Підвищення стабільності та надійності лінійних частотних модуляторів на базі транзисторних індуктивних елементів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХМЕЛЬНИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 621.376

ПІДВИЩЕННЯ СТАБІЛЬНОСТІ ТА НАДІЙНОСТІ ЛІНІЙНИХ

ЧАСТОТНИХ МОДУЛЯТОРІВ НА БАЗІ ТРАНЗИСТОРНИХ

ІНДУКТИВНИХ ЕЛЕМЕНТІВ

05.12.13 - Радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Нассір Мансур Махмуд Абухамуд

Хмельницький - 2011



Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у Вінницькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Кичак Василь Мартинович, Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри телекомунікаційних систем та телебачення

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор ненко Олексій Пилипович, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», професор кафедри радіоконструювання і виробництва радіоапаратури

доктор технічних наук, доцент Бондарєв Андрій Петрович, Національний університет «Львівська політехніка», професор кафедри теоретичної радіотехніки та радіовимірювань

Захист відбудеться « 19 » 04 2011 р. о годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 70.052.04 у Хмельницькому національному університеті за адресою: 29016, м. Хмельницький, вул. Інститутська, 11.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Хмельницького національного університету за адресою: 29016, м. Хмельницький, вул. Кам'янецька, 110/1.

Автореферат розісланий « 15 » 03 2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.В. Мартинюк



АНОТАЦІЯ

Нассір Мансур Махмуд Абухамуд. Підвищення стабільності та надійності лінійних частотних модуляторів на базі транзисторних індуктивних елементів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.13 - радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій -

Вінницький національний технічний університет, Вінниця, - 2011.

Дисертація направлена на підвищення стабільності середньої частоти і лінійності модуляційної характеристики частотного модулятора в діапазоні високих і надвисоких частот, а також підвищення надійності шляхом врахування виробничо-технологічних відхилень параметрів компонентів схеми на етапі проектування. генератор акустичний модулятор варикап

В роботі проведено аналіз методів підвищення стабільності середньої частоти частотного модулятора на базі кварцевих генераторів з використанням, як керуючого елемента, варикапа, а також генераторів на поверхневих акустичних хвилях, які перелаштовуються. Розглянута можливість використання транзисторних індуктивних елементів для компенсації нестабільності середньої частоти, обумовленої зміною ємності за рахунок нестабільності джерела живлення і температури. Приведені дослідження параметрів транзисторних індуктивних елементів і показана можливість використання їх для лінеаризації модуляційної характеристики частотного модулятора. Розроблені статистичні моделі транзисторних індуктивних елементів і частотних модуляторів на їх базі. Показано, що функції густини ймовірності параметрів транзисторних елементів відповідають нормальним і є статистично залежними, а функції густини ймовірності параметрів частотних модуляторів можуть мати довільні закони розподілу вихідних параметрів. Для проведення параметричної оптимізації за критерієм максимальної ймовірності забезпечення заданих вихідних параметрів (працездатності) розглянута можливість перетворення довільних законів розподілу вихідних параметрів до гауссівських з нульовим математичним очікуванням і одиничним середньоквадратичним відхиленням. Проведена оптимізація параметрів частотного модулятора з використанням метода Монте-Карло, перших і других похідних функцій густини ймовірності за критерієм максимальної ймовірності забезпечення працездатності. Розглянута можливість побудови частотних маніпуляторів і цифрових радіотехнічних пристроїв з використанням розроблених модуляторів. Розроблена електрична схема частотного модулятора зі стабілізацією середньої частоти та лінеаризацією модуляційної характеристики на базі транзисторних індуктивних елементів і проведенні експериментальні дослідження.

Ключові слова: частотний модулятор, лінійність модуляційної характеристики, нестабільність частоти, частотний маніпулятор, частотне представлення інформації, функція густини ймовірності, ймовірність забезпечення працездатності.



АННОТАЦИЯ

Нассир Мансур Махмуд Абухамуд. Повышение стабильности и надежности линейных частотных модуляторов на основе транзисторных индуктивных элементов.- Рукопись

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук за специальностью 05.12.13 - Радиотехнические устройства и средства телекоммуникаций.- Винницкий национальный технический университет, Винница. - 2011.

Диссертация посвящена повышению стабильности средней частоты и линейности модуляционной характеристики частотного модулятора в диапазоне высоких и сверхвысоких частот, а также повышение надежности путем учета производственно - технологических отклонений параметров компонентов схемы на этапе проектирования.

