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

зависимости от режима их работы (непрерывный, импульсный, с разносом частот приема и передачи) на входе каждого излучателя устанавливается циркулятор, переключатель, фильтр или их комбинация. Объединение приемной и передающей АР в одну позволяет упростить общую схему за счет одновременного использования некоторых элементов как в режиме передачи, так и приема. При этом может быть получено большое разнообразие схем, отличающихся включением общих элементов (распределительной системы, фазовращателей) и способами разделения каналов (с помощью переключателей, фильтров). Некоторые возможные схемы построения приемопередающих АФАР приведены на рис. 1.5-1.8.

Активные ФАР, схемы которых изображены на рис. 1.5-1.7, работают в импульсном режиме, поэтому в них каналы разделяются с помощью переключателей «приемпередача».

Всхеме, приведенной на рис. 1.5, объединение приемной и передающей АФАР позволило вдвое сократить число фазовращателей. Однако в ней фазовращатель установлен в цепи с высоким уровнем высокочастотной мощности, а наличие двух высокочастотных трактов разводки опорных сигналов по всем модулям АФАР приводит к увеличению массы, размеров и усложнению антенной системы.

Вприемопередающей АФАР со схемой на рис. 1.6 для разводки двух опорных сигналов приемного и передающего каналов используется одна и та же высокочастотная распределительная система. При этом появляется необходимость установки высокочастотных разделительных фильтров и сохраняются раздельные фазовращатели в каналах приема и передачи.

Объединение фазовращателей и высокочастотных распределительных систем приемопередающей АФАР (рис. 1.7) требует применения малошумящих высокочастотных усилителей и двух высокочастотных переключателей «прием-передача» в канале каждого излучателя.

На входе каждого излучателя приемопередающей АФАР (рис. 1.8), работающей в непрерывном режиме колебаний с разносом частот приема и передачи, установлен разделительный фильтр, обеспечивающий развязку приемных и передающих каналов. При этом в объединенной схеме общими являются широкополосные излучатели решетки, на каждый из которых приходится по два фазовращателя, работающих на частотах приема и передачи. Кроме того, в АФАР сохранены две распределительные высокочастотные системы.

Вприведенных функциональных схемах (рис. 1.3-1.8) не изображены, в частности, источники питания с возможными цепями стабилизации в каждом модуле, цепи автоматической подстройки фазы и усиления, цепи согласования излучателей с активными модулями.

Этап 4. Синтез структуры модулей АФАР на основе элементарных моделей.

Синтез структуры излучающего полотна АФАР на основе элементарных моделей. Методика выбора структуры излучающего полотна определяется выделенными основными исходными данными.

А. Если при анализе ТЗ к основным данным наряду с потенциалом отнесена форма ДН (например, ширина главного лепестка и уровень боковых), то габаритные размеры излучающего полотна определяются на основе элементарной математической модели: LA K 2 0,5 cos ГЛ . Коэффициент K

(КИП), как известно, зависит от формы излучающего раскрыва и амплитудно-фазового распределения, которое определяется требуемым уровнем боковых лепестков. При этом амплитудно-фазовое распределение в АФАР, обеспечивающее требуемый уровень боковых лепестков, должно выбираться с учетом возможности его реализации с помощью унифицированных активных модулей.

Существует несколько путей получения спадающего к краям амплитудного распределения:

а) использование неэквидистантного расположения излучателей с разрежением к краям раскрыва; б) введение в состав излучающего полотна пассивных излучателей, число которых увеличивается к краю решетки; в) подключение к одному активному модулю нескольких излучателей; г) применение набора унифицированных активных модулей с различной выходной мощностью;

д) использование в распределительной системе делителей мощности с различными коэффициентами деления.

Кроме того, необходимо иметь в виду, что уровень боковых лепестков зависит от формы излучающего раскрыва, например, при равномерном амплитудном распределении уровень первого бокового лепестка раскрыва квадратной формы составляет -13,2 дБ, а раскрыва круглой формы -17,5 дБ.

