Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Развитие методологии определения достоверности оценки характеристик радиоэлектронной аппаратуры и результатов ее испытаний 20
1.1. Анализ информационных операций измерений, испытаний и оценивания свойств, параметров и характеристик РЭА на этапах ее жизненного цикла 20
1.2. Неопределенность измерений и достоверность оценки параметров и характеристик РЭА в условиях помех и других воздействующих факторов 28
1.2.1. Применение концепции неопределенности при измерениях 28
1.2.2. Достоверность оценки параметров и характеристик РЭА в условиях помех и других воздействующих факторов 35
1.2.3. Достоверность оценки характеристик электромагнитных излучений РЭА 43
1.3. Особенности моделирования РЭА и воздействующих на нее факторов 51
1.4. Анализ достоверности результатов различных видов испытаний 58
1.5. Основные результаты 62
Глава 2. Разработка адекватных моделей элементов радиоэлектронной аппаратуры как основы принимаемых обоснованных проектных решений 64
1. Адекватная модель диода Ганна для проектирования генераторов и усилителей СВЧ 65
2.1.1. Универсальная упрощенная математическая модель диода Ганна 65
2.1.2. Малосигнальная модель диода Ганна 77
2.1.3. Динамическая модель диода Ганна 79
2.1.4. Полиномиальная модель диода Ганна 81
2. Модель мощного МДП-транзистора для проектирования усилителей мощности 86
2.2.1. Малосигнальная модель мощного МДП-транзистора 86
2.2.2. Нелинейная высокочастотная модель мощного МДП-транзистора 88
3. Модели колебательных систем генераторов и усилителей СВЧ на активных двухполюсниках 112
2.3.1. Модель колебательной системы волноводной конструкции генератора СВЧ на активном двухполюснике 112
2.3.2. Модель колебательной системы стабилизированного генератора СВЧ на активном двухполюснике 116
4. Возможные причины нарушений работы генераторов и усилителей СВЧ и методы улучшения качества их функционирования 125
2.4.1. Перескоки частоты при механической перестройке 126
2.4.2. Изменение частоты колебаний под воздействием внешнего асинхронного колебания 127
2.4.3. Возбуждение дополнительного асинхронного колебания 129
2.4.4. Неустойчивость регенеративных усилителей 140
2.4.5. Флуктуации в автогенераторе с одноконтурной и двухконтурной колебательной системой при асинхронном внешнем воздействии 144
2.5. Основные результаты 152
Глава 3. Анализ источников снижения достоверности оценки характеристик радиоэлектронной аппаратуры на этапах проектирования, испытаний и эксплуатации и способов повышения достоверности 156
3.1. Достоверность оценки параметров РЭА при замене объекта измерений цифровой моделью 156
3.2. Снижение точности измерения параметров за счет неидеальности радиоизмерительного прибора, расположенного на подвижном объекте 163
3.3. Улучшение помехоустойчивости канала связи с подвижным объектом путем совместной обработки связной и навигационной информации 172
3.4. Анализ возможных причин разрушения фазовой информации при распространении радиосигнала в флуктуирующих средах 179
3.5. Источники снижения достоверности оценки параметров и характеристик РЭА в условиях эксплуатации 187
3.5.1. Неадекватность используемых моделей помех условиям эксплуатации РЭА 187
3.5.2. Влияние высоты точки приема радиосигнала на характеристики бортовой приемной РЭА 201
3.5.3. Влияние электрофизических характеристик подстилающей поверхности на точностные характеристики радиовысотомера 202
3.6. Основные результаты 208
Глава 4. Разработка способов повышения достоверности оценки соответствия радиоэлектронной аппаратуры предъявляемым требованиям 210
4.1. Система оценки соответствия как иерархическая гибридная система 210
4.2. Обобщенный показатель соответствия РЭА 219
4.3. Установление различных типов допусков на оцениваемые параметры РЭА с учетом рисков заказчика и изготовителя 228
4.4. Установление объема испытаний с учетом зависимости результатов испытаний от их продолжительности 238
4.5. Оценка соответствия предъявляемым требованиям с учетом условий эксплуатации для РЭА, серийно выпускаемой на одной технологической линии 244
4.6. Основные результаты 250
Заключение 252
Список литературы 256
- Достоверность оценки параметров и характеристик РЭА в условиях помех и других воздействующих факторов
- Модель колебательной системы волноводной конструкции генератора СВЧ на активном двухполюснике
- Снижение точности измерения параметров за счет неидеальности радиоизмерительного прибора, расположенного на подвижном объекте
- Установление объема испытаний с учетом зависимости результатов испытаний от их продолжительности
Введение к работе
Актуальность работы
К современным радиоэлектронным устройствам и системам различного назначения предъявляются высокие требования по качеству функционирования. Выполнение этих требований затруднено без обеспечения достоверности оценки характеристик радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) при ее проектировании, испытаниях и эксплуатации.
РЭА имеет целый ряд особенностей, осложняющих проведение достоверной оценки параметров и характеристик, поскольку они связаны с широким диапазоном условий эксплуатации и значительной изменчивостью характеристик под влиянием воздействующих факторов. Это относится, в первую очередь, к оценке параметров элементов РЭА и характеристик РЭА в условиях эксплуатации.
