Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время все больше расширяется область применения электронных устройств, что усложняет выполняемые ими функции и повышает требования к их показателям качества. К числу наиболее важных электронных устройств в современной технике связи относятся селективные устройства. Существенное ужесточение требований к таким устройствам по избирательности, стабильности частотных характеристик, динамическому и частотному диапазонам вызывает необходимость системного подхода к их проектированию и производству с использованием современного элементного базиса.
В диапазоне рабочих частот фильтрового оборудования систем передачи информации (f = 0,3....150кГц) наиболее целесообразно применение ARC-элементного базиса, отличающегося высокими потенциальными возможностями по миниатюризации фильтровых устройств, обеспечению управляемости характеристик, достаточно высоким динамическим диапазоном и экономичностью. В указанном диапазоне частот ARC-базису уступают LC-базис по габаритновесовым показателям, цифровой -по экономичности, С-коммутируемые элементы - по величине динамического диапазона.
Вопросам синтеза фильтровых устройств в ARC-элементном базисе уделялось много внимания как отечественными, так и зарубежными специалистами. Однако синтез оптимальных ARC-схем развит недостаточно полно. Так, в большинстве работ в основном решается задача параметрического синтеза для определенной структуры цепи и критерия оптимальности, что оставляет открытым вопрос о единственности решения подобной задачи, поскольку не всегда учитываются структурные признаки. Поэтому развитые в последние годы топологические методы синтеза в работах Ю.М. Колниболотского, А.Г. Остапенко, A.M. Сучилина, Ю.И. Лы-паря позволяют более полно учитывать технико-экономические требования, однако оптимизация в пространстве структур ARC-четырехполюсников в этих работах не используется. Язно, что поиск лучшей схемы ARC-устройства путем перебора имеющихся схем и сравнения их между собой не ведет к глобальному оптимальному решению задачи синтеза. Поэтому определение оптимальной структуры ARC-устройств, а затем и топологии является весьма эффективным решением задачи оптимального синтеза.
В некоторых научных работах показано, что оптимальными с точки зрения обеспечения максимальных динамического и частотного диапазонов являются реализации фильтровых звеньев второго порядка на двух усилителях. Однако при реализации передаточных функций высокого по-
рядка и каскадным соединением звеньев второго порядка потребуется 7 ]\[а = п усилителей, что ведет к достаточно большой величине потреб- ! ляемой энергии. Поэтому увеличение порядка звена на ^двух усилителях позволит повысить экономичность ARC-устройства, так "как число усилителей даже при использовании звеньев третьего порядка составит ДГа = 2я/3. То есть, с целью обеспечения высоких показателей качества (стабильности, частотного и динамического диапазонов, экономичности) целесообразно применение ARC-звеньев третьего порядка. Однако вопросам синтеза сложных фильтровых устройств на звеньях третьего порядка в научных работах уделялось мало внимания Имелись только отдельные публикации по реализации звеньев третьего порядка
(Л.П.Хьюлсман, Ю.И. Лыпарь, Н.Н. Балтруков), а вопросы построения оптимальных звеньев третьего порядка не рассматривались.
Для построения сложных ARC-фильтровых устройств на звеньях третьего порядка необходимо также соответствующее решение задачи аппроксимации постоянной амплитудно-частотной характеристики полиномами третьего порядка. Решения подобной задачи в известных источниках литературы не рассматривались.
Таким образом, вопросы синтеза ARC-фильтровых устройств на звеньях третьего порядка (построение передаточных функций с использованием множителей третьего порядка, разработка оптимальных структур и топологий ARC-звеньев третьего порядка) исследованы не в полной мере, поэтому исследования в области синтеза оптимальных ARC-фильтровых устройств на звеньях третьего порядка являются весьма актуальными.
Цель и задачи исследований. Целью работы является исследование и разработка методов проектирования, сложных ARC-фильтровых устройств с высокими показателями качества, необходимыми для использования в современной многоканальной аппаратуре связи.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Определить оптимальные полиномы, аппроксимирующие частотные характеристики в виде сомножителей третьего порядка.
