...ПОПОВ...ЛОСЕВ...СИФОРОВ...КОТЕЛЬНИКОВ...   русские ученые подвижники

                           

На 1 страницу

         

Диаграмма Смита

  Анализ радио-
технических систем

Touchstone

MMICAD

MMICAD LAYOUT

  Microwave Office

 LIBRA

Aplac

Sonnet

HFSS 

ADS

Ptolemy

IE3D

FIDELITY

SERENADE

 MOMENTUM

XFDTD

Уравнения Максвелла  

Ряды Вольтерра  

  Метод моментов

  Динамический диапазон

  Мощность насыщения

Шумы 

Синтез СВЧ структур

Расчет микро-
полосковых антенн сотовых телефонов

 Расчет мощности поглощаемой в голове пользователя сотового телефона

  FEKO

CST

 

 

ПРИНЦИПИАЛЬНО  НОВАЯ  ТЕХНОЛОГИЯ  ИЗГОТОВЛЕНИЯ

ЭЛЕМЕНТОВ  И  УЗЛОВ  СИСТЕМ  СПУТНИКОВОЙ  СВЯЗИ

 

А. Г. Яцуненко, Е. Н. Привалов, С.А.Яцуненко

Институт технической механики, НАН и НКА Украины

Украина, 49000, ГСП, г. Днепропетровск-5, ул. Лешко-Попеля,15. Тел. (0562) 467-091,

факс (0562) 471-941

Е-Mail: anatoly@ramed.dp.ua

 RADICALLY NEW TECHNOLOGY FOR MANUFACTURING COMPONENTS AND UNITS OF SATELLITE COMMUNICATION SYSTEMS 
Anatoly G. Yatsunenko, Evgeny N. Privalov,Sergey A. Yatsunenko
Institute of Technical Mechanics, National Academy of Sciences of Ukraine 
15 Leshco-Popel St., Dnepropetrovsk 49000, Ukraine, phone: (0562) 467-091, 
fax: (0562) 471-941
E-mail: anatoly@ramed.dp.ua

 

 В статье представлен набор элементов и устройств КВЧ - диапазона, изготовленных методом многослойной гальванопластики. Показано, что предлагаемая технология позволяет производить практически квазимонолитные многофункциональные устройства для систем связи и навигации.

 

1.Введение

В качестве основного исходного момента, определяющего разумно необходимую степень интеграции или количества функций, выполняемых конструктивно завершенными СВЧ-модулями, может служить компромисс между стремлением к уменьшению массогабаритных показателей аппаратуры, удобству и упрощению ее эксплуатации и возможностями технологии ее изготовления, контроля и проверки соответствующих электрических параметров. Известно, что совершенствование элементной базы и эффективности ее использования, сводящееся лишь к простому объединению различных по функциональному назначению, но изготовленных отдельно СВЧ-узлов, не позволяет существенно улучшить электрические и массогабаритные характеристики аппаратуры, упростить и удешевить технологию ее изготовления /1/. В первую очередь этому препятствует большое количество стыковочных узлов. В результате, даже в миллиметровом диапазоне длин волн, из-за того, что существенную долю массы приемо-передающей части станции составляют волноводы, волноводные фланцы и корпуса приборов, выполненные на основе волноводных фланцев, масса аппаратуры может доходить до 70-80 кг /2/. Разрешение возникшей дилеммы возможно за счет создания многофункциональных модулей, конструкция которых приспособлена для серийного производства. Однако, ориентация только на гибридно-интегральную технологию изготовления печатных плат с имплантированными активными элементами не всегда является экономически привлекательной из-за их неремонтопригодности, а также более низкого, по сравнению с волноводами, допустимого уровня передаваемой мощности. Альтернативой этой технологии  может быть  модернизированная волноводно-интегральная технология, базирующаяся на основе многослойной гальванопластики с элементами гальванопластического монтажа /3, 4/. Помимо существенного выигрыша в массе и габаритах изделий коренным образом снижаются затраты на настройку, так как применение метода гальванопластики обеспечивает не только высокую точность изготовления, но и повторяемость геометрических и электрических характеристик СВЧ - узлов.