Оценка характеристик РЭА производится на основании результатов измерений, целостный подход к которым предполагает совместное рассмотрение объекта измерений и радиоизмерительного прибора. Теории и практике радиоэлектронных измерений посвящены фундаментальные работы Рыбакова И.Н., Цветкова Э.И., Сретенского В.Н., Мирского Г.Я., Хромого Б.П., Дворяшина Б.В. и др. В них достоверность измерений определяется как степень доверия к результатам измерений и характеризуется доверительной вероятностью нахождения результата в доверительном интервале. При этом предполагается, что для измеряемой величины известен закон распределения, так что к ней можно применить положения теории вероятностей и математической статистики. Достоверность здесь опирается на такой точностной показатель измерений, как погрешность, которая, в свою очередь, зависит от погрешности используемых измерительных приборов. Но показания высокоточного измерительного прибора в условиях помех могут оказаться недостоверными.
При проведении испытаний РЭА зачастую применяются типовые требования и методики, которые не отражают полного спектра внешних воздействий. Вследствие этого разработанная аппаратура не адаптирована к условиям эксплуатации, так что ее характеристики хуже потенциально возможных, а потребитель не получает достоверных результатов ее испытаний.
На всех этапах жизненного цикла РЭА производится оценка соответствия как прямое или косвенное определение соблюдения требований, предъявляемых к РЭА. Оценка соответствия лежит в основе подтверждения соответствия, в том числе сертификации, которое в настоящее время завоевало столь прочные позиции, что без подтверждения соответствия не могут функционировать рынки практически всех стран мира. Но подчас при оценке соответствия используются показатели, напрямую не связанные с целевой функцией конкретной РЭА, и выявляются не все факторы, влияющие на результат оценки. В итоге принимается решение о признании РЭА соответствующей или не соответствующей предъявляемым требованиям, которое не всегда объективно отражает пригодность РЭА для работы в конкретных условиях эксплуатации.
Усложнение и совершенствование РЭА все более углубляет разрыв с применяемой для оценки характеристик РЭА и результатов ее испытаний методологией. Таким образом, можно говорить о существовании потребности в развитии методологии оценки характеристик РЭА на всех этапах ее жизненного цикла, ориентированной на достоверность и учитывающей факторы, влияющие на достоверность результатов оценки.
Достоверность оценки характеристик РЭА на этапах проектирования, испытаний и эксплуатации во многом определяется адекватностью применяемых моделей. При измерениях сама РЭА выступает как модель вместе с моделями радиоизмерительного прибора, тракта передачи сигнала и влияющих факторов. Кроме того, зачастую моделируется и сам измеряемый параметр или характеристика. При испытаниях моделируются также испытательные воздействия.
При проектировании радиоэлектронных устройств принятие верного проектного решения в значительной степени зависит от адекватности применяемых моделей элементов РЭА. Так, без применения адекватных моделей элементов невозможно определить характеристики устойчивости генераторов и усилителей. Моделированию ВЧ и СВЧ активных полупроводниковых и пассивных элементов посвящены многочисленные работы отечественных (Андреев B.C., Фомин Н.Н., Минакова И.И., Шур М.С., Царапкин Д.П., Кулешов В.Н., Никифоров В.В., Аристархов Г.М. и др.) и зарубежных (Kurokawa К., Bosh В., Engelmann R. и др.) ученых. Однако появление новых типов элементов, применение уже известных в новых видах аппаратуры, исследование наблюдаемых в аппаратуре явлений может потребовать решения задачи построения адекватных моделей элементов. Процесс моделирования элементов РЭА диапазона ВЧ и СВЧ не всегда поддается формализации, поэтому тщательные экспериментальные исследования и теоретический анализ являются необходимой базой для построения моделей.
Существенное значение для решения проблемы достоверности оценки параметров и характеристик имеет определение возможных влияющих факторов на этапах проектирования, испытаний и эксплуатации радиоэлектронных устройств и систем. При этом потенциальные источники нарушения достоверности можно разделить на источники, возникающие за счет подмены моделей измеряемых параметров и неидеальности применяемой аппаратуры, и на источники, связанные с неадекватным моделированием условий измерений и помеховой обстановки, в которой работает аппаратура в процессе эксплуатации. Неучет внутренних факторов приводит к тому, что точностные характеристики не соответствуют ожидаемым. А неадекватный учет внешних факторов, например, помеховой обстановки, может привести к проектированию неэффективных устройств, уменьшению точности, а также полному нарушению работы аппаратуры, например, к срыву слежения в системах синхронизации. Очевидно, что теория работы РЭА в условиях воздействия влияющих факторов основана на статистических методах. Основополагающими в области изучения этих вопросов являются работы
отечественных ученых научных школ Пестрякова В.Б., Левина Б.Р., Тихонова В.И. и таких зарубежных ученых, как Rice S., Middleton D. и др.
Переход на цифровые методы обработки в РЭА делает актуальным исследование влияния на достоверность измерений замены измеряемых параметров, в частности, фазы, их цифровыми эквивалентами, что происходит при применении типовых цифровых фазометров, работающих на принципе определения интервала до первого нуля смеси сигнала и помехи, следующего после опорного нуля.
При осуществлении измерений на подвижном объекте (ПО) на точность влияют динамические характеристики ПО, неидеальность характеристик радиоизмерительного прибора, расположенного на этом объекте, помеховая обстановка, так что требуется адекватный учет этих факторов.
При использовании такого информационного параметра, как фаза, возникают проблемы многозначности фазовых измерений и перескоков фазы из цикла в цикл, которые не позволяют реализовать потенциальную точность фазового метода измерений и могут приводить к полному разрушению фазовой информации. Это требует определения потенциальных возможностей фазовых измерений во флуктуирующих средах, например, при прохождении через ионосферу сигналов спутниковой связи и навигации, использующих фазоманипулированные сигналы.
