Разработка входного переключателя микроволновой радиометрической системы.

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)
Кафедра конструирования узлов и деталей РЭА (КУДР)
К ЗАЩИТЕ ДОПУСТИТЬ 
Заведующий кафедрой КУДР, 
канд. техн. наук 
___________ А. Г. Лощилов
«_____» ___________ 2018 г.
РАЗРАБОТКА ВХОДНОГО ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯ МИКРОВОЛНОВОЙ РАДИОМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Бакалаврская работа по направлению 11.03.03
«Конструирование и технология электронных средств»
КУДР.хххххх.001 ПЗ
                                         Выполнил
                                         студент группы 234-2
                                         ___________ ДаниловД.Н.
                                         «___»_____________2018 г.
                               Руководитель практики от предприятия
                               Стар. науч. сотр. СКБ «Смена»,
                               доцент каф. КУДР, канд. техн. наук 
                               __________ А.В. Убайчин
                                         «___»_____________2018 г.

Томск 2018
     РЕФЕРАТ
     Бакалаврская работа хх страниц, хх рисунков, хх таблицы, хх источников, х листов графического материала. 
     СОГЛАСОВАННАЯ НАГРУЗКА, ОПОРНЫЙ ГЕНЕРАТОР ШУМА, РАДИОМЕТР, ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ. 
     Цель работы – разработка макета входного переключателя микроволновой радиометрической системы и исследование его характеристик. 
     В ходе работы был проведен обзор существующих решений аналогов переключателей. Также был определен и подобран оптимальные параметры разрабатываемого входного переключателя микроволновой радиометрической системы. Изготовлены макет переключателя и исследованы его характеристики. Разработан комплект конструкторской документации.
     Пояснительная записка выполнена в текстовом редакторе MicrosoftWord 2015. Графическая часть выполнена в системе автоматизированного проектирования КОМПАС-3D V16. Документ оформлен в соответствии с требованиями ОС ТУСУР 01-2013.


Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
(ТУСУР)

Кафедра конструирования узлов и деталей радиоэлектронной аппаратуры
(КУДР)


УТВЕРЖДАЮ
Заведующий кафедрой КУДР
канд. техн. наук
_______ Лощилов А. Г.
«___» _________2018 г.


ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
ВКР бакалавра: «Разработка входного переключателя микроволновой радиометрической системы».
Исполнитель: студент гр. 234-2 Данилов Даниил Николаевич, оканчивающий университет по направлению 11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств».
Приказ ректора №____ от «__» ________ 2018 г.
Дата сдачи законченной работы на кафедру: «___» __________ 2018 г.
Научный руководитель: старший научный сотрудник СКБ «Смена», канд. техн. наук, доцент, Убайчин Антон Викторович.

СОГЛАСОВАНО
Методист дипломной
работы каф. КУДР
доцент каф. КУДР, канд. техн. наук		__________ А. А. Бомбизов
									«_____»___________ 2018 г.       
Томск 2018

     1 Наименование и область применения
     Наименование работы: «Разработка входного переключателя микроволновой радиометрической системы». 
     Выпускная квалификационная работа КУДР ________ носит характер прикладного научного исследования.
     Предлагаемые исследования предназначены для развития методологических решений в современных микроволновых радиометрических системах.
     
     2 Основание для выполнения
     Задание на выпускную квалификационную работу. Приказ от «___» __________ 2018 г. № ________, ТУСУР, кафедра Конструирования узлов и деталей РЭА (КУДР).
     
     3 Цель работы
     Целью работы является исследование параметров входного переключателя микроволновых радиометрических систем. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
     –	выполнить аналитический обзор существующих решений;
     –	разработать макет входного переключателя радиометрической системы;
     –	провести экспериментальные исследования характеристик переключателя микроволновой радиометрической системы;
     –	осуществить интерпретацию результатов проведенных исследований и сформулировать выводы о проделанной работе.
     4 Научные и научно-технические результаты выполнения НИР
     При выполнении выпускной квалификационной работы должны быть получены следующие научно-технические результаты:
     1)	обзор и анализ научно-технической литературы согласно поставленной теме;
     2)	макет входного переключателя радиометрической системы;
     3)	конструкторская документация на макет переключателя; 
     4)	результаты интерпретации экспериментальных исследований.
     
