Проектирование СВЧ-устройств (РТФ 6 семестр Анисимов) / Зачет

Основные принципы проектирования СВЧ устройств

Цель проектирования – разработка модели и создание СВЧ устройства.

Задачи проектирования: - выбор модели СВЧ устройства; - синтез СВЧ устройств по заданным параметрам. Классическая схема процесса разработки СВЧ устройств изображена на рис 1.1.

Выбор первоначальной

конфигурации схемы

Рис. 1.1. Классическая схема процесса разработки СВЧ устройств Разработка начинается с анализа технических требований и выбора первоначальной конфигурации цепи, которая выбирается на основании имеющихся

исходных данных и предшествующего опыта. Для определения различных параметров этой цепи используются процедуры анализа и синтеза.

Затем разрабатывается предварительный лабораторный макет и измеряются его характеристики. Измеренные характеристики сравниваются с заданными техническими требованиями, если заданные требования не выполняются, то макет дорабатывается. Доработка может включать регулировку, настройку и подстройку макета. Затем вновь проводятся измерения, результаты которых сравниваются с заданными требованиями

Последовательный процесс доработки, измерений и сравнения результатов с заданными требованиями повторяется до тех пор, пока не будут достигнуты желаемые характеристики. Иногда заданные технические требования противоречат практически достижимым характеристикам схемы.

Окончательная конфигурация воспроизводится при изготовлении опытного образца.

Описанный процесс разработки СВЧ устройств занимает достаточно много времени. Это объясняется следующим:

1)увеличение сложности современных систем требует более тщательного и точного проектирования приборов и устройств. Следовательно, значительно возрастает значение исследования влияния допусков в проектируемых устройствах,

2)в настоящее время для выполнения заданных функций существует множество разнообразных активных и пассивных компонентов если разработка представляет собой процесс повторяющихся экспериментов, то выбор подходящего прибора или типа передающей структуры становится затруднительным,

3) в устройства, изготовленные по технологии ИС СВЧ, очень трудно вводить какие бы то ни было изменения.

В таких случаях используется метод машинного проектирования. Обычно машинным проектирование называют тогда, когда обычный процесс проектирования без использования ЭВМ в качестве рабочего инструмента становится или невозможным, или существенно более сложным, дорогостоящим и занимающим большее время, менее надежным и менее точным, обеспечивающим худшее качество изделий.

Типичная схема процесса машинного проектирования показана на рис. 1.2. Исходными данными для разработки являются технические требования. Используя различные методы синтеза и исходные данные, можно определить первоначальную конфигурацию цепи. Характеристики этой первоначальной цепи рассчитываются с помощью пакета машинных средств анализа. Для анализа необходимы численные модели различных компонентов (пассивных и активных) Они вызываются из электронной библиотеки подпрограмм Характеристики устройства, полученные в результате анализа, сравниваются с заданными техническими требованиями. Если полученные результаты не соответствуют заданным требованиям, то параметры устройства изменяются по определенной системе. Это является основным шагом оптимизации. Некоторые методы оптимизации включают в себя анализ чувствительности характеристик устройства к изменению его параметров. Последовательность операций, включающих анализ цепи, сравнение с заданными характеристиками и изменение параметров, выполняется повторно до тех пор, пока не будут удовлетворены заданные технические требования или пока не будут достигнуты оптимальные характеристики. Затем изготавливается макет и проводится его экспериментальное исследование. Если процесс моделирования и (или) анализа не был достаточно точным, то на этом этапе могут потребоваться некоторые изменения.

Целью метода машинного проектирования является уменьшение, насколько это возможно, числа повторных экспериментальных исследований.

чувствительности

неуд Измерения Сравнение

уд

Изготовление

Рис. 1.2. Схема процесса автоматизированного проектирования СВЧ устройств

Процесс машинного проектирования состоит из трех важных этапов 1)моделирование, 2)анализ, 3)оптимизация.