Расстояние между излучателями выбирается из условия однолучевого сканирования:

По выбранным габаритным размерам и сетке размещения излучателей легко найти число излучателей N.

Требуемое значение потенциала и найденное число излучателей определяют выходную мощность одного активного модуля.

Потенциал передающей АФАР при равномерном амплитудном распределении приближенно связан с числом излучателей (без учета их взаимодействия):P1 D01 N 2 , где P1 PИЗЛ N - мощность, излучаемая одним излучателем АФАР; D01 DN - КНД одного излучателя.

Б. Если при анализе ТЗ к основным исходным данным наряду с потенциалом отнесены габаритные размеры и потребляемая мощность, а форма ДН существенного значения не имеет, то при выборе структуры излучающего полотна целесообразно учитывать возможность оптимизации антенной системы по массогабаритным критериям, т. е. выбирать такое соотношение числа излучателей и излучаемой каждым из них мощности, при котором для заданного потенциала обеспечиваются минимальная масса, минимальные габаритные размеры (с учетом массы и габаритных размеров первичных источников питания) или минимальная потребляемая от бортовой сети мощность.

В соответствии с элементарной математической моделью для потенциала АФАР справедливо выражение P1 D01 N 2 . Из этого выражения видно, что

необходимый потенциал передающей АФАР может быть обеспечен варьированием выходной мощности одного излучателя P1 и числа излучателей N, причем зависимость от N более сильная (квадратичная). Указанное обстоятельство позволяет при выборе N и P1 исходить из условия оптимизации антенной системы по тому или иному критерию. При этом сетку размещения излучателей, как и ранее, выбирают из условия однолучевого сканирования.

С уменьшением числа излучателей, а соответственно и размеров излучающей структуры для обеспечения требуемого потенциала АФАР следует увеличивать мощность Р1 излучаемую каждым излучателем. Возрастание Р1 ведет к увеличению мощности источников питания, их габаритных размеров и массы (например, площади солнечных батарей).

В случае необходимости: также можно найти число излучателей, обеспечивающее минимизацию массы всей системы.

Выбирать оптимальное число излучателей АФАР можно также по минимуму потребляемой мощности. Например, мощность источников питания, потребляемая передающей АФАР:

Оптимальное число излучателей Nopt , получаемое по разным критериям, может быть различным, но, как показывает опыт, достаточно близким одно к

другому. Непосредственно оценить массогабаритные характеристики АФАР можно после разработки конструкции антенной системы. В зависимости от конкретного технического задания, кроме описанных, возможны и другие подходы к выбору структуры излучающего полотна. Тип излучателя выбирают так же, как и для ФАР, исходя из заданного диапазона частот, уровня излучаемой мощности, условий эксплуатации и других факторов. Определив структуру излучающего полотна АФАР, число излучателей и мощность, излучаемую каждым излучателем, можно переходить к синтезу внутренней части АФАР, включающей в себя активные модули, фазовращатели, распределительную систему и возбуждающий генератор.

Исходными данными для синтеза внутренней части наряду с требованиями ТЗ являются найденные выше параметры излучающей структуры. Синтез структуры внутренней части АФАР начинается с выбора параметров ММ модуля, содержащего активный модуль и фазовращатель.

Исходной величиной для определения параметров ММ активного модуля (коэффициента усиления по мощности K PM и коэффициента полезного действия M ) является мощность на выходе модуля Р1. Зная мощность Р1 можно выбрать полупроводниковый прибор для выходного каскада, который фактически определяет функциональную схему активного модуля. Следует иметь в виду, что транзисторные усилители сантиметрового и дециметрового

диапазонов содержат, как правило, два-три каскада и обеспечивают K PM 10...15 дБ (до 25 дБ) при КПД M =10...20 % (до 40 %). Коэффициент усиления модуля K PM целесообразно выбирать максимально возможным для снижения потерь в распределительной системе и фазовращателях, а также для уменьшения мощности возбудителя.