     5 Основные требования к выполнению НИР
     5.1	Требования к выполняемым работам:
     1)	должен быть проведен аналитический обзор нормативной, методической литературы, затрагивающей научно – техническую проблему, обзор научных информационных источников;
     2)	должен быть собран макет входного переключателя;
     3)	должны быть проведены исследования характеристик.
     5.2	Требования к разрабатываемой документации:
     В ходе работы должны быть разработаны, согласованы и утверждены установленные порядком следующие документы:
     1)	пояснительная записка к ВКР, изложение текста следует выполнять в соответствии с требованиями ГОСТ 7.32–2001 и ОС ТУСУР-2013;
     2)	графический материал, представленный на демонстрационных листах.
    
     6 Требования к патентной чистоте и патентноспособности
     Требований к патентной чистоте и патентоспособности не предъявляются.
     
     
     7 Технико – экономические показатели
     Уточняется в процессе сборки макета входного переключателя.
     


     8 Материалы, предъявляемые по окончании работы
     8.1 Материалы, предъявляемые по окончании работы в пояснительной записке
     8.1.1	Титульный лист
     8.1.2	Реферат
     8.1.3	Техническое задание
     8.1.4	Оглавление
     8.1.5	Введение
     8.1.6	Аналитический обзор существующих решений
     8.1.7	Планирование и проведение эксперимента
     8.1.7.1	Разработка макета входного переключателя радиометрической системы
     8.1.7.2 Разработка методики эксперимента
     8.1.7.3	Экспериментальные исследования характеристик входного переключателя радиометрической системы
     8.1.7.4	Статистическая обработка и оценка полученных экспериментальных данных
     8.1.8	Заключение
     8.1.8	Список использованных источников.
     8.2 Текстовые и графические материалы, прилагаемые к пояснительной записке.
     8.3 Протоколы экспериментальных исследований.
     
     9 Требования к предъявляемым материалам
     Все предъявляемые материалы должны соответствовать требованиям действующих стандартов образовательного стандарта ОС ТУСУР 01-2013, методических указаний по дипломной работе и образовательным стандартам.
     


     10 Предполагаемое использование результатов НИР
     Результаты проведенных работ могут быть использованы в развитии методологических решений в современных микроволновых радиометрических системах.
     
     11 Порядок выполнения и приемки этапов НИР
     11.1	Работы должны выполняться поэтапно в соответствии с требованиями ГОСТ 15.101-98.
     11.2	Сдача и приемка выполненного ВКР осуществляется в порядке, установленном рабочей программой по выполнению ВКР бакалавра направления 11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств».

Заказывающее подразделение 
СКБ «Смена», ТУСУР
начальник СКБ «Смена»,
канд. техн. наук
__________А. Г. Лощилов
«____»__________2018 г.
Руководитель ВКР
стар. науч. сотр. СКБ «Смена», канд. техн. наук, доцент
_________ А. В. Убайчин
«___»_________2018 г.


Исполнитель
студент гр. 234-2
______ Д. Н. Данилов
«___» _________2018г.



Оглавление
Элементы оглавления не найдены.


     Введение
     На сегодняшний день множество задач дистанционных исследований осуществляются при помощи методов микроволновой радиометрии. Инструментом для пассивных дистанционных исследований являются микроволновые радиометры, измеряющие параметры собственного электромагнитного излучения объекта.
     СВЧ переключатели широко используются в системах связи, навигации и радиолокации для переключения диапазонов частот, изменения уровня передаваемоймощности, переключения приемопередающего тракта из режима приема в режим передачи сигналов. Постоянно возрастающие требования к снижению размеров и весаСВЧ устройств, расширения их динамического диапазона, уменьшения потребляемоймощности и стоимости стимулируют поиск новых технологий их создания, позволяющих снизить производственные затраты и, самое главное, значительно улучшить ихтехнические характеристики.
     Принцип дифференциальных измерений позволяет устранить влияние изменений постоянной составляющей собственных шумов радиометра на точность измерений. Для реализации модуляционного метода приема на входе радиометра устанавливается модулятор (переключатель «два входа—один выход»), на вход которого подключается антенна, на другой – опорный генератор шума со стабильной генерируемой мощностью. В известных радиометрах, в зависимости от диапазона измеряемых шумовых температур, в качестве опорных источников шума применяют либо пассивные элементы: охлаждаемую или нагреваемую согласованную нагрузку [1 – 3], либо активные элементы: полупроводниковый генератор на лавинно-пролетных диодах [4] или малошумящие усилители, подключаемые входом ко входу радиометра.


