Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из основных тенденций в развитии со-іременньїх радиотехнических устройств и систем является разработка энерго- и іесурсосберегаюших методов формирования, усиления и фильтрации сигналов, юторые должны приводить к минимизации потерь энергии, массы, габаритов и подмости рассматриваемых устройств.
Реактивные фильтрующие цепи, которые являются неотъемлемой частью (адиотехничесюгх устройств, во многом определяют указанные выше показате-іи эффективности. Так, в транзисторных радиопередатчиках, использующих інергетическн эффективные ключевые режимы усиления, вес и габариты [зильтрующих устройств, построенных традиционными методами, может дости-ать 50-70% от общего веса и габаритов радиопередающего устройства. В такой :итуаиии дальнейший рост эффективности радиопередающих и преобразовательных устройств сдерживается нерешенными проблемами снижения и минимизации массогабаритных характеристик фильтрующих цепей. Особую акту-шьность эта проблема приобретает при проектировании и модернизации мощ-іьіх и сверхмощных СДВ радиопередающих устройств, фильтрующие и согла-:ующие цепи которых занимают объемы, исчисляемые сотнями кубометров. 1ля радиотехнических устройств, предназначенных для установки на подвиж-іьіх объектах, например для самолетных радиопередатчиков, условие мнними-:ации массы и габаритов также является определяющим.
Классическая теория синтеза реактивных четырехполюсников, каковыми івляются LC-фнльтры, сложилась в 40-е годы нынешнего столетия. Основопо-южниками ее были В. Кауэр и С. Дарлингтон. В последующие годы теория :интеза реактивных четырехполюсников по заданным частотным характеристи-:ам разрабатывалась в трудах отечественных и зарубежных ученых: А.Ф. Бе-іецкого, А.Е. Знаменского, А.А. Ланнэ, И.И. Трифонова, Я.А. Собенина, Э.А. "иллемина, Д.А. Калахана, Г.С. Темеша, С.К. Митры и многих других. Полу-іила развитие теория синтеза так называемых формирующих фильтров по за-шшым временным характеристикам. В этой области следует отметить работы Л.М. Айзинова, А.Д. Артыма, П.Н. Матханова и Н.С. Кочанова.
Одним из основных направлений современного синтеза фильтрующих іепей является оптимальный синтез. В настоящее время наиболее развиты ме-оды оптимального синтеза, в которых минимизируется порядок или число дементов цепи. Однако число элементов не является адекватным показателем іассьі и габаритов фильтра. Во многих случаях в качестве такого показателя іспользуют суммарную запасаемую энергию во всех индуктивностях и во всех мкостях цепи. Реактивная энергия определяет также потери энергии и пара-іетрическую чувствительность характеристик фильтрующих цепей.
Основные теоретические результаты исследования энергетических функцій реактивных четырехполюсников были опубликованы в 70-х годах и отно-
сятся к LC-четырехполюсникам с двухсторонней нагрузкой. С тех пор не был< опубликовано новых результатов, касающихся энергетических функций реак тивных четырехполюсников, а задача синтеза частотных фильтров с минималь ной реактивной энергией вообще не разработана и в литературе не рассматри валась. Известны лишь постановки' частных задач оптимизации массогабарит ных показателей для сглаживающих фильтров выпрямителей и для реактивны? двухполюсников, используемых в качестве фильтров некоторых преобразова тельных устройств. Этот пробел особенно ощущается в настоящее время, когд; вновь проявляется интерес к исследованию энергетических функций как уни версальных показателей эффективности электрических цепей.
Как было отмечено выше, параметрическая чувствительность и стабильность реактивных фильтров также определяется их энергетическими функциями. Это следует из энергетической теории чувствительности RLC - цепей. Следовательно, методы синтеза фильтрующих цепей со стабильными характеристиками и с минимальной реактивной энергией тесно связаны между собой і имеют общую теоретическую основу.
Необходимо отметить, что отклонения характеристик от номинальных значений обусловлены нестабильностью и производственным разбросом параметров элементов и практически всегда имеют место. Синтез фильтров со стабильными характеристиками является одной из актуальных проблем радиоэлектроники. Лестничные LC-фильтры часто используют как фильтры-прототипы при реализации активных RC-фильтров, для которых проблема стабильности характеристик стоит наиболее остро. Поэтому развитие методов анализа и синтеза малочувствительных реактивных фильтров является не только самостоятельной актуальной задачей, но и имеет значение при реализации электронных и цифровых фильтрующих цепей.