С учетом изложенного выбираются функциональная схема активного модуля и параметры его элементарной ММ K PM , M . Уточнить параметры активного модуля K PM , M , а также потребляемую мощность P0M можно из электрического расчета

принципиальной схемы.

Если элементная база не позволяет на заданной частоте построить активный модуль в виде только усилительных цепей, то его можно выполнить по схеме усилительно-умножительной цепочки (рис. 1.4). При включении умножительного каскада (или каскадов) фазовращатели и распределительная система выполняются на пониженной частоте, что приводит к уменьшению потерь в них. Однако общий коэффициент усиления модуля уменьшается примерно в раз, где - коэффициент умножения частоты.

Кроме того, наличие умножителей приводит к увеличению фазовых погрешностей на выходах модулей, которые возрастают с ростом .

Рис. 1.4.

Параметры ММ фазовращателя, такие как управляемый фазовый сдвиг, высокочастотные потери и мощность управления, определяются его структурой и используемой элементной базой. Высокочастотные потери в СВЧ диапазоне лежат в пределах от долей до единиц децибела, а мощность, расходуемая на управление, существенно зависит от типа фазовращателя.

Определив параметры ММ модуля, можно найти мощности сигналов на входах всех модулей АФАР, являющихся исходными данными для синтезирования функциональной схемы распределительной системы.

Структура распределительной системы зависит как от требований ТЗ, числа активных модулей и мощностей на их входах, так и от мощности возбудителя. Распределительная система может быть выполнена как пассивной, так и активной (рис. 1.5). В пассивном варианте она может строиться по параллельной, последовательной, двоичной, другой многоэтажной схемам с использованием различных типов делителей мощности (фидерное возбуждение АР) или по оптической схеме (пространственное возбуждение АР). Очевидно, что oт схемы и типа делителей зависят параметры элементарной модели

распределительной системы, а именно, ее коэффициент полезного действия P , а также коэффициенты передачи CP0n (от входа до выходов). При синтезе

структуры АФАР параметрами математической модели распределительной системы можно задаться ориентировочно, имея в виду последующее их уточнение по более полным моделям, учитывающим конкретный тип делителей.

Активная распределительная система предполагает включение усилительных каскадов в различных ее этажах (ступенях). Она применяется в тех случаях, когда мощность возбудителя оказывается недостаточной для возбуждения всех активных модулей АФАР или, например, когда требуется построить возбудитель и активные модули с использованием одних и тех же активных приборов, т. е. унифицировать их во всей АФАР. Приведенная на рис. 1.5 схема

активной распределительной системы построена на основе принципа секционирования. При этом модули объединены в секции (подрешетки) делителями мощности, к входам которых подключены усилители. Эти устройства образуют первую ступень распределительной системы. Входы усилителей первой ступени аналогично объединяются в секции делителями мощности второй ступени, на входах которой также установлены усилители, и так далее до q-й ступени, вход единственного делителя мощности которой соединен с возбудителем. Активная распределительная система может обеспечивать как равномерное, так и специальное амплитудное распределение сигналов на входах модулей, а, следовательно, и в раскрыве АР.

Прохождение сигнала от возбудителя до излучателей АФАР при равномерном распределении описывается соотношением

ступеней распределительной системы; Ф , 1 , …, q - КПД фазовращателей и делителей мощности соответствующих ступеней распределительной системы; m1 , …, mq - коэффициенты деления мощности делителей соответствующих ступеней; PB , P1 - соответственно мощности возбудителя и

излучаемая каждым излучателем.

Полагая, что активная распределительная система состоит из идентичных элементов (делители с коэффициентом деления m0 , КПД и усилители

мощности с коэффициентом усиления Кр), а также считая, что K PM KP , PB P1 , т. е. активные модули, усилители всех ступеней распределительной системы и возбудитель выполнены с использованием одинаковых активных приборов, а мощности на выходе возбудителя и излучателей АФАР равны, для коэффициента деления m0 получаем m0 K P Ф1 й K P ..

