Разработка АЧХ корректоров ЛБВ-О с учётом её амплитудно-фазового преобразования для повышения идентичности фазочастотных характеристик широкополосных усилителей

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, применяв методы теории СВЧ цепей. Этот тип коректоров существует в двух вариантах конструктивного исполнения: на коаксиальной и микрополосковой линиях 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 конструкции 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-0 коэффициент АМ-ФМ преобразования может достигать десятки градусов на 1 дБ изменения мощности входного сигнала (°/дБ) и более. Для того, что бы 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.

Изучению идентичности ФЧХ широкополосных спиральных ЛБВ посвящены теоретические и экспериментальные исследования отечественных и зарубежных ученых и инженеров: Каца A.M., Кудряшова В. П., Нудельмана Я. Е., Рафаловича А. Д., Данилова А. Б., Сивякова Б. К., Baruch Е. 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 фазо-частотных характеристик 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 микрополосковой и коаксиальной линии.

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 коаксиальной и микорополосковой линиях передачи и всего комплексированного изделия: корректор+ЛБВ.

3. Создание на основе 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 коаксиальной линии.

5. Анализ чувствительности к допускам характеристик шлейфных корректоров АЧХ для широкополосных ЛБВ на коаксиальной микрополосковых линиях.

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 амплитудно-частотным корректором.

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 коаксиальной и микрополосковых линиях 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 коаксиальной и микрополосковых линиях, показавшие, что в коаксиальной конструкции наибольшее влияние (в 2−3 раза) оказывают допуска на поперечные размеры, а в микрополосковой — на продольные (в 9−10 раз).

4. Установлено, что для улучшения идентичности характеристик шлейфного корректора АЧХ на микрополосковых линиях необходимо накладывать допуска 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 коаксиальной и микрополосковых линиях с учетом фазоамплитудной характеристики ЛБВ.

3. Проведены исследования причин неидентичности частотных характеристик шлейфных корректоров на коаксиальной и микрополосковых линиях для широкополосных спиральных ЛБВ.

4. Установлено, что в корректоре на КЛ наибольшее влияние оказывают допуска на поперечные размеры, а на микрополосковых линияхна продольные.

5. Показано, что для улучшения идентичности характеристик шлейфного корректора АЧХ на микрополосковых линиях необходимо накладывать допуска на номинальноезначение 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 коаксиальной и микрополосковых линиях 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 ММТТ-24» (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 рекомендованных ВАК изданиях.

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 экспериментальных результатов проводилось совместно с соавторами научных статей.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения,.

3.4 Выводы.

1. При расширении полосы частот с октавы до полутора октав в коаксиальной конструкции наблюдается ухудшение идентичности характеристик при одинаковой расстройке, по сравнению с октавной конструкцией.

2. С увеличением количества плунжеров чувствительность к настройке уменьшается и идентичность улучшается.

3. Установлено различное влияние допусков, налагаемых на поперечные и продольные размеры, на идентичность характеристик шлейфных корректоров на коаксиальной и микрополосковых линиях. Показано, что в коаксиальной конструкции наибольшее влияние (в 2−3 раза) оказывают допуска на поперечные размеры, а в микрополосковой — на продольные (в 9−10 раз).

4. При расширении полосы частот с октавы до полутора октав в микрополосковой конструкции наблюдается незначительное улучшение идентичности характеристик по сравнению с коаксиальной конструкцией.

5. При увеличении рабочих частот, с сохранением ширины полосы, при абсолютных производственных допусках в микрополосковой конструкции наблюдается непропорциональное увеличению частота ухудшение идентичности характеристик, в отличие от коаксиальной конструкции.

6. Выявлено, что лучшие результаты получаются при наложении допусков в микрополосковой конструкции на номинальное значение вносимого активного сопротивления резистивным напылением, в отличие от наложения допусков на геометрические размеры резистивного напыления.

7. Экспериментально-теоретическим путем с использованием программы, описанной в главе 2 и реальных экспериментально измеренных амплитудных и амплитудно-фазовых характеристик широкополосной ЛБВ, показана необходимость учета изменения ФЧХ всего усилителя за счет амплитудно-фазового преобразования сигнала в ЛБВ. Для этого надо вести анализ АЧХ и ФЧХ корректора и ЛБВ совместно, то есть проектировать корректор с учетом реальных амплитудных и фазовых характеристик конкретной ЛБВ.

8. Проведена апробация применения полученных результатов исследований на практике. В результате разработан корректор к усилителю, и получен СВЧ усилитель, который имеет идентичность ФЧХ с различными экземплярами корректоров, превосходящий требования технического задания в 3,8 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

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 Ксти (не более 1,5), возможностью получения АЧХ достаточно большой ширины (до 2−4 октав) и возможностью реализации различных перепадов АЧХ.

2. Построена математическая модель шлейфного корректора АЧХ на коаксиальной линии и микрополосковой линии и всего 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 коаксиальной линии и микрополосковой линии. 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 дл.- использования входных данных в той форме, как они используются в конструкторской документации корректора.

5. Проведена апробация модели и программы. Учет реальных характеристик ЛБВ и хорошее соответствие теоретических и экспериментальных характеристик корректоров потверждает корректность анализа характеристик усилителя данной программой.

6. Экспериментальным и расчетным путем показано увеличение неидентичности ФЧХ цепочки корректора+ЛБВ за счет амплитудно-фазового преобразования сигнала в ЛБВ, следовательно проектирование корректора 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 коаксиальной линии и микрополосковой линии различно. В коаксиальной конструкции наибольшее влияние оказывают допуска на поперечные размеры, а в микрополосковой — на продольные.

8. Для улучшения идентичности характеристик шлейфного корректора АЧХ на МПЛ необходимо накладывать допуска 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», о чем получен акт внедрения. В результате разработан корректор к усилителю, и получен СВЧ-усилитель, который имеет идентичность ФЧХ с различными экземплярами корректороь, превосходящий требования технического задания.