На правах рукописи ДОПЕРАЛЬСКИЙ Владислав Владимирович РАЗРАБОТКА АЧХ КОРРЕКТОРОВ ЛБВ-О

На правах рукописи
ДОПЕРАЛЬСКИЙ Владислав Владимирович
РАЗРАБОТКА АЧХ КОРРЕКТОРОВ ЛБВ-О
С УЧЕТОМ ЕЁ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИДЕНТИЧНОСТИ ФАЗОЧАСТОТНЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК ШИРОКОПОЛОСНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
Специальность 05.12.07 – Антенны, СВЧ-устройства и их технологии
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Саратов 2012
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:
Комаров Вячеслав Вячеславович –
доктор технических наук, профессор,
Саратовский государственный
технический университет
имени Гагарина Ю.А.,
профессор кафедры «Радиотехника»
Мещанов Валерий Павлович –
доктор технических наук, Заслуженный
деятель науки РФ, профессор, ООО НПП
«Ника-СВЧ», г. Саратов, директор
Ведущая организация:
ОАО «НПП «Контакт», г. Саратов
Защита состоится « 19 » апреля 2012 г. в 13.00 часов на заседании
диссертационного совета Д 212.242.01 при ФГБОУ ВПО «Саратовский
государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»
по адресу: 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, д.77, корп.1,
Саратовский государственный технический университет, ауд 319.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке
ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет
имени Гагарина Ю.А.»
Автореферат разослан « 19 » марта 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Димитрюк А.А.
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
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.
3
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:
1. 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.
2. Разработка методики анализа и построение математической модели шлейфного корректора АЧХ на КЛ и МПЛ и всего комплексированного
изделия: корректор+ЛБВ.
3. Создание на основе разработанной модели программы функционального проектирования шлейфных корректоров АЧХ с учетом характеристик ЛБВ. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов.
Апробация модели и программы.
4. Анализ чувствительности характеристик корректора для широкополосных ЛБВ к его настройке для шлейфного корректора АЧХ на КЛ.
5. Анализ чувствительности к допускам характеристик шлейфных
корректоров АЧХ для широкополосных ЛБВ на КЛ и МПЛ.
6. Теоретическое и экспериментальное исследования влияния допусков, налагаемых на элементы корректора АЧХ, на характеристики усилителя.
7. Апробация на практике выработанных рекомендаций по разработке фазоидентичных СВЧ усилителей на основе широкополосной ЛБВ с
АЧХ корректором.
4
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. 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.
2. 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.
3. 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).
4. 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:
1. 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.
2. Разработаны методика, алгоритм и программа функционального
анализа характеристик шлейфного корректора АЧХ на КЛ и МПЛ с учетом
фазоамплитудной характеристики ЛБВ.
3. Проведены исследования причин неидентичности частотных характеристик шлейфных корректоров на КЛ и МПЛ для широкополосных
спиральных ЛБВ.
4. Установлено, что в корректоре на КЛ наибольшее влияние оказывают допуска на поперечные размеры, а на МПЛ – на продольные.
5
5. 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:
1. 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.
2. Разработанная программа позволяет вести интерактивное проектирование корректора с учетом реальных характеристик ЛБВ, в результате чего
уменьшаются трудоемкость, сроки и стоимость проектирования.
3. 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 ММТТ24» (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.
6
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы,
сформулирована (поставлена) задача повышения идентичности ФЧХ широкополосных усилителей СВЧ на основе ЛБВ с корректором АЧХ за счет разработки корректора с учетом характеристик конкретной ЛБВ, поставлена
цель работы, определены задачи исследований, отражены научная новизна,
практическая значимость полученных результатов, представлена апробация
работы и приведены основные научные положения.
В первой главе проанализированы существующие современные конструкции оптимизирующих устройств АЧХ и их возможность применения в
составе СВЧ усилителей на основе широкополосной спиральной ЛБВ с АЧХ
корректором.
Показано, что используемая в настоящее время конструкция корректора АЧХ шлейфного типа для СВЧ усилителей на основе широкополосных
ЛБВ является оптимальной. Её достоинства: простота технологической реализации, возможность получения необходимой полосы частот до нескольких
октав, достаточно низкое рабочие значение КстU (не более 1,5) и возможностью реализации различных перепадов АЧХ. Существующая конструкция
корректоров имеет два вида исполнения – на КЛ и МПЛ.
По причине возрастающих требований к фазовой идентичности усилителей на широкополосных ЛБВ с корректором АЧХ появляется необходимость разработки корректора с учетом АМ-ФМ преобразования ЛБВ. Для
этого необходимо наличие программных средств компьютерного моделирования, позволяющих производить расчет и интерактивную оптимизацию выходных характеристик корректора.
Проведен анализ современного состояния разработки и производства