Опыт работы в течение ряда лет показывает, что тщательно отработанная конструкция матриц многоразового использования (матрица – это конструктивно оформленный копир, на котором методом электролитического осаждения формируется соответствующее изделие) в сочетании с технологической оснасткой, обеспечивающей вращивание как металлических, так и неметаллических деталей, позволяет производить практически квазимонолитные СВЧ-модули с достаточно обширным спектром функциональных возможностей. Обеспечивается также легко выполнимая замена генераторных, детекторных или смесительных диодов. При этом, стремление к унификации конструктива усилительных и генераторных узлов приводит не только и не столько к однотипности матриц многоразового использования, но и к легкости преобразования усилительного узла в генераторный и наоборот. А это создает оперативный простор, позволяющий реализовать схемотехнические решения при разработке квазимонолитных приемо-передающих модулей.

 

2. Элементы и узлы аппаратуры связи и навигации, изготовленные методами гальванопластики и гальванопластического монтажа

При разработке технологической оснастки и матриц многоразового использования для гальванопластического производства элементов и узлов аппаратуры связи (в том числе и спутниковой) необходимо, прежде всего, определиться: производство каких из них является приоритетным. Безусловно, таковыми являются генераторный и усилительный модули, а также развязывающие устройства, например, циркуляторы. Относительно генераторного модуля следует отметить, что для обеспечения чистоты спектра генерируемых колебаний, а также стабильности частоты  и снижения уровня частотных шумов в нем должна быть предусмотрена система стабилизации частоты. Наиболее просто решение этой задачи может быть достигнуто  путем параметрической стабилизации частоты с помощью внешнего высокодобротного резонатора. Основными критериями, которым должен удовлетворять стабилизирующий резонатор это: высокая добротность и некритичность его электрических параметров к отклонениям от номинальных значений при изготовлении (к примеру, отклонений от перпендикулярности продольной оси резонатора торцевым поверхностям). Как известно /5/ таким требованиям удовлетворяют биконические резонаторы, к тому же форма оправки для их изготовления органически вписывается в конструктив матрицы многократного использования, предназначенной для производства стабилизированного по частоте, практически монолитного, генераторного модуля.

В некоторых случаях при варьировании нагрузки генератора, стабильность его частоты, обеспечиваемая параметрической стабилизацией, может оказаться недостаточной. В этой ситуации для исключения влияния изменения нагрузки на частоту генерируемых колебаний обычно применяют ферритовые развязывающие устройства, разновидностью которых являются волноводные циркуляторы. Различают симметричные (Y) и несимметричные (Т) циркуляторы. Исторически сложилось так, что хотя конструкция Т-циркуляторов и проще, Y- циркуляторам посвящено большее количество работ, что связано, скорее всего, с более простым расчетом их электродинамических параметров. Если рассматривать единичные развязывающие элементы     Y- или Т-циркуляторы, то оказывается, что путем соответствующего выбора формы и размеров ферритового вкладыша и диэлектрической втулки можно добиться примерно одинаковых электродинамических параметров рассматриваемых элементов, причем, система-ферритовый вкладыш-диэлектрическая втулка для Т-циркуляторов по сравнению с Y-циркуляторами оказывается, как правило, сложнее. При одинаковых ферритовых вкладышах Т-циркуляторы имеют более узкую полосу частот. Естественно, что матрица для изготовления Т-циркуляторов значительно проще, чем матрица для Y- циркуляторов, но это обстоятельство не является единственно привлекательным при использовании Т-циркуляторов. Так, для каскадно-соединенных нескольких циркуляторов, в случае реализации такой цепочки посредством Y -циркуляторов возникают отдельные участки сборной матрицы, которые оказываются “замурованными”, что делает практически невозможным реализацию матрицы многократного использования. Вообще, создается впечатление, что если на “стержневой” волновод как бы “нанизывать” функциональные узлы, то можно добиться реализации многофункционального устройства, как единого целого, используя сборную матрицу многоразового применения, причем, главное условие при этом сводится к тому, чтобы каждый отдельно функционирующий узел был электродинамически связан со “стержневым” волноводом через его боковые поверхности.