Нарушение нормальной работы под влиянием внешних и внутренних факторов может возникать в СВЧ генераторах. Нарушения работы РЭА здесь выражаются в срыве колебаний, нежелательном сдвиге и перескоках частоты, появлению дополнительных паразитных колебаний. Даже кратковременные нарушения могут быть опасны при решении РЭА таких задач, как посадка воздушных судов, подача сигналов бедствия и т.д.
В настоящее время имеет место тенденция к интегрированию радиоэлектронных устройств и систем. При этом требуют анализа как позитивные, так и негативные аспекты интегрирования.
В некоторых случаях во время эксплуатации нарушается нормальная работа радиоизмерительных приборов, что приводит к необоснованному снятию приборов из эксплуатации. Причинами таких отказов могут быть помехи, условия распространения радиосигнала, а также несоответствие условий эксплуатации тем, которые были применены на этапе испытаний РЭА.
Таким образом, актуальным является анализ источников снижения достоверности оценки параметров и характеристик радиоэлектронных устройств и систем на этапах проектирования, испытаний и эксплуатации и поиск способов повышения достоверности.
При оценке соответствия решение о соответствии РЭА предъявляемым требованиям принимается в условиях многочисленных воздействующих факторов и состояний РЭА, связанных с недостатком информации о РЭА или условиях ее будущей эксплуатации. Кроме того, сами показатели функционирования РЭА разнородны и зачастую не имеют числового характера, что требует применения для исследования проблемы аппарата теории нечетких множеств.
Теории и практике проведения контроля радиотехнических устройств и систем посвящены работы многих отечественных (Евланов Л.Г., Беляев Ю.К., Фрумкин В.Д., Рубичев Н.А., Загрутдинов Г.М., Данилевич СБ. и др.) и зарубежных (Hansen Н., Hurwitz N., Madow G. и др.) ученых. Однако особенности оценки соответствия и факторы, влияющие на достоверность оценки соответствия РЭА предъявляемым требованиям, в полной мере не исследованы.
Таким образом, можно сделать вывод, что исследуемая в диссертации проблема весьма актуальна и имеет большое теоретическое и практическое значение.
Цель и задачи исследования
Целью работы является решение важной для теории и практики проектирования и эксплуатации радиоэлектронных устройств и систем научной проблемы, заключающейся в определении основных факторов, влияющих на достоверность оценки характеристик РЭА и результатов ее испытаний на этапах проектирования и эксплуатации, и разработке способов повышения достоверности, базирующихся на адекватных моделях элементов, устройств и внешних воздействий.
Поставленная цель требует решения следующих основных задач:
развитие методологии определения достоверности при оценке характеристик РЭА путем учета основных факторов, влияющих на достоверность оценки, и анализа их влияния на снижение достоверности на всех этапах жизненного цикла РЭА;
разработка адекватных моделей элементов РЭА как основы обеспечения достоверности на этапе проектирования;
разработка способов повышения достоверности оценки характеристик РЭА и результатов ее испытаний путем учета влияющих факторов, таких как неидеальность аппаратуры, помеховая обстановка, совместная работа РЭА и
др.;
- разработка способов, обеспечивающих обоснованность принятия
решения о соответствии РЭА предъявляемым требованиям.
Методы исследования. Поставленные задачи решались методами теории вероятностей и теории случайных процессов, методами математического и компьютерного моделирования, системного анализа, теории колебаний, теории нечетких множеств, а также с помощью эксперимента.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:
-
Разработана основанная на информационном подходе методология определения достоверности при оценке параметров и характеристик РЭА, учитывающая наряду с количественными показателями точности показатель достоверности, определяемый по качественной шкале.
-
Разработан комплекс адекватных моделей ВЧ и СВЧ активных элементов и колебательных систем генераторов и усилителей при их проектировании и модернизации; определены причины возникновения
перескоков и сдвигов частоты, полигармонических режимов генераторов на активных двухполюсниках, неустойчивости усилителей мощности на мощных ВЧ и СВЧ МДП-транзисторах и разработаны методики их устранения; объяснены механизмы электронной перестройки частоты внешним асинхронным сигналом в СВЧ генераторах на активных двухполюсниках и построены такие генераторы.
-
Проведен системный анализ источников снижения достоверности при оценке параметров и характеристик РЭА на всех этапах жизненного цикла -проектировании, испытаниях, эксплуатации. При этом учтены: замена оцениваемых параметров их цифровыми эквивалентами, неидеальность реализации элементов и устройств, условия распространения сигнала, в том числе получено предельное соотношение при фазовых измерениях в канале с флуктуирующими параметрами, несоответствие помеховой обстановки и других условий эксплуатации РЭА условиям, задаваемым при проектировании; предложены способы повышения достоверности оценки характеристик радиоэлектронных устройств и систем и результатов их испытаний, основанные на учете влияния основных факторов на результат оценки и реализации атмосферных и индустриальных помех при полунатурных испытаниях с применением моделирующих комплексов для моделирования помеховой обстановки, воздействующей на РЭА.
-
Предложены способы обеспечения обоснованности принятия решения о соответствии РЭА предъявляемым требованиям, учитывающие структуру системы оценки соответствия как гибридной иерархической системы, критерий оценки соответствия, базирующийся на минимизации размерности вектора параметров, непосредственно определяющих целевую функцию, и аппроксимации допусковой области гиперплоскостями, зависимость результатов испытаний от их продолжительности, полученную с применением теории выбросов, условия эксплуатации при выпуске РЭА на одной технологической линии с применением теории нечетких множеств в целях минимизации отбраковки и издержек изготовителя.
Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют:
повысить объективность оценки качества функционирования РЭА с учетом как точности, так и достоверности результатов оценок характеристик;
улучшить характеристики генераторов и усилителей и уменьшить влияние паразитных колебаний и нежелательных режимов на их функционирование путем применения при проектировании генераторов и усилителей разработанного комплекса адекватных моделей активных и пассивных ВЧ и СВЧ элементов РЭА;
повысить достоверность оценки характеристик РЭА на этапе испытаний и достоверность измерений в процессе эксплуатации за счет использования адекватных моделей помеховой обстановки, учета неидеальности характеристик радиоэлектронных устройств, комплексирования различной РЭА, неадекватности цифровой модели фазы при фазовых цифровых измерениях, учета предельного соотношения при выборе рабочей частоты при
фазовых измерениях в канале с флуктуирующими параметрами, учета реальной помеховой обстановки и условий распространения сигнала при эксплуатации РЭА;
разработать методику испытаний РЭА, позволяющую повысить достоверность ее результатов в части использования адекватных моделей влияющих на результаты факторов, реализации атмосферных и индустриальных помех при моделировании помеховой обстановки, воздействующей на РЭА для полунатурных испытаний с применением моделирующих комплексов, формирования требований по продолжительности испытаний;
повысить обоснованность принятия решений о соответствии РЭА предъявляемым требованиям.
Апробация результатов
Результаты исследований докладывались на научных семинарах и
конференциях: X Всесоюзной конференции по электронике СВЧ (Киев, 1979),
XXXVI Всесоюзной научно сессии, посвященной Дню Радио (Москва, 1981), X
Научно-технической конференции, посвященной Дню радио (Москва, 1984),
XXXIX Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню радио (Москва, 1984),
Всесоюзной НТК «Развитие и внедрение новой техники радиоприемных
устройств (Москва, 1985), Всесоюзной НТК «Элементы и узлы современной
приемно-усилительной аппаратуры» (Москва, 1990), НТК «Современная
приемная усилительная аппаратура» (Москва, 1991), Всесоюзной НТК
«Элементы и узлы современной приемной и усилительной техники» (Ужгород,
1991), НТК профессорско-преподавательского и инженерно-технического
состава МТУСИ (Москва, 1992 - 2004), Методических конференциях
профессорско-преподавательского состава МТУСИ (Москва, 1995 - 2005), 3-ей
Отраслевой научной конференции «Технологии информационного общества»
(Москва, 2008), 64-ой научной сессии, посвященной Дню Радио (Москва, 2009),
1-ой международной научно-практической конференции «Инновации, качество
и сервис в технике и технологиях» (Курск, 2009), VIII Международной НТК
«Перспективные технологии в средствах передачи информации -
ПТСПИ'2009» (Владимир, 2009), IV Всероссийской конференции-семинаре
«Научно-техническое творчество: проблемы и перспективы» (Сызрань, 2009),
конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы»
Международного форума информатизации (Москва, 2009), Международной
научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы
радиоэлектронного приборостроения INTERMATIC - 2009» (Москва, 2009).
Внедрение результатов
Основные результаты диссертации в виде разработанных методик и рекомендаций, используемых при испытаниях и проектировании измерительных комплексов РЭА, внедрены в ОАО «Московское конструкторское бюро «Компас»», ОАО «НПО «Лианозовский электромеханический завод» (Управление проектирования единой системы организации воздушного движения и аэродромных комплексов); моделей
МДП-транзисторов для автоматического проектирования радиопередатчиков внедрены в ЗАО «САНТЭЛ». Результаты диссертации в качестве материалов учебных курсов, лабораторных работ, учебных пособий внедрены в ГОУ ВПО «Московский энергетический институт (ТУ)» и ГОУ ВПО «Московский технический университет связи и информатики».
Публикация результатов научных исследований. Основные результаты диссертации опубликованы в 66 научных работах, из них: 36 научных статей, в том числе 27 научных статей в журналах, рекомендованных ВАК, 2 авторских свидетельства на изобретение, 9 научных статей в других научно-технических журналах, учебное пособие, 27 тезисов докладов на конференциях.
Личный вклад автора. Все основные научные положения и выводы, составляющие содержание диссертации, разработаны соискателем самостоятельно. В работах, опубликованных в соавторстве, соискатель внес определяющий вклад на всех этапах работы: постановке задач и определении методов их исследований, аналитических расчетах, моделировании, экспериментальных исследованиях, интерпретации результатов.
Структура и объем диссертации
Достоверность оценки параметров и характеристик РЭА в условиях помех и других воздействующих факторов
При измерениях в условиях эксплуатации РЭА влияющими факторами будут условия внешней среды, помеховая обстановка и т.д., то есть условия измерений становятся чрезвычайно жесткими. При измерениях параметров электромагнитных излучений РЭА на результаты измерения оказывают влияние непреднамеренные помехи. Результаты измерений параметров моделей новых элементов РЭА также требуют оценки достоверности. При проведении измерений параметров и характеристик РЭА в условиях помех и других воздействующих факторов, достоверность каждого измерения следует рассматривать как отдельный показатель [97],.
В описанных выше условиях присущие результатам измерений численные значения суммарной неопределенности становятся весьма высокими, поэтому описанные выше условия измерений можно назвать условиями «высокой неопределенности» результатов измерений.