СВЧ усилителей на основе широкополосной спиральной ЛБВ с АЧХ корректором с идентичными фазочастотными характеристиками.
Причины, вызывающие неидентичность ФЧХ ЛБВ, исследованы в работах других авторов. Для получения идентичных по ФЧХ усилителей большое значение имеет влияние идентичности АЧХ и ФЧХ корректоров. В работах ряда авторов были рассмотрены только частные случаи корректоров
различной конструкции на предмет идентичности характеристик.
Показана необходимость проведения общего исследования конструкций шлейфных корректоров АЧХ по стойкости характеристик к изменению
размеров элементов конструкции устройств на КЛ и МЛ. Предположительно
конструкция на МПЛ (как выполняемая методом фотолитографии) должна
обладать большей идентичностью характеристик, чем на коаксиальной линии. Однако, как видно из рис. 1, даже ненастраиваемая микрополосковая
конструкция может иметь большие разности АЧХ: от +2дБ до -1,2дБ и ФЧХ:
от +28° до -25° из-за производственных допусков, что недопустимо в ряде
случаев. Так, стандартные требования для современных широкополосных
усилителей (рабочая полоса частот от 66%) по идентичности ФЧХ ±30°.
7
2,5
30
2
20
1,5
10
1
ΔL,дБ 0,5
ΔФаза,º 0
4
0
-0,5 4
5
6
7
8
9
10
11
6
7
8
9
10
11
12
-20
-1
-1,5
5
-10
12
-30
F,ГГц
№2
№3
F,ГГц
№2
№3
а
б
Рис. 1 Измеренная разность АЧХ (а) и ФЧХ (б) двух амплитудных корректоров
на МПЛ передачи относительно третьего
При проектировании корректора для конкретной ЛБВ важно не
только уменьшать его чувствительность к допускам, но и учитывать изменение ФЧХ всего усилителя за счет АМ-ФМ преобразования сигнала в
ЛБВ. Для этого надо вести анализ АЧХ и ФЧХ корректора и ЛБВ совместно, то есть проектировать корректор с учетом реальных АЧХ и ФЧХ конкретной ЛБВ.
На основе проведенного обзора определена область исследования,
сформулированы задачи и намечены пути их решения.
Во второй главе была построена математическая модель шлейфного
корректора АЧХ на КЛ и МПЛ и всего комплексированного изделия: корректор+ЛБВ.
Конструкция шлейфного корректора представляет собой волновую
линию передачи с последовательностью присоединенных через резистивную нагрузку нескольких короткозамкнутых или разомкнутых параллельных шлейфов. Эквивалентная схема одной секции корректора и параллельного шлейфа показана на рис. 2.
а
б
Рис. 2 Эквивалентная схема: а – одной секции корректора б – параллельного шлейфа
Короткозамкнутый или разомкнутый вариант выбирается из соображений простоты технологической реализации. В конструкции на КЛ обычно используется короткозамкнутый вариант, а на МПЛ – разомкнутый.
8
Корректор
рассматривается
как
последовательность
каскадносоединенных четырехполюсников. Конструкция шлейфа в корректоре на
КЛ в поперечном сечении показана на рис. 3.
Рис. 3. Конструкция шлейфа в корректоре на КЛ в поперечном сечении:
1 – корпус корректора (внешний проводник линии передачи), 2 – внутренний
проводник линии передачи, 3 – многоступенчатый плунжер, 4 – скоба,
5 – поглощающая втулка, 6 – короткозамыкающая цанга
Четырехполюсник представляет собой линию передачи с присоединенным параллельным шлейфом. Расстояние между шлейфами обычно
выбирается равным
ср
, где ср – длина волны в середине рабочего диапа4
зона частот прибора. Шлейф состоит из отрезка линии передачи с  i , li
(волновое сопротивление и длина соответственно) последовательно
нагруженной на активное сопротивление R и на реактивное x(f). Для получения нужной характеристики затухания корректора реактивное сопротивление шлейфа должно иметь определенную зависимость от частоты. Необходимую зависимость реализуют ступенчатой структурой изменения волнового сопротивления вдоль длины шлейфа. От соотношения волновых
сопротивлений ступеней зависит рабочая полоса корректора.
Параллельный шлейф в конструкции на коаксиальной линии рис.3.
реализуется в виде многоступенчатого плунжера 3, помещенного в отверстие скобы 4. Плунжер является внутренним проводником линии, и из-за
разного диаметра каждая ступенька линии имеет разное волновое сопротивление. Внешним проводником является скоба 4. Активные потери в линию вносит поглощающая втулка 5. На конце плунжер замыкается со скобой цангой 6, что позволяет перемещать плунжер, сохраняя контакт со
скобой. Для подстройки зависимости ослабления от частоты скобу 4 и
плунжер 5 перемещают, тем самым, меняя и длину линии li . Плунжер является параллельным шлейфом для линии передачи, в которой стержень 2
является внутренним проводником, а корпус корректора 1 – внешним.
Для расчета применим методы теории СВЧ цепей.
При выводе выражений для корректора на КЛ были приняты следующие допущения: пренебрегается активными потерями в линии и всеми 3мерными эффектами, паразитными емкостями и индуктивностями ступенек. Элементы реальной конструкции, такие как поддерживающие диэлек-
9
трические втулки, соединительные переходы, повороты и т.д., в расчете не
учитываются; R и  – считаются частотно независимыми величинами.
Каждый отрезок линии передачи имеет волновое сопротивление, которое определяется геометрическими размерами. Для цилиндрической КЛ
d
a
(1)
4d
),
a
(2)
  60  ln( )
где d – внутренний диаметр экрана, a – диаметр внутреннего проводника.
Для плоской КЛ
  60  ln(
где d – поперечная ширина экрана, a – диаметр внутреннего проводника.
Рассмотрим короткозамкнутый каскад последовательно включенных
ступенек шлейфа рис.2б. Получим матрицу передачи каскада [a] перемножением матриц каждого отрезка линии передачи [a]i:
 cos lin