Для иллюстрации потенциальных возможностей предлагаемой технологии изготовления элементной базы аппаратуры связи и навигации на рисунке 1 представлены некоторые СВЧ-элементы и многофункциональные устройства на их основе, выполненные методами гальванопластики и гальванопластического монтажа. При создании этого демонстрационного набора авторами преследовалась цель не только показать потенциальные возможности предложенной технологии, но и проиллюстрировать, что разработанные элементы и узлы аппаратуры связи и навигации превосходят существующие не только по массогабаритным, но и по электродинамическим показателям (или, по крайней мере, они не хуже известных аналогов).


 
Рисунок1-Демонстрационный набор элементов и узлов аппаратуры связи и навигации КВЧ-диапазона.

1. Излучающий модуль с рупорной антенной и ферритовой развязкой генератора;

2. Диэлектрическая линза;

3. Излучающий модуль с рупорной антенной и   генератором, стабилизированным по

     частоте биконическим резонатором;

4. Излучающий модуль с рупорной антенной, ферритовым Y-циркулятором и

     смесительной камерой;

5. КВЧ-генератор на диоде Ганна с двухкаскадным усилителем мощности на ЛПД;

6. Излучающий модуль со стабилизированным по частоте генератором, ферритовой

     развязкой и направленным ответвителем для контроля мощности генератора;

7. Излучающий модуль с ферритовой развязкой и направленным ответвителем;

8. Крестообразный направленный ответвитель;

9. Cтабилизирующий биконический резонатор в разобранном виде;

10. Цепочка Y-циркуляторов;

11. Y-циркулятор;

12. Т-циркулятор;

13. Миниатюрный генератор для КВЧ-терапии;

14. Параболический отражатель.

Относительно электрических параметров некоторых из устройств можно сказать следующее.

Так, сравнительная оценка долговременной нестабильности стандартного генератора СВЧ Г4-141 и генератора на диоде Ганна, изготовленного методом гальванопластики (рисунок 2-а), проводилась с помощью анализатора спектра С4-60 в режиме запоминания по ширине заштрихованной, сигналами сравниваемых генераторов, области на экране электронно-лучевой трубки и показала, что применение стабилизирующего биконического резонатора (рисунок 2-б) обеспечивает стабильность частоты изготовленного генератора на порядок выше, чем у серийно выпускаемого Г4-141. На рисунке 2-в представлен автодинный преобразователь частоты КВЧ-диапазоне на диоде Ганна. Стабилизация частоты автодинного преобразователя осуществляется с помощью электрически перестраиваемого биконического резонатора.

 

в

 

б

 

а

 

    Рисунок 2-     а - Генератор на диоде Ганна со стабилизирующим биконическим резонатором;

                        б - биконический резонатор в разобранном виде;

                        в – автодинный преобразователь частоты на диоде Ганна с рупорной антенной.

 


На рисунке 3- крупным планом и в несколько ином ракурсе, чем на рисунке 1 показаны Y- и Т – циркуляторы, изготовленные методом гальванопластики.

 

б

 

а

 
Рисунок 3. Волноводные циркуляторы Y- а и Т- б- КВЧ-диапазона длин волн.

На рисунке 4 показаны частотные зависимости коэффициентов передачи и стоячей волны Т-циркулятора, скопированные с экрана панорамного измерителя коэффициента стоячей волны и ослаблений Р2-68.

                                                                  

Рисунок 4- Частотные зависимости коэффициентов передачи Т12, Т31 - в прямом, Т21, Т13 – в обратном направлениях и коэффициентов стоячей волны S11, S33 Т-образного волноводного циркулятора.