Расширенная неопределенность — величина, определяемая интервалом вокруг математического ожидания результатов измерений, с уровнем доверия (доверительной вероятностью) попадания в интервал. Однако чтобы связать определенный уровень доверия с интервалом расширенной неопределенности, необходимы предположения (в явной или неявной форме) о характере распределения вероятностей результатов измерений и их суммарной стандартной неопределенности. Уровень доверия, который соответствует этому интервалу, может соответствовать действительности только в той степени, в какой могут быть справедливы предположения.
Согласно [174] уровень доверия может применяться при анализе всех обстоятельств измерения, учитывая такие составляющие, как неопределенность, определяемая неадекватностью используемых моделей; методическая и инструментальная неопределенность, неопределенность, связанная с условиями измерений, а также прочие составляющие. То есть для измерений параметров РЭА существует много возможных источников неопределенности, включая: неадекватность модели измеряемого параметра или характеристики; малая выборка результатов измерений или единичное измерение; скрытые изменения условий при повторных наблюдениях. неверное или неточное знание эффектов от условий окружающей среды, влияющих на измерения, или несовершенное измерение параметров окружающей среды, или невозможность контроля внешней среды в процессе измерений; конечная разрешающая способность прибора или порог чувствительности; неопределенности, присущие методу: используемые аппроксимации и предположения, неточные значения параметров, полученных из внешних источников и используемых в алгоритме обработке данных и т.д; субъективная неопределенность, связанная с оператором: систематическая ошибка (смещение) при снятии показаний аналоговых приборов и т.д. Эти источники необязательно являются независимыми. Некоторые из них могут вносить вклад в неопределенность при повторных наблюдениях измеряемой величины при явно одинаковых условиях, так что неизвестный эффект влияния не может быть учтен в численном значении неопределенности результата измерения. Численная оценка расширенной неопределенности является чрезвычайно сложной задачей, которая решается для каждого конкретного измерения [173], [174]. Однако для РЭА эта задача в ряде случаев неразрешима даже при условии наличия достаточно большой выборки проведенных в одинаковых условиях результатов измерения, которая описывается известным законом распределения вероятности, то есть при неопределенности по типу, из-за невозможности определить функции влияния факторов неопределенности на измеряемый параметр. В случаях, когда неопределенность относится к типу В, она является не только высокой, но и трудно определяемой численно. Рассмотрим обработку результатов измерения при невозможности выдвинуть гипотезу о характере закона распределения в условиях отсутствия или при ограниченном объеме априорной информации об измеряемой величине, отсутствии предположения об одинаковых условиях измерения, в условиях помех и других воздействующих факторах [149]. При этом результаты измерений могут представлять собой большую или малую выборку, а также быть единичными. При большом числе измерений эффективно применять предварительную обработку данных методами непараметрической статистики [66], используя следующие этапы первичной обработки: — проверка результатов на достоверность, обнаружение и устранение аномальных измерений; — выделение полезных составляющих выборки. Там, где это возможно, следует использовать непосредственно экспериментальные данные без применения аппроксимаций известными законами. Если число измерений велико и есть предположение о стационарности процесса, то, применяя определенные допущения, имеющие физические основания, можно полностью решить задачу измерений, используя только экспериментальные данные [179]. Возможность такого подхода обусловлена также применением высокоскоростных ЭВМ для обработки результатов. Если число измерений невелико, то, при информационном подходе к самому понятию «малая выборка» [180] как мера энтропии процесса измерений, неопределенность измерений растет, а их достоверность падает. В предположении о стационарности процесса возможно применение метода «прямоугольных вкладов» [181], [182], состоящего в том, чтобы учесть флуктуирующий характер единичных результатов, то есть представить единичный результат интервалом значений вокруг измеренной величины. Для малой выборки следует применить все возможные способы уменьшения неопределенности. Здесь эффективно применение вычислительного эксперимента, позволяющего, для некоторых условий увеличить объем выборки с сохранением статистических свойств первичных результатов измерений [183]. Общепризнан «метод перебора» [76], при котором увеличение выборки происходит путем добавления к первоначальной выборке всевозможных перестановок единичных результатов измерений. В отсутствии предположения о стационарности процесса, увеличение объема выборки достигается «методом размножения оценок» [184], при котором временной ряд измерительной информации строится путем повторения единственной экспериментальной реализации.
Модель колебательной системы волноводной конструкции генератора СВЧ на активном двухполюснике
Построение ключевых усилителей мощности (КУМ) на МДП-ПТ в ряде случаев имеет преимущества [220]. Некоторые вопросы теории широкополосных двухтактных КУМ на МДП-ПТ с прямоугольной формой напряжения на стоке рассмотрены в [221]. Настоящее рассмотрение узкополосных КУМ на МДП-ПТ в литературе явилось практически первым [93], [123]. Ниже исследуется однотактный КУМ па МДП-ПТ с фильтрующе-формирующим контуром на выходе с заходом транзистора в относительно неглубокое насыщение. Теория таких КУМ на биполярных транзисторах (БТ) изложена в [33]. Основные положения теории [33] применимы и для КУМ на МДП-ПТ, основные отличия КУМ на БТ и МДП-ПТ обусловлены различием их эквивалентных схем. Эквивалентная схема КУМ на МДП-ПТ представлена на рис. 2.26. Штрихами обведена эквивалентная схема МДП-ПТ в ключевом режиме, которая отличается от схемы рис, 2.16 тем, что управляемый внутренний генератор тока заменен ключом. Потери в выходной цепи определяются сопротивлением гс. Нагрузкой КУМ служит фильтрующе-формирующая цепь С„ , Сф ,Гф.