Сказанное относится также к формирующим фильтрам, которые используются для генерирования импульсов требуемой формы и проектируются по заданным временным характеристикам. При синтезе и эксплуатации таких цепей предъявляются весьма жесткие требования к точности и стабильности их переходных характеристик, что свидетельствует об актуальности развития методов анализа и синтеза стабильных фильтрующих цепей по их временным характеристикам.
На основании энергетической теории чувствительности обоснованы свойства инвариантности (независимости от реализующей схемы) сумм параметрических функций чувствительности по элементам одного вида для реактивных четырехполюсников. Инварианты суммарных показателей чувствительности широко используются для конструирования критериев стабильности характеристик электрических цепей. Поэтому совершенствование методов анализа и синтеза фильтрующих цепей со стабильными характеристиками связано в первую очередь с дальнейшим развитием теории инвариантности сумм параметрических функций чувствительности.
Таким образом, постановка и решение актуальных задач оптимального синтеза по рассматриваемым критериям массы, габаритов, потерь энергии и :табильности характеристик сдерживается недостаточной разработанностью теории и методов исследования энергетических функций фильтрующігх цепей. Развитие и обобшение этой теории позволит произвести всесторонний анализ эассматриваемых показателей эффективности, выявить их фундаментальные :войства, определить зависимости их от основных функций проектируемой це-іи, научно обосновать методы их оптимизации и корректно поставить задачи эптимального синтеза.
Цель и основные задачи работы. Целью данной работы является развитее теории и совершенствование методов исследования энергетических функ-іий и связанных с ними показателей параметрической чувствительности реак--ивных четырехполюсников и на этой основе разработка инженерных методик, ілгоритмов и программ анализа, синтеза и оптимизации фильтрующих цепей )адиотехническнх устройств по критериям массы, габаритов и стабильности :арактеристик.
Для достижения этой цели в диссертации решаются следующие основные адачи:
-
Теоретическое исследование энергетических характеристик реактивных іетьірехполюсников, работающих в различных режимах подключения нагрузки. Іаучное обоснование фундаментальных свойств энергетических функций и грннципов синтеза LC-фильтров с минимальной реактивной энергией.
-
Развитие алгоритмов расчета и численный анализ энергетических функций лассических реактивных фильтров в частотной и временной областях. Иссле-:ование влияния на энергетические функции вида характеристики затухания, а акже процессов установления в фильтрующих цепях.
-
Теоретическое обоснование и практическая разработка методов синтеза и птимизации LC-фильтров с минимальными реактивной энергией, массой и га-аритами.
-
Распространение теории энергетических функций на характеристики ста-ильности реактивных четырехполюсников. Теоретическое исследование и бобщение свойств инвариантности суммарных показателей параметрической увствительности электрических цепей в частотной и временной областях. Раз-аботка критериев стабильности фильтрующих и формирующих цепей.
-
Постановка задачи оптимального параметрического синтеза фильтрующих епей со стабильными характеристиками и разработка алгоритмов ее решения.
-
Программная реализация разработанных методов анализа и синтеза реак-івньіх фильтров, получение табулированных решений, а также внедрение соз-знных инженерных методик в практику проектирования, модернизации и со-фшенствования выходных трактов мощных радиопередающих и преобразованных устройств.
Методы исследовании. Теоретические исследования базируются на ис-эльзованни фундаментальных положений теории электрических цепей, в част-
ности теоремы Телледжена, а также методов теории чувствительности, теории аппроксимации функций и оптимального синтеза.
Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту. В работе получены новые научные результаты в исследовании энергетических функций и связанных с ними суммарных показателей параметрической чувствительности реактивных четырехполюсников, на основании которых разработаны методы анализа и синтеза LC-фильтров, обеспечивающие минимизацию массы, габаритов, потерь энергии и нестабильности характеристик фильтрующих цепей и которые направлены на решение крупной научно - технической проблемы по созданию энерго - и ресурсосберегающих методов формирования и фильтрации радиотехнических сигналов.