В работе проведен анализ методов повышения стабильности средней частоты частотного модулятора на основе кварцевых генераторов с использованием, в качестве управляющего элемента, варикапа, а также перестраиваемых автогенераторов с резонаторами на поверхностных акустических волнах. Рассмотрена возможность использования транзисторных индуктивных элементов для компенсации нестабильности средней частоты, обусловленной изменением емкости варикапа за счет нестабильности источника питания и температуры. Повышение стабильности средней частоты обусловлено тем, что с повышением напряжения источника питания, емкость варикапа уменьшается, что приводит к повышению частоты частотного модулятора, а повышение напряжения на транзисторном индуктивном элементе приводит к увеличению индуктивности и, следовательно, к уменьшению частоты частотного модулятора. При повышении температуры за счет увеличения контактной разности потенциалов и других факторов емкость варикапа уменьшается, что приводит к увеличению частоты. Одновременно с ростом температуры будет возрастать ток эмиттера, что приводит к росту индуктивности транзисторного индуктивного элемента и к уменьшению средней частоты частотного модулятора. При этом в цепь модулятора транзисторный индуктивный элемент включается таким образом, чтобы модулирующий сигнал поступал на коллектор, от величины напряжения на котором индуктивность не зависит. Проведены исследования параметров транзисторных индуктивных элементов и показана возможность использования их для линеаризации модуляционной характеристики частотного модулятора . В этом случае модулирующий сигнал поступает на варикап и на эмиттер транзисторного элемента. С ростом напряжения на эмиттере индуктивность возрастает, и зависимость имеет выпуклый характер. Как известно, вольт-фарадная характеристика является вогнутой и поэтому включение транзисторного индуктивного элемента в контур частотного модулятора позволяет компенсировать нелинейность вольт-фарадной характеристики.

Разработаны статистические модели транзисторных индуктивных элементов и частотных модуляторов на их основе. Показано, что функции плотности вероятности параметров транзисторных индуктивных элементов соответствуют нормальным и являются статистически зависимыми, а функции плотности вероятности параметров частотных модуляторов могут иметь произвольные законы распределения выходных параметров. Для проведения параметрической оптимизации за критерием максимальной вероятности обеспечения заданных выходных параметров (работоспособности) рассмотрена возможность преобразования произвольных законов распределения выходных параметров к нормальным с нулевым математическим ожиданием и единичным среднеквадратическим отклонением. Проведена оптимизация параметров частотного модулятора с использованием метода Монте-Карло, первых и вторых производных функций вероятности за критерием максимальной вероятности обеспечения работоспособности. Рассмотрена возможность построения частотных манипуляторов и цифровых радиотехнических устройств с использованием разработанных модуляторов. Разработана электрическая схема частотного модулятора со стабилизацией средней частоты и линеаризацией модуляционной характеристики на основе транзисторных индуктивных элементов, проведены экспериментальные исследования.

Показана возможность использования разработанных частотных модуляторов для построения арифметическо-логических устройств с использованием частотного представления информации.

Предложен метод синтеза цифровых радиотехнических устройств с частотно-импульсным представлением информации. Рассмотрены области применения частотных модуляторов.

Ключевые слова: частотный модулятор, линейность модуляционной характеристики, нестабильность частоты, частотный манипулятор, частотное представление информации, функция плотности вероятности, вероятность обеспечения работоспособности.



ABSTRACT

Nassir Mansour Mahmoud Abuhamoud. Increase in stability and reliability of linear frequency modulators on the base of inductive elements of transistor. - Manuscript Thesis for PhD degree on the speciality 05.12.13 - Radio devices and telecommunications facilities. - Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia. - 2011. The thesis aims at increase in stability of average frequency and linearity of the modulation characteristics of the frequency modulator in the range of high and ultrahigh frequencies, as well as at improvement of reliability by taking into account the manufacturing and technological deviations of scheme parameters components at the stage of designing.

The thesis analyzes the methods for improving the stability of the average frequency of the frequency modulator based on quartz oscillators, using varicap as controlling element, as well as tunable oscillators with surface acoustic wave resonator. There had been considered the possibility of using solid state inductive elements to compensate for instability in average frequency, stipulated for by the change in capacitance due to instability of power supply and temperature. There had been presented the researches of parameters of transistor inductive elements and the possibility of their use for the linearization of the modulation characteristics of frequency modulator.

There had been developed the statistical models of the transistor inductive elements and frequency modulators on their base. It had been demonstrated that the probability density function parameters of transistor elements respond to the normal and are statistically dependent, and density function parameters probability frequency modulator can have arbitrary distributions of output parameters. To perform parametric optimization as for the criterion of maximum probability of ensuring the set output parameter (efficiency) there had been considered the possibility of converting arbitrary laws of distribution of output parameters with zero mean and unit standard deviation. There had been conducted the optimization of the parameters of the frequency modulator using Monte-Carlo method, the first and second density derived function as for the criteria of maximum probability of ensuring the performance. There had been considered the possibility for building the frequency manipulators and digital radio devices using the developed modulators. There had been designed the electric circuit of the frequency modulator with the stabilization of the average frequency and the linearization of the modulation characteristics on the basis of transistor inductive elements with the conducting the experimental researches.