n
[a]i   sin li
 j n
i

Здесь  
j in sin lin 

,
n
cos li 

(3)
2f
, f – частота, с – скорость света в вакууме.
c
Из полученной матрицы определим реактивное сопротивление x(f)
по формуле
xвх ( f ) 
a1 2 ( f )
.
a2 2 ( f )
(4)
Представим весь шлейф, конструктивно выполненный в виде плунжера и характеризуемый R, x(f) и li , как некоторое эквивалентное сопротивление z э ( f )
x( f )  R
 jtgli
i
.
Z эi ( f ) 
i
x( f )  R

1 j
tgli
i
i
(5)
Далее перейдем к волновой [T]-матрице передачи:
 Di (1  Yi )  1

2 Di
[T ]i  
 Di (1  Yi )  1

2 Di

Di (1  Yi )  1

2 Di
,
Di (1  Yi )  1

2 Di

1
 i1
где Yi ( f ) 
.
,D 
Z эi ( f ) i
i
(6)
Линия передачи, соединяющая плунжеры, рассматривается так же,
как четырехполюсник. Для него [T]-матрица имеет вид
10
 j l i
i
[T ]  e

 0

0
.
i
 j l 
e

(7)
Перемножением [T]-матриц получившихся четырехполюсников в той
последовательности, в которой они следуют друг за другом в корректоре,
получим [T]-матрицу всего корректора.
Для определения параметров корректора в стандартном виде перейдем
от [T]-матрицы к [S]-матрице рассеяния.
АЧХ и ФЧХ корректора описываются элементом матрицы S12. Зависимость величины КстU от частоты определяется элементом матрицы S11,
который представляет собой коэффициент отражения.
Одно из основных отличий корректора на МПЛ от корректора на КЛ заключается в зависимостях волнового и активного сопротивлений от частоты.
Волновое сопротивление МПЛ определяется известным выражением
8h
W
 