Необходимое число ступеней q определяется из условия m0q N . Так как m0 и q - целые числа, то описанная схема активной распределительной системы может быть реализована только при определенных значениях числа N; удовлетворяющих равенству m0q N . При выполнении этого условия общее

число усилителей АФАР NУС N m0q 1 m0q 1 m0 1 .

При невыполнении условия, т. е. при произвольном числе излучателей, равномерное амплитудное распределение сигналов на входах модулей можно обеспечить, соединив свободные (избыточные) выходы делителей мощности с согласованными нагрузками. В этом случае число ступеней q определяется

из условия q logm0 N , а максимальное число свободных выходов делителей равно m0 1 q . При этом в худшем случае, когда на каждой ступени у одного

делителя оказывается задействованным только один выход, мощность потерь в нагрузках определяется соотношением PПОТ q m0 1 q 1 N P1 и

составляет единицы процентов при числе излучателей в несколько сотен.

Неравномерное амплитудное распределение сигналов на выходах активной распределительной системы можно получить следующими способами: а) установкой неидентичных активных модулей при идентичных делителях мощности и усилителях распределительной системы;

б) применением неидентичных делителей первой ступени распределителя при идентичных усилителях (при этом часть активных модулей будет работать в неоптимальном режиме) и др.

Целесообразность выбора активной или пассивной распределительной системы определяют, сравнивая варианты выполнения АФАР по удовлетворению требованиям ТЗ и ряду других критериев, например массогабаритным, энергетическим, стоимостным и др.

Одновременно с синтезом распределительной системы определяют требования к возбудителю.

При пассивной распределительной системе мощность возбудителя зависит от мощности излучаемой АФАР, коэффициента усиления активных модулей, потерь в распределительной системе и фазовращателях и определяется соотношением PB P1 N Ф P K PM (4.4) При K PM 10...20 дБ мощность возбудителя оказывается меньше излучаемой мощности только на один-два порядка.

возбудителя и требования ТЗ являются исходными данными для его проектирования.

На этом заканчивается структурный синтез АФАР на основе элементарных математических моделей. После синтеза структуры, выполненного в первом приближении, следует переходить к анализу характеристик АФАР, используя более полные математические модели.

После синтеза структуры и узлов АФАР имеется возможность перейти к определению ее характеристик.

Этап 5. Расчет основных характеристик АФАР.

На этом этапе рассчитывают характеристики АФАР согласно используемым ММ узлов: излучаемую мощность PИЗЛ , потенциал П, диаграмму направленности с учетом взаимодействия излучателей, поляризационные характеристики, а также входные параметры: коэффициент отражения H и входное сопротивление ZH излучателей.

Этап 6. Сравнение с ТЗ.

В случае соответствия характеристик антенной системы требованиям ТЗ анализируется их чувствительность к изменению параметров АФАР, что позволяет определить допуски при выдаче ТЗ на конструирование и в случае необходимости внести изменения в функциональную схему АФАР или отдельных ее узлов. Если требования ТЗ не выполняются, то с целью удовлетворения им заменяются структура АФАР (3 на рис. 4.2), структуры отдельных ее узлов или параметры (4 и 8), т. е. осуществляется поиск наилучшего варианта, который может быть выполнен с применением методов оптимизации.

Этап 7. Выдача данных на конструирование.

Если рассчитанные характеристики АФАР удовлетворяют требованиям технического задания, то выдается задание на конструкторскую разработку узлов АФАР.

Этап 8. Выбор параметров оптимизации.

Критерий оптимальности (критерий оптимизации) — характерный показатель решения задачи, по значению которого оценивается оптимальность найденного решения, то есть максимальное удовлетворение поставленным требованиям. В одной задаче может быть установлено несколько критериев оптимальности.

Оптимизация — процесс нахождения наилучшего или оптимального решения какой-либо задачи (набора параметров) при заданных критериях. Задача оптимизации сводится к нахождению таких условий, при которых критерий оптимизации достигает экстремума.

