Введение к работе
Работа посвящена исследованию и разработке новых способов повышения быстродействия коммутационных устройств, выполненных на полупроводниковых диодах и полевых транзисторах, предназначенных для применения в высокочастотных радиотехнических устройствах (ВЧ РТУ). Разработаны эффективные численные методы анализа переходных процессов в нестационарных радиотехнических цепях с ограниченной полосой пропускания. На основе моделирования и исследования переходных процессов в коммутационных устройствах сформулированы требования к управляющим сигналам, обеспечивающим максимальное быстродействие, и предложены оригинальные структурные схемы амплитудных и фазовых манипуляторов. Обосновано использование цепей согласования и компенсации, показано их влияние на увеличение быстродействия полупроводниковых коммутационных устройств. Выбран вид корректирующих цепей, которые обеспечивают минимальную величину переходных искажений при использовании в качестве управляющих элементов полевых транзисторов. Выполнено экспериментальное исследование предложенных широкополосных быстродействующих коммутационных устройств метрового и дециметрового диапазона.
Актуальность работы. В настоящее время в радиотехнических системах, мобильной и спутниковой связи, измерительном оборудовании, радиовещании и телевидении широко используются цифровые стандарты и форматы. Для реализации цифровых видов модуляции применяются различного вида полупроводниковые коммутационные устройства, на основе которых выполняются многопозиционные амплитудные, фазовые и квадратурные манипуляторы. К техническим характеристикам современных коммутационных устройств предъявляются достаточно высокие требования. Анализ показывает, что для цифровых модуляторов первостепенное значение имеют следующие параметры: быстродействие, стабильность уровня формируемого высокочастотного сигнала, полоса рабочих частот, качество согласования и интенсивность внеполосного излучения. Вопросам исследования и разработки широкополосных коммутационных устройств посвящено большое число работ отечественных и зарубежных авторов: Гарвера Р., Фуоми Д., Кривошеева М.И., Кукк К.И., Б.В. Сестрорецкого, А.В. Вайсблата, Н.Д. Малютина, А.Н. Сычева, И.Б. Вендик, О.С. Орлова, Б.А. Беляева, В.В. Тюрнева, В.Д. Разеви-га, В.П. Петренко, Е.И. Нефёдова, В.П. Мещанова. Следует отметить, что к настоящему времени в основном завершается разработка теории построения коммутационных устройств, обеспечивающих высокое качество согласования и малые прямые потери в предельно широкой полосе частот. Однако еще недостаточно изучены и исследованы вопросы повышения быстродействия и определения уровня внеполосного излучения, обусловленного нелинейными процессами в полупроводниковых управляющих элементах. Для обеспечения
приемлемых значений данных параметров необходима разработка новых схемотехнических решений и методов анализа переходных процессов в коммутационных устройствах, учитывающих нелинейность и инерционность управляющих элементов, а также ограниченную полосу пропускания согласующих и корректирующих цепей. Таким образом, создание широкополосных коммутационных устройств с быстродействием, близким к предельно достижимому, является актуальной и практически важной задачей.
Объектом исследования в работе являются широкополосные коммутационные устройства для высокочастотных сигналов, выполненные с использованием полупроводниковых диодов и полевых транзисторов.
Предмет исследования - быстродействие коммутационных устройств, обусловленное конечным временем открывания и закрывания полупроводниковых управляющих элементов и реактивными элементами согласующе-компенсирующих и корректирующих цепей.
Целью работы является повышение быстродействия коммутационных устройств за счет обеспечения форсированного режима открывания и запирания полупроводниковых диодов с помощью управляющих сигналов оптимальной формы, а также разработки согласующе-компенсирующих и корректирующих цепей для амплитудных и фазовых манипуляторов.
Задачи исследования.
Разработка численного метода расчета переходных процессов в амплитудных и фазовых манипуляторах на основе использования импульсной характеристики нестационарной линейной цепи.
Нахождение оптимальной формы управляющих сигналов для коммутационных устройств на полупроводниковых диодах, обеспечивающих быстродействие, близкое к предельно достижимому.
Исследование и разработка корректирующих цепей для управляющих сигналов коммутационных устройств на полевых транзисторах, обеспечивающих существенное повышение быстродействие.
Разработка численных алгоритмов расчета спектральных составляющих в широкополосных коммутационных устройствах при большом уровне входного высокочастотного сигнала.
Экспериментальное исследование предложенных конструкций амплитудных и фазовых манипуляторов с высоким быстродействием.
Методы исследования. Решение перечисленных выше задач было выполнено с применением: теории матриц, теории функций комплексного переменного, включая преобразования Фурье и его свойства, теории дифференциальных уравнений в частных производных, теории рядов. Кроме того, в работе также широко применялись теория цепей, теория фильтров и численное моделирование на основе компьютерных САПР.
