СВЧ показал, что расчет волноводных фазовращателей с p-i-n-диодами целесообразно проводить в несколько этапов. Произвольное устройство СВЧ можно рассматривать как структуру, имеющую внешние входы и выходы в виде волноводов, т.е. представить в виде многополюсника или системы многополюсников. Затем, проводя независимый анализ этих автономных многополюсников численными или аналитическими методами, находится их отклик на внешнее воздействие.

При возбуждении СВЧ устройства со стороны линии передачи внутри него возникает сложное электромагнитное поле, которое может быть найдено путем решения соответствующей электродинамической задачи или определено экспериментально. СВЧ устройство, рассматриваемое как многополюсник, представляет собой «черный ящик», свойства которого описываются матрицами рассеивания, проводимости или сопротивления.

Пассивная часть фазовращателя, а именно диэлектрические пластины с нанесенными на них петлями связи в волноводе, представляется в виде многополюсника. Тогда его свойства можно описать квадратной матрицей. Параметры матрицы находят, решая трехмерную электродинамическую задачу в программах электродинамического моделирования типа Ansoft HFSS.

В качестве источника возбуждения применен волноводный порт (Wave Port). На концах петель связи располагаются внутренние дискретные порты (Lump Port). Эти порты используются при объединении пассивных волноводных структур и дискретных активных элементов, в данном случае p-i-n-диодов. Объединение выполняется в программах схемотехнического моделирования, использующих узловое представление и соединение в виде проводов, например, программы Ansoft Designer или Microwave Office, транслируя в них рассчитанные S-параметры многопортовой структуры и затем создавая в ее среде полную схему топологической модели фазовращателя

Таким образом, наиболее строгим методом с использованием современных программных средств решается задача адекватного топологического моделирования многопозиционных фазовращателей.

Приведены и рассмотрены различные модели p-i-n-диодов в виде эквивалентных схем, применяемые в программах схемотехнического проектирования. В зависимости от типа проектирования устройства применяют наиболее подходящую модель, которая могла бы наиболее точно описывать расчитываемые параметры. В настоящее время наиболее полной и адекватной в линейном режиме работы является модель Каверли, которая достаточно полно описывает свойства реального диода.

Изменяя геометрию сечений, можно существенным образом влиять на их внутренние и внешние электродинамические характеристики.

Волноводные П-образные и Н-образные элементы СВЧ тракта обладают большей широкополосностью одномодового режима и меньшими ширинами по сравнению с прямоугольным волноводом. Благодаря меньшей ширине излучатели можно ставить в ограниченных местом полотнах ФАР.

В результате анализа литературы и технических реализаций фазовращателей на p-i-n-диодах, определены основные тенденции их дальнейшего развития. При этом особенно актуальными являются следующие направления: уменьшение ширины волноводов фазовращателей, расширение полосы рабочих частот, повышение уровня мощности входного сигнала. Показано, что решение этих проблем можно обеспечить не только за счет применения новых материалов и новой элементной базы, но и за счет все еще не исчерпанных до конца теоретических и конструктивно-технологических факторов.

Во второй главе рассматриваются вопросы проектирования проходных и отражательных фазовращателей с p-i-n-диодами и планарными петлями связи на волноводах П-образного сечения. Применение планарной петли связи позволяет расширить рабочий диапазон частот фазовращателя. Конструкция многопозиционного отражательного фазовращателя с планарными петлями на П-волноводе показана на рис. 1.

Рис. 1. Многопозиционный отражательный фазовращатель
с планарными петлями связи (1 – волновод; 2 – диэлектрическая пластина;
3 – петля связи; 4 – управляющий электрод; 5 – p-i-n-диоды)

Фазовращатель представляет собой закороченный отрезок волновода, в котором вблизи от закоротки установлен ряд диэлектрических пластин параллельно узким стенкам волновода. На каждой диэлектрической пластине имеется выполненная методом печатного монтажа петля связи. К концам каждой петли связи подсоединены p-i-n-диоды Таким образом, петля связи, p-i-n-диоды и закоротка образуют замкнутый контур.

Управляющий электрод, предназначенный для подачи управляющего напряжения на p-i-n-диоды, присоединяется к средней точке петли. В силу симметричности конструкции относительно Н-плоскости волновода суммарная составляющая наведенных СВЧ токов на управляющем электроде близка к нулю.

В исследуемом многопозиционном фазовращателе, изображенном на рис.1, можно выделить ряд двухпозиционных фазовращателей. Следует отметить, что двухпозиционные фазовращатели являются базовыми элементами многопозиционного фазовращателя функционально и конструктивно, так как они выполнены в виде отдельных модулей, каждый из которых можно удалять из прибора и добавлять в него без нарушения целостности остальных модулей и без ограничения на функциональные свойства.

Проведем качественный анализ процессов в таком фазовращателе на П- волноводе, основываясь на результатах работ для прямоугольного волновода Сивякова Б.К и Пазухиной Т.Г. Планарная петля вместе с включенными диодами образуют контур, который пронизывают силовые линии магнитного поля, что позволяет рассматривать закороченный отрезок волновода и петлю как трансформатор, преобразующий волноводную волну в волну, распространяющуюся по боковым горизонтальным участкам петли к диодам, причем эти участки можно рассматривать как отрезки планарной линии. Следовательно, в волноводе с петлей связи распространяются не одна, а две волны: волноводная волна, структура которой сходна с волной Н10 и Т-волна в планарной линии, причем электромагнитная энергия на участке с петлей связи переносится Т-волной к p-i-n диодам и обратно.

С учетом вышеизложенного эквивалентная схема фазовращателя будет иметь вид, показанный на рис.2.

 а б Эквивалентная схема-1

а б

Рис. 2. Эквивалентная схема отражательного фазовращателя (а) и линейная модель
p-i-n-диода (б), Ls – индуктивность вывода p-i-n-диода, Rs – прямое сопротивление
потерь, Rj – сопротивление базы p-i-n-диода, Cj – емкость базы p-i-n-диода.

Cр – емкость корпуса

На рис. 2, а обозначены: PORT P=1 – П-волновод, TLIN ID=TL1 – П-волновод, частично заполненный диэлектриком, XFMR ID=XF1 – идеальный трансформатор с соотношением витков 1: n, TLIN ID=TL2, TLIN ID=TL3 – планарные линии передачи, IND ID=L1, IND ID=L2 – сосредоточенные индуктивности, PIN ID=D1, PIN ID=D1 – p-i-n-диоды.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.