Статья: Метод параметрического синтеза радиотехнических устройств и систем

Метод параметрического синтеза радиотехнических устройств и систем

А.А. Головков

В.А. Головков

Аннотация

Обоснована актуальность темы и представлено краткое содержание написанной авторами монографии. Приведено краткое описание развитого в монографии метода параметрического синтеза радиотехнических устройств и систем (усилителей и генераторов, модуляторов и демодуляторов, согласующих и фильтрующих устройств, сумматоров и делителей мощности, управляемых слоистых неоднородных структур) на элементах с сосредоточенными и распределёнными параметрами. Сформулированы основные результаты.

Ключевые слова: параметрический синтез радиотехнических устройств и систем, заданные формы основных характеристик

METHOD OF PARAMETRICAL SYNTHESIS RADIO ENGINEERING DEVICES AND SYSTEMS

A.A. Golovkov1, V.A. Golovkov.

1Federal state military educational institution of higher professional education "Military educational scientific center Military аir force " Military air force Academy named after Professor N. E. Zhukovsky and Y. A. Gagarin" (Voronezh), the Ministry of defence of the Russian Federation (MESC MAF "AFA") Voronezh, Russia

Abstract. The urgency of a theme is proved and the summary of the monography written by authors is presented. The short description of the method of parametrical synthesis of radio engineering devices developed in the monography and systems (amplifiers and generators, modulators and demodulators, matching by and filtering devices, adders and dividers of the capacity, operated layered non-uniform structures) on elements with the concentrated and distributed parametres is resulted. The basic results are formulated.

Keywords: parametrical synthesis of radio engineering devices and the systems, the set forms of the basic characteristics.

Введение

Настоящее и будущее человечества наиболее полно можно охарактеризовать необходимостью проведения глобальной оптимизации параметров (средств и ресурсов) по критерию обеспечения заданных показателей, характеристик и целей во всех сферах его деятельности (планирование и организация семьи, производства, социальных, товарно-денежных, производственно-экономических и межгосударственных отношений, управление самолётами, проектирование зданий, сельскохозяйственных, военных и других машин, станков, роботов и т.д. и т.п.). Всё это можно отнести к задачам оптимального управления. Несмотря на глубокие различия между сферами деятельности человека, можно показать, что существуют общие закономерности, которые удаётся выявить путём тщательного рассмотрения хотя бы одной из них.

Монография [1] посвящена систематизированному изложению метода параметрического синтеза радиотехнических устройств и систем, ранее фрагментарно развиваемого авторами только в периодических изданиях и изобретениях. Список используемой литературы составляет 443 наименования, из которых 350 трудов написаны авторами или с основным участием авторов книги. Среди этих работ_189 изобретений, 147 статей в центральных изданиях, 14 трудов в других изданиях.

Анализ известной литературы показывает, что возможности улучшения характеристик радиоустройств любого диапазона частот с помощью только схемных решений (без оптимизации значений параметров схемы) в настоящее время практически исчерпаны. Оптимизация значений параметров по выбранному критерию может быть проведена различными численными и аналитическими методами. Достоинство численных методов состоит в их универсальности, определяемой практической независимостью от критерия синтеза, а недостаток характеризуется потерей физической наглядности в понимании процессов формирования и преобразования сигналов в радиотехнических цепях, а также невозможностью оценки роли отдельных параметров, узлов и блоков цепи в обеспечении выбранного критерия. Достоинство аналитических методов состоит в сохранении понимания этой роли в обеспечении процессов формирования и преобразования сигналов в радиотехнических цепях, а недостаток связан с тем, что определение оптимальных значений параметров схемы с помощью специальных математических выражений возможно только по критерию совпадения заданных и реализуемых характеристик на конечном количестве значений выбранного аргумента. При использовании любого метода оптимизации параметров требуется знание математических моделей нелинейных элементов. В настоящее время многие фирмы - производители нелинейных элементов (диодов, транзисторов, интегральных схем) указывают в технических паспортах своей продукции зависимости элементов матриц различных параметров (для двухполюсных нелинейных элементов - сопротивления или проводимости, для многополюсных нелинейных элементов - матриц рассеяния, передачи и т.д.) от внешнего воздействия (температуры, влажности, частоты, амплитуды высокочастотных и низкочастотных сигналов и т.д.), то есть, по существу, рассматривают нелинейные элементы как четырёхполюсники. Это стало возможным благодаря появлению и широкому распространению коаксиальных и волноводных измерителей полных сопротивлений. Знание таких (полных, общих или универсальных) характеристик освобождает проектировщика от необходимости самостоятельной разработки математических моделей нелинейных элементов, учитывающих их внутренние параметры в виде межэлектродных ёмкостей, индуктивностей выводов, сопротивлений потерь и т. д. Такие модели всегда носят приближённый характер и поэтому их использование для расчёта схем с заданными характеристиками ограничено некоторым узким кругом решаемых задач. Можно с уверенностью утверждать, что учёт полных характеристик нелинейных элементов как четырёхполюсников при разработке радиотехнических цепей неизбежно приведёт к повышению точности решения задач параметрического синтеза радиоустройств по различным критериям, например, по критерию увеличения полосы рабочих частот или избирательности, формированию заданных квазилинейных участков модуляционных и демодуляционных характеристик в интересах уменьшения частотных и нелинейных искажений, обеспечения стационарного режима генерации в пределах увеличенного участка зависимости частоты генерируемых колебаний от изменения параметров управляемых элементов в интересах формирования заданной частотной или временной формы сигнала и т.д.. В общем случае выбор критерия синтеза осуществляется в зависимости от выполняемых устройством функций преобразования входного сигнала, генерирования колебаний или формирования радиосигналов.

