Исследование и разработка методики построения радиоканалов КВЧ

В последние годы отмечается повышенный интерес к использованию миллиметровых волн (ММВ) для построения систем радиолокации и передачи информации. Обращение к этому диапазону вызвано с одной стороны, стремительно растущей потребностью в резком увеличении скорости передачи информации и числа доступных для этого каналов, а с другой, перегруженностью хорошо освоенного диапазона сантиметровых волн (СМВ).

Переход к ММВ позволяет обеспечить большее, по сравнению с диапазоном СМВ, число реализуемых широкополосных каналов передачи информациисужение диаграмм направленности при тех же апертурах антенн, что и в диапазоне СМВболее высокое (относительно СМВ) разрешение по дальности и угловым координатамповышенную чувствительность к эффекту Доплераустойчивость к непреднамеренным и организованным помехам.

Наиболее распространенной технологией изготовления устройств КВЧ является волноводная технология. На основе этой технологии разработан ряд радиотехнических систем, среди которых можно выделить отечественную систему межкомпьютерного обмена данными «КРОСС-8» и английскую систему «В1аск1к», используемую в сетях сотовой связи. Однако применение волноводной технологии, в большинстве случаев, не позволяет решить проблему улучшения массогабаритных параметров конструкции.

Альтернативой волноводной технологии служит гибридная технология конструирования устройств диапазона КВЧ, которая сочетает преимущества тонкопленочной технологии изготовления элементов и монтажа на поверхности миниатюрных навесных дискретных компонентов.

Гибридная технология позволяет создавать системы с минимальными массогабаритными характеристиками и в случае необходимости наращивать тактико-технические характеристики систем.

Технической основой гибридной технологии в КВЧ диапазоне служат доступная элементная база, недефицитные материалы, а также типовые процессы тонкопленочной технологии.

Вместе с тем несовершенство элементной базы, выражающееся в дефиците мощности генерируемых сигналов, и ограничения технологического характера исключают применение подходов, характерных для диапазона СМВ, при разработке устройств диапазона миллиметровых волн. Поэтому актуальной является постановка и решение отдельных проектно-конструкторских задач, которые совместно с уже решенными задачами составили бы комплексную методику разработки радиотехнических систем диапазона КВЧ.

К числу таких задач следует отнести:

— обоснование структуры радиоканала КВЧ;

— исследование конструкторско-технологической воспроизводимости узлов радиоканала КВЧ;

— исследование влияния внешних механических воздействий на функциональные показатели радиоканала КВЧ.

Решению перечисленных задач и посвящена диссертация.

Целью работы является разработка научных положений, составляющих основу комплексной методики проектирования радиоканалов КВЧ диапазона.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

— построение математической модели радиоканала КВЧ и оптимизация его структуры и параметров;

— построение модели функциональной точности излучателя МПЛ АР;

— статистическое исследование параметров диэлектрических подложек АР;

— анализ технологической воспроизводимости параметров излучателя и АР;

— исследование влияния изгибных деформаций антенной решетки на ее функциональные параметры.

Для достижения поставленных целей используются методы нелинейного программирования, теории допусков, теории вероятности и математической статистики.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— предложена математическая модель радиоканала КВЧ на основе которой решена задача оптимизации энергетических и массогабаритных параметров радиоканала;

— определены количественные оценки влияния параметров диэлектрических подложек АР на КНД и входное сопротивление;

— получены показатели распределения диэлектрической проницаемости и толщины поликоровых подложек, которые позволяют оценить разброс КНД и входного сопротивления излучателя и модуля АР;

— определены границы разброса КНД и входного сопротивления излучателя АР при использовании методов фотолитографии для получения конфигурации элементов АР. Установлена связь между разбросом параметров АР и энергетическими показателями радиоканала;

— получены количественные оценки влияния изгибных деформаций полотна АР на ее КНД. Предложена методика проектного и поверочного расчетов АР в условиях воздействия вибрации;

— предложена комплексная методика разработки радиоканала КВЧ, охватывающая схемотехнические и конструкторско-технологические задачи.

Практическая ценность диссертации заключается в разработке комплексной методики построения радиоканалов КВЧ, позволяющей выбрать оптимальную структуру, минимизировать массогабаритные и энергетические характеристики радиоканала, учесть энергетические потери за счет производственного разброса КНД АР и изменения КНД при воздействии внешних механических дестабилизирующих факторов.

Применение предложенной методики обеспечивает повышение эффективности проектно-конструкторских работ и снижение трудоемкости процесса проектирования.

Результаты работы использованы на предприятии ОАО «Фазотрон-НИИР» при разработке и изготовлении демонстрационного макетного образца активного координатора миллиметрового диапазона волн, в научно-техническом отчете каф. 404 МАИ о четвертом этапе НИЭР «Кубик» «Разработка, создание и испытания макетного образца бортового активного координатора миллиметрового диапазона волн», а также внедрены в учебный процесс каф. 401 МАИ, что подтверждено соответствующими актами внедрения.