Оптимальным режимом КУМ такого типа будем называть режим, в котором подбором формы тока и напряжения на выходе при определенных параметрах нагрузки обеспечивается максимальный КПД. При этом к моменту замыкания ключа t0 и началу протекания тока ключа (ввода транзистора в насыщение в терминологии КУМ) напряжение на стоке транзистора уменьшается до малого значения напряжения насыщения. Последующее увеличение напряжения начинается после размыкания ключа (запирания транзистора) и окончания импульса тока ключа в момент t ato, t3 определяются воздействием входного сигнала. Примем элементы гк, Ск постоянными с усредненными значениями. Для недонапряженных режимов МДП-ПТ правомерность этого допущения показана выше. При заходе МДП-ПТ в неглубокое насыщение оно допустимо и для ключевого режима.
Пренебрежение в [221] сопротивлением гк в закрытом состоянии прибора является более грубым упрощением, поскольку перепад значений гк для обоих состояний относительно невелик. Пренебрежем также влиянием обратной связи через емкость Сзс и элементов r,„ LH в цепи истока.
В эквивалентной схеме выходной цепи КУМ нагрузку правее емкости Сн можно заменить источником тока I = IQ+ I COS Т = I{cosr — cosd ), где /0 — постоянная составляющая тока, протекающая через дроссель, I cos т — гармонический ток фильтра; 26$ — часть периода, в течение которой ток /(т) положителен (cos #ф = -/о/7ф, г = cot). Для расчета выходной цепи при Сн » Сс, можно использовать приближенную методику [33]. Аналитический расчет переходных процессов и стационарного режима рассматриваемого узкополосного КУМ с применением описанной выше модели МДП-ПТ приведен в [93]. На рис. 2.27 (сплошные линии) в качестве примера показаны частотные зависимости нормированной амплитуды z = rjc maxIUc тах и электронного КПД ц для транзистора КП901 при относительном уровне выходной мощности a = Pnva/PH0M 0 5 (за Рном принята максимально допустимая мощность рассеивания транзистора). Изменение z, г\ не превышает 5 % в диапазоне вплоть до предельной частоты /тах на которой возможен оптимальный ключевой режим, определяемой из условия Сн = 0 (с такой точностью можно использовать приближенную методику расчета [33]).
Влияние обратной связи через элементы LH, Сзс приводит к уменьшению напряжения на входе усилителя, так что требуемую амплитуду возбуждения следует увеличить примерно в 1+&раз, где /с =а LHCK(l+C3C/Cc).
Расчет процессов в полной эквивалентной схеме КУМ (рис. 2.26) проводился на ЭВМ [93]. На рис. 2.276 показаны зависимости ис (т), 4л(т) в установившемся режиме для КУМ на транзисторе КП901 при вкл = 60,/= 80 МГц (f fmax), а =0,5 при Сзс = 0, Сс = 25 пФ (1), Сзс = 5 пФ, Сс = 20 пФ (2), Сзс = 0, Сс (nc) (3); а неизменяемые параметры — усредненные. Расчеты показали, что влияние элементов Сзс, LH при соответствующем увеличении /„, а также нелинейностей гк, Ск(гіс) на вид зависимостей ис / (т) приводит к уменьшению КПД на 3...5 % при / / тах. Нелинейность емкости Сс(мс) приводит к увеличению Uс тах, снижению Істах и уменьшению КПД на 5...10% для всех типов транзисторов. Таким образом, КПД на частотах, близких к fmax, на 10... 15 % ниже приближенного значения (рис. 2.27а, штриховая линия). В аналитических расчетах следует принимать Ucmax = (0,8...0,85)/СДОП для компенсации дополнительного увеличения максимального напряжения на стоке.
С помощью предложенной модели были рассчитаны предельные характеристики оптимального режима КУМ на МДП-ПТ различных типов. Получено, что электронный КПД УМ на МДП-ПТ в ключевом режиме при #кл = 90 имеет более высокий КПД при небольшой выходной мощности {а = 0,25...0,5), чем УМ в гармоническом режиме. Зависимости предельной частоты ключевого режима/„ (вкл) даны на рис. 2.28а для а = 0,5 (сплошные линии) и а = 0,25 (штриховые линии). Значение fmax увеличивается с уменьшением угла 9т и ростом а, однако при 9Ш 60 и а 0,5 резко падает КПД. Таким образом, максимальные частоты реализации оптимальных КУМ на современных МДП-ПТ достигают 150 МГц, оставаясь при этом существенно более низкими по сравнению с максимальными рабочими частотами гармонических усилителей. При проектировании КУМ напряжение питания часто оказывается заданным, проиллюстрируем зависимость максимальной выходной мощности Рвых тах, которую можно получить в оптимальном ключевом режиме, для транзисторов КП904, КП909 от относительного уровня напряжения питания EJEC ном, где Ес ном = 30 В (рис. 2.28 б). Максимально возможное значение Естах ограничено условием Естах Uc доі/П (П — пик-фактор) и Ес тах с увеличением 9 уменьшается.
На основе разработанной модели МДП-ПТ и методики расчета был рассчитан и изготовлен КУМ с электронным КПД 70...90 % и Ртах 100...50 Вт при хорошей температурной стабильности [93]. Впервые разработан КУМ с повышенным КПД при работе на изменяющуюся нагрузку [112].
