Введение к работе
Работа посвящена разработке и исследованию функциональных узлов (фильтров и генераторов) на поверхностных акустических волнах (ПАВ) с улучшенными характеристиками. Предложены алгоритмы проектирования ПАВ устройств, новые схемотехнические решения для применения в приемо-передающей радиоаппаратуре коротковолнового (КВ) и ультракоротковолнового (УКВ) диапазонов радиочастот.
Актуальность темы
Современные приемо-передающие радиотехнические устройства, системы и сети связи проектируются для работы на радиочастотах от долей герц до десятков гигагерц. Но, по-прежнему, востребованными для различных систем служебной связи остаются КВ и УКВ диапазоны радиочастот.
Известно, что характеристики фильтров преселектора и тракта промежуточной частоты, а также характеристики опорных и управляемых генераторов во многом определяют качество приемо-передающей радиоаппаратуры. В течение длительного периода времени фильтры и управляемые генераторы достаточно успешно разрабатывались на LC-контурах, а опорные генераторы – с использованием резонаторов на объемных акустических волнах (ОАВ), однако в настоящее время такие разработки недостаточно технологичны и не всегда могут обеспечить заданные требования по надежности, по устойчивости к внешним воздействиям, по кратковременной, температурной и долговременной стабильности, по эффективной перестройке частоты, без увеличения вносимых потерь фильтров или фазовых шумов генераторов.
В последние десятилетия в частотном диапазоне от 10 МГц до 2 ГГц в аппаратуре связи все активнее начинают применяться фильтры, генераторы и различные специализированные устройства обработки сигналов на ПАВ. Достоинства ПАВ устройств: интегральная технология; малые габариты и вес; прогнозируемая возможность получения хороших избирательных свойств у широкополосных и узкополосных ПАВ фильтров и высокой стабильности частоты у ПАВ генераторов.
Однако широкое применение ПАВ устройств в современной приемо-передающей радиоаппаратуре сдерживается различными нерешенными или решенными лишь частично проблемами. В частности, при разработке ПАВ устройств для современной приемо-передающей аппаратуры, необходимы несложные адекватные модели, пригодные для алгоритмизации и программной реализации задач анализа и синтеза при сравнительно небольших ресурсах программного времени. Существующие модели, алгоритмы, методики анализа и синтеза ПАВ устройств не учитывают многих важных факторов, требуют значительных машинных ресурсов, либо ввода начальных эмпирических данных. Для более широкого применения ПАВ устройств в трактах радиочастоты (РЧ) или промежуточной частоты (ПЧ) необходимо также решить задачи по разработке устройств с широким диапазоном плавной перестройки частоты, по обеспечению устойчивых одночастотных режимов работы ПАВ генераторов, минимизации у них мощности фазовых шумов, по уменьшению температурной зависимости характеристик. Поэтому разработка новых методик проектирования ПАВ устройств, новых принципов построения одночастотных ПАВ генераторов с малым уровнем фазовых шумов и с эффективной перестройкой частоты колебаний, способов улучшения температурной стабильности частоты является актуальной задачей в теоретическом и практическом плане.
Целью работы является разработка алгоритмов, методик анализа и синтеза ПАВ фильтров для одночастотных генераторов, а также разработка алгоритмов, методик анализа и синтеза перестраиваемых одночастотных генераторов с такими ПАВ фильтрами при обеспечении в генераторах приемлемого уровня фазовых шумов, а также улучшение температурной стабильности проектируемых устройств схемотехническими и топологическими способами.
Разрабатываемые ПАВ устройства предназначены для применения в приемо-передающей радиоаппаратуре КВ и УКВ диапазонов радиочастот.
Задачи работы следующие.
1 Исследовать существующие модели, алгоритмы и методики проектирования ПАВ фильтров, частотные и температурные характеристики разработанных в настоящее время ПАВ фильтров.
2 Разработать алгоритм проектирования ПАВ фильтров с малыми потерями для одночастотных генераторов, исследовать характеристики узкополосных и широкополосных фильтров.
3 Исследовать существующие схемотехнические решения ПАВ генераторов, алгоритмы и методики их проектирования, характеристики разработанных в настоящее время ПАВ генераторов.
4 Разработать алгоритм проектирования ПАВ генераторов для частотного диапазона от 10 МГц до 2 ГГц, обеспечивающих одночастотный режим работы. Разработать образцы ПАВ генераторов для данного частотного диапазона, исследовать их характеристики, в том числе возможности получения малых уровней фазовых шумов, эффективной перестройки частоты, высокой температурной стабильности частоты.