Keywords: frequency modulator, the linearity of the modulation characteristics, frequency stability, frequency manipulator, frequency representation of information, the probability density function, the likelihood of performance.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Джерела електричних коливань і частотні модулятори необхідні для любих систем передавання інформації, радіолокації, радіозв'язку та засобів радіотехнічних вимірювань. Стабільність частоти і спектральні характеристики електричних коливань визначають найважливіші параметри сучасної радіоелектронної апаратури - точність дії, швидкодію та пропускну здатність, завадостійкість і прихованість дій. Роль прецизійних генераторів, як джерел електричних коливань опорних частот важко переоцінити - це як серце в організмі людини.

Одним із найбільш зручних технічних рішень проблеми стабілізації частоти є застосування кварцових автогенераторів на базі об'ємних або поверхневих акустичних хвиль.

Проте для частотної модуляції на базі кварцових автогенераторів характерне протиріччя, яке полягає в тому, що з однієї сторони необхідно забезпечити високу стабільність частоти при дії зовнішніх факторів, а з другої сторони необхідно змінювати частоту за законом модулюючого сигналу. Застосування керуючих елементів приводить до зниження стабільності частоти за рахунок дії зовнішніх факторів на елемент перебудови, нестабільність його параметрів і т. ін. Тому актуальною є задача підвищення стабільності середньої частоти частотного модулятора (ЧМ).

Сигнали багатоканальної телефонії на телебачення передаються методами частотної модуляції по радіорелейних лініях в дециметровому і сантиметровому діапазонах хвиль. В багатоканальному повідомленні виникає особливий вид спотворень - перехідні шуми, обумовлені попаданням комбінаційних складових частот різних каналів в спектр каналу, що розглядається. Допустимі рівні перехідних шумів дуже малі. Оскільки комбінаційні складові, які створюють шуми, визначаються лінійністю тракту передачі повідомлень, то ЧМ радіорелейних ліній повинні характеризуватися надзвичайно високою лінійністю модуляційної характеристики (МХ).

При передаванні телевізійних сигналів зображення для забезпечення вірного передавання форми сигналу вимоги до ЧМ по лінійності МХ , як правило, в декілька разів жорсткіші, у порівнянні з вимогами до лінійності тракту передавання в цілому. Тому другою важливою задачею, яку необхідно розв'язувати при побудові ЧМ, є забезпечення високої лінійності МХ.

Питання підвищення стабільності середньої частоти ЧМ та лінійності МХ розглядались в роботах Альтшуллера Г.В., Баржина В.Я., Бондарева А.П., Колпакова Ф.Ф., Орлеанського В.В., Соколинського В.Г., Шахгильдяна В.В., Шейнкмана В.Б.

Проте приведені в цих роботах результати досліджень, направлені переважно на підвищення стабільності середньої частоти та лінійності МХ ЧМ на базі кварцових резонаторів, які ефективно працюють на частотах до 400 МГц. Лінеаризація МХ здійснювалась переважно комбінацією паралельного та послідовного вмикання декількох варікапів, що давало можливість забезпечити лінійність МХ при зменшенні девіації частоти. У відомих працях не розглянуті можливості стабілізації середньої частоти на лінійності МХ шляхом вмикання індуктивних елементів на базі транзисторів, які перелаштовуються, мало уваги приділено дослідженню впливу виробничо-технологічних відхилень параметрів компонентів схем на вихідні параметри та характеристики ЧМ, не розтягнуті питання оцінювання ймовірнісних характеристик (забезпечення працездатності) на етапі проектування. Тому актуальною задачею є також проведення статистичного аналізу та оптимізації ЧМ за критерієм максимальної ймовірності забезпечення працездатності на етапі проектування з урахуванням виробничо-технологічних відхилень параметрів компонентів схем.

Зв'язок з державними програмами, планами і темами науково-дослідних робіт. Дисертаційне дослідження проводилось у відповідності з науковими проектами, які виконувались на кафедрі телекомунікаційних систем та телебачення Вінницького національного технічного університету в рамках держбюджетної науково-дослідної роботи між ВНТУ і МОНУ «Розробка основ теорії цифрової обробки надширокосмугових сигналів», у виконанні якої автор приймав участь як виконавець.

Мета і завдання досліджень. Метою роботи є підвищення лінійності модуляційної характеристики та стабільності середньої частоти частотного модулятора в дециметровому і сантиметровому діапазоні хвиль шляхом урахування залежності параметрів транзисторних індуктивних елементів (ТІЕ) від миттєвих значень модулюючого сигналу та дестабілізуючих факторів.

Для досягнення поставленої мети при проведені теоретичних та експериментальних досліджень необхідно розв'язати наступні задачі:

- провести аналіз сучасних методів та засобів підвищення стабільності середньої частоти та лінійності МХ ЧМ;

- розробити математичну модель ТІЕ і провести їх дослідження з метою виявлення можливості їх використання для підвищення стабільності середньої частоти та лінійності МХ ЧМ;

- розробити статистичну модель ТІЕ для врахування впливу дестабілзуючих факторів і виробничо-технологічних відхилень параметрів компонентів схем на вихідні параметри та характеристики ЧМ, провести статистичний аналіз з метою визначення початкової надійності ЧМ.

