Численные методы расчета электромагнитных полей в задачах анализа и синтеза частотно-избирательных систем

Характерной чертой современной радиоэлектронной промышленности является высокая восприимчивость массового производства к новым разработкам в области СВЧ материалов, электронных микросхем, технологиям микромашинной обработки. При этом внедрение новейших технологий в производство, преследующее прежде всего цель повышения конкурентоспособности разрабатываемой аппаратуры за счет улучшения ее электрических характеристик, уменьшения массо-габаритных параметров, повышения надежности, сталкивается с существенными трудностями, связанными с обеспечением технологичности проектирования и производства.

В настоящее время широкое применение, как в аппаратуре коммерческого назначения, так и в специальной аппаратуре находят высокодобротные термостабильные СВЧ керамики в качестве материала для диэлектрических резонаторов и монолитных диэлектрических конструкций в частотно-избирательных системах (ЧИС) дециметрового и сантиметрового, а также миллиметрового диапазонов длин волн. Керамические материалы с высоким значением относительной диэлектрической проницаемости (свыше 20) позволяет существенно уменьшить размеры, как отдельных элементов таких систем, так и самих ЧИС, при обеспечении хороших электрических параметров и высокой устойчивости к действию внешних факторов.

Отличительными особенностями ЧИС, созданных на базе диэлектрических резонаторов, являются наличие сложной системы крепежных конструкций, обеспечивающих устойчивость ЧИС к механическим воздействиям при сохранении достаточно высокой добротности резонаторов, и присутствие элементов связи относительно сложной формы, обеспечивающих возбуждение рабочего типа колебаний в резонаторах. Особенностью ЧИС на основе монолитных диэлектрических конструкций является наличие печатных проводящих элементов на поверхности диэлектрического блока, обеспечивающих настройку электрических характеристик ЧИС. Эти особенности существенно усложняют задачу проектирования таких ЧИС.

С другой стороны, повышение конкурентоспособности требует внедрения эффективных методов проектирования твердотельных СВЧ устройств для обеспечения оперативности и малой себестоимости подготовки к выпуску новой продукции. В настоящее время подавляющее большинство твердотельных СВЧ устройств проектируется и изготавливается в предположении послепроиз-водственной экспериментальной настройки. С этой целью вводят дополнительные настроечные элементы или предусматривают возможность коррекции размеров и взаиморасположения отдельных частей устройства, что усложняет технологию изготовления и повышает стоимость серийно выпускаемой продукции. Здесь также надо отметить, что выбор оптимальной конфигурации настроечных элементов является отдельной и достаточно сложной задачей.

Существенно упростить процесс проектирования твердотельных СВЧ устройств ЧИС радиоэлектронной аппаратуры возможно за счет применения численных методов расчета электромагнитных полей. Численное моделирование в принципе позволяет сравнительно быстро и без серьезных материальных затрат на экспериментальные работы выявить потенциальные возможности той или иной конструкции устройства, получить оценку влияния различных настроечных элементов и, наконец, провести синтез оптимальной конструкции, реализующей требуемые параметры.

Безусловно, задача численного синтеза элементов СВЧ техники предъявляет особые требования к применяемому математическому и программному обеспечению:

— достоверность расчетной модели — необходимо учесть все существенные особенности рассматриваемой конструкции, используемых материалов, учесть особенности технологического исполнения устройства для минимизации систематической (модельной) погрешности расчета;

— высокая точность расчетов — следует обеспечить такую точность расчетов, которая позволила бы экспериментально воспроизводить результаты расчета при изготовлении образцов устройства;

— оперативность расчета — поскольку в процессе синтеза СВЧ устройства многократно решается задача анализа, то следует ориентироваться на численные методы и программное обеспечение, позволяющие при заданной точности, на стандартных современных ЭВМ проводить расчеты за допустимое время.

Более того, следует предусмотреть возможность адаптации программного обеспечения (возможно, численного метода) к потребностям инженеров-проектировщиков, которые могут не являться специалистами по расчету электромагнитных полей и численным методам теории электромагнитного поля.

Задачей настоящей работы является выбор и адаптация численного метода, а также разработка необходимого программного обеспечения для решения задачи синтеза твердотельных СВЧ устройств частотно-избирательных систем радиоэлектронной аппаратуры с учетом сформулированных выше требованийразработка и экспериментальное подтверждение методики численного проектирования перспективных твердотельных устройств на основе керамических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью.