Моделирование представляет собой математическое описание различных активных и пассивных компонентов, позволяющее получить числовую модель, которая может управляться машиной. Для машинного проектирования СВЧ цепей должны быть разработаны модели большого числа активных и пассивных компонентов. В качестве активных компонентов используются полупроводниковые приборы, биполярные транзисторы и полевые транзисторы с затвором Шотки, точечные диоды и диоды Шотки, варакторы, p-i-n-диоды, а также диоды Ганна и лавинно-пролетные диоды. Пассивными элементами СВЧ цепей служат отрезки линий передачи различной структуры, компоненты с сосредоточенными параметрами, диэлектрические резонаторы, невзаимные устройства и планарные (двумерные) элементы. В качестве линий передачи могут использоваться коаксиальные линии, волноводы, полосковые, микрополосковые, копланарные, щелевые линии или комбинации этих линий. Для полного описания характеристик этих линий передачи необходимо не только знать такие параметры, как волновое сопротивление и фазовая скорость, но и моделировать их паразитные реактивные параметры, обусловленные геометрическими неоднородностями. Для их описания используются S-параметры.

Трудности моделирования ограничивают использование техники автоматизированного проектирования на СВЧ. Детальное моделирование активных приборов, как и численное моделирование пассивных СВЧ элементов, является весьма сложной задачей, занимающей значительное время. Поэтому возникает необходимость упрощения эквивалентных схем и получения выражений в замкнутой форме, точность которых достаточна для проектирования. Иногда становится необходимым измерять S-параметры некоторых приборов или компонентов, чтобы использовать эти эмпирические «модели» в программах машинного проектирования. Для таких измерений очень удобны автоматические измерители с системой компенсации погрешностей.

В процессе анализа определяются номинальные характеристики исследуемой конфигурации цепи для данного набора входных параметров. Машинный анализ является, по-видимому, наиболее развитым и широко используемым этапом машинного проектирования. Анализ СВЧ цепей включает в себя расчет S-параметров полной схемы на основе заданных значений S-параметров ее компонентов. Очень часто СВЧ схемы могут быть представлены в виде каскадного соединения четырехполюсников. В этих случаях матрица, описывающая полную схему, может быть получена перемножением матриц ABCD (или матриц передачи) составляющих ее четырехполюсников. Для более сложных топологий используются методы соединений многополюсников. Согласно этим методам необходимо осуществлять обращение матриц, которое эффективно выполняется с использованием методов разреженных матриц.

Другой задачей анализа является расчет чувствительности. Он заключается в расчете влияния изменения параметров устройства на его характеристики. Результаты этого расчета используются для двух целей - для анализа допусков и для оптимизации, основанной на градиентных методах.

Повторяющийся процесс изменений параметров цепи, осуществляемый для достижения заданной цели (т.е. совпадения ее характеристик с заданными требованиями), называется оптимизацией. Методы оптимизации, развитые для других областей применений, могут также использоваться при проектировании СВЧ устройств. Эти методы можно разбить на две группы градиентные и прямого поиска. В градиентных методах изменение набора параметров, необходимое для перемещения в направлении к оптимальному решению, осуществляется на основе использования информации о производных от функций характеристик цепи (зависящих от ее параметров). Эти производные (или градиенты) получают с помощью анализа чувствительности цепи, выполняемого на каждом шаге. В противоположность этому, в методах прямого поиска не используется информация о градиенте, и оптимизация выполняется по определенной системе. При проектировании СВЧ цепей более популярными являются методы прямого поиска, так как градиентные методы связаны с дополнительными вычислениями при анализе чувствительности. Однако в некоторых последних работах, посвященных градиентным методам оптимизации, эти методы считаются лучшими и применяются при машинном проектировании СВЧ цепей.

