Розвиток теорії та аналітичних методів підвищення ефективності проектування лінійних пасивних пристроїв для інтегрованих схем надвисокочастотного діапазону - Оборжицький, Валерій Іванович (Національний університет "Львівська політехніка", 2016)
Дисертація присвячена питанням розвитку теорії високочастотних кіл та багатополюсників і розробці на її основі ефективних методів проектування в одномодовому наближенні смужкових лінійних взаємних пасивних пристроїв розподілу потужності та керування фазою сигналів. Одержано нові аналітичні залежності між хвильовими параметрами симетричного багатополюсника, а також ідеально спрямованого симетричного восьмиполюсника з вхідними імпедансами їх парціальних складових синфазно-протифазного збудження, та зв’язки вхідних імпедансів парціальних двополюсників синфазно-протифазного збудження симетричного чотириполюсника з його комплексними вхідним опором та опором навантаження. З використанням цих залежностей отримано співвідношення для розрахунку трансформаторів імпедансу, пристроїв фазової та групової затримки сигналу, нових схем режекторних фільтрів з фіксованою та регульованою частотою режекції, балансних рівноплечих подільників, спрямованих відгалужувачів з повною симетрією для різних типів спрямованості і кросовера (безконтактного перетину ліній) на базі відрізків зв’язаних ліній, а також методи розрахунку дво- та тришлейфних відгалужувачів з компенсацією впливу неоднорідностей. Сформульовано умови реалізації прохідних дискретних фазообертачів з симетричною структурою і запропоновано схеми та методи розрахунку таких пристроїв петльового типу на відрізку зв’язаних ліній, а також метод розрахунку шлейфних фазообертачів з компенсацією впливу неоднорідностей, метод вирівнювання нахилу фазочастотних характеристик каналів фазообертача на комутованих каналах. Для багатоканальних променевих перемикачів отримано вирази для оцінки можливих і граничних значень їх робочих параметрів та розроблено методи розрахунку схем з різними варіантами узгодження. Розвинуто підходи та записано умови забезпечення двочастотного режиму роботи пристроїв, на основі яких розроблено методи розрахунку трансформаторів імпедансу, модифікацій рівноплечих подільників та спрямованих відгалужувачів на відрізках зв’язаних ліній з різним типом спрямованості, нерівноплечого подільника та шлейфних відгалужувачів з довільним у різних смугах розподілом потужності, багатоканальних променевих перемикачів, режекторних та смуго-пропускних фільтрів з двома робочими смугами частот та з перестроюванням смуги. Диссертация посвящена вопросам развития теории высокочастотных цепей и многополюсников с разработкой на их основе эффективных методов проектирования в одномодовом приближении линейных взаимных пассивных устройств распределения мощности и управления фазой сигналов с усовершенствованными и новыми схемными решениями для использования в интегральных схемах сверхвысокочастотного диапазона. В результате исследований получены новые аналитические зависимости между волновыми параметрами симметричного взаимного линейного многополюсника, а также идеально направленного симметричного восьмиполюсника и входными импедансами их парциальных составляющих синфазно-противофазного возбуждения. В терминах входных импедансов сформулированы условия идеального согласования и развязки плеч многополюсника и обеспечения заданного распределения мощности направленным восьмиполюсником, условия реализации четырехполюсников с заданной фазовой, групповой задержкой и с режекцией сигнала на заданной частоте. Получены выражения, устанавливающие связь между входными импедансами парциальных двухполюсников синфазно-противофазного возбуждения симметричного четырехполюсника и его комплексным входным сопротивлением и комплексным сопротивлением нагрузки. С использованием указанных связей записаны новые аналитические соотношения для расчета электрических параметров элементов схем трансформаторов импеданса, устройств фазовой и групповой задержки сигнала на базе отрезка связанных линий передачи с односторонней, двухсторонней и диагонально-симметричной нагрузкой. При этом использованы методы компенсации влияния разницы фазовых скоростей четной и нечетной мод с помощью дискретных реактивных элементов и реактивных шлейфов при разном их расположении, а также с помощью отрезков линий на входах и между парой концов связанных линий. Предложены новые схемы и методы расчета режекторных фильтров на отрезке связанных линий и двухканального типа с фиксированной и регулируемой частотой режекции. Разработаны методы расчета балансных равноплечих делителей мощности на отрезках одиночных и связанных линий с учетом набега фазы в балансном резисторе, в том числе с реактивной составляющей и с отрезками присоединяющих его линий, с дополнительными реактивными элементами, вводимыми для достижения желаемых характеристик. Записаны аналитические соотношения для расчета направленных ответвителей с разным типом направленности и кроссовера (бесконтактного пересечения линий) на базе отрезков связанных линий с компенсацией влияния разницы фазовых скоростей мод. Записаны выражения для расчета двухшлейфных и трехшлейфных ответвителей с возможностью выбора фазовой задержки сигнала и с компенсацией влияния неоднородностей разветвлений. В результате развития теории сверхвысокочастотных устройств с дискретным