В диссертационной работе защищаются следующие основные научные положения:
-
Развитие энергетической теории реактивных четырехполюсников, на основании которого научно обоснованы принципы минимизации реактивной энергии фильтрующих цепей, приводящие к повышению эффективности их функционирования и к снижению их массогабаритных показателей.
-
Эффективные методы анализа энергетических характеристик и их параметрических функций чувствительности в частотной и временной областях, позволившие произвести численное исследование и оптимизацию реактивной энергии классических LC-фильтров.
-
Впервые разработанные методы синтеза и оптимизации LC-фильтров с минимальными реактивной энергией, массой и габаритами, а также их обобщение для синтеза реактивных фильтров по критериям стабильности характеристик.
-
Развитие и обобщение теории инвариантности суммарных показателей чувствительности функций электрических цепей, на основании которых разработаны критерии стабильности и обоснованы принципы синтеза стабильных фильтрующих и формирующих цепей.
-
Метод оптимального параметрического синтеза электрических цепей с учетом нестабильности параметров элементов, отличительная особенность которого состоит в том, что рассматриваемая при синтезе функция цепи является функцией двух независимых переменных - частоты (времени) и коэффициента дестабилизации, который позволяет учесть изменяющийся под действием дестабилизирующих факторов характер функции цепи. Решение проблемы конструирования стабильных аппроксимирующих функций фильтрующих цепей.
Практическая ценность работы заключается в том, что проведенные теоретические исследования послужили основой для разработки новых инженерных методов анализа и синтеза реактивных фильтров, которые обеспечивают минимизацию массы, габаритов, потерь энергии и нестабильности характеристик фильтрующих и формирующих цепей и направлены на решение актуальной проблемы по созданию энерго- и ресурсосберегающих методов формирования и фильтрации сигналов в мощных радиотехнических и преобразова-
тельных устройствах. Указанные методы реализованы в пакете прикладных программ, которые приведены в приложениях к диссертации и использованы при проектировании и модернизации ряда конкретных радиопередатчиков среднего и длинного диапазонов волн.
Основные научные положения диссертации служат методической базой для создания новых учебных курсов радиотехнического профиля, а также для курсового, дипломного проектирования и аспирантских исследований.
Внедрение результатов диссертационной работы. Теоретические и практические результаты диссертации широко применялись в научно - исследовательских работах, проводимых на кафедре ТЭЦ СПбГУТ совместно с Российскими институтами мощного радиостроения (РИМР), радионавигации и времени (РИРВ) и другими организациями. Разработанные инженерные методы анализа и синтеза стабильных формирующих цепей послужили основой для создания в 80-е г. ряда мощных прецизионных импульсных модуляторов для ускорителей заряженных частиц. Предложенные в диссертации методы синтеза реактивных фильтров с минимальными массогабаритными характеристиками внедрены при модернизации и проектировании отечественных мощных связных и радионавигационных передатчиков. Некоторые теоретические положения диссертации используются в учебном процессе кафедры ТЭЦ университета. Внедрение результатов диссертации подтверждено соответствующими актами.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на научных семинарах кафедр ТЭЦ СПбГУТ и ТОЭ СПбТУ, Санкт-Петербургского отделения международной энергетической академии (1999), «Параметрическая чувствительность и надежность РЭА» (Москва, 1977) и «Широкополосные усилители и фильтры» (Москва, 1977), докладывались и обсуждались на Всесоюзной школе «Чувствительность систем управления» (Владивосток, 1975), на первой Всесоюзной НТК молодых ученых и специалистов отрасли связи (Москва, 1976), на всесоюзной НТК «Проблемы теории чувствительности электронных и электромеханических систем» (Москва, 1978), а также на научно - технических конференциях НТОРЭС им. А.С. Попова (1973,1975) и профессорско-преподавательского состава СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича (1974 -1999).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 54 научные работы, в том числе 37 статен в научных журналах и сборниках, 16 тезисов научных докладов и одно авторское свидетельство на изобретение.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений и списка литературы, включающего 211 наименований. Диссертация изложена на 252 страницах, содержит 45 рисунков и 20 таб-пиц.