Процесс проектирования (рис. 1.3) начинается с анализа требований технического задания (ТЗ), изучения источников патентной и технической литературы. Используя упрощенные (элементарные) математические модели (2), источники технической информации и опыт разработчиков, первоначально синтезируют структурную схему АФАР без детальной проработки ее узлов (3). Далее переходят к проектированию отдельных узлов АФАР, осуществляя их структурный и параметрический синтез на основе упрощенных или уточненных математических моделей (ММ), учитывающих взаимодействие излучателей, высшие типы волн и другие особенности каждого конкретного узла (4). Разработав структурную схему АФАР и определив ее элементы, переходят к расчету характеристик антенной системы: потенциала, ДН, коэффициентов отражения и др. (5). Параметры функциональных схем и узлов АФАР, при которых удовлетворяются требования ТЗ (6), используют в качестве исходных данных при конструировании (7). Если электрические характеристики антенны не соответствуют требованиям ТЗ, то в схему АФАР или в ее узлы вводят необходимые изменения (8) до получения заданных характеристик.

Основные этапы проектирования АФАР. Рассмотрим подробнее процесс проектирования применительно к передающей АФАР.

Этап 1. Анализ технического задания.

Здесь из всех требований ТЗ выделяется несколько основных (или одно), которые определяют функциональную схему АФАР. Так, при проектировании передающей АФАР основной исходной величиной, характеризующей энергетические возможности антенны, является потенциал в секторе сканирования. Следующими по значимости требованиями могут быть: форма ДН; массогабаритные характеристики; минимальная потребляемая мощность. Кроме указанных основных в ТЗ содержатся другие требования к характеристикам АФАР: по полосе частот, уровню внеполосного излучения, поляризационным потерям, допустимому искажению ДН и др. Эти требования учитываются при оценке возможности реализации технического задания. Одновременно с анализом ТЗ выполняется патентный поиск, обзор технической литературы и существующей элементной базы. К элементной базе АФАР относятся активные приборы, усилители, фазовращатели, делители мощности и другие элементы СВЧ тракта. В настоящей методике к элементной базе отнесем также излучатели.

Этап 2. Выбор элементарных математических моделей основных узлов АФАР.

Из элементарных ММ выбираются такие, где:

а) антенное полотно моделируется совокупностью невзаимодействующих излучателей, расположенных в узлах соответствующей координатной сетки; б) активный модуль представляется в виде усилительной или усилительно-умножительный цепочки и описывается коэффициентом усиления по

мощности, потребляемой мощностью (или КПД) и отношением частот на входе и выходе модуля; в) фазовращатель учитывается управляемым фазовым сдвигом, вносимыми высокочастотными потерями и расходом мощности на управление; г) распределительная система моделируется коэффициентами передачи и полезного действия;

д) возбудитель учитывается выходной мощностью и КПД. Математические модели должны быть дополнены данными о массе и габаритных размерах узлов АФАР, отнесенными к каналу одного излучателя.

Математическими моделями Распределительной системы, Фазовращателей, Системы согласованных излучателей можно принять матрицы рассеяния.

Матрица рассеяния

(символ «0» использован для нумерации входа, а остальные N символов - для нумерации выходов, число которых равно количеству излучателей). Возбудитель, характеризуемый его выходным сигналом, моделируется комплексной амплитудой AB волны, падающей на вход распределительной

системы.

Активные модули в общем случае являются нелинейными устройствами, поэтому их целесообразно моделировать комплексным коэффициентом передачи T H , a и коэффициентом отражения H , a , где H - коэффициент отражения от нагрузки активного модуля, а a - амплитуда сигнала на его

входе.

Параметры ММ активного модуля определяются экспериментально или теоретически на основе анализа его принципиальной схемы, составленной по функциональной схеме. Параметрами ММ активного модуля являются: коэффициент передачи Н, моделирующий процесс прохождения СВЧ сигнала через

него, потребляемая мощность P0M необходимая для оценки энергетических характеристик АФАР, а также нагрузочные характеристики с учетом

особенностей расчетов на ЭВМ. Следует иметь в виду, что активный модуль должен обладать стабильным комплексным коэффициентом передачи Н. Его стабильность может быть обеспечена стабилизацией напряжения питания каждого модуля, введением цепей автоматической подстройки фазы, термостатированием и другими мерами.

Поле излучения АФАР Е определяется линейным векторным оператором L, воздействующим на волны A 3 , падающие на входы согласованных

излучателей: E L A 3 .