- розробити метод компенсації нестабільності середньої частоти ЧМ з використанням ТІЕ і провести теоретичні та експериментальні дослідження;

- розробити метод підвищення лінійності МХ з використанням ТІЕ і провести аналіз нелінійних і динамічних спотворень;

- дослідити закони розподілу вихідних параметрів ТІЕ і параметрів частотних модуляторів;

- провести дослідження нестабільності параметрів ЧМ;

- провести параметричну оптимізацію частотних модуляторів за критерієм максимальної ймовірності забезпечення працездатності з метою підвищення їх надійності;

- провести оцінку технічного рівня розроблених ЧМ;

- розглянути можливість побудови частотних маніпуляторів і цифрових радіотехнічних пристроїв на базі розроблених ЧМ.

Об'єктом досліджень є процеси перетворення інформаційних сигналів в частотних модуляторах.

Предметом дослідження є методи підвищення стабільності середньої частоти та лінійності МХ частотного модулятора.

Методи дослідження. При проведені теоретичних досліджень використовувались основи теорії кіл для дослідження характеристик і параметрів ТІЕ та ЧМ, теорія ймовірності, математична статистика та метод моментів для побудови статистичних моделей і статистичного аналізу ТІЕ та ЧМ. Теорія оптимізації для параметричної оптимізації параметрів і характеристик ЧМ, диференційні та інтегральні обчислення для побудови статистичних моделей і оптимізації.

Наукова новизна отриманих результатів:

- вперше запропоновано метод компенсації режимної та температурної нестабільності середньої частоти ЧМ, який, на відміну від відомих, враховує залежність еквівалентної індуктивності від зміни напруги між емітером і базою транзистора, що дає можливість компенсувати зміну ємності варікапа , обумовлену нестабільністю напруги джерела живлення та зміною температури;

- вперше запропоновано метод лінеаризації модуляційної характеристики частотного модулятора, який, на відміну від відомих, враховує залежність еквівалентної індуктивності ТІЕ від миттєвих значень модулюючого сигналу, що дає можливість компенсувати нелінійність вольт-фарадної характеристики варікапа, збільшити девіацію частоти та підвищити лінійність модуляційної характеристики;

- вперше запропоновано аналітичний вираз для модуляційної характеристики ЧМ, який на відміну від відомих, враховуючих зміну ємності варікапа, враховує вплив миттєвих значень модулюючого сигналу на індуктивність ТІЕ, що дає можливість збільшити девіацію частоти як за рахунок зміни еквівалентної індуктивності та ємності при дії миттєвих значень модулюючого сигналу, так і за рахунок частотної залежності індуктивності, при цьому підвищується точність розрахунків нелінійних та динамічних спотворень;

- розроблено статистичні моделі ТІЕ та ЧМ на їх базі, які, на відміну від відомих, враховують статистичні зв'язки між параметрами компонентів електричної схеми, що дає можливість провести параметричну оптимізацію за критерієм максимальної ймовірності забезпечення працездатності при довільних законах густини ймовірності вхідних параметрів і підвищити надійність ЧМ.

Практичне значення отриманих результатів. Запропоновані в роботі методи підвищення стабільності середньої частоти та лінійності модуляційних характеристик, а також математичні моделі дозволяють розробити електричні схеми ЧМ з покращеними характеристиками.

Проведені статистичні дослідження параметрів ТІЕ та ЧМ на їх базі дозволяють визначити нестабільність параметрів ЧМ з урахуванням виробничо-технологічних відхилень параметрів компонентів схем від номіналів на етапі проектування.

Дослідження багатомірних функцій густини ймовірності (ФГЙ) параметрів ТІЕ та вхідних параметрів ЧМ на їх базі дало можливість отримати багатомірні ФГЙ вихідних параметрів ЧМ і провести параметричну оптимізацію за критерієм максимальної ймовірності забезпечення працездатності.

Запропоновані структурні схеми частотних маніпуляторів і цифрових радіотехнічних пристроїв на основі розроблених ЧМ.

Основні наукові результати, розроблені ЧМ та цифрові пристрої на їх базі використовуються на підприємствах “Атраком” та “Еталон -В”, а також в держбюджетній науково-дослідній роботі “Розробка основ теорії цифрової обробки надширокосмугових сигналів”. Результати дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі в дисциплінах “Радіопередавальні пристрої”, “Пристрої генерування і формування сигналів” для студентів спеціальностей 7.050901.