 2  * ln( W  0,25 h )для (W h  1),
rэ

,
0  
1
W

  W
   h  1,393  0,667 ln( h  1,444) для (W h  1),
 rэ
(8)
 1  1
 rЭ  r  r (110 h W ) 1 2 .
(9)
где η = 120π Ом; h – толщина диэлектрика подложки; W – ширина полоска;
 r – диэлектрическая проницаемость подложки;  rЭ – эффективная диэлектрическая проницаемость, учитывающая поле вне подложки.
2
2
Эффективная диэлектрическая проницаемость и волновое сопротивление зависят от частоты:
 0 ( f )   0T 
 rЭ ( f )   r 
 0T   0
1  G( f f p ) 2
 r   rЭ
1  G( f f p ) 2
;
,
12
 0  5 
где G  
  0,004  0 ; f p  0,3976  0 h ,
 60 
(10)
(11)
(12)
где; f p – частота, ГГц; h – ширина, мм;  0T – волновое сопротивление полосковой линии шириной W и высотой 2h, Ом.
Соответственно фазовая постоянная  
2f
c
 rЭ ( f ) .
Резистивная нагрузка конструктивно реализуется в виде полоска с
определенным удельным сопротивлением напыления. Вносимые им активные потери R  Rкв
l
, где Rкв (Ом/квадрат) – удельное сопротивление
W
резистивного напыления, l , W – длина и ширина полоска.
11
Учет распределения затухания резистивного напыления вдоль длины
линии в микрополосковой конструкции осуществлен в виде набора дискретных активных элементов с отрезками линии без потерь является удобным и достаточно точным и простым для использования входных данных в
той форме, в какой они используются в конструкторской документации
корректора.
Так как поглощающее напыление распределено по длине полоска,
имеющего определенную электрическую длину, необходимо это учесть в
расчете. Представим его эквивалентной схемой на рис.4, где l/N – распределенный элемент без потерь, а R/N – сосредоточенный элемент с потерями.
Рис. 4. Эквивалентная схема резистивной нагрузки микрополосковой конструкции
Вносимое сопротивление распределено по длине полоска, и вместе с
изменением фазы вдоль длины меняется и переносимая мощность волны,
поэтому представив схему из N последовательных частей.
Для каждой части записываем [a]-матрицу передачи:
l

R sin 

l
N
 j
cos 
N
N
[a ]i  
l

sin 

N
j




R
l
l 
cos 
 j sin  
N
N
N.


