Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Качественные показатели радиотехнических систем различного назначения - радиосвязи, телевидения, радиолокации, радионавигации и радиоуправления - в значительной степени определяются параметрами входящих в них устройств Реализация все более возрастающих требований к системам по быстродействию, пропускной способности, электромагнитной совместимости, повышению чувствительности и помехоустойчивости приемных каналов, улучшению спектральной чистоты и ослаблению уровня побочных комбинационных компонентов передающих трактов требует повышения линейности и увеличения динамического диапазона составляющих их блоков- усилителей радиосигналов с фиксированным и регулируемым коэффициентами передачи, электрически управляемых аттенюаторов, синхронных детекторов.
Особенно остро проблема повышения линейности стоит перед разработчиками радиотехнических устройств, используемых в метрологии, поскольку увеличение динамического диапазона составляющих блоков позволяет улучшить метрологические характеристики и помехоустойчивость проектируемых измерительных систем
Приоритетное развитие и совершенствование активной элементной базы радиотехнических устройств в настоящее время происходит в полупроводниковых приборах, работающих на принципе полевого управления движением носителей, — полевых транзисторах (ПТ) Разработаны новые активные элементы, такие как полевые транзисторы с двумя затворами (полевые тетроды) и транзисторы с выводом подложки, в которых управление током выходного электрода осуществляется тремя (а не двумя, как в триодах) управляющими электродами (УЭ) Необходима разработка научных и технических основ моделирования и проектирования радиотехнических устройств, содержащих такие многоэлектродные активные элементы (МАЭ) Перспективна также разработка новых радиотехнических устройств на полевых тетродах с улучшенной помехоустойчивостью для использования в системах связи, в установках экспериментальной ядерной физики, в метрологии и т д
Таким образом, проблема разработки научных и технических основ проектирования, создания методик расчета новых радиотехнических усгройств, содержащих МАЭ и предназначенных для усиления, управления амплитудой и синхронного детектирования радиосигналов с повышенными динамическими диапазонами, и их использования в промышленности, связи и метрологии является актуальной
Нижняя граница динамического диапазона усилителей с фиксированным и регулируемым усилением, электрически управляемых аттенюаторов и синхронных детекторов определяется шумовыми свойствами ПТ, которые достаточно хорошо изучены, освещены в научно-технической литературе и в настоящей работе не затрагиваются Исключение сделано для кабельных линий
связи, нижняя граница динамического диапазона которых определяется наведенными помехами В телевидении повышение помехоустойчивости таких систем достигается подключением линии связи к устройству с дифференциальным входом Однако условия максимального увеличения динамического диапазона телевизионной системы «кабельная линия -дифференциальное устройство» (КЛ —ДУ) в известной литературе не определены
Верхняя граница динамического диапазона радиотехнических устройств определяется уровнем нелинейных искажений (НИ) Для анализа НИ использован предложенный в работах Н Винера и развитый трудами Б М Богдановича, Б.А Волкова, ЮЛ Хогунцева, А Г Жаркого, В Д. Дмитриева, А И Силютина, В Р. Снурницина, Нарайанана (S. Naraynan), Буссганга (J Bussgang), Грейама (J Graham), Эрмана (L. Ehrman), Бедросяна (Е Bedrosian) и других исследователей метод функциональных рядов Вольтерра, который определяет явную связь отклика y(t) и входного воздействия x(t)
ОО СО 00 п
И=1 —00 —ОО /—1
где h„ (Т], , х„ ) - ядро Вольтерра w-ro порядка
Метод применяется для анализа радиотехнических устройств при
ОО со
выполнении условий J . J %,(т], . ,ти) t/xj. dxn <оо И A„(t], ,т„) = 0 ,где
—СО -ОО
Tj „<0 и hm h„(xi, ,т„) = 0 Этим условиям удовлетворяют классы
*i .-*«> устройств передачи, приема и обработки информации, предназначенные для усиления, регулирования амплитуды и синхронного детектирования радиосигналов
Метод функциональных рядов Вольтерра позволяет рассчитывать широко используемые на практике нелинейные критерии, такие как сжатие, блокирование, собственная и перекрестная амплитудно-фазовая конверсия, интермодуляция, перекрестная модуляция, коэффициент гармоник Непосредственный расчет нелинейных критериев осуществляется через нелинейные передаточные функции (НПФ) - изображения ядер Фурье п-го
порядка Н„(щ, , ю„) = ] ] h„(т„. ,т„)^Ы+ +"а)Л, А,
—ОО —оО
Наиболее распространенный метод расчета НПФ - метод нелинейных токов (МНТ) Одна из нерешенных проблем этого направления заключалась в том, что разработанный примените!Йьно к одновходовым нелинейным устройствам МНТ не позволял рассчитывать устройства, содержащие нелинейные МАЭ, такие как полевые тетроды и полевые транзисторы с выводом подложки, при одновременном воздействии сигналов на различные УЭ В МАЭ, помимо нелинейного характера преобразования воздействий с
каждого УЭ на выход, присутствует взаимодействие сигналов с разных УЭ, обусловленное зависимостью параметров передачи МАЭ от уровня каждого из них Учет составляющих выходного тока МАЭ, обусловленных взаимодействием сигналов, поступающих с различных УЭ, позволяет применить МНТ для расчета НПФ радиотехнических устройств с МАЭ и развить научно-технические основы проектирования радиотехнических устройств
