Введение к работе
Актуальность темы В настоящее время одним из направлений развития радиотехнической отрасли народного хозяйства является совершенствование радиотехнических систем, повышение качества их функционирования в различных диапазонах частот Важной составляющей этого процесса является разработка и внедрение новой элементной базы и совершенствование технологии ее производства Весьма распространенными элементами устройств формирования и обработки радиосигналов являются линии задержки (ЛЗ) Они входят в состав автокорреляционных и когерентных демодуляторов, генераторов, фильтров различных типов, а также систем со сжатием и накоплением импульсов Теоретическими разработками в этой области занимается большой круг специалистов, например, Ю В Гуляев, Ю К Фетисов, А В Ваш-ковский, Б А Калиникос, К Е Паттон, Дж Д Адам, М Р Даньела, С Н Ститцер, В С Исхак Существенные достижения в практических разработках принадлежат фирмам Rockwell International, Westinghouse electee corp, Rome Air Development Center, University of Texas Применение качественных ЛЗ для диапазона СВЧ позволяет формировать и обрабатывать сигналы непосредственно на несущей частоте сигнала, то есть без дополнительного преобразования частоты Новым и прогрессивным направлением развития ЛЗ являются ЛЗ на магнитостатических волнах (МСВ) Проведенные в последние годы исследования показали перспективность создания и применения широкого спектра различных по назначению элементов и устройств, основанных на использовании МСВ Основными преимуществами МСВ устройств являются
широкий диапазон рабочих частот (1-20 ГГц),
эффективная зависимость основных параметров и характеристик магнитостатических волн, распространяющихся в тонких пленках феррита железо-иттриевого граната от внешнего магнитного поля, что позволяет создать управляемые устройства,
возможность оперативно подстраивать характеристики,
большие функциональные возможности,
малые массогабаритные показатели и энергопотребление,
- единая технология изготовления многих функциональных элементов
Публикации Г М Вапнэ, А К Звездина по устройствам на МСВ охватывают более десятка их возможных применений Наиболее отработанными устройствами на МСВ на сегодняшний день являются фильтры, резонаторы, направленные ответвители, бездисперсионные и дисперсионные ЛЗ Имеются сообщения и о других устройствах на МСВ, уже разработанных или находящихся в стадии лабораторных испытаний
Что касается устройств формирования и обработки сигналов, то здесь давно разработаны и успешно функционируют устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ) Однако до настоящего времени предельным значением рабочей частоты для них являются частоты порядка 1,5 ГГц В основном такие устройства работают на частотах в несколько раз более низких На частотах выше 1,5 ГГц затухание ПАВ становится чрезмерно большим, а размеры элементов управления их распространением чрезвычайно малыми, из-за чего создание и использование устройств на ПАВ на частотах свыше 1,5 ГГц практически невозможно К размерам же преобразователей МСВ таких жестких требований не предъявляется, а их затухание на этих частотах существенно меньше Таким образом, такие операции, как формирование и сжатие некоторых видов сложных сигналов в СВЧ диапазоне, могут быть доступны на сегодняшний день только на ЛЗ на МСВ
Следует отметить также диапазон задержек в области СВЧ, который обеспечивают существующие ЛЗ на МСВ от единиц наносекунд до 1-2 мкс, и является неосвоенным для современных СВЧ устройств задержки При использовании в устройствах формирования и обработки сигналов СВЧ диапазона ЛЗ на ПАВ, приборах с зарядовой связью (ПЗС) и цифровых приходится осуществлять преобразование частоты хотя бы до 1 -ой промежуточной частоты
Важной отличительной особенностью устройств на МСВ, независимо от их функционального назначения, является то, что все они базируются на идентичной технологической основе и конструктивно чрезвычайно похожи, что вместе с присущей им планарностью дает возможность для их интеграции
Применение устройств на МСВ, в частности ЛЗ на МСВ, в устройствах формирования и обработки сигналов позволит не только улучшить электрические характеристики, но и расширить функциональные возможности, упростить структуру и сократить аппаратурный состав, а также уменьшить массогабарит-ные характеристики и энергопотребление радиоэлектронной аппаратуры
Все сказанное выше, а также постоянное развитие технологии создания устройств на МСВ, делает актуальным более детальное исследование характеристик устройств на МСВ, в частности ЛЗ на МСВ, а также разработку устройств формирования и обработки сигналов на их основе и исследование их качественных характеристик Анализ показал, что в работах, посвященных этим направлениям, недостаточно исследованы практические аспекты применения элементов на МСВ В основном они связаны с физическими принципами работы и технологией получения устройств на МСВ Все вышесказанное определяет актуальность данной работы, направленной на создание методов и устройств формирования и обработки радиосигналов на МСВ
Целью работы является разработка и исследование методов и устройств формирования и обработки сигналов в СВЧ диапазоне с использованием ЛЗ на МСВ
Поставленная цель достигается решением следующих основных задач
-
Анализ различных типов СВЧ ЛЗ и исследование характеристик ЛЗ на основе МСВ
-
Разработка и исследование методов и устройств формирования радиосигналов с использованием ЛЗ на МСВ
анализ методов и устройств формирования сигналов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ),
разработка методов формирования сигналов с ЛЧМ и минимальной частотной манипуляцией (МЧМ) с помощью ЛЗ на МСВ и экспериментальное исследование характеристик,
разработка и исследование генератора сигналов с использованием ЛЗ на МСВ