изменением состояния получены выражения для определения возможных и граничных значений рабочих параметров лучевых переключателей. Записаны аналитические соотношения для расчета переключателей с разными вариантами размещения трансформирующих четырехполюсников. Сформулированы условия реализации дискретных проходных фазовращателей с симметричной структурой, предложены схемы таких устройств петлевого типа на отрезке связанных линий и методы их расчета, а также метод расчета шлейфных фазовращателей с компенсацией влияния неоднородностей. Для дискретного фазовращателя на переключаемых каналах предложен метод выравнивания наклонов фазочастотных характеристик каналов. Записаны условия и указаны подходы, позволяющие обеспечить двухчастотний режим функционирования полосковых устройств, на основе чего разработаны методы расчета: трансформаторов импеданса ступенчатого типа и на отрезке связанных линий для трансформации комплексного сопротивления и с возможностью развязки по постоянному току; многоканальных лучевых переключателей; неравноплечего делителя с разным в разных частотных полосах распределением мощности сигнала; ряда модификаций равноплечих делителей мощности и направленных ответвителей с разным типом направленности на базе отрезков связанных линий; шлейфных направленных ответвителей с разным в полосах частот распределением мощности, с одинаковыми, или противоположными знаками разницы фаз сигналов на выходах в пределах полос и с допустимыми для реализации значениями параметров отрезков линий и реактивных сопротивлений; режекторных фильтров двухканального типа и полосно-пропускающих фильтров на параллельно связанных полосковых резонаторах с двумя полосами частот и с перестройкой полосы. The Thesis is devoted to questions of development of the theory of high-frequency networks and multiports with development on their basis of the single-mode approach effective methods design of linear mutual passive devices of power distribution and control of a phase of signals with advanced circuits and new decisions for use in integrated schemes of microwave range. As a result of researches the new analytical dependences between the scattering parameters of the symmetric mutual linear multiports and ideally directed symmetrical four-port networks with the input impedances of their partial components of even-mode and odd-mode excitations are received. The dependences between input impedances of partial two-pole networks of even-mode and odd-mode excitations of the symmetric two-port network with its input reactance and loading reactance are received as well. With the use of the specified relations the new analytical expressions for calculation of electrical parameters of circuits’ elements of impedance transformers, of phase shifters and group delay devices on the basis of the coupled transmission lines segments are written down. New schemes and methods for calculation of the rejection filters, equal power dividers on the segments of single and coupled lines, the bisymmetrical directional couplers with various types of direction and the crossovers on the basis of coupled-line segments, the two-branch-line and three-branch-line couplers with compensation of discontinuities effect are offered. The expressions what allows to define the possible and boundary values of working parameters of SPMT switches are received and analytical expressions for calculation of such devices with different options of matching are written down. For the discrete phase shifters with symmetric structure the conditions of their realization are formulated, schemes and methods of calculation of such loop coupled-line phase shifters are offered. With the use of the written-down conditions for changes of input impedances at which the microwave devices will work as the dual-band devices, the design methods are developed for impedance transformers, for unequal power dividers with different distribution of power in bands, for equal coupled-line power dividers, for coupled-line directional couplers with different type of direction, for two-branch couplers with arbitrary coupling coefficients and with identical or opposite signs of phase differences within two frequency bands, for SPMT switches, for rejection filters and band-pass filters with two working frequency bands and with reorganization of band.
Развитие теории и аналитических методов повышения эффективности проектирования линейных пассивных устройств для интегральных схем сверхвысокочастотного диапазона
Development of the theory and analytical methods of the efficiency increase of linear passive devices design for the integrated circuits of microwave range
Keywords: надвисокочастотні пристрої; смужкові пристрої; симетричний багатополюсник; вхідні імпеданси; двочастотні пристрої; трансформатор імпедансу; спрямований відгалужувач; подільник; фазообертач; перемикач; режекторний фільтр; сверхвысокочастотные устройства; полосковые устройства; симметричный многополюсник; входной импеданс; двухчастотные устройства; трансформатор импеданса; направленный ответвитель; делитель; фазовращатель; переключатель; режекторный фильтр; microwave devices; stripline devices; symmetric multiport; input impedance; dual-band devices; impedance transformer; directional coupler; power divider; phase shifter; SPMT switch; rejection filter