     Общий вид структурной схемы модуляционного радиометра представлен на рисунке 1 [5]. модуляционного радиометра состоит из:
     
     Рисунок 1 – Структурная схема модуляционного радиометра
     1) ПК – СВЧ-переключатель;
     2) УВЧ – усилитель высоких частот;
     3) УУ – устройство управления;
     4) ОГШ – опорный шумовой генератор;
     5) УНЧ – усилитель низких частот;
     6) СД – синхронный детектор;
     7) И – интегратор;
     8) Р – регистратор.
     Для настройки диапазона измерения в блок управления радиометром введен узел калибровки ПК. Данный узел представляет собой переключатель на три положения.
     Дополнительный шумовой сигнал регулируют изменением температуры согласованной нагрузки. Шумовой сигнал, генерируемый согласованной нагрузкой, равен ее физической температуре в единицах шкалы Кельвина. Поэтому, нагревая или охлаждая согласованную нагрузку, можно изменять шумовой сигнал, поступающий на границу антенны с исследуемой средой со стороны входного блока радиометра.
     Устанавливаемый на входе приемника переключатель ухудшает потенциальные технические характеристики. Ослабление сигнала на входе радиометра приводит к увеличению шумовой температуры приемника, что сказывается на ухудшении шумовой чувствительности.
     Уменьшение погрешности в результатах измерений шумовой температуры антенны (повышение точности) достигается за счет стабилизации коэффициента передачи измерительного тракта с использованием автоматической регулировки усиления, термостатирования и введением периодов модуляции с дополнительным опорным источником шумовой температуры, по которому производиться калибровка коэффициента передачи радиометрического приемника.


     1 Аналитический обзор существующих решений
     Для переключения антенны, на опорный генератор шума со стабильной генерируемой мощностью необходимакоммутация сигналов в диапазоне частот 0 – 3 ГГц.
     Для СВЧ-диапазона с повышенной мощностью сигнала переключаемых цепей разработаны специализированные переключателимикрополоскового, коаксиального, волноводного типов с электромеханическими реле (EMR – Electro-MechanicalRelays). Лидер в области производства таких устройств – фирмаDow-KeyMicrowave [2]. Конкурентоспособные модели выпускаюткомпании Mini-Circuits, Peregrine, FiltronicSageLabs, FlannMicrowave, NardaMicrowave. Базу данных по разным типам переключателей СВЧ-сигналов можно найти на сайте ООО "Радиокомп" [3]. 
     1.1Классификация и основные параметры СВЧ-переключателей
     1.1.1 Электромеханические СВЧ-переключатели
     В спецификациях электромеханических переключателей помимо основных параметров приводятся также следующие дополнительные параметры, представленные в таблице 1.1
Таблица 1.1 – Параметры электромеханических переключателейфирмы Dow-KeyMicrowave
Модель
401
5C1
565
412
Диапазон частот, ГГц
0–26
0–18
0–26,5
0–12,4
Потери/изоляция в зависимости от частоты, дБ
2 ГГц
0,15/80
0,2/70
0,2/70
0,2/80

12 ГГц
0,3/60
0,6/60
0,4/60
0,5/60
t, мс
15
15
20
20
Мощность Р1дБ на частоте 1 ГГц, Вт
250
250
400
700
Срок жизни, млн. циклов
1
1
1
1
Диапазон температур, °С
-55 – 85
-55 – 85
-55 – 85
-55 – 85
     
     Большинство электромеханических переключателей переключаются при помощи реле или шагового двигателя ротора, хотя некоторые имеют ручной или комбинированный механизм переключения. Время переключения варьируется от 10 до 100 мс в зависимости от модели, типа СВЧ-линии или размера волновода. Модели с встроенным драйвером сигналов ТТЛ-уровня содержат, как правило, дополнительную цепь для установления соответствия между уровнями логических сигналов на входе и нормальным (при отсутствии сигнала управления) состоянием контактов. В конструкции ряда моделей (например, в SPDTпереключателях серии 521 фирмы Dow-KeyMicrowave) предусмотрено подключение согласующих резисторов взамен размыкаемого контакта, что улучшает согласование. На частоте 12 ГГц максимальный КСВ таких переключателей составляет 1,5; изоляция–60 дБ; потери в замкнутом состоянии – 0,5 дБ.
     Ослабление электромеханического переключателей MSP2T-18 с коаксиальными соединителями в полосе частот 0–18 ГГц при входной мощности до 25 Вт составляет 0,2 дБ в открытом состоянии и не менее 70 дБ в закрытом. Для него гарантируется не менее 10 млн. циклов коммутации с временем срабатывания 10 мс. В таблице 1.2 приведеныПараметры электромеханическогопереключателейкомпании Mini-Circuits.
Таблица 1.2 – Параметры электромеханических переключателейкомпании Mini-Circuits
Модель 
MSP2T-18
Диапазон частот, ГГц
0–18
Потери/изоляция в зависимости от частоты, дБ
2 ГГц
0,15/70