В первой главе рассмотрены перспективные конструкции твердотельных СВЧ устройств ЧИС дециметрового и сантиметрового диапазона длин волн, прежде всего монолитных диэлектрических фильтров на основе современных СВЧ керамик. Приведен анализ возможностей численных методов расчета электромагнитных полей к решению задач анализа и синтеза монолитных фильтров, рассмотрены методы создания адаптивных дискретных расчетных моделей.

Во второй главе предложен метод создания адаптивной расчетной модели с помощью аппарата цифровой обработки многомерных сигналов. Рассмотрены вопросы построения адаптивной конечно-разностной или конечно-элементной сетки. Проведено тестирование разработанного метода на примере задач, имеющих аналитическое решение.

В третьей главе рассмотрены возможности повышения эффективности проектирования монолитных фильтров, проанализированы различные этапы проектирования. Предложена методика проектирования монолитных СВЧ фильтров, опирающаяся на применение численных методов расчета электромагнитных полей. Приведено описание разработанного программного обеспечения, реализующего эту методику.

Четвертая глава посвящена экспериментальному подтверждению достоверности и эффективности разработанного метода создания адаптивной расчетной модели и экспериментальной отработке предложенной методики проектирования. Приведен пример проектирования монолитного полосно-пропускающего фильтра с центральной частотой 1750 МГц, рассмотрены результаты экспериментального исследования изготовленных образцов фильтров.

В пятой главе приведено исследование применимости предложенного метода создания адаптивного конечно-элементного разбиения для анализа и синтеза частотно-избирательных систем на основе диэлектрических резонаторов. Приведены примеры расчета спектра собственных частот резонатора, коэффициента связи резонатора с петлевым элементом связи при наличии крепежных и настроечных элементов. Рассмотрена методика проектирования колебательной системы автогенератора миллиметрового диапазона длин волн на основе диэлектрического резонатора. Приведены пример проектирования колебательной системы и полосково-волноводного перехода автогенератора на частоту 37,25 ГГц и результаты экспериментальной отработки образцов генератора.

В заключении рассматриваются результаты проведенных исследований, делается вывод о достоверности и эффективности предложенного метода адаптации расчетной модели и методик численного проектирования монолитных фильтров и колебательных систем на основе диэлектрических резонаторов.

В процессе выполнения работы проведено проектирование ряда типоно-миналов фильтров и генератора по нескольким НИР и НИОКР, разработанные методики, программное обеспечение и синтезированные изделия были внедрены в производство на предприятиях-заказчиках. Во всех случаях применение разработанных методов и методик позволило провести проектирование с минимальным числом экспериментальных итераций, что является подтверждением эффективности предлагаемой реализации принципов численного проектирования СВЧ устройств.

5.5 Выводы по главе.

Проведен комплекс численных расчетов (с применением разработанного метода создания адаптивного конечно-элементного разбиения) и экспериментальных исследований систем, содержащих диэлектрические резонаторы, позволивший подтвердить достоверность расчета собственных частот и добротностей отдельных резонаторов, коэффициента связи между резонаторами, коэффициента связи резонатора с линиями передачи СВЧ сигналов и петлевыми элементами связи. Проведенные исследования позволили выработать требования к параметрам конечно—элементного разбиения.

На основе полученных результатов разработана методика и создано программное обеспечение для численного проектирования колебательной системы автогенератора миллиметрового диапазона длин волн на основе диэлектрического резонатора.

Осуществлено проектирование автогенератора на частоту 37,25 ГГц по заказу ФГУП «КБ «Луч», включая расчет колебательной системы и полосково-волноводного перехода. Экспериментальное исследование полностью подтвердило достоверность методики проектирования и проведенных численных расчетовполучены образцы генераторов, удовлетворяющие предъявляемым требованиям.

Заключение

.

