Автоматизированное проектирование СВЧ фазовращателя

Одной из ключевых особенностей СВЧ устройств является необходимость эмпирических регулировок и подстроек их характеристик с помощью винтов, диафрагм в волноводах. Классическая схема процесса разработки СВЧ устройств изображена на рис.1. Разработка начинается с анализа технических требований и выбора первоначальной конфигурации цепи. Первоначальная конфигурация выбирается на основании имеющихся исходных данных и предшествующего опыта.

Рис. 1. Схема процесса разработки СВЧ устройств.

Для определения различных параметров этой цепи используются процедуры анализа и синтеза. Затем разрабатывается предварительный лабораторный макет и измеряются и характеристики. Измеренные характеристики сравниваются данными 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 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. В настоящее время он намного усложняется по следующим причинам:

1. увеличение сложности современных систем требует более тщательного и точного проектирования приборов и устройств. Следовательно, чрезвычайно 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. Типичная схема процесса машинного проектирования показана на рис.2.

Рис. 2. Схема процесса автоматизированного проектирования СВЧ устройств.

Как уже было сказано, 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 к р-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. Трудности моделирования ограничивают использование техники автоматизированного проектирования на СВЧ. Детальное моделирование активных приборов, является весьма сложной задачей, занимающей значительное время. Поэтому возникает необходимость упрощения эквивалентных схем и получения выражений в замкнутой форме, точность которых достаточна для проектирования. Эти выражения для микрополосковых, щелевых и копланарных линий, а также для неоднородностей в микрополосковых линиях содержатся в книге [2].

В процессе анализа определяются номинальные характеристики исследуемой конфигурации цепи для данного набора входных параметров. Машинный анализ является 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.

Так как четырехполюсные компоненты в СВЧ устройствах встречаются очень часто, эти способы описания схем детально исследуются. Очень удобны при измерениях и описаниях характеристик компонентов СВЧ матрицы рассеяния. Они применяются также в общем случае описания 2-х полюсных цепей.

Устройство СВЧ в обобщенном виде можно представить многополюсником, как показано на рис 3.

Матрица рассеяния определяет взаимосвязь между переменными а_п (пропорциональными входящим волнам на л-й паре полюсов) и b_п (пропорциональными выходящим волнам n-й пары полюсов)

где и напряжения, соответствующие входящим и выходящим волнам в линии передачи (или волноводе), соединенном с n-й парой полюсов, Z_on — волновое сопротивление линии (или волновода).

Рис. 3. Обобщенная схема с N входами.

Для расчета коэффициентов матрицы рассеяния не требуется знание величин и . Соотношения между а_п и b_п для четырехполюсников могут быть записаны в виде:

В общем случае для схемы с п парами полюсов имеем

где S — матрица размером п х п (для четырехполюсника эта матрица имеет размер 2 X 2), называемая матрицей рассеяния схемы.

Целью данной статьи является рассмотрение методики расчета дискретного фазовращателя.

Общая структурная схема для расчета дискретного фазовращателя приведена на рис.4. Четырехполюсники 1 и 6 отображают согласующие цепи коммутатора, представляющего собой соединение шестиполюсников 2, 5 и четырехполюсников 3,4. Шестиполюсники 2 и 5- это цепи связи, которые представляют собой параллельное или последовательное развитие.

Четырехполюсники 3 и 4 — каналы коммутатора, состоящие из выключателей на переключающих диодах.

Алгоритм нахождения матрицы рассеяния структурной схемы следующий. Соединения шестиполюсников 2 и 5 и четырехполюсников 3 и 4, т. е. коммутатор, можно представить в виде двух шестиполюсников А и В (рис.5), выходные плечи которых соединены между собой. Элементы матрицы рассеяния такого соединения имеют вид:

где ;

;

;

;

- элементы МР шестиполюсника А(В).

Двухканальный переключатель представляет собой шестиполюсник, образовавшийся от соединения шестиполюсника 2 и трех четырехполюсников 1,3,4 (рис. 4.) В случае синфазного двухканального переключателя шестиполюсник 2 представляет параллельное разветвление, а в случае противофазного — последовательное.

Рис.4. Структурная схема дискретного фазовращателя.

Рис.5. Разбиение схемы на два шестиполюсника.

Используя метод подсхем, найдем матрицу рассеяния структурной схемы двухканального переключателя [1]:

Шестиполюсник 2 представляет собой Т- образное соединение в плоскости H (параллельная цепь) описывается матрицей:

Шестиполюсник 5 (последовательная цепь) описывается матрицей:

Таким образом, разработанный алгоритм расчета матрицы рассеяния позволяет построить фазовращатели с высокой точностью фазового сдвига и низким уровнем паразитной амплитудной модуляции. Имеющиеся в опыте погрешности в фазовом сдвиге и паразитной амплитудной модуляции объясняются рядом причин — разбросом параметров диодов, смещением установки диодов, конструктивно — технологическими погрешностями линий передач и т. д.

Литература:

1. Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2’ том, 1999. У. А. Абдулаева, А. Р. Тагилаев. Принципы построения высокочастотных широкополосных высокоточных многодискретных фазовращателей, с.50.

2. К. А. Гупта, Р. Гардж, Р. Чадха. Машинное проектирование СВЧ устройств. — М.: радио и связь, 1987г.

3. Ж. Будурис, П. Шеневье. Цепи сверхвысоких частот. — М.: Советское радио, 1979г.