CC BY
198
3. Вильман Ю.А. Механизация работ в сельском строительстве. М.: Стройиздат, 1982. - 208с.
4. Беляков Ю.И., Левинзон А.Л. Земляные работы. М.: Стройиздат, 1983.-176 с.
5. Рекомендации по технологии разработки грунтов с применением новых машин и навесного оборудования. ЦНИИОМТП. М., 1984. - 95с.
6. Зеленин А.Н., Баловнев В.И., Керов И.П. Машины для земляных работ. М.: Машиностроение, 1975. - 422 с.
7. Баладинский В.Л., Лысенко Б.Н. Машины и механизмы для сельского строительства. Киев: Будивельник, 1978. - 152 с.
© Джумагалиев Т.К., Абдурасулов И., Мамбетова Р.Ш., 2016
УДК.621.372
Дударев Николай Валерьевич,
аспирант кафедры инфокоммуникационных технологий, Южно-Уральский государственный университет,
г. Челябинск; [email protected]. Даровских Станислав Никифорович, д.т.н., заведующий кафедрой инфокоммуникационных технологий, Южно-Уральский государственный университет,
г. Челябинск; darovskih .s@mail. ru.
N.V. Dudarev, [email protected] S.N. Darovskih, [email protected], South Ural State University, Chelyabinsk.
РАЗРАБОТКА ГИБРИДНОГО ДЕЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ НА МНОГОСЛОЙНОЙ СТРУКТУРЕ
DEVELOPMENT OF HYBRID POWER AMPLIFIER FOR MULTILAYER STRUCTURE
Аннотация
В статье доказывается реальная возможность проектирования устройств сверхвысокочастотной (СВЧ) электроники на основе многослойной структуры их построения. На примере гибридного СВЧ-делителя мощности (гибридного кольца) показаны преимущества такого проектирования в сравнении с традиционными подходами, основанными на использовании микрополосковых линий. Приведенные в статье расчеты гибридного кольца на основе многослойной структуры позволяют сделать прогноз о существенном уменьшении массогабаритных характеристик устройств СВЧ-электроники, сделать их возможными для широкого использования в мобильных и малоразмерных радиотехнических системах с СВЧ каналом передачи и приема информации.
Ключевые слова
СВЧ модули, массогабаритные характеристики, многослойная технология, гибридное кольцо, щелевая
линия.
The article proves a real possibility of designing microwave devices (RF) electronics on the basis of their multi-layer construction of the structure. For example, a hybrid microwave power divider (hybrid ring) is shown the advantages of this design compared to the tradi-communicable approaches based on the use of microstrip li-tions.
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №4/2016 ISSN 2410-6070_
The above article estimates the hybrid ring on the basis of a multi-layer structure make it possible to forecast a significant decrease massogaba-hydration band characteristics of microwave electronic devices, making them affordable for widespread use in mobile and small-sized radio systems, microwave transmission and reception of the information channel.
Keywords: RF modules, weight and size characteristics, the multi-layer technology, the hybrid ring slit line.
Введение
В технике сверхвысоких частот широкое распространение получили различного рода модульные конструкции СВЧ-устройств (направленные ответвители, мостовые схемы, согласованные делители и т.д.), применяемые для управления сигналом в линиях СВЧ тракта. Основным недостатком этих устройств является прямо пропорциональная зависимость их массогабаритных характеристик от используемого частотного диапазона. Если для стационарных объектов (наземные системы радиолокации) массогабаритные характеристики не являются особенно значимыми, то для СВЧ-устройств, устанавливаемых на подвижных объектах, массогабаритная экономия является основополагающим фактором. В этой связи разработка СВЧ-технологии, направленной на снижение массогабаритных характеристик, является актуальной. В настоящее время эта проблема решается на основе микрополосковой технологии, использующей методы магнитного напыления, гибридных навесных элементов и диэлектриков с большой относительной диэлектрической проницаемостью [5]. Однако потенциальные возможности этой технологии в снижении массогабаритных характеристик СВЧ-устройств ограничены однослойной архитектурой их построения. В этой связи представляется целесообразным рассмотреть возможность создания устройств СВЧ-электроники на основе многослойной структуры их построения.