Обоснованность научных результатов определяется применением апробированных алгоритмов численного определения кратных интегралов от
функций комплексного переменного, корректностью постановок и решения задач по определению характеристик частотно-избирательных цепей, корректностью допущений и ограничений при использовании спектральных методов в цепях с комплексной нелинейностью, а также совпадением полученных результатов с известными результатами для частных случаев.
Достоверность основных положений и выводов подтверждена расчетом тестовых примеров и сравнением с результатами, полученными другими авторами, а также экспериментальными испытаниями созданных высокочастотных коммутационных устройств.
Научная новизна
Разработан численный метод расчета переходных процессов в амплитудных и фазовых манипуляторах на основе использования частотного коэффициента передачи и импульсной характеристики нестационарной линейной цепи с ограниченной полосой пропускания и выделения комплексной огибающей выходного сигнала.
Теоретически обосновано использование в коммутационных устройствах на полупроводниковых диодах четырехуровневых управляющих сигналов, обеспечивающих быстродействие, близкое к предельно достижимому.
Впервые предложено использовать на входе полевого транзистора корректирующую цепь для импульсного управляющего сигнала в виде гауссовского фильтра нижних частот, что позволяет получить минимальную длительность переходных процессов.
Разработан эффективный алгоритм спектрального анализа для коммутационных устройств на полевых транзисторах, основанный на использовании рядов Фурье и учитывающий нелинейность барьерной емкости при большом уровне высокочастотного сигнала.
Практическая значимость работы
Развиты принципы построения и методы анализа быстродействующих полупроводниковых коммутационных устройств, используемых в цифровых модуляторах с амплитудной и фазовой манипуляцией.
Разработано программное обеспечение, позволяющее моделировать и исследовать переходные процессы в коммутационных устройствах с помощью выделения комплексной огибающей высокочастотного сигнала.
Разработаны, созданы и внедрены на ряде предприятий России быстродействующие амплитудные и фазовые манипуляторы, обеспечивающие длительность переходных процессов не более 10 НС.
Даны практические рекомендации по выбору корректирующих и согла-сующе-компенсирующих цепей для быстродействующих высокочастотных коммутаторов.
Научные положения, выносимые на защиту
Метод расчета переходных процессов в амплитудных и фазовых манипуляторах, основанный на определении импульсной характеристики линейной нестационарной цепи с ограниченной полосой пропускания с помощью численного интегрирования частотного коэффициента передачи, позволяет определить комплексную огибающую выходного высокочастотного сигнала.
Применение четырехуровневого управляющего сигнала в коммутационных высокочастотных устройствах, выполненных на полупроводниковых диодах, обеспечивает быстродействие, близкое к предельно достижимому.
Использование корректирующих цепей для управляющего сигнала в виде гауссовского фильтра нижних частот на входе полевого транзистора позволяет за счет линейности фазочастотной характеристики фильтра увеличить быстродействие коммутатора в 1,4 раза.
Алгоритм расчета спектральных составляющих в коммутационных высокочастотных устройствах на полевых транзисторах, основанный на численном определении коэффициентов ряда Фурье, применим в большом динамическом диапазоне амплитуд входного высокочастотного сигнала.
Личный вклад автора. Все представленные в диссертации результаты исследований в основном получены лично автором и при его непосредственном участии. В работах, опубликованных в соавторстве, автор принимал активное участие в постановке задачи, выборе методов исследования и моделирования, получении аналитических соотношений, анализе и интерпретации итоговых положений. При выполнении экспериментальных исследований и внедрении разработанных в диссертации устройств, вклад автора является определяющим.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на международных, Всероссийских и региональных конференциях: «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП - 2006», г. Новосибирск; «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем - 2007» г. Серпухов; «Электронные средства и системы управления - 2007», г. Томск; «Информатика и проблемы телекоммуникаций - 2007, 2008, 2009», г. Новосибирск; «Научная сессия НТО им. А.С. Попова - 2008», г. Москва; «Современные проблемы радиоэлектроники - 2009», г. Красноярск.
Публикации. По материалам диссертации подготовлено 16 публикаций: 2 статьи в журнале, входящем в перечень ВАК; 1 учебное пособие, 10 статей и докладов в сборниках Международных и Российских конференций; получены 2 патента РФ и 1 патент на полезную модель.
Реализация и внедрение результатов работы. Экспериментальные результаты диссертационного исследования использованы в двух хоздоговорных НИР (ТОР2-07, ТОР 1-08), выполненных кафедрой теоретических основ радиотехники НГТУ по заказу предприятия ООО «НЛП Триада-ТВ» (г. Новосибирск), производящего передающую телевизионную и радиорелейную аппаратуру. Теоретические результаты диссертационного исследования использованы в учебном пособии «Основы цифровой аудио и видео техники», предназначенном для студентов факультета Радиотехники и электроники НГТУ.
Структура и объем диссертации составляет 154 листа машинописного текста, включает 68 рисунков и 26 таблиц.