Статья: Метод параметрического синтеза радиотехнических устройств и систем

На рисунках 1,2 НЧ состоит из цепи прямой передачи (ЦПП) и цепи обратной связи (ЦОС), а на рисунке 3_из двухполюсного нелинейного элемента. Состояния определяются заданными значениями аргумента или нескольких аргументов. Следствием этого свойства является создание обширного справочного материала по оценке предельно достижимых характеристик различных радиотехнических устройств, отличающихся друг от друга не только назначением, но и структурными и принципиальными схемами. При проектировании радиоустройств с учётом этого материала целесообразно использовать пакеты математических программ типа "MathCad". В книге показано, что дальнейшее улучшение этих показателей возможно двумя путями. Первый основан на совместном использовании предлагаемого метода параметрического синтеза указанных одиночных каскадов для аналитического определения параметров части двухполюсников типовых схем согласующих четырёхполюсников и известных численных методов для варьирования параметров остальной части двухполюсников в интересах увеличения рабочей полосы частот. При этом время оптимизации параметров уменьшается в десятки и сотни раз, поскольку на каждом шаге оптимизации, включая первый, на конечном числе частот обеспечиваются заданные значения модулей и фаз передаточной функции в заданных состояниях нелинейного элемента.

Улучшение всех показателей обеспечивается с помощью реализации второго пути, состоящего в увеличения числа каскадов типа "СУ - НЧ" или "НЧ - СУ", параллельно или каскадно-соединённых между собой и включённых между источником сигнала и нагрузкой. При параллельном соединении каскадов их передаточные функции складываются, а при каскадном соединении - перемножаются. В результате получаются многокаскадные схемы, каждый каскад которых содержит согласующий четырёхполюсник, оптимальный по критерию обеспечения заданных характеристик в прилегающих друг к другу диапазонах изменения выбранного аргумента. После подсоединения каскадов к источнику сигнала и нагрузке требуется некоторая корректировка (экспериментальная или с помощью численных методов) параметров, которая обычно не вызывает трудностей. Второй подход к улучшению всех характеристик в области высоких частот подобен использованию системы связанных колебательных контуров для увеличения полосы частот в области низких частот. Примерами систем алгебраических уравнений, исходных для синтеза радиотехнических устройств и систем, могут быть определённые требования к системным операторам: радиотехнический синтез параметрический

; ; (1)

; ;;,

где

, -

заданные зависимости отношения модулей и разности фаз передаточной функции или коэффициента отражения выбранного устройства в двух состояниях, определяемых двумя уровнями амплитуды низкочастотного управляющего сигнала, от частоты; _ заданные зависимости модулей и фаз передаточной функции или коэффициента отражения от частоты в заданном количестве состояний; , _знаменатели передаточных функций и коэффициентов отражения в заданном количестве состояний (аргументы опущены).

Первые две пары уравнений -это модели амплитудно-фазовых модуляторов и манипуляторов, амплитудных, фазовых и частотных демодуляторов (в зависимости от физического характера выбранного аргумента) проходного и отражательного типов. Третья пара уравнений (характеристических) соответствует всем известным критериям устойчивости (Ляпунова, Найквиста, Гурвица, балансу амплитуд и фаз, иммитансному критерию и т.д.) и характеризует частотные модуляторы и манипуляторы, одночастотные и многочастотные автогенераторы. Схемы автогенераторов соответствуют схемам, показанным на рисунках 1-3, у которых источник сигнала заменён короткозамыкающей перемычкой при сохранении сопротивления источника сигнала. В режиме усиления и генерации в схемах рисунка 3 используются активные двухполюсные нелинейные элементы (диоды Ганна, лавинно-пролётные диоды, туннельные диоды и т.д.). Существуют и другие уравнения, например, уравнения, соответствующие предъявляемым требованиям к входным и (или) выходным сопротивлениям в выбранных сечениях радиотехнической цепи. Задача синтеза состоит в определении минимального количества элементов СУ и значений их параметров, при которых обеспечивается (1) в заданной полосе частот или в определении количества элементов СУ и значений их параметров, при которых обеспечивается (1) в максимальной или минимальной полосе частот. Это означает, что понятие согласование используется в более широком смысле (1). В частном случае имеем согласование по критерию обеспечения минимума отражённого сигнала.