12 ГГц
0,2/65
Мощность Р1дБ на частоте 1 ГГц, Вт
25
Срок жизни, млн. циклов
10
Диапазон температур, °С
-15 – 65

     Выпускаются варианты переключателей отражающего и поглощающего типов. Переключатель ZASW-2-50DR за 5 нс подключает к нагрузке один из двух входных каналов в полосе 100 МГц–5 ГГц с входной мощностью до 20 дБмВт. А переключатель типа ZASWA-2-50DR за столь же малое время подключает входную линию к одному из двух выходных каналов. Благодаря хорошему согласованию по входному и выходному импедансам такие узлы могут включаться каскадно. Модель MSWT-4-20, выполненная на основе четырёх полевых транзисторов, предназначена для коммутации сигнала от выхода передатчика к одной из двух антенн или от этих антенн к входу приёмника при работе в полосе частот 0–2 ГГц. Диапазон рабочих частот быстродействующих переключателей каналов, выполненных на арсенид галлиевых p-i-n-диодах или на полевых транзисторах, составляет 10 МГц–18 ГГц, время коммутации – от 12 мс (для электромеханических переключателей мощного сигнала) до 5 нс (для полупроводниковых переключателей), изоляция отключённого канала – до 100 дБ. [3].
     В таблице 1.3 приведены параметры электрохимического переключателя компании FiltronicSageLabs, модель 401. 
Таблица 1.3 – Параметры электромеханическогопереключателякомпании FiltronicSageLabs
Модель 
401
Диапазон частот, ГГц
0–18
Потери/изоляция в зависимости от частоты, дБ
2 ГГц
0,3/60

12 ГГц
0,5/60
t, мс
Ручной режим
Мощность Р1дБ на частоте 1 ГГц, Вт
200
Срок жизни, млн. циклов
0,1
Диапазон температур, °С
-10 – 65



     В таблице 1.4 приведены параметры электрохимического переключателя компании FlannMicrowave, модель 334-2Eю
Таблица 1.4 – Параметры электромеханическогопереключателя компании FlannMicrowave
Модель 
334-2E
Диапазон частот, ГГц
8,2–140
Потери/изоляция в зависимости от частоты, дБ
2 ГГц
–

12 ГГц
0,2/60
t, мс
20
Срок жизни, млн. циклов
0,1
Диапазон температур, °С
-10 – 60

     В таблице 1.5 приведены основные параметры электромеханического переключателя.
Таблица 1.5 – Параметры электромеханических переключателейкомпании NardaMicrowave
Модель 
N6120
130
Диапазон частот, ГГц
0–26,5
0–26,5
Потери/изоляция в зависимости от частоты, дБ
2 ГГц
0,1/60
0,1/80

12 ГГц
0,2/50
0,2/70
t, мс
15
15
Срок жизни, млн. циклов
1
1
Диапазон температур, °С
-35 – 70
-35 – 70

1.1.2 Полупроводниковые быстродействующие переключатели
     Для переключения шинных сигналов с полосой частот до 500 МГц в цифровой технике передачи данных используются твердотельные ключи, замыкающие линию на общий провод за несколько наносекунд. Сегодня уже выпускаются сотни моделей твердотельных ключей для СВЧ-диапазона, обеспечивающих также и широкополосное согласование импедансов. Так, только фирма PeregrineSemiconductor поставляет более 50 моделей ключей разной конфигурации для частот от 0 до 20 ГГц. В таких переключателях для изменения коэффициента передачи СВЧ-цепи используются переключательные диоды или полевые транзисторы, что обеспечивает высокое быстродействие по цепи управления и исключает чувствительность к внешним механическим воздействиям. На основе простых ключей выпускаются микросхемы переключательных матриц. 
     Монолитные микросхемы переключателей корпорации HittiteMicrowave многократно превосходят переключатели на основе обычных коаксиальных конструкций [4] по массогабаритным показателям и частотному диапазону коммутируемых СВЧ-сигналов. Они не уступают им по коэффициенту передачи во включенном состоянии.Так же в таблице 1.6 представлены параметры быстродействующих полупроводниковых переключателей.
     Таблица 1.6 – Параметры быстродействующих полупроводниковых переключателей компании HittiteMicrowave
Модель 
HMC190MS8
HMC427LP3
HMC484MS8G
Диапазон частот, ГГц
0–3
0–8
0–3
Мощность на 2 ГГц, дБмВт
Р1дБ
30
26
40

РIP3
50
43
70
t, мс
10
4
2
IL/Iso на 2 ГГц, дБ
0,4/27
1,2/42
0,5/30
Управляющие сигналы, В
0/3
0/5
0/5

     В таблице 1.7 приведены основные параметры быстродействующих полупроводниковых переключателей.