Оценку преимуществ разработки указанных устройств, при использовании многослойной технологии, рассмотрим на примере СВЧ-делителя мощности (гибридного кольца). Сравнение его характеристик (массогабаритные и электрические) с устройством, спроектированным по традиционной (микрополосковой) технологии, позволит сделать вывод о перспективности использования многослойной технологии для разработки устройств СВЧ-электроники.
1.Разработка СВЧ-делителя мощности на основе микрополосковой технологии
Мостовая схема СВЧ-делителя мощности (гибридное кольцо) (рис. 1) в традиционном однослойном исполнении достаточно широко распространена в СВЧ радиотехнических системах.
Рисунок 1 - Гибридное кольцо
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №4/2016 ISSN 2410-6070_
Его расчет [1,2] сводится к определению среднего диаметра dcp, ширины кольца Wk,, при известных значениях ширины микрополосковой линии W, волнового сопротивления Z0 , эффективной электрической проницаемости еэф основной линии передачи (1-4), рабочей частоты (длины волны А0) и других исходных данных и требований, предъявляемых к делителю мощности. Основными соотношениями для расчета параметров гибридного кольца являются [1-4]:
3Яр
где 8эф- эффективная электрическая проницаемость. Для микрополосковой линии она определяется по формуле:
лс р»^, (1)
^^^(^С)-1, (2)
£г+1 , ег-1 , _
где ег- относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрического основания, W - ширина полосковой линии, h - толщина диэлектрика.
W = h
Wk = h
200(i-|)_i
Z0V£r 200(1-i) _ х
Zk-ßT
(3)
(4)
где А - толщина металлизации, Z0 - входное волновое сопротивление, Zk - волновое сопротивление кольца.
Zk = Z0V2. (5)
При использовании соотношений (1 - 5) были получены следующие значения параметров гибридного кольца: dср = 45 мм, Wk = 1.7 мм (для условий: частотный диапазон 945-970 МГц, ширина микрополосковой линии W = 3.52 мм, входное волновое сопротивление Z0=50 Ом, материал подложки - двусторонний ламинированный диэлектрик RO4003).
Для оценки соответствия электромагнитных характеристик рассчитанного гибридного кольца (рис. 2) заданным (деление мощности сигнала - равномерное (-3 дБ), коэффициент отражения и электромагнитная развязка не менее - 20 дБ) в диапазоне частот 945-970 МГц, была использована специализированная САПР CST Microwave Studio.
Рисунок 2 - Однослойная топология модели гибридного кольца
В результате расчёта с использованием САПР получены электромагнитные характеристики данного устройства. Наиболее наглядными являются графики элементов матрицы рассеивания (рис. 3). Анализируя данные графики, можно получить практически исчерпывающую информацию, которую необходимо знать об электрических характеристиках СВЧ модулей при проектировании. На основании расчета основных электромагнитных характеристик гибридного кольца с указанными параметрами (рис. 3), исходя из графиков матрицы рассеивания, можно сделать следующие выводы:
- устройство обеспечивает равное деление мощности сигнала канала 1 по каналам 3 и 4 ^31, S41 =-3 дБ) в широкой полосе (950 - 1000 МГц);
- развязка в этой же полосе колеблется от -25 дБ (на краях диапазона) до -40 дБ (в центре диапазона); - коэффициент отражения (S11) в полосе (950 - 1000 МГц) варьируется от -25 дБ (на краях диапазона) до -32 дБ (в центре диапазона).
S-Parameter [Magnitude in dB]
Sl,l ; -26.535637 Б2Д : -26.496058 S3,l : -3.1068779 S4,l ; -3,0790497
200 400 600 800 1 967.07 [)00 1200 1400 1600
Frequency / MHz
Рисунок 3 - Амплитудные характеристики гибридного кольца по микрополосковой технологии: 831, 841 -коэффициенты деления мощности, 821- коэффициент развязки между 1 и 2 входами устройства, 811 -
коэффициент отражения с первого входа.
Данные характеристики показывают, что устройство может работать не только в заданной при расчёте полосе частот: 945-965 МГц, но и в значительно более широкой полосе (950 - 1000 МГц) с сохранением всех основных требований к устройству: равным делением мощности сигнала по каналам (831, 841 =-3 дБ), величиной развязки и коэффициентом отражения не менее -20 дБ.