Основные положения метода параметрического синтеза радиотехнических устройств и систем

В монографии предлагается метод параметрического синтеза радиотехнических цепей и систем, базирующийся на совместном использовании численных методов и усовершенствованного (развитого) авторами аналитического алгоритма синтеза "двухимпедансных" управляющих устройств СВЧ, предложенного S. Kavakami, путём решения ряда задач параметрического синтеза типовых структурных схем радиотехнических устройств и систем. Суть разработанного им алгоритма состоит в использовании в качестве исходных данных значений сопротивлений (или проводимостей) двухполюсного нелинейного элемента в двух состояниях, определяемых двумя уровнями амплитуды управляющего сигнала, на фиксированной частоте, определении комплексного коэффициента отражения устройства СВЧ, состоящего из согласующего реактивного четырёхполюсника, нагруженного на двухполюсный нелинейный элемент, формировании системы уравнений, удовлетворяющих предъявляемым требованиям к коэффициенту отражения, решении полученной системы уравнений относительно элементов классической матрицы передачи четырёхполюсника, использовании полученного решения для отыскания значений параметров определённой части двухполюсников выбранной типовой схемы четырёхполюсника.

Объектами параметрического синтеза в книге [1] являются согласующие устройства различных радиотехнических устройств (модуляторов и демодуляторов, усилителей и генераторов, фильтров и т.д.) с учётом выбора необходимого для конкретного устройства критерия, полных характеристик двухполюсных или трёхполюсных нелинейных элементов, комплексных сопротивлений источника сигнала и нагрузки. При этом предполагается, что исчерпывающей характеристикой двухполюсного нелинейного элемента является зависимость его комплексного сопротивления или проводимости от выбранного аргумента. Исчерпывающими характеристиками многополюсных нелинейных элементов (транзисторов или интегральных схем) являются зависимости элементов их матриц параметров (сопротивлений или проводимостей, смешанных матрицили , передачи или рассеяния) от выбранного аргумента. В качестве аргумента могут быть использованы следующие физические величины: частота, модулируемый параметр, амплитуда низкочастотного управляющего электрического сигнала, механическое давление, температура, напряжённость внешнего магнитного поля и т. д. В качестве управляемых элементов используются варикапы, пьезоэлектрические элементы, термочувствительные элементы, магниточувствительные элементы и прочие двухполюсные и многополюсные нелинейные элементы, параметры и характеристики которых изменяются при соответствующем низкочастотном внешнем воздействии. В общем случае тип управляемого элемента выбирается в зависимости от назначения радиотехнического устройства, а внешнее воздействие на управляемый элемент называется низкочастотным управляющим сигналом. Поэтому в частном случае радиотехнические устройства выполняют роль датчиков, обеспечивающих измерение электрических и неэлектрических величин электрическими способами.

