Введение к работе
Актуальность темы. Современный этап развития твердотельной электроники характеризуется широким внедрением акустоэлектронных устройств в системах телевидения и связи. Важнейшей частью акустоэлектронных устройств являются акустоэлектронные радиокомпоненты (АРК) на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащие пространственно разнесенные встречно-штыревые преобразователи (ВШП) на пьезоэлектрической подложке. ВШП являются частотно-избирательными пассивными элементами и обеспечивают бегущий режим ПАВ.
Благодаря классической работе Гуляева Ю.В. и Пустовойта В.И. [1], в которой впервые указывалось на перспективное использование поверхностных акустических волн для обработки сигналов, состоялось становление и началось активное развитие акустоэлектроники - нового направления электроники.
Среди всех акустоэлектронных устройств господствующее положение на рынке информационных систем занимают пассивные акустоэлектронные радиокомпоненты на поверхностных акустических волнах (ПАВ) [2]. Важнейшей особенностью, обеспечивающей постоянное и быстрое внедрение акустоэлектронных радиокомпонентов в современные информационные системы, является возможность совмещения процессов изготовления с микро и нано технологиями, высокая температурная стабильность, высокая надежность, малые массогабаритные характеристики.
Обработка в реальном масштабе времени, отсутствие настройки, совместимость с планарной микро- и наноэлектронной технологией изготовления, воспроизводимость характеристик и другие уникальные свойства акустоэлектронных приборов позволяют реализовать такие важные функции, как частотную селекцию, обработку в реальном масштабе времени, псевдослучайный поиск рабочих частот, эталонирование, стабилизацию частоты и др.
Вместе с тем, для ряда системных применений телевидения и связи, таких как
частотная селекция во входных трактах приемо-передающих устройств (ППУ),
ежсимвольная интерференция, плотность информационных каналов, высокая
надежность, малые массогабаритные характеристики и низкая цена при крупносерийном
производстве, требуется достижение предельных высокоизбирательных характеристик
ассивных акустоэлектронных радиокомпонентов по предельному уровню вносимого
атухания, высокому коэффициенту прямоугольное и малым уровнем осцилляции в
олосе пропускания, предельных характеристик по неравномерности группового времени
апаздывания. Эти требования постоянно выдвигают необходимость разработки
кустоэлектронных радиокомпонентов на ПАВ новых поколений с достижением
редельных характеристик, в т.ч. нескольких одновременно основных функций. Решение
той важнейшей информационной задачи зависит:
-
Во-первых от достигнутого технологического уровня производства.
-
Во-вторых от успехов в области фундаментальных и прикладных исследований, развития методов проектирования, разработки новых конструктивных решений и электрического согласования АРК в радиотрактах систем телевидения и связи .
ервый фактор реализуется за счет совершенствования специального технологического борудования и пьезоэлектрических материалов.
Второй фактор позволяет практически с использованием одного и того же парка оборудования, материалов и составляющих инфраструктуры акустоэлектроники, получить ощутимый выигрыш в улучшении основных характеристик и получении новых параметров недостижимых аналогами, а также создании новых классов АРК на ПАВ.
В России работы в области пассивной акустоэлектроники интенсивно ведутся в ИРЭ им.В.АКотельникова РАН, в высшей школе: МФТИ, МИФИ, МЭИ, ЮФУ, Новгородском ГУ им.Ярослава Мудрого и др., отраслевых организациях: ОАО «Фонон», ООО «БУТИС», Санкт-Петербургском ОАО «Авангард», Московском и Ростовском НИИ радиосвязи, Омском НИИ приборостроения, Воронежском НИИ связи и др.
Несмотря на широкие перспективы использования АРК и значительный прогресс в разработке их моделей и конструкций, основным вопросом до недавнего времени оставалось достижение предельных аппаратных характеристик АРК в системах телевидения и связи. В настоящей работе впервые предпринята попытка разработки АРК на ПАВ с предельными аппаратными характеристиками в зависимости от параметров назначения АРК в конкретных системах телевидения и связи.
Целью работы являлась разработка акустоэлектронных радиокомпонентов на поверхностных акустических волнах, обеспечивающих оптимальные параметры назначения систем телевидения и связи по вносимому затуханию, полосе пропускания и избирательности.