l
cos 

N

(13)
Получаем [a]-матрицу каскада перемножением [a]-матриц каждого
четырехполюсника: [a]  [a]1[a]2 [a]3 [a] N .
Полученная матрица является матрицей первой ступеньки всего каскада. Значение числа дискретизации N должно обеспечивать сходимость
этой матрицы, что видно на примере рис. 5.
-16,58
-35
-16,6
-35,5
-36
-16,62
-36,5
-16,64
φ,°
L,дБ -16,66
-37
-37,5
-16,68
-38
-16,7
-38,5
-16,72
-39
-16,74
-39,5
0
20
40
60
80
100
120
140
0
20
40
60
80
100
120
140
N
N
а
б
Рис. 5. Пример сходимости значений коэффициента передачи (а) и фазы корректора (б)
на МПЛ на частоте 6 ГГц от числа дискретизации резистивного напыления
в математической модели
12
Так как в микрополосковой конструкции шлейф не короткозамкнутый, а разомкнутый, формула для входного сопротивления ступенчатого
каскада (4) принимает вид
xвх ( f ) 
a11 ( f )
.
a21 ( f )
(14)
Корректор подключается к линиям передачи, которые имеют свое
волновое сопротивление. Учет подключаемых линий осуществляется
умножением волновой [T]-матрицы передачи входного скачка волнового
сопротивления на матрицу корректора и на матрицу выходного скачка
волнового сопротивления.
Усилитель представим двумя каскадно-соединенными согласованными четырехполюсниками. Первый четырехполюсник имеет характеристики корректора, а второй – ЛБВ.
Расчет амплитудной и фазовой характеристик цепочки корректор+ЛБВ производится с использованием заданных амплитудных, фазоамплитудной и фазочастотной характеристик ЛБВ. Расчет амплитудной и фазовой характеристик цепочки производится по следующим формулам соответственно:
P ( f )  P ( P  L( f ), f ) ;
(15)
 ( f )   ( f )   ( P * L( f ), f ) ,
вых
цеп
iвых
s
s
корр
вх
s
s
iЛБВ
s
вх
s
s
где f s – частота,  корр ( f s ) – фаза корректора на частоте f s ; L( f s ) – ослабление корректора на частоте f s ; Pв х – мощность входного сигнала подаваемого на цепочку корректор+ЛБВ, для которого производится расчет, Piвых ,  iЛБВ –
выходная мощность и фаза ЛБВ, которые берутся из амплитудной, амплитудно-фазовой и фазочастотной характеристик, являются функциями частоты и мощности сигнала, поступающего на вход ЛБВ. Эти характеристики задаются дискретно от мощности и частоты, и линейно интерполируются в расчете.
На основе модели разработана программа функционального проектирования шлейфных корректоров АЧХ с учетом характеристик ЛБВ. Она
написана на алгоритмическом языке Delphi 7. Программа является инструментом проектирования шлейфных корректоров на КЛ и МПЛ. Так же ее
можно использовать для анализа характеристик всего усилителя (корректор+ЛБВ). Программа позволяет вести анализ АЧХ, ФЧХ и КСВН корректора на КЛ и МПЛ и АЧХ, ФЧХ всего усилителя в целом с учетом реальных характеристик ЛБВ. Входными данными являются размеры и параметры конструкции корректора и характеристики ЛБВ. Для анализа характеристик усилителя в целом вводятся экспериментально измеренные или
рассчитанные характеристики ЛБВ: амплитудная и фазоамплитудная.
13
Программа содержит около 3700 строк кода. Минимальные системные требования: Windows 98 и выше, Pentium II 400 МГц, оперативной памяти – 128 Мбайт.
При запуске программы выбирается нужный для расчета тип корректора – на КЛ или МПЛ.
Интерфейсная часть программы представляет собой окно ввода данных (рис. 6). Вводятся геометрические и электрические параметры корректора, необходимая полоса частот и количество частотных точек, в которых будет производиться расчет. В случае расчета конструкции на КЛ вводится настройка корректора.
Рис. 6. Окно ввода данных для расчета корректора на КЛ
Также программа позволяет рассчитывать характеристики с учетом линий
передачи, к которым подключен корректор, волновые сопротивления которых задаются в соответствующих окнах. Так как ступенчатую структуру
волнового сопротивления шлейфа можно реализовать не только изменением диаметра внутреннего проводника коаксиала, но и внешнего, в программе предусмотрена возможность ступенчато изменять диаметр внешнего проводника коаксиала, то есть диаметра канала.
После завершения расчета характеристики (ослабление, КСВН), фазочастотную характеристику коэффициента передачи можно вывести в отдельном окне. Из фазочастотной характеристики корректора можно вычесть характеристику линии задаваемой длины для удобства анализа характеристики с учетом фазового компенсатора.
В окне ввода данных для корректоров на МПЛ выводится необходимая длина резистивного напыления, которое обеспечивает требуемое значение активного сопротивления.
14
Программа позволяет сохранять результаты расчета в буфере памяти
для облегчения сравнения характеристик конструкций с различными входными параметрами. Также программа позволяет сохранять результат расчета в отдельный файл. В отдельный файл можно сохранять и входные
данные, для последующей загрузки их из него.
В окне вывода данных (рис. 7) имеется возможность расчета амплитудной и фазовой характеристик цепочки корректор + ЛБВ с использованием заданных амплитудных, фазоамплитудных характеристик ЛБВ.