Достовірність основних положень і висновків підтверджується задовільною їх збіжністю з результатами експериментальних досліджень та комп'ютер-ного моделювання.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати дисертаційної роботи отримані автором одноосібно. В роботах, опублікованих у співавторстві авторові належать: ідея використання неузгодженого шестиполюсника для визначення вхідних опорів НВЧ пристроїв з використанням параметрів розсіювання[1]; синтезовано структурну схему частотно-імпульсного цифрового пристрою [2]; запропоновано використати метод моментів для розрахунку ФГЙ з метою врахування виробночо-технологічних відхилень параметрів компонентів схеми [3]; запропоновано метод компенсації нестабільної середньої частоти ЧМ [4]; запропоновано метод лінеаризації МХ [5]; запропоновано метод прогнозування статистичних параметрів ЧМ [6]; запропоновано використовувати режим відсікання вихідного струму для підвищення девіації частоти [7]; запропоновані принципові електричні схеми ЧМ і проведені теоретичні та експериментальні дослідження їх параметрів [8,9,10]; розроблено алгоритм та програма статистичного аналізу та оптимізація ЧМ з використанням ТІЕ для стабілізації частоти і підвищення лінійності МХ [11,12].

Апробація результатів. Основні положення дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на 5 науково-технічних конференціях: МНТК «Сучасні проблеми радіоелектроніки телекомунікацій та приладобудування» (Вінниця 2009); МНТК «Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій і комп'ютерної інженерії» (м. Львів 2010); МНТК »Контроль і управління в складних системах» (Вінниця 2010); НТК професорсько-викладацького складу ВНТУ (Вінниця 2009, 2010).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи висвітлені у 12 наукових публікаціях, зокрема 7 статтях у фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України та матеріалах 5-ти міжнародних науково-технічних конференцій. Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків по роботі, додатків та списку використаної літератури. Загальний обсяг дисертації складає 214 сторінок. Основний зміст викладено на 148 сторінках, який містить 20 рисунків та 10 таблиць. Список використаних джерел становить 138 найменувань на 15 сторінках. Додатки на 19 сторінках містять структурні схеми алгоритмів, результати моделювання та акти впровадження дисертаційної роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи та необхідність розробки методів підвищення стабільності середньої частоти ЧМ та лінійності МХ, показано зв'язок з науковими програмами та проектами. Сформульовано мету та задачі досліджень, охарактеризовано наукову новизну та практичну значимість отриманих результатів. Відзначено творчий внесок автора, результати апробації та інформація про впровадження.

Перший розділ присвячений аналізу методів частотної модуляції в діапазоні високих і надвисоких частот. Показано, що в мобільних передавачах малої та середньої потужності застосовуються прямі методи частотної модуляції, в яких для забезпечення перелаштування частоти використовуються варікапи, вольт-фарадна характеристика яких нелінійна. Актуальною задачею при розробці таких модуляторів є забезпечення глибокої модуляції при високій стабільності середньої частоти і лінійності МХ.

Аналіз методів підвищення лінійності МХ і стабільності середньої частоти показав, що використання кварцової стабілізації частоти ефективно в діапазоні частот до 400 МГц, при цьому за рахунок введення елемента керування - варікапа стабільність знижується, а лінійність МХ забезпечується при незначих девіаціях частоти.

Використання резонаторів на основі поверхневих акустичних хвиль (ПАХ) дає можливість підвищити частоту до 2 ГГц , проте, стабільність знижується, в порівнянні з кварцовими генераторами, а глибина модуляції зменшується. Питання підвищення лінійності МХ залишаються відкритими особливо при глибокій частотній модуляції.

В другому розділі проведено дослідження ТІЕ з метою оцінювання можливості застосування їх для стабілізації середньої ЧМ і лінеаризації МХ. Показано, що при вмиканні індуктивності між базою і колектором транзистора, ввімкненого по схемі зі спільним колектором , її трансформування на вхід можна подати у вигляді добутку на

Із (1) видно, що така індуктивність трансформується на вхід у вигляді від'ємної активної складової - та індуктивної провідностей. Це говорить про можливість збільшення добротності індуктивності, що важливо для реалізації високодобротних селективних кіл. З використанням еквівалентної схеми НВЧ транзистора та з урахуванням ефекту затримки носіїв заряду в базі транзистора проведено дослідження залежності активної і реактивної складових певного опору від частоти та режиму роботи. З цією метою використовувались вирази, які описують залежність параметрів фізичної еквівалентної схеми від частоти, режиму роботи та температури. Проведені дослідження показали, що реактивний вхідний опір має індуктивний характер, при цьому з ростом частоти до він зростає, а вище падає, активна складова з ростом частоти повільно зростає і тому фазо-частотна характеристика ТІЕ до буде зростати, а вище буде падати. Наближені розрахунки показали, що добротність досягає максимального значення приблизно на частоті , на частотах від до добротність повільно зменшується.