ЦЕЛЬ РАБОТЫ - разработка научно-технических основ проектирования, совершенствование методик моделирования и расчета, создание и внедрение устройств для усиления и преобразования радиосигналов с повышенными динамическими диапазонами на основе многоэлектродных активных элементов
Разработка методик и получение расчетных соотношений для определения выходного тока активных элементов с произвольным количеством управляющих электродов с целью обобщения метода нелинейных токов на класс цепей, содержащих многоэлектродные активные элементы.
Определение возможности аппроксимации вольт-амперных характеристик (ВАХ) полевых триодов и тетродов различных типов универсальной экспоненциально-степенной функцией
Исследование новых принципов использования полевых тетродов в усилителях с регулируемым коэффициентом передачи
Исследование влияния входного синфазного сопротивления дифференциального устройства на динамический диапазон телевизионной системы «кабельная линия - дифференциальное устройство» с целью повышения ее помехоустойчивости и качества передачи информации
Исследование возможности применения синхронных детекторов в устройстве измерения импедансов двухполюсных электрических цепей для повышения точности измерений
Разработка новых принципов работы устройства измерения импедансов двухполюсных электрических цепей
Совершенствование научно-технических основ построения, создание и внедрение в системы различного назначения устройств с повышенными динамическими диапазонами, содержащих многоэлектродные активные элементы
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ В работе использованы методы теории линейных и нелинейных электрических цепей, матричного исчисления, функциональных разложений Вольтерра, аналитических функций многих переменных, комбинаторной математики, численного моделирования, экспериментальных исследований
НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы определяется развитием методов анализа и моделирования радиотехнических устройств, содержащих многоэлектродные активные элементы, и созданием на этой основе новых устройств для усиления и преобразования радиосигналов, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны Научной новизной, в частности, обладают следующие основные результаты работы
Развитие метода нелинейных токов обобщением его на классы устройств передачи, приема и обработки информации, предназначенных для усиления, регулирования амплитуды и синхронного детектирования радиосигналов, содержащих мкогоэлектродные активные элементы, которое достигнуто получением новых соотношений для определения выходного тока активных элементов с произвольным количеством управляющих электродов
Метод моделирования вольт-амперных характеристик ПТ различных типов на основе экспоненциально-степенной аналитической функции, учитывающей основные особенности транзисторов. неидентичность элементарных структур, электростатическую обратную связь, полевую зависимость подвижности, влияние подложки и наличие второго затвора в полевых тетродах.
Новый принцип использования полевых тетродов в регулируемых усилителях, заключающийся в одновременном взаимозависимом изменении напряжений смещения на обоих затворах в процессе регулирования коэффициента передачи Доказано существование определенной функциональной взаимозависимости напряжений смещения первого и второго затворов, при которой достигаются минимальные нелинейные искажения
Повышение качества передачи информации и помехоустойчивости телевизионных систем «кабельная линия — дифференциальное устройство» путем увеличения входного синфазного сопротивления дифференциального устройства
Доказательство возможности применения синхронных детекторов в устройстве измерения сопротивлений двухполюсных электрических цепей методом амперметра-вольтметра для повышения точности измерений
Новые принципы работы устройства измерения импедансов двухполюсных электрических цепей, позволяющие расширить его функциональные возможности и увеличить диапазон измеряемых величин
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ заключается в разработке, создании и внедрении устройств усиления и преобразования радиосигналов с повышенными динамическими диапазонами в радиотехнические и измерительные системы, что позволило повысить качество передачи информации, помехоустойчивость и электромагнитную совместимость этих систем
Созданы новые методики проектирования радиотехнических устройств, содержащих многоэлектродные активные элементы
— методика режимной минимизации нелинейных искажений усилителей с
фиксированным и регулируемым усилением, электрически управляемых
аттенюаторов на полевых транзисторах и ее математическое обеспечение,
- методика определения параметров эквивалентных схем полевых
транзисторов
Разработаны новые устройства для усиления и преобразования радиосигналов На семь новых устройств получены авторские свидетельства и патенты на изобретения [39-45], два технических решения защищены свидетельствами на полезную модель [46-47]
Под руководством и при непосредственном участии автора созданы и внедрены следующие разработки
Корректоры затухания в линии связи (Институт космофизических исследований и аэрономии Якутского филиала Сибирского отделения Академии наук СССР, 1983 г ).