На защиту выносятся:

— методика обоснования структуры и параметров радиоканала КВЧ;

— результаты статистического исследования параметров диэлектрических подложек МПЛ АР;

— результаты анализа технологической воспроизводимости МПЛ АР;

— методика проектного и поверочного расчетов конструктивных параметров полотна МПЛ АР в условиях внешних механических воздействий.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе доложены и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

— международной научно-технической конференции «Современные научно-технические проблемы гражданской авиации» (Москва, 1996 г.);

— международной студенческой конференция «Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве» (Москва, 1997 г.);

— международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (Алушта, 1997 г.);

— пятой ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 1999 г.).

Результаты диссертации опубликованы в 4-х печатных работах и одном отчете о НИР.

Диссертация состоит из пяти глав и содержит 118 страниц машинописного текста. Работа снабжена 49 иллюстрациями на 33 листах.

Первая глава посвящена обзору литературных источников и постановке задач исследования. Во второй главе разработана методика выбора структуры радиоканала КВЧ, позволяющая минимизировать энергетические и массогабаритные характеристики радиоканала. Третья глава посвящена анализу технологической воспроизводимости микрополосковых устройств диапазона КВЧ, статистическому исследованию параметров диэлектрических подложек и разработке методов компенсации влияния технологических погрешностей на тактико-технические характеристики радиоканала КВЧ. В четвертой главе рассмотрено влияние изгибных деформаций полотна антенной решетки на ее КНД и предложены методики проектного и поверочного расчетов показателей вибропрочности по критерию допустимого изменения КНД. В пятой главе приведен пример практического применению разработанной методики проектирования КВЧ радиоканала, описана конструкция и принципиальная схема его укороченного макета, приведены результаты экспериментальных исследований подтверждающие разработанные теоретические положения. В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

Выводы:

1. Установлена связь между изменением КНД MAP и амплитудой прогиба полотна MAP вызванной вибрацией. Предложена модель для расчета прогиба основания MAP при вибрациях.

2. Разработана методика проектного и поверочного расчетов показателей вибропрочности MAP по критерию допустимого снижения КНД, позволяющая связать функциональные показатели MAP и показатели вибропрочности конструкции.

3. Получены количественные оценки взаимосвязи параметров конструкции MAP с показателями вибропрочности.

5. Разработка радиоканала передачи информации КВЧ диапазона.

Для иллюстрации методики проектирования КВЧ радиоканалов ниже выполнена проектно-конструкторская разработка радиоканала передачи информации к параметрам которого предъявляются следующие требования:

Скорость передачи информации 10 Мбит/с.

Ширина полосы частот, А£ 26 МГц.

Дальность действия канала, Я 10 км.

Рабочая длина волны, X 8 мм.

Отношение сигнал/шум, q 20 дБ.

Прототипом разрабатываемого радиоканала является система КРОСС-8, представляющая собой беспроводной ETHERNET мост и работающая в диапазоне частот 37 — 39,5 ГГц. Система выполнена по волноводной технологии с применением параболической антенны диаметром 35 см. Габариты системы — 37×64×35 см, масса -11 кг.

Использование данных о прототипе дает возможность, сравнив характеристики системы, приведенные в ТУ, с характеристиками проектируемого канала, судить о достоверности предложенных методик и по отдельным параметрам оценить выигрыш в результате применения гибридной технологии.

Радиоканал реализуется на микроэлектронной элементной базе. Антеннами являются микрополосковые АР. Приемник строится по супергетеродинной схеме. Для определения суммарных потерь в приемном тракте воспользуемся данными, приведенными в [44].

Заключение

.

Основными результатами работы являются:

1. Методика выбора структуры радиоканала КВЧ, учитывающая затухание при распространении КВЧ сигнала и позволяющая минимизировать суммарную массу приемопередатчика радиоканала при заданных энергетических характеристиках.

2. Проведено исследование влияния технологической погрешности изготовления микрополоскового излучателя на его КНД и входное сопротивление. Определены факторы, оказывающие наибольшее влияние на КНД и входное сопротивление излучателя: относительная диэлектрическая проницаемость материала подложки и глубина вреза микрополосковой линии в тело излучателя.

3. Определены значения параметров излучателя, минимизирующие технологическую погрешность входного сопротивления и КНД излучателя. Выполнено статистическое исследование партии поликоровых подложек толщиной 0,25 мм показавшие что относительная диэлектрическая проницаемость и толщина подложки распределены по нормальному закону с допусками ±0,35 и ± 0,02 мм соответственно.

4. Установлена количественная взаимосвязь производственной погрешности КНД АР и дальности действия радиоканала. Показано, что для компенсации производственной погрешности КНД необходим запас энергетического потенциала не менее 50%.

5. Проведено исследование воздействия факторов внешней среды на параметры АР. Установлено, что наряду с известными в качестве критерия вибропрочности целесообразно использовать допустимый прогиб основания АР исходя из ограничений на относительное изменение КНД.

6. Предложена модель АР для расчета показателей вибропрочности и методики проектного и поверочного расчетов, позволяющие учесть ограничения на допустимый прогиб основания АР исходя из требований КНД.

7. Разработана структура радиоканала КВЧ на основе прототипа системы КРОСС-8. Сравнение параметров разработанного канала с параметрами прототипа позволило сделать вывод об адекватности предложенных моделей. Проведены экспериментальные исследования укороченного макетного образца радиоканала, определены показатели дальности связи и суммарных потерь, удовлетворительно совпадающие с расчетными.