Дослідження залежності еквівалентного вхідного опору ТІЕ від струму емітера і напруги на колекторі для партії виробів і різних типів транзисторів показало, що має місце закономірність, яка полягає в тому, що реактивний опір з ростом струму емітера зростає, причому при малих струмах він має ємкісний характер, а вище величини порядку 1 мА, він має індуктивний характер, з ростом струму зростає і ця залежність має випуклий характер. Активна складова певного опору ТІЕ при малих струмах з початку зростає, а потім повільно зменшується. З ростом напруги на колекторі реактивна складова опору з початку зростає, досягає деякого максимального зниження, а при подальшому зростанні напруги в значних межах реактивний опір практично не змінюється. Активна складова вхідного опору з початку зростає, при зміні напруги, а потім повільно зменшується. Залежності еквівалентної індуктивності та добротності від струму емітера і напруги на колекторі.

Для підвищення добротності еквівалентної індуктивності, як показано вище, необхідно вмикати індуктивність між базою і колектором транзистора або другий транзистор. Залежності повного опору, індуктивності та добротності від частоти для складеного транзистора,

Оскільки в діапазоні високих і надвисоких частот доцільніше використовувати не параметри фізичної еквівалентної схеми, а параметри розсіювання [S], то в роботі отримано вираз для розрахунку повного опору ТІЕ для випадку, коли використовуються S-параметри транзистора як неузгодженого чотириполюсника можна розрахувати повний опір ТІЕ, еквівалентну індуктивність і добротність.

Для оцінки впливу дестабілізуючих факторів та виробничо-технолгічних відхилень параметрів компонентів схем проведено дослідження статистичних параметрів ТІЕ. З цією метою визначені ФГЙ вихідних параметрів ТІЕ. При цьому допускалось, що відомі закони розподілу вхідних параметрів і рівняння зв'язку вихідних параметрів з вхідними. Для визначення ФГЙ використовувався метод моментів. При цьому невідому ФГЙ вихідних параметрів представимо у вигляді ряду по деяких поліномах , які на дільниці [] відмінні від нуля

Коефіцієнт С_n ряду (3) будемо розраховувати із умови рівності моментів для вихідних параметрів ТІЕ та розрахованих із ряду (3). Використовуючи це, отримано систему алгебраїчних рівнянь відносно невідомих коефіцієнтів де - максимальні та мінімальні значення вихідних параметрів ТІЕ.

З використанням цього методу отримано двомірну ФГЙ вихідних параметрів і показано, що вона відповідає нормальному закону. Вираз для ФГЙ вихідних параметрів має вигляд

З метою підвищення режимної та температурної стабільності середньої частоти запропоновано для реалізації індуктивності коливального контуру використовувати ТІЕ. Оскільки з ростом напруги між емітером і базою транзистора зростає струм емітера, то це приводить до росту еквівалентної індуктивності. З ростом температури також зростає струм емітера, а відповідно і еквівалентна індуктивність. В той же час з ростом напруги ємність варикапів навпаки падає і з ростом температури також зменшується, оскільки зростає контактна різниця потенціалів. Проведені дослідження показали, що при деяких значеннях напруги на колекторі, яку названо напругою насичення, еквівалентна індуктивність ТІЕ з ростом напруги практично не змінюється , тому пропонується ТІЕ ввімкнути таким чином в коливальний контур, щоб напруга модулюючого сигналу подавалась на колектор транзистора, а напруга живлення, яка визначає робочу точку варікапа, прикладалась між емітером і базою транзистора, що дає можливість компенсувати нестабільність середньої частоти, обумовлену нестабільністю напруги джерела живлення та зміною температури. Отримано вираз для розрахунку частоти генерації

Для розрахунку нестабільності частоти враховувались залежність параметрів фізичної еквівалентної схеми транзистора та варікапа від дестабілізуючих факторів. При цьому використовувався метод, який ґрунтується на представленні відхилень параметрів компонентів схеми від номіналів у вигляді генеральної суміші різних партій виробів, в межах кожної із яких залежність параметра, що досліджується, від дестабілізуючого фактору є лінійною. При цьому використовувався метод кусково-лінійної апроксимації.

У відповідності з приведеною методикою проводилися розрахунки нестабільності частоти для випадку, коли в ЧМ як керуючий елемент використовувався варикап і індуктивність, величина якої не залежала від модульованого сигналу. Графік залежності відносної нестабільності частоти від нестабільності напруги джерела живлення приведено на рис. 3 (лінія1).

На цьому ж рисунку приведена така ж залежність для випадку, коли в схему вмикається ТІЕ, на колектор якого подається модулюючий сигнал, а емітер підключається до від'ємного полюсу джерела живлення (лінія 2). При цьому збільшення напруги джерела живлення приводить до збільшення еквівалентної індуктивності ТІЕ. Порівняння цих графіків показує, що введення ТІЕ як індуктивності коливального контуру приводить до зменшення відносної нестабільності приблизно в 1,5 рази.

Залежність нестабільності середньої частоти ЧМ від температури для тих же умов. Як видно із графіків, введення ТІЕ дозволяє знизити температурну нестабільність приблизно в 1,6 рази .