Таким образом, развиваемый авторами метод синтеза позволяет полностью использовать реально существующие возможности радиоустройств по обеспечению формирования и преобразования радиосигналов. Возможность формирования любого заданного отклика при любом известном воздействии в пределах областей физической реализуемости носит фундаментальный характер и относится к любым системам, математические модели которых могут быть представлены с помощью некоторых системных операторов, однозначно связывающих воздействие и отклик (причину и следствие, входной и выходной сигналы, инвестиции и прибыль и т. д.). При установлении системных операторов и требований к ним типа (1) путём решения соответствующей системы уравнений всегда можно определить значения параметров системы, оптимальные по критерию обеспечения заданного отклика в одном или нескольких состояниях. Например, в книге показано, что это явление имеет место в антенных системах, к которым можно также отнести упоминаемые выше управляемые СНС. Можно показать также, что аналогичные процессы возможны в упругих средах. Более того, при определённых условиях такая возможность существует в промышленности, в военной стратегии и тактике, экономических, финансовых, политических и других социально-гуманитарных и технических системах. В частности, это означает, что никакие рыночные или плановые производственно-экономические отношения принципиально не могут дать необходимый результат, состоящий в повышении уровня жизни народа, без заранее определённых оптимальных, контролируемых и корректируемых по этому критерию параметров рынка или плана, а также условий их физической реализуемости. Однако алгоритмы определения таких условий и выбора соответствующих значений параметров этих систем выходят за рамки содержания данной книги.

1. Основные результаты параметрического синтеза радиотехнических устройств и систем

В монографии получены результаты, которые в кратком виде можно сформулировать следующим образом:

- сформирована совокупность исходных систем алгебраических уравнений, удовлетворяющих предъявляемым требованиям к системным операторам (передаточным функциям, коэффициентам отражения, входным и выходным сопротивлениям в заданном сечении) радиотехнических устройств и систем, отличающихся функциональным назначением и структурными схемами с использованием различных видов цепей обратной связи и вариантов включения управляемой и неуправляемых частей относительно друг друга;

- показано, что задачи параметрического синтеза радиотехнических устройств и систем по критерию обеспечения заданных характеристик можно свести к задачам обеспечения специально определённых входных и (или) выходных сопротивлений (проводимостей) в выбранном сечении радиотехнической цепи, которые являются более простыми;

- решения исходных систем алгебраических уравнений получены в виде новых взаимосвязей между элементами матриц одних и тех же параметров реактивных, резистивных и комплексных СУ, оптимальных по критериям типа (1), а также по иммитансному критерию устойчивости и по критериям обеспечения специально определённых входных и выходных сопротивлений;

- на основе этих взаимосвязей составлены уравнения, решения которых получены в виде зависимостей сопротивлений двухполюсников реактивных, резистивных и комплексных типовых схем четырёхполюсников и параметров неуправляемых частей СНС от частоты; оптимальных по указанным критериям (количество этих решений равно числу сочетаний по два из общего числа двухполюсников каждой типовой схемы СУ);

- на основе метода интерполяции и зависимостей, полученных на предыдущем этапе синтеза, определены выражения для отыскания значений сосредоточенных параметров квазиоптимальных двухполюсников и распределённых параметров неуправляемых частей СНС, оптимальных по указанным критериями в ограниченной полосе частот;

- на основе полученных теоретических результатов предложены и обоснованы схемотехнические решения в виде кольцевых схем из параллельно соединённых шести каскадов типа "управляемая часть? неуправляемая часть" или "неуправляемая часть ? управляемая часть" в интересах обеспечения предельно достижимых рабочей полосы частот и квазилинейных участков модуляционных, демодуляционных и других характеристик радиотехнических устройств;

- сформированы и решены обобщённые характеристические уравнения автогенераторов, структурные схемы которых учитывают комплексный характер входного сопротивления последующего каскада, выходного сопротивления предыдущего каскада и параметров нелинейной части (НЧ), варианты включения реактивного, резистивного или комплексного СУ перед НЧ, после НЧ или в цепь обратной связи;