3 Разработка и исследование методов и устройств обработки радиосигналов с
использованием ЛЗ на МСВ
анализ влияния параметров ЛЗ на помехоустойчивость когерентного и автокорреляционного демодуляторов,
анализ влияния параметров ЛЗ на качество работы адаптивного фильтра,
разработка и исследование преобразователя частоты сигналов на основе ЛЗ на МСВ
Методы исследования методы статистической радиотехники, экспериментальные исследования, компьютерное моделирование В работе использованы современные методы расчета и пакеты прикладных программ MATLAB 7 и Simuhnk 6
Научная новизна работы заключается в следующем
-
Впервые дана оценка основных характеристик ЛЗ на МСВ для целей формирования и обработки МЧМ сигналов
-
Предложен новый метод формирования ЧМ сигналов с использованием ЛЗ на МСВ
-
Впервые проведена оценка помехоустойчивости
оптимального когерентного приемника сигналов с минимальной частотной манипуляцией (МЧМ) при использовании ЛЗ на объемных акустических волнах (ОАВ), ПАВ и МСВ,
автокорреляционного демодулятора сигналов МЧМ при использовании ЛЗ на ОАВ, ПАВ и МСВ
4 Для оптимального когерентного демодулятора МЧМ сигнала аналитически
получено выражение, иллюстрирующее качество его работы в зависимости от
точности выполнения ЛЗ
Практическая ценность работы заключается в следующем
-
Проведенный анализ различных типов СВЧ ЛЗ и результаты экспериментальных исследований МСВ ЛЗ могут быть полезны при разработке аппаратуры СВЧ диапазона (используются в НИИ информатики в НИР "Волна")
-
Разработанный метод экспериментальных исследований может быть использован при определении характеристик устройств на МСВ различных типов
-
Получены результаты расчетов и разработан автогенератор СВЧ диапазона с колебательным элементом в виде ЛЗ на МСВ (использованы в ОАО "НИИ ВК им М А Карцева" в работах, направленных на совершенствование аппаратуры системы связи)
-
Разработан модулятор ЧМ сигналов на основе ЛЗ на МСВ (использовано в ОАО "НИИ супер ЭВМ")
-
Разработан преобразователь частоты сигналов на ЛЗ на МСВ (внедрено в ОАО "НИИ ВК им М.А Карцева")
-
Полученные оценки помехоустойчивости оптимального когерентного приемника и автокорреляционного демодулятора сигналов МЧМ полезны при выборе используемых в них элементов задержки (использовано в ОАО "НИИ супер ЭВМ" при выработке рекомендаций по построению аппаратуры систем связи для радиоканалов, подверженных влиянию помех)
Результаты работы внедрены на предприятиях ОАО "НИИ Вычислительных комплексов им М А Карцева", ОАО "НИИ супер ЭВМ", НИИ информатики, в учебном процессе МИРЭА
Работа выполнена при поддержке гранта ИНТАС ГРАНДС-1812 "Исследование спинволновых процессов в ферромагнитных пленках и их применение для обработки СВЧ-сигналов", 1999-2002 г
Апробация работы Основные положения диссертации докладывались на следующих научных конференциях
-
48-ой, 49-ой, 55-ой и 56-ой научно-технической конференции МИРЭА (Москва, 1999, 2000, 2006 и 2007 гг ),
-
Международная конференция стран СНГ «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию для устойчивого развития проблемы и новые решения» (Москва, 1999 г ),
-
Шестая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов (Москва, 2000 г ),
-
III Международная научно-техническая школа-конференция "Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике", "Молодые ученые-2005" (Москва, 2005 г ),
-
IV Международная научно-техническая конференция "Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения" (INTERMATIC-2005) (публ Москва, 2006)
Публикации По материалам диссертации опубликовано 13 работ, из них 7 статей - в изданиях, включенных в Перечень ВАК, 8 тезисов докладов - в трудах Международных и Всероссийских научно-технических конференций и научных сессий, из них 3 доклада опубликованы полностью, 2 статьи депонированы в ВИМИ
Положения, выносимые на зашиту
-
Линии задержки на МСВ в диапазоне 1,5-20 ГГц превосходят по вносимым потерям и температурной стабильности линии задержки, применяемые в настоящее время в СВЧ диапазоне, и оперативное управление их параметрами позволяет создавать на их основе новые методы и устройства формирования и обработки сигналов
-
Метод преобразования частоты радиосигналов на основе управляемой линии задержки на МСВ, позволяющий получить преобразование частоты выше и ниже от частоты входного сигнала При этом уровень побочных составляющих не превышает -30 дБ при нелинейности управляющего сигнала 5%, что значительно лучше, чем при использовании классического гетеродина
-
Модель, описывающая влияние нестабильности линий задержки на помехоустойчивость корреляционного и автокорреляционного демодуляторов, показывающая, что наилучшие значения помехоустойчивости достигаются при использовании линий задержки на МСВ, за счет лучшей температурной стабильности этих линий задержки, меньшего вносимого затухания и неравномерности АЧХ
-
Методы формирования частотно-модулированных сигналов (в том числе и с непрерывной фазой) на основе управляемой линии задержки на МСВ, обеспечивающие возможность оперативного изменения параметров модуляции (несущей частоты, индекса модуляции) путем изменения параметров линии задержки
-
Модель адаптивного режекторного фильтра с линией задержки на МСВ, позволяющая утверждать, что качество режекции гармонической помехи в этом случае лучше, чем при использовании ЛЗ на ПАВ и ОАВ, за счет лучшей температурной стабильности этих линий задержки, меньшего вносимого затухания и
неравномерности АЧХ Энергетический выигрыш при приеме сигналов МЧМ на фоне гармонической помехи составили 1 дБ и 2,5 дБ, соответственно
Структура диссертации Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения Общий объем работы 145 страниц, в том числе 57 рисунков, 8 таблиц, библиография 107 наименований, приложение