Для підвищення лінійності МХ ЧМ пропонується використовувати залежність індуктивності ТІЕ від напруги між емітером і базою транзистора. Оскільки ця залежність є випуклою, а вольт-фарадна характеристика вгнутою, то це дає можливість компенсувати ці нелінійності. Крім того, оскільки з ростом напруги ємність варікапа зменшується, а індуктивність ТІЕ зростає, то це дає можливість додатково збільшити девіацію частоти. Так, якщо використовувати транзистор відповідної полярності, то при подачі позитивної напівхвилі модульованого сигналу зменшується зворотна напруга на варікапі, внаслідок чого частота коливань, що генеруються, зменшується. Якщо такий сигнал поступає в коло емітер-база транзистора n-р-n провідності, то еквівалентна індуктивність зменшується, а частота коливань, що генерується, зростає і навпаки, при подачі від'ємної напівхвилі модульованого сигналу збільшується зворотна напруга на варікапі, що приводить до зменшення ємності варікапа та збільшення частоти коливань, що генеруються. При такій полярності модульованого сигналу напруга між емітером і базою зменшується, що приводить до збільшення еквівалентної індуктивності й зменшенню частоти генерованих коливань. В результаті цього девіація частоти зростає.

Враховуючи, що вольт-фарадна характеристика варікапа є ввігнутою, залежність еквівалентної індуктивності від є випуклою, то це дозволяє підвищити лінійність МХ. Крім цього, лінійність МХ підвищується за рахунок частотної залежності еквівалентної індуктивності, яка на частотах вище має випуклий характер і з ростом частоти зменшується.

Для спрощення розрахунку МХ запропоновано вирази для апроксимації залежності еквівалентної індуктивності від напруги керування та частоти , які можна записати у такому вигляді де - індуктивність ТІЕ при напрузі , коли статистичний коефіцієнт досягає максимального значення або емітерний перехід повністю відкритий; b - коефіцієнт, величина якого залежить від напруги на колекторі і в діапазоні зміни модулюючого сигналу при дорівнює приблизно 1; - контактна різниця потенціалів; - коефіцієнт, який враховує вплив напруги між емітером і базою транзистора, а також напругу на колекторі.

Порівняння розрахунків виконаних за виразами (8) з експериментом показує, що розбіжність не перевищує 2%. З використанням цих виразів і рівняння для вольт-фарадної характеристики варікапа отримано вираз для МХ ЧМ

Потрібно відзначити, що в виразі (9) необхідно врахувати залежність індуктивності від частоти, яка визначається у відповідності з виразом (8).

За виразом (9) проведено розрахунок модуляційної характеристики ЧМ для випадку, коли індуктивність не залежить від напруги, прикладеної до варікапа рис.6 (лінія 1), і, коли модулююча напруга подається на варікап і ТІЕ в противофазі ( лінія 2).

Аналіз результатів розрахунків показує, що коефіцієнт нелінійності МХ, який визначається, як відношення відхилення допустимої нелінійності МХ до повної зміни частоти, для першого випадку дорівнює 20%, а для другого - 2,4%. При цьому індекс модуляції в першому випадку рівняється приблизно 0,44, а в другому - біля 0,84.

У випадку використання синфазного вмикання варікапа і ТІЕ (лінія 3) нелінійність МХ при малій напрузі на керуючих елементах суттєво зростає, а індекс модуляції зменшується і складає біля 0,13, а коефіцієнт не лінійності МХ становить 6 %.

З використанням (9) отримано вирази для розрахунку коефіцієнтів нелінійних спотворень по 2-й і 3-й гармоніках та проведено дослідження їх залежності від амплітуди модулюючого сигналу.

Розглянута можливість використання режиму відсікання вихідного струму для розширення динамічного діапазону та покращення енергетичних показників ЧМ. Таким чином, урахування залежності еквівалентної ТІЕ від миттєвих значень модулюючого сигналу дає можливість підвищити стабільність середньої частоти в 1,5 рази та лінійність модуляційної характеристики на 3 % при значно більшому індексі модуляції.

В третьому розділі розглянуто метод статистичного прогнозування параметрів і характеристик ЧМ на етапі проектування, суть якого полягає у визначенні вектора станів вхідних параметрів всередині області допустимих значень, де ймовірність працездатності ЧМ на протязі проміжку часу Т буде не нижче заданої, а її величину можна розрахувати за виразом де: - ФГЙ випадкових векторів станів внутрішніх параметрів; - сукупність внутрішніх параметрів, значення яких визначаються з урахуванням виробничо-технологічних відхилень параметрів компонентів схем; - сукупність зовнішніх дій, які визначаються умовами експлуатації.

Сукупність параметрів ЧМ , які характеризують його працездатність, зв'язана з внутрішніми параметрами та зовнішніми діями набором функцій над векторами які визначаються різними процесами, що протікають в ЧМ при перетворенні сигналів

Виробничо-технологічними можливостями визначається гіперкуб допусків на внутрішні параметри.