Амплитудные и фазоамплитудные характеристики ЛБВ записываются в текстовые файлы.
Также в соответствующих окнах задаются количество точек по частоте и по мощности, мощность входного сигнала, подаваемого на цепочку
корректор+ЛБВ. Рассчитанные характеристики выводятся в окне, как показано на рис. 7.
Рис. 7. Окно вывода результатов расчета корректора и анализа характеристик усилителя
Программа позволяет сохранять в буфер памяти результаты расчета
для сравнения двух фазовых характеристик цепочки корректор+ЛБВ на их
идентичность.
0
0
4
-2
5
6
7
8
9
10
11
12
-5
-4
-6
-10
-8
L,дБ
L,дБ
-10
-15
-12
-14
-20
-16
-18
4
5
6
7
-25
8
F,ГГц
F,ГГц
теор
теор
а
б
Рис. 8. Экспериментальные и теоретические АЧХ для корректоров на КЛ (а) и МПЛ (б)
15
Было проведено тестирование модели и программы на основе измерений, изготовленных по расчетам конструкций корректоров. На рис. 8 показаны теоретические и экспериментальные характеристики ослабления
корректоров на КЛ и МПЛ.
Некоторые отличия расчета от эксперимента обусловлены технологическими допусками (например: геометрические размеры резистивного
напыления), которые в микрополосковой конструкции могут существенно
влиять на характеристику. Так же следует учитывать погрешность измерения и наличие не учитываемых в расчете второстепенных элементов реальной конструкции, таких как: поддерживающие диэлектрические втулки,
переходы на стандартное сечение. Полученные расчетным и экспериментальным путем характеристики близки как качественно, так и количественно. Таким образом, модель, использованная в вычислениях, позволяет достаточно точно рассчитывать характеристики корректоров на КЛ и МПЛ.
В третьей главе проведен анализ чувствительности к настройке характеристик амплитудных шлейфных корректоров на КЛ для широкополосных ЛБВ. Анализ велся путем расчета характеристик корректоров и
расчета их разности относительно положения с опущенными плунжерами.
Проанализировано влияние настройки на идентичность характеристик корректора для различных диапазонов. Получено, что при расширении полосы частот с октавы до полутора октав в коаксиальной конструкции наблюдается ухудшение идентичности характеристик при одинаковой
расстройке, по сравнению с октавной конструкцией.
Рассмотрены корректоры с одинаковыми характеристиками, но разным количеством шлейфов. С увеличением количества плунжеров чувствительность к настройке уменьшается и идентичность улучшается.
Однако возможность настройки корректора из-за достаточно большой чувствительности характеристик к настройке может затруднять получение идентичных корректоров. Поэтому представляется целесообразным
использовать не настраиваемые конструкции.
Был проведен анализ чувствительности к допускам АЧХ и ФЧХ амплитудных шлейфных корректоров на КЛ и МПЛ для широкополосных
ЛБВ (рис. 9, 10). Анализ велся путем расчета характеристик корректоров и
вычисления их разности относительно положения с номинальными размерами элементов конструкции.
Установлено различное влияние допусков на поперечные и продольные размеры на идентичность характеристик корректоров на КЛ и МПЛ. В
коаксиальной конструкции наибольшее влияние оказывают допуски на поперечные размеры, а в микрополосковой – на продольные (рис. 9, 10).
Показано, что при расширении полосы частот с октавы до полутора
октав в микрополосковой конструкции наблюдается незначительное улучшение идентичности характеристик по сравнению с коаксиальной конструкцией.
16
3
2
1
0
ΔL,д Б 3,5
-1
4,5
5,5
6,5
7,5
8,5
-2
-3
-4
20
15
10
5
0
∆φ,° -5 3,5
-10
-15
-20
-25
-30
4,5
5,5
-5
6,5
7,5
8,5
F,Г Г ц
поперечные
продольные
F,Г Г ц
поперечные
поперечные и продольные
продольные
поперечные и продольные
а
б
Рис. 9. Разность АЧХ (а) и ФЧХ (б) при 1% допусках на различные размеры
отрезков линий передачи корректора на КЛ с октавной рабочей полосой частот
8
1,5
6
1
4
0,5
2
∆φ,° 0
ΔL ,дБ
0
-2 3,5
3,5
4,5
5,5
6,5
7,5
8,5
4,5
5,5
6,5
7,5
8,5
-4
-0,5
-6
-1
-8
F ,ГГц
поперечные
поперечные и продольные
поперечные
продольные
F ,ГГц
поперечные и продольные
продольные
а
б
Рис. 10. Разность АЧХ (а) и ФЧХ (б) при 1% допусках на различные размеры
отрезков линий передачи корректора на МПЛ с октавной рабочей полосой частот
Установлено, что при увеличении рабочих частот с сохранением ширины полосы при абсолютных производственных допусках в микрополосковой конструкции наблюдается непропорциональное увеличению частоты
ухудшение идентичности характеристик в отличие от коаксиальной конструкции.
В конструкции на МПЛ резистивная нагрузка конструктивно реализуется в виде полоска с определенным удельным сопротивлением напыления, таким образом, от допусков на размеры этого напыления зависят разности АЧХ и ФЧХ корректора относительно номинальных размеров. Однако, технически возможно наложение допусков на номинальное значение
вносимого активного сопротивления.
Показано, что для уменьшения разности характеристик корректора