В процессе выполнения работы проведен обзор перспективных направлений развития твердотельных СВЧ устройств частотно-избирательных систем дециметрового-миллиметрового диапазонов, позволивший сделать вывод о преимущественном положении монолитных диэлектрических фильтров как базового элемента ЧИС дециметрового диапазона и ЧИС на основе диэлектрических резонаторов — в коротковолновой части сантиметрового и в миллиметровом диапазоне длин волн. На основе анализа конструктивных особенностей рассматриваемых элементов ЧИС были выявлены требования к численным методам и их реализации, необходимые для обеспечения достоверного и оперативного проектирования монолитных фильтров и ЧИС на основе диэлектрических резонаторов. По совокупности достоинств и недостатков для реализации численного проектирования выбран метод конечных элементов.

В работе рассмотрены различные методы адаптации дискретной расчетной модели и, применительно к задаче анализа и синтеза монолитных фильтров, выбрана ориентация на методы адаптации по геометрии модели.

Предложенный метод создания адаптивного конечно-разностного или конечно-элементного разбиения на основе многомерной цифровой фильтрации позволил существенно упростить задачу построения адаптивной расчетной модели, особенно для задачи проектирования монолитных фильтров. Тестирование метода, проведенное на примере задач, имеющих аналитическое решение, позволило сделать вывод о достаточном качестве создаваемого разбиения и выбрать оптимальные параметры настройки метода.

На основе разработанного метода создания адаптивного конечно-элементного разбиения создана методика проектирования монолитных фильтров. Высокая эффективность методики обеспечивается за счет сведения задачи синтеза многозвенного фильтра к вычислению собственных частот электродинамической системы. Рассмотрены особенности задачи вычисления собственных частот многозвенного фильтра с точки зрения применения метода конечных элементов, в том числе, создания конечно-элементного разбиения. Проведенное исследование позволило подтвердить предположение о целесообразности применения предложенного метода создания адаптивного конечно-элементного разбиения.

Проведена экспериментальная отработка методики проектирования. В соответствии с конкретным техническим заданием (на примере ТЗ на НИР «Типчак-С1») синтезирован трехзвенный монолитный фильтр, для произведенных образцов фильтра проведены экспериментальные измерения характеристик. Полученные экспериментально данные позволили сделать вывод о работоспособности методики проектирования и достоверности численных расчетов. Численное моделирование позволило резко (на порядок) сократить время разработки и настройки фильтра за счет оценки на модели требований к качеству изготовления диэлектрических блоков и нанесения металлизации.

Предложенный метод создания адаптивного конечно—элементного разбиения был протестирован и на расчете собственных частот диэлектрических резонаторов различной формы. Хорошее совпадение расчетных и экспериментальных (в том числе, известных из литературных источников) данных позволило сделать вывод о применимости данного метода к расчету ЧИС на диэлектрических резонаторах сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн.

Применение разработанного метода позволило разработать программное обеспечение для решения задачи проектирования колебательной системы автогенератора. Достоверность и эффективность численного проектирования были подтверждены на примере оперативного синтеза колебательной системы и автогенератора миллиметрового диапазона длин волн в целом (НИР «Милрон»).

Итак, разработанный метод создания адаптивного конечно-элементного разбиения позволил существенно адаптировать метод конечных элементов к задаче анализа и синтеза перспективных СВЧ устройств ЧИС радиоэлектронной аппаратуры. Это позволило разработать и реализовать в виде программного обеспечения эффективные методики проектирования монолитных фильтров и колебательных систем СВЧ генераторов.

С помощью разработанных методик осуществлено проектирование восьми типономиналов монолитных фильтров в рамках НИР «Типчак-С1» по заказу ФГУП «КБ «Луч» и четырех типономиналов монолитных фильтров в рамках НИОКР «Фильтр» в рамках разработки комплекса «Спектр-Р» ОКБ МЭИ, а также осуществлено проектирование генератора на частоту 37,25 ГГц по НИР «Милрон» по заказу ФГУП «КБ «Луч».

Разработанные методики проектирования указанных изделий и конкретные образцы изделий внедрены в производство на предприятих-заказчиках.

Полученные технические решения защищены рядом патентов на изобретения и полезные модели [86, 87, 90]- программное обеспечение, реализующее метод создания адаптивного конечно-разностного или конечно-элементного разбиения зарегистрировано в Государственном реестре программ для ЭВМ [88, 89].

Применение разработанного метода может существенно упростить процесс синтеза и других СВЧ устройств, например микрополосковых фильтров, ЧИС на основе линий с подвешенной подложкой, фильтров на диэлектрических резонаторах.