Усилитель-ограничитель (п/я А-3565,1981 г )
Устройства коррекции видеосигналов (Корякская государственная телевизионная и радиовещательная компания «Палана», 2001 г)
Устройства подавления фоновых помех телевизионных сигналов (ООО «Сигма Телеком», г Сосновоборск Красноярского края, 2005 г)
Кабельные корректоры 2КТВ-3 (Норильский радиотелевизионный передающий центр, г Норильск, 2000 г )
Устройства коррекции сигналов вещательного телевидения (ООО ИПК «ТВС», г Глазов, Удмуртия, 2001 г )
Кабельные корректоры «Краб» (ООО «Телерадиокомпания «Глазов», г Глазов, Удмуртия, 2002 г)
Устройство коррекции видеосигналов вещательного телевидения с повышенным входным синфазным сопротивлением (ЗАО «Акционерная компания «Алроса», г. Мирный, республика Саха, Якутия, 2006 г)
Устройство коррекции качественных показателей ТВ соединительной линии «АПБ МУ ТРК Братск - АТРС 5/0 5 2ТВК» (Российская телевизионная и радиовещательная сеть, радиотелевизионный передающий центр г Братск, 2001 г.)
Корректор-инвертор (ЗАО «Телекомпания ТВ-2», г Томск, 2006 г )
Корректор частотно-зависимых потерь в кабельной линии связи (ООО «Студия «Алиса», г Томск, 2000 г )
Индикатор сопротивлений линий проводного вещания (Томский филиал ОАО «Сибирьтелеком», г Томск, 1997 г )
Устройство для измерения сопротивлений двухполюсных электрических цепей (ООО «Вектор», г Томск, 2007 г )
14 Измерители сопротивлений линий ИСЛ-А1 (Владивостокский центр
электросвязи Приморского филиала ОАО «Дальсвязь», г Владивосток, 2007 г)
15 Измерители сопротивлений линий ИСЛ-АФ (ТОО Test Instrument,
г Алматы, республика Казахстан, 2005 г)
Измерители сопротивлений линий проводного вещания (Челябинский городской узел электросвязи ОАО «Уралсвязьинформ», г Челябинск, 2002 - 2005 гг, Бурятский филиал ОАО «Сибирьтелеком», г Улан-Уде, 2004 г)
Измерители сопротивлений линий проводного вещания (Ростовский филиал ОАО «Южная телекоммуникационная компания», г Ростов-на-Дону, 2002-2005 гг)
Измерители сопротивлений линий ИСЛ (Витебский филиал республиканского унитарного предприятия связи Белтетеком, г Витебск, республика Беларусь, 2005 г )
Измерители сопротивлений линий (ООО «Белприборкомплект», г Витебск, республика Беларусь, 2007 г)
Документы о внедрении разработанных устройств приведены в приложении к диссертационной работе.
Результаты внедрения диссертационной работы имеют межгосударственный уровень Разработанный на основе проведенных исследований и серийно выпускаемый «Измеритель сопротивлений линий» сертифицирован и допущен для применения в качестве средства измерения Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии России и комитетом по стандартизации, метрологии и сертификации республики Беларусь [48,49]
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники при дипломном проектировании, учебно- и научно-исследовательской работе студентов, в лабораторном практикуме и курсовом проектировании по базовым дисциплинам «Схемотехника аналоговых электронных устройств», «Теория управления и радиоавтоматика» для студентов специальностей 210302 «Радиотехника», 210304 «Радиоэлектронные системы», 090103 «Организация и технология защиты информации» и 090104 «Комплексная защита объектов информатизации»