Объектами исследований являлись акустоэлектронные радиокомпоненты, входящие в их состав элементы на ПАВ, а также устройства, узлы и микроблоки на их основе. К элементам АРК относятся встречно-штыревые преобразователи (ВШП), отражательные структуры и многополосковые ответвители (МПО), выполненные на поверхности пьезоэлектрических материалов различных ориентации. К АРК отнесены фильтры промежуточной частоты (ПЧ), многостандартные фильтры ПЧ, фильтры Найквиста, коммутируемые фильтры, канальные фильтры с малым вносимым затуханием, режекторые фильтры на ПАВ. К узлам и микроблокам отнесены канальные усилители, конверторы телевизионных каналов, частотно-избирательные микроблоки с малым потреблением энергии, дескремблеры.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо было решить следующие основные задачи:
Разработка основ конструирования и моделирования АРК в зависимости от
параметров назначения систем телевидения и связи;
исследование вопросов электрического согласования АРК в радиотрактах систем
телевидения и связи;
проведение теоретических и экспериментальных исследований взаимосвязи комплексных частотных характеристик фильтров на ПАВ с качеством телевизионного изображения;
поиск новых конструктивных решений АРК и проведение их экспериментальных исследований;
исследование и разработка устройств, узлов и микроблоков на основе АРК.
Научная новизна работы. При выполнении диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:
Получена зависимость частотных характеристик АРК на ПАВ с предельными аппаратными характеристиками от параметров назначения в конкретных системах телевидения и связи : зависимости искажения тестовых телевизионных импульсных сигналов от комплексных частотных характеристик фильтров на ПАВ промежуточной частоты. На основе полученных зависимостей разработаны методы конструирования телевизионных фильтров ПЧ на ПАВ, обеспечивающих оптимальные параметры телевизионного изображения.
Впервые предложен и разработан метод проектирования продольно-связанных структур с учетом волноводного распространения ПАВ. На основе метода разработано программное обеспечение в стандартном пакете MathCAD.
Проведены исследования режекторных фильтров с использованием пьезоэлектрических материалов различных ориентации. Разработаны и исследованы конструкции импедансного режекторного фильтра и дескремблера на его основе.
Научные положения, выносимые на защиту:
Учет зависимости искажения тестовых телевизионных импульсных сигналов от комплексных частотных характеристик фильтров на ПАВ промежуточной частоты позволяет увеличить качество телевизионного изображения на 1-1,5 балла (в пятибалльной системе).
Учет волноводного распространения ПАВ позволяет увеличить точность расчета характеристик фильтров в полосе пропускания на 12-15%.
Новые конструктивные решения и методы конструирования акустоэлектронных радиокомпонентов, входящих в их состав элементов на ПАВ, а также устройств на их основе позволяют обеспечить одновременное улучшение следующих предельных характеристик: вносимое затухание до 1-ЗдБ, пульсации группового времени запаздывания до 2-20нс, избирательность на 10...20 дБ.
Практическая ценность работы:
Предложенные расчетные методы позволяют повысить точность воспроизведения характеристик АРК и оптимизировать их электрические параметры.
Методики расчета АРК внедрены на промышленных предприятиях, специализирующихся в области разработок и серийного освоения устройств на ПАВ.
Разработанные АРК на ПАВ использованы в различной радиоаппаратуре для телевидения и систем связи :
системы защиты коммерческих ТВ-каналов от несанкционированного доступа;
телевизионные многостандартные приёмники, передатчики, модуляторы, ретрансляторы;
системы коллективного ТВ-приёма;
РЛС наземного и бортового базирования, системы АФАР и другая аппаратура специального применения.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзных конференциях «Акустоэлектронные устройства обработки информации», Черкассы, 1988 и 1990г.г.; Научно-технической конференции «Современные телевизионные технологии, Состояние и развитие», Москва, 2002г.; V, VI и VII Международных научно-технических конференциях:
«Перспективные технологии в средствах передачи информации», г.Владимир, 2003, 2005, 2007г.г.; XIV, XVI и XVII Международных Крымских конференциях «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», Севастополь, 2004, 2006, 2007г.г.; Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, технике и образовании», Аланья-Севастополь, 2005г.; Международной научно-технической конференции «Информационные технологии и моделирование приборов в целях обеспечения качества и надёжности», Москва, 2006г.; Третьей международной научно-технической конференции «Современные телевизионные технологии. Состояние и направления развития», Москва, 2006г.;
Образцы дескремблеров на ПАВ демонстрировались на международных выставках «Связь-ЭКСПОКОММ» в 1997, 1998г.г.
Работы по разработке модульной телевизионной головной станции легли в основу инновационного проекта № 5413 - победителя программы «СТАРТ» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.
Публикация результатов работы.
По результатам выполненных исследований опубликовано 63 научные работы, в том числе 8 статей, 4 патента, 9 свидетельств ФИПС об официальной регистрации топологий интегральных микросхем и 22 тезисов докладов на международных конференциях.
Экономический эффект и внедрение результатов работы.
Экономический эффект от внедрения результатов работ за период 2000...2008 г. превышает 2,5 млн. рублей.
Структура и объем диссертации.