Таким образом, проделанный анализ позволил обосновать относительно простую модель КУМ на МДП-ПТ и методику его расчета, определить предельные выходные характеристики КУМ. Отметим, что применение МДП-ПТ в КУМ вместо БТ при несколько меньших достижимых КПД усилителя имеет определенные преимущества, к которым относятся более высокие рабочие частоты и коэффициенты усиления, упрощение настройки и хорошая температурная стабильность.
Снижение точности измерения параметров за счет неидеальности радиоизмерительного прибора, расположенного на подвижном объекте
Кратковременные нарушения работы РЭА при ее испытаниях и эксплуатации требуют исследования причин и минимизации последствий таких нарушений. Часто это происходит вследствие нарушений работы генераторов из-за воздействия внешних или внутренних факторов или возбуждения усилителей.
При эксплуатации АДГ требуется обеспечение заданного стационарного режима и предотвращения нежелательных побочных колебаний. Однако самопроизвольное возбуждение асинхронного паразитного колебания наблюдается в АДГ весьма часто: перескоки между колебаниями приводят к ограничению диапазона механической перестройки автогенератора, а сосуществование таких колебаний - к недопустимому искажению спектра. К нежелательным изменениям режима работы АДГ может приводить воздействие внешнего сигнала, которое может возникать, например, при недостаточной развязке передающего и приемного трактов или при попадании паразитного сигнала в цепь питания [148].
В разделе проведен анализ причин нарушений работы СВЧ генераторов на активных двухполюсниках на примере АДГ и регенеративных усилителей на ДГ и предложены методики устранения этих нарушений. Основные нарушения работы таких генераторов и усилителей выражаются в перескоках частоты и срывах колебаний, нежелательном сдвиге частоты колебаний, появлению дополнительных паразитных колебаний, а также увеличению уровня флуктуации. Рассматриваемые нарушения обусловлены, в целом, многоконтурностью колебательных систем генераторов и усилителей СВЧ на активных двухполюсниках и особенностями нелинейной характеристики АЭ. Проводимый анализ нарушений работы генераторов и усилителей СВЧ основан на разработанных адекватных моделях АЭ и колебательных систем.
Перескоки между колебаниями наблюдаются в АДГ весьма часто и приводят к ограничению диапазона механической перестройки автогенератора [84], [88]. ДГ - весьма широкополосный активный элемент, обеспечивающий усиление сигнала в полосе порядка октавы и более. При перестройке частоты АДГ изменением длины / прямоугольного волноводного резонатора волноводной конструкции АДГ (рис. 2.30) зона генерации с колебаниями типа Нт (первый обертон) ограничена в области больших / минимальной частотой fmim определяемой перескоком частоты на второй обертон //юг (рис. 2.42). Частоты обертонов здесь асинхронны. В полосу частот эффективной работы ДГ попадает, как правило, несколько резонансов колебательной системы. В этих условиях эквивалентная схема колебательной системы АДГ представляется многоконтурной (рис. 2.31). В задаче анализа перескоков частоты достаточно учитывать только два контура с частотами/i, f2, которые находятся в асинхронном соотношении, а модель диода принята в виде нелинейной активной проводимости. Перескок на асинхронное колебание в такой эквивалентной схеме возможен, если обеспечено определенное соотношение параметров регенерации для первого и второго колебаний Г(1)рег\Г(2)рег, где Грег = - GTRm (Gr, І?ІІД - малосигнальная проводимость и вещественная составляющая сопротивления нагрузки на эквивалентных зажимах активной проводимости ДГ, взятые на соответствующей частоте). Это соотношение зависит от величины Г(1)рсг и типа нелинейности, причем, как показали расчеты, тип нелинейности ДГ может способствовать смене колебаний. Так как изменение Грег при работе в диапазоне связано, в основном, с изменением Rm, то были проведены расчеты на основе модели колебательной системы (см. 2.3.1).
Выяснилось, что скачки частоты и мощности при диапазонной перестройке обусловлены различием законов изменения сопротивления колебательной системы для возможных частот генерации, так что при малых / сопротивление нагрузки Rm больше для колебаний типа Ню\ , а при больших / - для колебания типа Нт (рис. 2.33). Учитывая снижение Rm на краю диапазона, можно принять в качестве критерия наступления скачка при увеличении / равенство Rm для двух типов колебаний. На рис. 2.34 представлены вычисленные на этой основе зависимости минимальной частоты генерации от высоты волновода Ъ и диаметра штыря крепления диода d. Теоретический анализ позволил сделать практические рекомендации по увеличению диапазона механической перестройки АДГ подбором параметров конструкции, подтвержденные экспериментально [84], [88].
Проведено экспериментальное исследование работы АДГ различных конструкций в диапазоне 0,8...3 - см при внешнем асинхронном воздействии с частотой fm [115], [150]. Оно подтвердило факт сдвига номинальной частоты генерации/і под воздействием колебания, поступающего в фильтр питания или СВЧ тракт связи с нагрузкой, причем влияние внешнего сигнала на частоту и мощность АДГ существенно зависят от значениями Значения сдвига частоты/і доходит до 0,5 % от f\. Исследование показало, что при /ш 1/ тт (тт - тепловая постоянная времени ДГ) определяющую роль играют процессы, связанные с тепловой инерционностью диода, сдвиг частоты A/j значителен, зависит от/вН, убывая сростом /т . При/вн 1 / тт сдвиг частоты генерации обусловлен наличием нелинейной емкости диода Ганна. При 1 / тт fm 0,5АУь;7 (АУо,7 - полоса пропускания колебательной системы) сдвиг частоты A/"i значителен и не зависит от н При 0,5Af0j fBH «f\ влияние /ш на f\ мало. При /ш f\ сдвиг частоты А/] опять велик.