Электродинамические основы построения СВЧ устройств

Основные уравнения электродинамики, используемые в теории СВЧ устройств.

Устройство СВЧ представляет собой устройство, состоящее из отрезков линий передачи, полостей, ограниченных металлической или диэлектрической поверхностью, которое может содержать как пассивные элементы (ферриты, магнитодиэлектрики, штыри и др.), так и активные элементы (диоды, транзисторы и др.), и работающее в области сантиметровых волн.

Устройство СВЧ обязательно содержит отрезки линий передачи, через которые электромагнитная энергия поступает внутрь устройства и выходит из него. Эти отрезки линии передачи в дальнейшем будут называться плечами устройства, а также входами и выходами.

Основными уравнениями являются уравнения Максвелла.

Ниже приведены уравнения Максвелла в интегральной и дифференциальной формах с учетом сторонних источников.

Эти уравнения позволяют находить векторы электромагнитного поля для любых сред.

Уравнения Максвелла в дифференциальной форме не применимы к средам с границами, где параметры меняются скачкообразно.

Сторонними источниками являются токи и заряды, являющиеся первопричиной возникновения электромагнитного поля. Такими источниками в устройствах СВЧ можно считать электромагнитные волны, токи или напряжения на входах (плечах).

Уравнения Максвелла дополняют дополнительными соотношениями, которые называются материальными уравнениями или уравнениями состояния

, , . Эти уравнения связывают векторы электромагнитного поля с параметрами среды, где поле рассматривается. Для однозначного нахождения электромагнитного поля задаются условия на границах раздела сред с помощью граничных условий.

В устройствах СВЧ выполняется, как и везде, закон сохранения энергии, который записывается как теорема Умова-Пойнтинга, описывающая баланс энергии в рассматриваемом объеме. В интегральной форме она выглядит следующим образом

Величины, в ходящие в нее имеют размерность мощности [Вт].

В дифференциальной форме в теорему Умова-Пойнтинга входят величины, имеющие размерность плотности мощности [Вт/м2].

На практике удобнее рассматривать монохроматические поля, так как произвольное поле может быть представлено как суперпозиция монохроматических полей с разными частотами.

Баланс энергии для монохроматического поля выглядит следующим образом

Винтегральной форме

Вдифференциальной форме

Внекоторых случаях при рассмотрении СВЧ устройств требуется рассматривать падение электромагнитной волны на границу раздела сред. В этих случаях используют формулы Френеля, позволяющие находить коэффициенты отражения электромагнитной волны от границы раздела и коэффициенты прохождения волны во вторую среду.

Уравнения Максвелла в интегральной форме позволяют находить точные решения для любых устройств СВЧ, но они неудобны для аналитического решения. Поэтому на практике используют более простые с точки зрения получения решения уравнения, такие как уравнения Гельмгольца.

Уравнения Гельмгольца

В средах с потерями электромагнитное поле уменьшается по амплитуде в соответствии с экспоненциальным законом. Поэтому в таких средах можно считать, что электромагнитное поле существует в приповерхностном слое, толщина которого определяется глубиной проникновения поля в среду

, [м].

Глубиной проникновения поля в среду называется расстояние, на котором амплитуды составляющих векторов электромагнитного поля уменьшаются

ве раз (е – натуральное число).

Для металлов глубина проникновения поля равна .

Для нахождения потерь в проводниках используют приближенные граничные условия Леонтовича-Щукина

По ним находится касательная составляющая электрического поля, определяющая поток энергии, уходящий в глубь проводника.

Если проводник достаточно толстый (его толщина больше глубины проникновения поля в металл), то вся эта энергия преобразуется в тепло. Ток, определяемый электромагнитным полем, протекает в металлах в диапазоне СВЧ в тонком приповерхностном слое, то есть наблюдается

поверхностный эффект (скин-эффект).

Средняя мощность джоулевых потерь в проводнике при наличии поверхностного эффекта