лучше накладывать допуски по номинальному значению вносимого активного сопротивления, а не на размеры резистивного напыления, что дает
выигрыш в идентичности АЧХ и ФЧХ не менее чем в 2 раза.
Экспериментально и расчетным путем установлено, что ЛБВ имеют
высокое амплитудно-фазовое преобразование сигнала, которое меняется
по частоте и диапазону. Поскольку значение коэффициента амплитудно17
фазового преобразования зависит от конкретного конструктивного исполнения лампы и режима работы, за счет него возможно увеличение неидентичности характеристик усилителя относительно неидентичности характеристик корректора. Это можно увидеть на рис. 12.
5
4
3
2
∆φ,° 1
0
-1 2
2,5
3
3,5
4
-2
-3
F ,Г Г ц
корректор
корректор + ЛБ В
Рис. 12. Рассчитанная разница ФЧХ корректора при 1% допусках
(на элементы корректора в плюс) относительно номинала и рассчитанная
(ЛБВ+ корректор) с учетом экспериментально измеренных амплитудных и амплитудно-фазовых характеристик широкополосной спиральной ЛБВ
Проведена апробация использования результатов исследований для
практического применения. С использованием результатов выполненных
исследований был сконструирован и изготовлен корректор на МПЛ для
вакуумно-твердотельного усилителя СВЧ, состоящего из широкополосной
ЛБВ, ферритового вентиля (ФВК) и твердотельного предусилителя на входе ЛБВ. ЛБВ представляет собой широкополосную лампу с аномальной
дисперсией замедления в выходной секции пространства взаимодействия,
рабочий диапазон ЛБВ 2,0-4,0 ГГц выходная мощность не менее 1200 Вт.
Коэффициент усиления лампы около 40 дБ. Твердотельный предусилитель
с коэффициентом усиления 20 дБ представляет собой транзисторный усилитель, введенный для увеличения коэффициента усиления всего устройства и снижения уровня собственных шумов по сравнению с монолампой.
Для подавления обратной связи и защиты выхода ТТУ от отраженной волны со входа лампы был введен ФВК.
Для усилительной цепочки ТТУ – ФВК – ЛБВ были сняты амплитудные характеристики в рабочей полосе частот, с помощью которых была
получена требуемая характеристика корректора. Расчет сконструированного корректора и всего усилителя был выполнен по разработанной программе. Были изготовлены три экземпляра корректора на МПЛ.
Разность АЧХ и ФЧХ двух корректоров относительно третьего показана на рис. 13 и укладывается в 1,5 дБ и 5°, что является положительным
18
результатом по сравнению с рис. 1. Хорошая устойчивость характеристик
конструкции к допускам достигнута благодаря оптимизации конструкции с
учетом результатов исследований.
2
5
4
3
2
1
∆φ,° 0
-1
-2
-3
-4
-5
-6
1,5
1
ΔL,дБ
0,5
0
-0,5
-1
2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0
2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0
F,ГГц
F,ГГц
№1
№2
№1
а
№2
б
Рис.13. Измеренная разность АЧХ (а) и ФЧХ (б) двух амплитудных корректоров
на МПЛ относительно третьего
Каждый корректор стыковался с усилительной цепочкой ТТУ –
ФВК – ЛБВ для единого уровня входного сигнала. При уровне входного
сигнала 0,6 мВт с каждым из корректоров последовательно были сняты
ФЧХ СВЧ усилителя. Вычисленная по результатам измерений разность
ФЧХ для двух усилителей со вторым и третьим корректорами относительно усилителя с первым корректором показана на рис. 14.
6
4
2
0
-2
-4
∆φ ,° -6
-8
-10
-12
-14
-16
-18
2,00
2,20
2,40
2,60
2,80
3,00
3,20
3,40
3,60
3,80
4,00
F,ГГц
№3
№2
Рис. 14. Измеренная разность ФЧХ усилителя с двумя амплитудными шлейфными
корректорами на МПЛ относительно усилителя с третьим корректором
19
Для получения более достоверных результатов в качестве ФЧХ каждого усилителя взято среднее значение нескольких измеренных характеристик. Погрешность установки, на которой производились измерения, составляет ±8°. Но, несмотря на разницу ФЧХ, вносимую погрешностью измерений, видно, что разность ФЧХ вакуумно-твердотельного усилителя на
основе ЛБВ с разработанным амплитудным корректором на МПЛ для разных корректоров укладывается от -17° до +4°, что превосходит требования
технического задания ±40°. Получившийся усилитель имеет прикладное
применение в специальной аппаратуре.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
В заключении приведены основные результаты работы. В процессе
выполнения диссертационной работы при непосредственном участии автора были получены следующие основные результаты:
1. Применение существующей конструкции корректора АЧХ
шлейфного типа для СВЧ усилителей на основе широкополосных ЛБВ является предпочтительным. Причины этому: простота технологической реализации, возможность получения необходимой полосы частот до нескольких октав, достаточно низкое рабочие значение КстU (не более 1,5),
возможность получения АЧХ достаточно большой ширины (до 2-4 октав)
и возможность реализации различных перепадов АЧХ.
2. Построена математическая модель шлейфного корректора АЧХ
на КЛ и МПЛ и комплексированного изделия: корректор+ЛБВ.