При этом размеры устройства 100*70*1.52 мм определяют его объем равный 10640 мм3 (без учёта экранирующего корпуса). Для микрополосковой линии ширина воздушной прослойки от линии передачи до металлического экрана должна быть не менее трёх ширин диэлектрика. Таким образом, фактический объём изделия в корпусе равен 42560 мм2 (10640* 4 мм2).
2. Гибридное кольцо по многослойной технологии Для реализации гибридного кольца на основе многослойной структуры, используются рассчитанные выше габаритные размеры. В области развязанных входных плеч делитель разбивается на две части и размещается на нескольких диэлектриках (рис. 4). Используются два фольгированных диэлектрика Я04003, они совмещаются, и с каждой из внешних сторон диэлектриков располагается по половине делителя. Металлизация, расположенная между диэлектриками, выполняет функцию экрана. В экране протравливаются отверстия для перемычек (рис. 4), с помощью которых соединяется части гибридного кольца.
Рисунок 4 - Модель многослойного делителя с перемычками: 1,2 - линии передачи; 3 - переходное отверстие; 4 - перемычка
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №4/2016 ISSN 2410-6070_
Из расчета основных электромагнитных характеристик гибридного кольца на основе многослойной структуры (рис. 5) следует, что по своим амплитудным характеристикам делитель мощности, реализованный по многослойной технологии, не уступает аналогичному изделию с однослойной структурой, а по габаритам он получается компактнее примерно в 6 раз (габаритные размеры 40*40*4.56 мм (7296 мм3)). Так как устройство реализуется на симметричной линии, то экранирующий корпус располагается вплотную к изделию (влияние корпуса на объём изделия незначителен).
S-Parameter [Magntude in dB]
_ —^-
....... .................
S2,l : -44.252623 S3,l : -3.115747
S4,l : -3.052051 ...
\ "ч
Sl,l ■- S2,l S3,l
S4,l
Рисунок 5 - Амплитудные характеристики гибридного кольца по многослойной технологии в
зависимости от частоты
Недостатком такого гибридного кольца является наличие переходных отверстий. Этот недостаток можно рассматривать с различных точек зрения: технологической и электродинамической. С точки зрения технологии, переходное отверстие - это целый ряд дополнительных операций. Конечно, не следует считать, что переходные отверстия - это непреодолимая проблема. В настоящее время процедура получения переходных отверстий освоена и успешно применяется для производства низкочастотных плат. С точки зрения электродинамики, перемычка является определенным типом линии передачи (волновод), соответственно она должна иметь волновое сопротивление около 50 Ом. Соединение слоёв можно осуществлять с помощью щелевой линии (рис.6).
Рисунок 6 - Модель объёмной щелевой линии: 1,2 - область связи (щель); 3,4 - линии передачи
В гибридном кольце вместо перемычки можно использовать объёмную щель, представляющую собой две металлизированные области, расположенные по разные стороны фольгированного диэлектрика. В зависимости от размера перекрытия можно получить щелевую линию с определённым волновым сопротивлением.
S-Parameter [Magnitude in dB]
0 -5 i
i !
-" ....... j ; ..... ;
-15 __________________;__________________L__________________ __________________ __________________
!
;
; Sl,l : -33.490437 52.1 : -0.30356599 51.2 : -0.31415443 52,2 : -31.798792
i
-411 ; г
-si,i
-52,1 -51,2
-S2,2
600 700
Frequency / MHz
900 951.7 1000
Рисунок 7 - Амплитудные характеристики объёмного щелевого перехода
Анализ результатов расчета амплитудных характеристик объемного щелевого перехода (рис. 7) позволяет сделать следующий вывод о том, что такой переход можно использовать для узкополосных устройств, допускающих ширину спектра сигнала, не превышающего 10% от значения несущей частоты. Важной особенностью щелевой линии является её длина, которая должна быть равной четверти или восьмой части длины волны. Для экономии места складываются щелевые линии в меандровые структуры и сравниваются их проходные характеристики с характеристиками предыдущей модели (рис.8 и 9).
S1 -- ,1: -31.11И61
S2 51 J : £ W35«
,2 : ¿57371 ^
/У
//
\\ / J
\ Р
и-
а) б)
Рисунок 8 - Модель объёмного щелевого перехода, собранного в периодическую меандровую структуру (а), и его амплитудные характеристики (б)
а) б)
Рисунок 9 - Модель объёмного щелевого перехода сложной структуры (а) и его амплитудные
характеристики (б)
При сравнении амплитудных характеристик переходов (рис.7- 9), выявляется, что с увеличением количества сгибов щелевой линии наблюдается незначительное ухудшение коэффициента отражения и незначительное уменьшение величины проходящего сигнала.