На выбор математической модели излучающей структуры существенно влияют возможности ее численной реализации. При этом в первую очередь определяется порядок системы линейных уравнений, описывающих излучающую структуру, который равен произведению числа излучателей N на число мод М, аппроксимирующих токи в излучателях. Далее с учетом физических допущений выбирается вид математической модели и намечается наиболее рациональный метод ее численной реализации.

Классификация математических моделей

Этап 3. Синтез структуры АФАР

Структурные схемы передающей и приемной АФАР

Рассмотрим принципы построения функциональных схем передающих, приемных и приемопередающих АФАР и их модулей на конкретных примерах. Схемы будем сравнивать по трем признакам: по расположению фазовращателей, по числу распределительных систем и по наличию в активных модулях каскадов преобразования (умножения) частоты.

Рис. 1.3 Рис. 1.4

Функциональные схемы передающих (рис.1.3) и приемных (рис. 1.4) АФАР.

Схемы передающих АФАР, отличающиеся местом включения фазовращателей, приведены на рис. 1.3.

Впервой схеме (рис. 1.3,а) управляемые высокочастотные фазовращатели в канале каждого излучателя включены между излучателем и активным элементом, т. е. работают на высоком уровне высокочастотной мощности. Такое включение фазовращателей приводит к снижению КПД и оправдано только в секционированных АР, когда один активный элемент работает одновременно на группу излучателей (подрешетку).

Влияние потерь в управляемых фазовращателях существенно уменьшается при включении фазовращателя в цепи с низким уровнем высокочастотной мощности (рис. 1.3,б). Если в состав активного модуля входит умножитель частоты с коэффициентом умножения то фазовращатель, стоящий на входе модуля, работает на частоте, в раз меньшей частоты излучаемого сигнала. Это облегчает реализацию фазовращателя в АР сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Кроме того, при значительной мощности, излучаемой каждым элементом решетки, фазовращатели из-за ограниченной электрической прочности могут быть установлены только в цепи с пониженным уровнем высокочастотной мощности.

На рис. 1.3,в приведена схема АФАР с управляемыми фазовращателями, выполненными на промежуточной частоте. Такие фазовращатели обеспечивают высокую точность установки фазового сдвига, однако их использование требует применения преобразователей частоты в каждом канале и дополнительной распределительной системы на промежуточной частоте.

Всхемах на рис. 1.3 возбудитель изображен в виде единого блока (Г). Однако если его мощность оказывается недостаточной для возбуждения всех модулей решетки, в разветвление распределительной системы могут быть включены дополнительные усилительные каскады.

Некоторые возможные схемы построения приемных АФАР показаны на рис. 1.4.

Впервой схеме (рис. 1.4,а) усилители высокой частоты включены в непосредственной близости от излучателей, за которыми следуют высокочастотные фазовращатели и затем система первичной обработки сигналов, формирующая суммарный и разностный каналы или обеспечивающая другие виды обработки высокочастотных сигналов.

Вдругом варианте построения приемной АФАР (рис. 1.4,б) в канале каждого излучателя установлен преобразователь частоты, что приводит к необходимости использования двух распределительных систем: высокочастотной для разводки по модулям сигналов гетеродина и системы обработки, которая в данном случае выполняется на промежуточной частоте, благодаря чему предъявляемые к ней требования менее жесткие, чем к схеме на рис. 1.4,а.

В схеме на рис. 1.4,б, как и в схеме на рис. 1.4,а, могут быть установлены высокочастотные усилители. Возможные места расположения управляемых фазовращателей указаны на рис. 1.4,6 штриховыми линиями. В таких АР фазовращатели могут быть включены в цепях как высокой, так и промежуточной частоты.

Рис.1.5 Рис.1.6

Рис.1.7 Рис.1.8

Функциональные схемы приемопередающих АФАР

В приемопередающих АФАР для приема и излучения сигналов служат одни и те же излучатели. Приемные и передающие каналы таких антенных систем стройней по тем же принципам, что и в передающих и приемных АФАР (рис. 1.3; 1.4). Для развязки приемных и передающих каналов в таких АР в