Установление объема испытаний с учетом зависимости результатов испытаний от их продолжительности
Рассмотрим неустойчивость регенеративных усилителейдиапазона СВЧ на двухполюсных активных элементах [91]. Коэффициент усиления типового каскада регенеративного диодного усилителя СВЧ, выполненного по схеме «на отражение», полностью определяется соотношением отрицательной проводимости диода G, и проводимости G/ нагрузки на зажимах кристалла [236]
Широкое применение в таких усилителях нашли ДГ, обладающие хорошими шумовыми характеристиками, динамическим диапазоном и работающие в широкой рабочей полосе частот. Как правило, разработчики УДГ не имеют важнейших сведений о зависимости «горячей» активной Gr и реактивной Вт проводимостей ДГ от амплитуды колебаний в диапазоне частот, температур, питающих напряжений и т. д. В основу анализа влияния особенностей колебательной характеристики ДГ на работу усилителей положены расчеты параметров диода по универсальной упрощенной математической модели ДГ. Зависимость Gr от амплитуды СВЧ-напряжения на диоде определяет вид амплитудных характеристик УДГ, для которых типичен ряд особенностей, например, увеличение нелинейности и коэффициента усиления Кр с ростом входного сигнала (рис. 2.51 [237]). Изменение параметров диода в полосе усиления наряду с паразитными резонансами колебательной системы может приводить к неустойчивости режима УДГ.
При проектировании важно прежде всего уяснить характер амплитудных зависимостей GT, Вт в различных условиях путем адекватного машинного анализа работы диода с типовыми параметрами. В ранних работах, например в [238], устойчивая работа ДГ в регенеративных усилителях приписывалась стабилизации поля в сильнолегированных образцах с однородным профилем легирования. Затем было обнаружено, что стабилизация поля возможна в диодах с высокоомной прикатодной областью (такой профиль легирования характерен для большинства серийных диодов) [237], [199].
Вид полученных с использованием универсальной упрощенной математической модели ДГ амплитудных зависимостей GT, Вт (рис.2 6, 2.8) свидетельствует о том, что диоды с малым значением AR/R0 , наиболее мощные в пределах партии и обладающие колебательными характеристиками с провалом и последующим подъемом (рис. 2.6), не могут быть использованы в УДГ. Увеличение значения AR/R0 делает характеристики диода более «мягкими», одновременно область значений амплитуд, при которых -G, (U\) 0. Использование таких диодов уменьшает устойчивость УДГ при одновременном падении его усиления и уменьшении динамического диапазона.
Наиболее интересной особенностью колебательных характеристик ДГ в режиме со статическим доменом является область практически постоянного значения -Gr, что означает высокую линейность УДГ. Переход из гибридного режима ДГ в режим ОНОЗ выражается первоначально в виде возрастания значения -Gr с увеличением U\ («жесткие» колебательные характеристики УДГ), что приводит к скачкам выходной мощности и неустойчивости промежуточных усилителей в работе в диапазоне амплитуд.
При уменьшении UQ (рис. 2.8) сужается и затем исчезает область, в которой производная функции -GX(U{) 0. Одновременно растет модуль малосигнальной проводимости -GT. Последнее обстоятельство приводит к необходимости стабилизации питания в УДГ.
Расчеты показали исключительную широкополосность малосигнальной активной проводимости ДГ, что согласуется с выводами [238], а также с практикой проектирования УДГ. Так, для рассматриваемого ДГ получено значение - Gr 5 мСм (С/о = 9,6 В) в интервале частот 8... 15 ГГц. Однако при проектировании усилителей следует считаться с изменением формы характеристики -GT (U\). Как показали расчеты, она становится несколько более «жесткой» с ростом частоты.
Влияние температуры на «горячую» проводимость ДГ способно породить значительную нестабильность коэффициента усиления. На рис. 2.52 показаны зависимости -Gr(U\) при нескольких значениях температуры активного слоя Га. В расчетах учитывалась температурная зависимость средней дрейфовой скорости электронов от напряженности электрического поля [197]. Понижение Тя сопровождается ростом модуля проводимости —GT. Поэтому стабильно работающий при комнатной температуре усилитель может возбудиться при охлаждении. Одновременно увеличивается «жесткость» характеристики ДГ и уменьшается диапазон U\, где -Gr 0, а значит, растут нелинейные искажения и уменьшается динамический диапазон УДГ.
Большое влияние на свойства УДГ могут оказать высшие гармоники усиливаемого сигнала. На рис. 2.53 показана деформация колебательной характеристики ДГ под воздействием второй гармоники. При некоторых значениях относительной фазы (р2 наблюдается «смягчение» характеристик, при других значениях ср2 на кривых —GT(U\) появляются подъемы. Последнее может привести к. самовозбуждению УДГ. При отсутствии непосредственных измерений становится весьма интересной оценка вида зависимости —GT{U\) по экспериментальной кривой РВых( Дх) УДГ. Используя соотношение для Кр, можно рассчитать зависимость -GT(U\)/GL (см. рис. 2.51). Здесь, как и в предьщущих рассуждениях, не учитывается трансформирующее влияние корпуса диода.