Модель гибридного кольца, реализованного на базе простейшей щелевой линии без сгибов, представлена на рис. 10:
а) б)
Рисунок 10 - Модель гибридного кольца с объёмными щелевыми линиями (а) и его амплитудные
характеристики (б)
Данное гибридное кольцо имеет следующие габаритные размеры: 70*50*3.04 мм (10640 мм3). Процесс разработки каждого из устройств, описанных выше, осуществлялся в соответствии с алгоритмом, который представлен в виде блок-схемы (рис. 11).
Рисунок 11 - Блок-схема алгоритма процесса проектирования устройств СВЧ-электроники
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №4/2016 ISSN 2410-6070_
Заключение
В данной статье предложена многослойная технология реализации изделий СВЧ-электроники, таких как направленные ответвители, фазовращатели, фильтры, различного рода делители и сумматоры мощности и т.д. Использование данной технологии, позволяет добиться значительных успехов в достижении массогабаритной минимальности, что наглядно представлено на примере гибридного моста, который реализуется по двум концепциям: традиционной микрополосковой и многослойной. При сохранении равного уровня электрических характеристик, многослойный гибридный делитель занимает объем меньше в 6 раз, чем микрополосковый.
Значительным преимуществом данной технологии является возможность достижения высокой плотности компоновки сложных радиотехнических устройств, использующих изделия СВЧ-электроники. Список использованной литературы
1. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств: справочник / С. И. Бахарев, В. И. Вольман, Ю. Н. Либ; под ред. В.И. Вольмана. - М.: Радио и связь, 1982. - 328 с.
2. Малорацкий, Л. Г. Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях / Л. Г. Малорацкий, Л. Р. Явич. - М., Сов. Радио, 1972. - 232 с.
3. ГОСТ 21702-76 Устройства СВЧ. Полосковые линии - М: Изд-во стандартов, 1977. - 4 с.
4. Фельштейн, А. Л. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ / А. Л. Фельдштейн, Л. Р. Явич. - 2-е изд. - М.: Связь, 1971. - 385 с.
5. Малорацкий, Л. Г. Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ / Л. Г. Малорацкий. - М.: Сов. Радио, 1976. - 216 с.
References
1. Volman V.I. (ed.). Spravochnik po raschetu i konstruirovaniyu SVCH poloskovykh ustroystv [Calculation and Design of Microwave Microstrip Devices]. Moscow, Radio i Svyaz, 1982. 328 p.
2. Maloratsky L.G., Yavitch L.R. Proektirovaniye i raschyot SVCH elementov na poloskovykh liniyakh [Design and Calculation of Microwave Microstrip Elements]. Moscow, Sov. Radio Publ., 1972. 232 p.
3. GOST 21702-76. Ustroistva SVCH. Poloskovye linii [Microwave Devices. Microstrips]. Moscow, Standart Publ. House, 1977. 4 p.
4. Felstein A.L., Yavitch L.R. Sintez chetyrekhpolyusnikhov i vos'mipolyusnikhov na SVCH [The Synthesis of Microwave Quadrupoles and Octupoles]. Moscow, Svyaz Publ., 1971. 385 p.
5. Maloratsky L.G. Mikrominiatyurizatsiya elementov i ustroystv SVCH [Microminiaturization of Microwave Elements and Devices]. Moscow, Sov. Radio Publ., 1976. 216 p.
© Дударев Н.В., Даровских С.Н., 2016
УДК 623.451
В.Н. Зубов
К.т.н., доцент
Факультет «Специальное машиностроение» МГТУ им. Н.Э. Баумана Г. Москва, Российская Федерация
ПРИМЕНЕНИЕ «РОССИЙСКОЙ КОНЦЕПЦИИ ИМПУЛЬСНОЙ КОРРЕКЦИИ» ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ РАКЕТНОГО И АРТИЛЛЕРИЙСКОГО ОРУЖИЯ
Аннотация
В статье изложена суть российской концепции импульсной коррекции траектории полета артиллерийских боеприпасов и ракет (RCIC-технология), позволяющая существенно повысить точность