-
Определить критерий оптимальности ARC-фильтровых звеньев третьего порядка и предельные реализационные возможности различных структур звеньев.
-
Разработать структурно-топологические методы построения оптимальных ARC-фильтровых устройств с максимальными значениями частотного и динамического диапазонов, стабильности и экономичности.
-
Разработать методику и алгоритмы автоматизированного проектирования микрозлектронных фильтровых устройств аппаратуры связи.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались математическое и физическое моделирование, современные методы анализа и синтеза радиотехнических цепей, методы и алгоритмы оптимизации показателей качества в пространстве структур, топологий и параметров цепей, в том числе на современных ЭВМ.
Научная новизна работы, состоит в следующем:
-
Разработан алгоритм построения математических моделей требуемых амплитудно-частотных характеристик функциями минимального порядка с использованием множителей третьего порядка.
-
Разработана методика построения передаточных функций, обеспечивающих аппроксимацию требуемых характеристик с наибольшей крутизной убывания за полосой аппроксимации.
-
Определен критерий оптимальности ARC-звеньев третьего порядка и установлены предельные реализационные возможности звеньев на одном и двух активных элементах.
-
Разработаны методики структурно-топологического синтеза ARC-фипьтровых звеньев третьего порядка, обеспечивающих высокие показатели качества: стабильность частотных характеристик, высокий динамический и широкий частотный диапазоны, высокую экономичность.
-
Разработаны алгоритмы автоматизированного проектирования ARC-фильтровых устройств на звеньях третьего порядка.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Математическая модель амплитудно-частотных характеристик в виде сомножителей третьего порядка.
-
Методика построения передаточных функций с нулями передачи в виде сомножителей третьего порядка.
-
Критерий оптимальности ARC-звеньев третьего порядка, минимизация которого обеспечивает максимальные значения частотного и динамического диапазонов, стабильности частотных характеристик и экономичности.
-
Схемотехнические решения задачи построения оптимальных ARC-звеньев третьего порядка.
-
Методики и алгоритмы автоматизированного синтеза фильтровых устройств на звеньях третьего порядка.
Практическая ценность работы. Полученные в диссертационной работе результаты позволяют построить высокоселективные микроэлектронные фильтровые устройства для современной аппаратуры связи в диапазоне частот до единиц МГц с динамическим диапазоном до 100 дБ с высокой избирательностью и стабильностью частотных характеристик, которые нашли применение в разработках многоканальной аппаратуры связи.
.>
Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты диссертационной работы внедрены в ЦНИИС 16 МО РФ и НПО «Заря» при проведении НИР и ОКР по'Проектированию каналообразующего оборудования аппаратуры передачи данных (в рамках ОКР «Микро-3») и фильтрового оборудования станций СПР «Союз». Результаты исследований использованы при проектировании и создании опытных образцов фильтровых устройств (диапазона 0.3 - 150 КГц) аппаратуры KB - радиосвязи.
Теоретические результаты используются в учебном процессе на кафедре радиоэлектроники ВИРЭ в курсе дисциплины «Радиотехнические цепи и сигналы».
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на четвертой и пятой Межрегиональных конференциях «Обработка сигналов в системах двусторонней телефонной связи» (Москва, 20-24 марта 1995 г., Москва-Новосибирск 22-28 ноября 1995 г.); на Всероссийской школе-семинаре «Современные методы в теории краевых задач «Понтрягинские чтения-4» (Воронеж, 17-23 апреля 1996 г.), на Юбилейной научно-технической конференции «Проблемы реализации линейных узлов приемо-передающих устройств систем сотовой радиосвязи» (Санкт-Петербург, 25-29 апреля 1996 г.); на Межрегиональной научно-технической конференции «Направления развития систем и средств радиосвязи» (Воронеж, 23-25 апреля 1996 г.); на межвузовской школе-семинаре «Сигналы и методы их обработки в условиях помех» (Воронеж, 25 мая 1994 г., 21 мая 1995 г.). По теме диссертации опубликовано 13 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения на 176 страницах машинописного текста, 56 рисунков, 17 таблиц, списка литературы из 100 наименований и двух приложений.