Таблица 1.7 – Параметры быстродействующих полупроводниковых переключателей компании Macom
Модель 
SW-393
SW65-0214
Диапазон частот, ГГц
0,5–2
0–3
Мощность на 2 ГГц, дБмВт
Р1дБ
26
53

РIP3
20
35
t, мс
2000
50
IL/Iso на 2 ГГц, дБ
1,6/42
2/32
Управляющие сигналы, В
0/5
0/5
     
     В таблице 1.7 приведены основные параметры быстродействующих полупроводниковых переключателей.
Таблица 8 – Параметры быстродействующих полупроводниковых переключателей компании Cel
Модель 
UPG2027TQ
UPG2163T5N
UPG183GR
Диапазон частот, ГГц
0,1–2,5
2–6
0,95–2,15
Мощность на 2 ГГц, дБмВт
Р1дБ
36
31
0

РIP3
28
35
10
t, мс
1000
50
1500
IL/Iso на 2 ГГц, дБ
0,5/19
0,4/35
7/26
Управляющие сигналы, В
0/3
0/5
0/5



1.1.3 Твердотельные микроэлектромеханические СВЧ-переключателей
     Радиочастотный MEMS-ключ имеет выполненную на кремниевой подложке планарную микрополосковую структуру с гибкой металлической перемычкой, один конец которой постоянно соединён с входной линией, а другой может перемещаться под действием статического электрического заряда и замыкаться на выходную линию. В некоторых MEMS-ключах для перемещения перемычки используется статическое магнитное поле. В замкнутом состоянии переходное сопротивление контактов составляет доли ома, благодаря чему потери IL в линии на рабочей частоте до 6 ГГц не превышают сотых долей децибела. В разомкнутом состоянии в линии передачи, ёмкость которой составляет десятые доли фемтофарады, возникает разрыв, в результате чего развязка (изоляция Iso)на той же рабочей частоте равна 60 дБ.
     В Таблице 1.9 рассмотреныосновныепараметры представленных на рынке MEMS-ключей.
Таблица 1.9 – Параметры микромеханических MEMS-переключателейкомпании Wispry
Модель 
WSS0112H
WSS0112H
Диапазон частот, ГГц
0–6
0–6
IL/Iso на 1 ГГц, дБ
0,2/45
0,2/50
RL на частоте 1 ГГц, дБ
-20
-20
tвкл/tвыкл, мкс
10/50
10/50
Управляющие сигналы, В
30
30
Ресурс, млн. циклов
103
103

     В таблице 1.10 приведены основные параметры микромеханических переключателей.


Таблица 10 – Параметры микромеханических MEMS-переключателейкомпании RadantMEMS
Модель 
RMSW200
RMSW100
RMSW220D
Диапазон частот, ГГц
0–40
0–12
0–12
IL/Iso на 1 ГГц, дБ
0,2/45
0,1/30
0,3/32
RL на частоте 1 ГГц, дБ
-20
-35
-20
tвкл/tвыкл, мкс
3/5
3/5
3/5
Управляющие сигналы, В
±40
±40
100
Ресурс, млн. циклов
104
104
104
     
     1.2 Выводы анализа обзора существующих решений
     В заключение следует отметить, что в зависимости от условий эксплуатациив каждой классификации переключателей и компаний,которые их разрабатывают есть свои преимущества.
     Электромеханические переключатели выделяются более широким диапазоном частот (до 18 ГГц).
     MEMS-переключатели как видно из анализа имеют большое колличество циклов (до 1010).Важнейшее достоинство MEMS-ключей – возможность их интегрирования с активными КМОП, биполярными, SiGe-, GaAs-элементами и полевыми транзисторами. 
     Полупроводниковые переключатели в свою очередь отличаются высоким быстродействием, малыми вносимыми потерями инизкиммассогабаритнымпоказателем.Ослабление в выключенном состоянии у них все же меньше, чем у обычных переключателей на полевых транзисторах и p-i-n-диодах. Это обусловлено ограниченными возможностями качественного экранирования цепей и отдельных их компонентов в монолитных микросхемах и влиянием паразитных емкостей их структур, расположенных очень близко друг от друга. Тем не менее перспективность монолитных микросхем переключателей СВЧ-сигналов очевидна.
2


.......................