5 Разработать ПАВ устройства для современной приемо-передающей аппаратуры, обеспечивающие требования технических заданий.
Объектами исследования являются функциональные устройства приемо-передающей аппаратуры КВ и УКВ диапазонов радиочастот (фильтры, генераторы), разработанные на основе ПАВ структур.
Предметы исследования – алгоритмы, методики проектирования ПАВ фильтров и ПАВ генераторов, новые схемотехнические и топологические решения, обеспечивающие реализацию характеристик этих акустоэлектронных устройств, необходимых для современной приемо-передающей радиоаппаратуры.
Методы исследования.
Решение перечисленных выше задач выполнено с применением функции комплексного переменного, теории дифференциального и интегрального исчисления, теории линейных электрических цепей, теории электрических фильтров и генераторов, теории случайных процессов, программ моделирования.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректной постановкой задач исследования, строгостью применяемого математического аппарата, результатами адекватного моделирования фильтров и генераторов, подтвержденного экспериментальными исследованиями макетов и образцов устройств, публикациями в журналах из перечня ВАК и в других научных изданиях.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1 Разработан алгоритм проектирования ПАВ фильтров с малыми потерями для одночастотных генераторов, учитывающий возможность применения при проектировании различных моделей, описывающих излучение ПАВ, вторичные эффекты, S-параметры фильтра, требования к фазочастотной характеристике.
2 Предложена методика аналитического расчета эквивалентной добротности ПАВ фильтров, проведены исследования характеристик узкополосных и широкополосных ПАВ фильтров.
3 Проведен анализ схемотехнических решений ПАВ генераторов, методик проектирования, анализ их характеристик. Разработан алгоритм проектирования одночастотных ПАВ генераторов с малым уровнем шумов на основе S-параметров.
4 Предложена методика сравнительного теоретического анализа кратковременной нестабильности частоты, спектральных характеристик ПАВ генераторов и генераторов других типов на основе аналитических выражений теории электрических цепей.
5 Предложены новые схемотехнические решения для генераторов, обеспечивающие эффективную перестройку частоты, повышающие температурную стабильность частоты.
Практическая значимость работы.
На основе выполненных теоретических исследований и моделирования разработаны опытные образцы ПАВ устройств для КВ и УКВ диапазонов радиочастот.
Улучшение характеристик фильтров и генераторов достигнуто за счет использования разработанных методик (алгоритмов) проектирования, позволяющих учесть больший объем требований, необходимых для проектирования ПАВ устройств.
Предложены различные технические решения для получения в генераторах малых уровней фазовых шумов, эффективной перестройки частоты, лучшей температурной стабильности, что подтверждается внедрением разработанных устройств в новую приемо-передающую радиоаппаратуру, разработанную в ОАО «Омский НИИ приборостроения» и в ООО «Сфинкс-ЭД» (акт внедрения). Результаты данной работы могут быть также использованы в качестве базы для дальнейших исследований.
Апробация работы. Результаты работы представлялись на следующих научных конференциях:
1 г. Омск, региональные научно-практические (н.п.к.) и научно-технические конференции (н.т.к.), ОНИИП, 2010 г, ОМГТУ, 2011 г., ИРСИД , 2011 г.
2 г. Омск, международная н.т.к. «Радиотехника, электроника и связь», 2011г.
3 г. Омск, всероссийская н.т.к, «Наука, образование, бизнес», ИРСИД, 2012г.
4 г. Воронеж, международная н.т.к. «Радиолокация, навигация, связь», 2012г.
5 г. Новосибирск, XI международная н.т.к «Актуальные проблемы электронного
приборостроения», 2012г.
6 г. Омск, VIII международная конференция «Динамика систем, механизмов и машин», ОмГТУ, 2012г.
7 г. Красноярск, международная н.т.к. «Современные проблемы
радиоэлектроники», СФУ, 2012г.
8 г. Омск, всероссийская н.т.к, «Наука, образование, бизнес», ИРСИД, 2013г.
9 г. Томск, V международная н.п.к. «Актуальные проблемы радиофизики». – ТГУ, октябрь 2013г.
10 г.Омск, V Всероссийская н.т.к. «Россия молодая: передовые технологии – в промышленность».- ОмГТУ, 2013г.
Публикации. Результаты диссертации отражены в 24 публикациях. Из них, 5 публикаций в журналах и сборниках из перечня, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения и пяти глав основного текста. Объем 139 страниц, список литературы - 85 наименований.