Согласующие устройства (СУ), характеризуемые четырёхполюсниками, могут быть выполнены на различных пассивных радиоэлементах (резистивных, реактивных или комплексных) с сосредоточенными параметрами или на электродинамических элементах (диэлектрических слоях, отрезках линий передачи (коаксиальных, полосковых и волноводных), решётках, диафрагмах, перфорированных экранах, штырях и т.д.) с распределёнными параметрами. Значения параметров первой группы элементов реализуются параметрами типа R,L,C (резисторов, индуктивностей, ёмкостей), а второй группы- неуправляемыми слоями с малыми потерями (толщинами слоёв, длиной линии передачи и геометрическими размерами решёток, диафрагм, экранов и штырей), из которых возможно формирование различных электродинамических систем, например, управляемых слоистых неоднородных сред (СНС), в литературе называемые иногда управляемыми слоистыми покрытиями, управляемыми плоскослоистыми средами и т.д. Управляемые слои выполнены в виде двумерно-периодических решёток проводящих элементов, в разрывы которых включены управляемые нелинейные элементы. Управляемые СНС могут быть использованы в линии передачи (волноводной, микрополосковой и т.д.) и в свободном пространстве. Показано, что изменение базиса согласующих по заданному критерию четырёхполюсников изменяет область физической реализуемости выбранного критерия в пространстве исходных данных (полоса, частот, тип нелинейного элемента, комплексные сопротивления нагрузки и источника сигнала, величина и крутизна квазилинейного участка модуляционной, демодуляционной характеристик и т. д.). В книге синтезированы типовые схемы четырёхполюсников - Г-образное звено, обратное Г-образное звено, Т-образное звено, П-образное звено, перекрытое Т-образное звено, СУ из двух Г-образных звеньев, СУ из двух обратных Г-образных звеньев, СУ из Г-образного и П-образного звеньев. Двухполюсники реактивных четырёхполюсников построены только на базисе, двухполюсники резистивных четырёхполюсников - только на базисе, а все двухполюсники комплексных четырёхполюсников - на базисе . Радиоустройства, построенные на элементах с сосредоточенными параметрами, предназначаются для работы в диапазоне частот до верхней границы, лежащей примерно в районе 800-1000 МГц, а радиоустройства на элементах с распределёнными параметрами - в диапазоне частот, расположенном выше этой границы. Синтезированы также десятки структур СНС, отличающиеся количеством управляемых и неуправляемых слоёв и их расположением относительно друг друга. Указанная граница является условной. В книге большое внимание уделено управляемым СНС, выполняемым на основе элементов второй группы. С помощью этих сред возможна реализация способа радиосвязи без собственного источника несущего сигнала путём использования в качестве такового отражённого сигнала стороннего источника (радиолокационной станции или телевизионного передатчика). Этот способ является радиотехническим аналогом известного способа получения информации человеком об окружающем мире в отражённом и преобразованном естественном (солнечном, лунном) или искусственном свете. В общем случае, исследуемые в данной работе устройства и системы, могут быть использованы в любых смежных областях радиоэлектроники, например, в областях радиосвязи, радионавигации, радиолокации и радиоэлектронной борьбы. Например, они эффективны при создании помех каналам обнаружения и сопровождения цели по скорости, угловым координатам и дальности, а также при определении навигационных показателей движущегося объекта.

Основным результатом излагаемого подхода к синтезу радиотехнических цепей и систем является реализация возможности формирования практически любого заданного отклика радиотехнической системы при любом известном воздействии с учётом областей физической реализуемости. В частности, возможно формирование отклика, полностью соответствующего воздействию в определённой полосе частот. Последнее не означает, что искажения сигнала при его прохождении по радиотехнической цепи исчезают. Они остаются, но благодаря указанному выбору параметров цепи, в одну из её частей, называемой согласующим четырёхполюсником, вносятся такие дополнительные искажения, которые компенсируют искажения сигнала в остальной части цепи. Области физической реализуемости определены в книге как области изменения параметров участков цепи без согласующего устройства, в пределах которых обеспечиваются выбранные критерии. Границы этих областей представляют собой годографы на диаграмме Смита, которые подобны годографам, полученным им для согласующих два сопротивления устройств по критерию обеспечения минимума отражённого сигнала.

Замечательным свойством предлагаемого метода параметрического синтеза является то, что предельно достижимые показатели (полоса частот, девиация частоты, девиация фазы, глубина амплитудной модуляции, величина квазилинейного участка модуляционной и демодуляционной характеристик и т.д.) радиотехнических устройств с одним каскадом типа "источник сигнала с сопротивлением -СУ-нелинейная часть (НЧ)- нагрузка с сопротивлением" (рисунки 1, 3а, б) или "источник сигнала -НЧ - СУ-нагрузка" (рисунки 2, 3в, г) определяются так называемыми качествами отдельных участков цепи. Нелинейная часть состоит из цепи прямой передачи (ЦПП) и цепи обратной связи (ЦОС). Понятия качества, используемые в книге, - это мера различия входного комплексного сопротивления в двух состояниях части устройства, расположенной справа от согласующего по выбранному критерию четырёхполюсника, и мера различия выходного сопротивления в двух состояниях части устройства, расположенной слева от согласующего четырёхполюсника. Распространение понятия качества на радиотехнические устройства и системы означает, что рассматриваемые в монографии объекты синтеза можно назвать "двухимпедансными" по аналогии с уже устоявшимся названием "двухимпедансных" управляющих устройств СВЧ.