Наблюдаемая некоторая несимметричность частотных характеристик связана с геометрической асимметрией рассматриваемого устройства. Отметим, что представленный графический материал носит скорее иллюстративный характер, так как не была проведена оптимизация геометрических размеров ферритовых вкладышей, Кроме того, путем некоторого усложнения исходной матрицы, сводящегося к гальваническому монтажу регулировочных элементов, можно симметрировать частотные зависимости коэффициентов передачи и стоячей волны от элементов матрицы и расширить рабочую полосу частот. Тем не менее, представляемый Т-циркулятор имеет полосу рабочих частот около 5% на уровне 20 дб обратных потерь и КСВ не более 1,3 в этой же полосе. Для сравнения приведем параметры циркулятора ФЦВ1-26А, выпускаемого  ПО “Коралл”. Рабочий диапазон частот 48 - 50 Ггц; рабочая полоса частот 4,08%; прямые потери 0,75 дБ; обратные потери не менее 20 дБ; габаритные размеры 30*28*25,5 мм; масса 90 г.

Следует отметить, что на основе отработанной матрицы Т-циркулятора была изготовлена более сложная  матрица многоразового использования, предназначенная для изготовления многофункционального устройства, представляющего собой генератор на диоде Ганна с двухкаскадным усилителем мощности на ЛПД, причем в качестве развязывающих элементов использовались уже упомянутые Т-циркуляторы. Общий вид этого  устройства   показан   на  рисунке 5.  Представленное  устройство  легко  может  быть трансформировано в устройство со стабилизированной биконическим резонатором частотой генератора на диоде Ганна и выходным рупорным излучателем.

5

 
                                                                                              

Рисунок 5- КВЧ- генератор с двухкаскадным усилителем мощности. 1- генератор на диоде Ганна; 2- 5 -  Т-циркуляторы. 6,7 -усилители мощности на ЛПД.

 

3. Выводы

 Результаты проведенной практической работы подтверждают, что изделия, изготовленные по предлагаемой технологии с применением тщательно отработанных матриц многоразового использования в сочетании с технологической оснасткой, не только обладают положительными качествами традиционных полосковых линий и металлических полых волноводных систем, но и, по своим техническим, эксплуатационным и другим характеристикам, превосходят их, не имея при этом, присущих им недостатков.

Установлено, что эта технология позволяет повысить качество, надежность и технологичность изделий,   уменьшить их массу в 10-100 раз, а габариты в 2-4 раза.

Применение многослойной гальванопластики с разборными матрицами многоразового использования в сочетании с элементами гальванического монтажа позволит существенно снизить стоимость готовых изделий при серийном производстве.

Библиография

 1. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи /Л.Г.Гассанов, А.А.Липатов, В.В.Марков, Н.А.Могильченко. -М.: Радио и связь, 1988. - 288 с.

2. Алыбин В.Г. Пути построения современных СВЧ устройств для радиорелейных линий и спутниковых средств связи. 5-я Крымская конференция и выставка “СВЧ-техника и спутниковые телекоммуникационные технологии”. Материалы конференции. Севастополь, Украина, 25-27 сентября 1995 г., т.1, с. 11-15.

3. Яцуненко А.Г., Привалов Е.Н. Новая волноводно-интегральная технология для бортовой аппаратуры мм диапазона. 2-я Международная Конференция Спутниковая связь, 23-27 сентября 1996, Москва, Россия, Доклады, том II, с.145-149.

4. Yatsunenko A.G.,Privalov E.N., Prokhorov E.F. Solid-State Millimeter-Wave Devices Based on Waveguide Integration Technology, Proceedings 5th International Symposium on Recent Advances in Microwave Technology, Kiev, Ukraine, September 11-16, 1995, vol.I,p.154-158.

5. Привалов Е.Н. О собственной добротности биконического резонатора.- В сб.: Электродинамика и физика СВЧ. Днепропетровск: ДГУ, 1983, с. 45-48.

 

 

Если Вы хотите получить полное описание программы на русском языке, пошлите e-mail по адресу kurushin@mail.ru.
© 2003 СВЧ проектирование
Последняя модификация: марта 02, 2004