3. На основе модели создана программа функционального проектирования шлейфных корректоров АЧХ с учетом характеристик ЛБВ. Программа является инструментом проектирования шлейфных корректоров на
КЛ и МПЛ. Ее можно использовать для анализа характеристик всего усилителя (корректор+ЛБВ).
4. Осуществлен учет распределенного затухания резистивного
напыления вдоль длины линии в микрополосковой конструкции в виде
представления набором дискретных активных элементов с отрезками линии без потерь, что является удобным и достаточно точным и простым для
использования входных данных в той форме, в которой они используются
в конструкторской документации корректора.
5. Проведена апробация модели и программы. Учет реальных характеристик ЛБВ и хорошая сходимость теоретических и экспериментальных
характеристик корректоров обеспечивают корректность анализа характеристик усилителя данной программой.
6. Экспериментальным и расчетным путем показано увеличение неидентичности ФЧХ цепочки корректор+ЛБВ за счет амплитудно-фазового
преобразования сигнала в ЛБВ, следовательно проектирование корректора
20
АЧХ для фазоидентичных усилителей надо вести совместно с ЛБВ, то есть
проектировать корректор с учетом реальных амплитудных, фазовых и фазоамплитудных характеристик конкретной ЛБВ.
7. Влияние допусков на поперечные и продольные размеры, на
идентичность характеристик шлейфного корректора на КЛ и МПЛ различно. В коаксиальной конструкции наибольшее влияние оказывают допуски
на поперечные размеры, а в микрополосковой – на продольные.
8. 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.
9.
Проведено внедрение полученных результатов исследований в
ОАО «НПП «Алмаз», что подтверждается актом внедрения. В результате
разработан корректор к усилителю и получен СВЧ усилитель, который
имеет идентичность ФЧХ с различными экземплярами корректоров, превосходящий требования технического задания.
Содержание диссертации изложено в следующих работах:
В изданиях, рекомендуемых ВАК РФ
1. Доперальский В.В. Проектирование амплитудных корректоров
для широкополосных усилителей с учетом характеристик ЛБВ / Б.К. Сивяков, В.В. Доперальский, А.Б. Данилов // Вестник СГТУ. 2011. № 1(52).
С. 61-170.
2. Доперальский В.В. Анализ основных причин неидентичности характеристик амплитудных шлейфных корректоров на коаксиальной и микрополосковой линии для широкополосных ЛБВ / В.В. Доперальский,
Б.К. Сивяков // Вестник СГТУ. 2011. №1(54). С. 115-120.
3. Доперальский В.В. Экспериментальное исследование широкополосного фазоидентичного усилителя на основе ЛБВ с амплитудночастотным шлейфным корректором на микрополосковой линии / В.В. Доперальский, Б.К. Сивяков, Ю.А Беляева // Вестник СГТУ. 2011. №4 (60).
Вып. 1. С. 69-72.
В других изданиях
4. Доперальский В.В. Анализ чувствительности к настройке амплитудных шлейфных корректоров на коаксиальной линии для широкополосных ЛБВ / Б.К. Сивяков, В.В. Доперальский // Техническая электродинамика и электроника: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2009. С. 43-49.
5. Доперальский В.В. Разработка средств компьютерного моделирования оптимизирующих устройств на основе планарных волноводных
структур / В.В. Доперальский, Б.К. Сивяков // Инновационные технологии
в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ-2010»: мате21
риалы Междунар. науч. конф.: в 3 т. Астрахань,11-14 мая 2010 г. Астрахань: Изд. дом «Астраханский университет», 2010. Т. 1. С. 124-128.
6. Доперальский В.В. Анализ чувствительности к допускам характеристик амплитудных шлейфных корректоров на коаксиальной и микрополосковой линии для широкополосных ЛБВ / В.В. Доперальский, Б.К. Сивяков // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы
Междунар. науч.-техн. конф., 22-23 сентября 2010 г. Саратов, 2010. С. 170175.
7. Доперальский В.В. Математическое моделирование амплитудных
шлейфных корректоров широкополосных микроволновых усилителей /
В.В. Доперальский, Б.К. Сивяков // Математические методы в технике и
технологиях: ММТТ – 24: сб. тр. XXIV Междунар. науч. конф. Саратов
2011. Т. 10. Секция 10. С. 51-55.
8. Доперальский В.В. Cравнение чувствительности к допускам амплитудных шлейфных корректоров на коаксиальной и микрополосковой
линии для широкополосных ЛБВ / В.В. Доперальский, Б.К. Сивяков, Ю.А.
Беляева // Техническая электродинамика и электроника: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2011. С. 47-53.
9. Доперальский В.В. Экспериментальные результаты повышения
идентичности шлейфного корректора АЧХ на микрополосковой линии для
широкополосной ЛБВ / В.В. Доперальский, Б.К. Сивяков, Ю.А. Беляева //
Техническая электродинамика и электроника: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ,
2011. С. 7-11.
22
Подписано в печать 14.03.12
Формат 6084 1/16
Бум. офсет.
Усл. печ. л. 1,0
Уч.-изд. л. 1,0
Тираж 100 экз.
Заказ 32
Бесплатно
Саратовский государственный технический университет
410054, Саратов, Политехническая ул., 77
Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77
23
Тел.: 24-95-70; 99-87-39, е-mail: [email protected]
24