- предложены способы радиосвязи и создания помех радиолокационным системам управления оружием, основанным на использовании управляемых СНС отражательного, смешанного и проходного типов;

- получены выражения, однозначно связывающие предельно достижимые значения модулей (отношение модулей) и фаз (разность фаз) системных операторов и качеств управляемых и неуправляемых частей радиоустройств и систем как мер различия их входных или выходных сопротивлений в двух состояниях;

- проведены математическое и схемотехническое моделирования макетов модуляторов, демодуляторов, усилителей и автогенераторов, синтезированных с использованием разработанных математических моделей, которые показали удовлетворительное совпадение теоретических и экспериментальных результатов ? параметров и характеристик.

Заключение

Полученные результаты расширяют возможности проектировщиков радиотехнических устройств и систем различного назначения (радиосвязи, радиолокации, радионавигации, радиоэлектронной борьбы и т.д.) в направлении повышения их эффективности. С достаточно высокой долей уверенности можно предположить, что разработанный в монографии метод параметрического синтеза радиотехнических устройств и систем может быть использован при решении многих задач оптимального управления в интересах оптимизации параметров систем и процессов других сфер человеческой деятельности. Это возможно при соответствующей интерпретации физических смыслов основных понятий этого метода - параметров, характеристик, аргументов, состояний, качеств управляемых и неуправляемых частей, системных операторов, входных и выходных сопротивлений, согласования, откликов и воздействий в процессах и системах выбранной области исследований.

Материал книги может быть использован при расширенном изучении соответствующих разделов дисциплин "Основы теории цепей", "Радиотехнические цепи и сигналы", "Устройства генерирования и формирования сигналов", "Устройства приёма и обработки сигналов", "Устройства СВЧ и антенны", "Моделирование систем и процессов".

Дальнейшее развитие данного направления связано с разработкой алгоритмов параметрического синтеза различных радиотехнических устройств и систем с использованием согласующих смешанных четырёхполюсников, одна часть двухполюсников которых выполнена только на резистивных элементах, а вторая часть - только на реактивных элементах [2,3]. К таким четырёхполюсникам относятся, например, динамические звенья радиоэлектронных систем управления. Использование реактивных, резистивных, комплексных и смешанных согласующих по критериям (1) четырёхполюсников для технического проектирования радиотехнических устройств и систем с заданными характеристиками даёт проектировщику широкие возможности для расширения областей физической реализуемости заданных характеристик.

Авторы хорошо понимают, что предпринятая ими попытка создания математической теории цепей, обеспечивающих требуемое формирование и преобразование заданных детерминированных сигналов, в излагаемом виде имеет много недостатков. Поэтому они будут благодарны заинтересованным читателям, которые сочтут возможным направить свои замечания и предложения по адресу: 394064, Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54 а, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж). По всем вопросам, в том числе и по приобретению книг можно также обращаться по телефонам: 8-950-752-61-04; 8-920-439-11-35.

Литература

1. Головков А.А., Головков В.А. Параметрический синтез радиотехнических устройств и систем. Воронеж: ВУНЦ ВВС "ВВА", 2018. - 588 с.

2. Головков А.А., Головков В.А. Алгоритм параметрического синтеза каскадно-включённых согласующих смешанных четырёхполюсников для автогенераторов на активных двухполюсных нелинейных элементах. В данном сборнике.

3. Головков А.А., Головков В.А. Параметрический синтез амплитудно-фазовых модуляторов для вариантов включения согласующих смешанных четырёхполюсников между источником сигнала и нелинейной частью. В данном сборнике.

References

1. Golovkov A.A., Golovkov V. A. Parametrical synthesis of radio engineering devices and systems. Voronezh: MESC MAF "AFA", 2018. - 588 p.

2. Golovkov A.A., Golovkov V. A. Algorithm of parametrical synthesis in cascade-included matching by the mixed two-port networks for oscillators on active bipolar nonlinear elements. In this digest.

3. Golovkov A.A., Golovkov V. A. Parametrical synthesis of peak-phase modulators for inclusion variants matching by the mixed two-port networks between a source of a signal and a nonlinear part. In this digest.