Гіперкуби допусків на параметри дестабілізуючих факторів і зовнішніх факторів визначаються виразами:

Технічними умовами визначається гіперкуб показників працездатності

Підставивши (15) в (12), отримаємо нерівність яка визначає області, в просторі внутрішніх та зовнішніх параметрів, існування яких вказує на принципову можливість побудови працездатних пристроїв при дії дестабілізуючих факторів, випадкових змін параметрів внутрішніх факторів, обумовлених виробничо-технологічними допусками на номінали компонентів.

Область допустимих змін внутрішніх параметрів визначається у відповідності з умовою.

Для дослідження впливу внутрішніх параметрів на надійність ЧМ будують області працездатності . Мірою надійності по відношенню до зовнішніх дій є віддаль від робочої точки до границі області працездатності.

Визначення областей працездатності на етапі проектування являє собою задачу прогнозування їх характеристик. Цю задачу можна розділити на дві самостійні задачі: статистичний аналіз і статистичну оптимізацію.

Проведено статистичний аналіз параметрів ТІЕ із використанням критерію Персона здійснено порівняння отриманої ФГЙ з нормальним знаком. Показано, що параметри ТІЕ розподіленні за нормальним законом. Для оцінювання симетричності і згладженності кривої густини ймовірності визначено коефіцієнт асиметрії та ексцес, значення яких підтверджують, що параметри ТІЕ і розподілені за нормальним законом.

Розрахунок коефіцієнтів кореляції параметрів ТІЕ показав, що вони мають значну величину і тому кореляційні зв'язки необхідно врахувати.

Оскільки програмне забезпечення сучасних комп'ютерів дозволяє відносно просто моделювати розподіленні за гауссівським законом незалежні випадкові величини з нульовим математичним очікуванням і одиничним середньоквадратичним відхиленням , то необхідно перетворити вихідні випадкові величини , в нові з параметрами і .

Для нашого випадку задача розв'язується простим змішенням і зміною масштабу, оскільки величини розподілені за нормальним законом

В результаті цих перетворень отримано тримірну центровану ФГЙ для параметрів ТІЕ. Для того щоб отримати статистично незалежні випадкові величини, та їх ФГЙ проведено лінійні перетворення, коефіцієнти яких визначаються через коефіцієнти кореляції

Тут індекси 1,2,3 відповідають параметрам

В наслідок цих перетворень отримано нові статистично незалежні вихідні параметри ТІЕ.

При побудові статистичних моделей ЧМ допускалось, що їх параметри розподілені за довільними законами, тому ставилось завдання про перетворення довільних законів до гауссівських. З цією метою використовувався метод лінійної інтерполяції, при якому відрізок функції Гауса між квантилями і зображався у вигляді прямої лінії. Враховуючи приблизну рівність відношення площ між квантилями кривої Гауса і відношення відповідних інтервальних значень випадкових параметрів ЧМ після перетворень отримаємо квадратне рівняння

розв'язуючи, яке разів для всіх випадкових величин , формуємо нові вихідні дані , розподілені за гауссівськими законами з параметрами , , та матрицею коефіцієнтів кореляції, які для перетворених випадкових величин розраховуються в такій послідовності.

В системі перетворених випадкових величин розраховується число пар, до яких не входять спеціально задані значення, відкидаючи які, розраховують математичне очікування, дисперсію та коефіцієнти кореляції.

В результаті статистичного аналізу можна визначити межі інтервалів на гістограмах і ймовірність попадання в задані межі.

При проведенні статистичної оптимізації за критерієм максимальної ймовірності забезпечення працездатності будуть отримані нові перетворені значення вхідних параметрів і тому виникає зворотня задача моделювання статистично залежних вхідних параметрів з реальними законами розподілу. В цьому випадку рівняння (19) необхідно розв'язати відносно

В результаті цих перетворень отримаємо нові вхідні параметри з реальними статистичними зв'язками, а потім здійснюємо перетворення до реальних законів розподілу. З використанням запропонованого методу проведено статистичний аналіз частотного модулятора, який дає можливість розрахувати початкову надійність.

В четвертому розділі проведена статистична оптимізація параметрів ЧМ за критерієм максимальної ймовірності забезпечення заданих вихідних параметрів, яка визначається за виразом:

Задача статистичної оптимізації розв'язується як визначення максимуму P(H) при обмеженнях де: Н - n-мірний вектор номінальних значень вхідних параметрів; - ймовірність забезпечення заданих вихідних параметрів (ймовірність працездатності ЧМ) - цільова функція; - n-мірний вектор значень параметрів компонентів схеми; - нижнє і верхнє обмеження на вхідні параметри, обумовлені можливостями фізичної реалізації компонентів схеми; - нижнє і верхнє обмеження на вихідні параметри ЧМ - область працездатності ЧМ.

Для розрахунку складових вектора цільової функції P по s-й координаті використовувався метод Монте-Карло, у відповідності з яким визначались перша і друга похідні

Вираз для розрахунку номінальних значень складових вхідних параметрів ЧМ на (r+1)-ому кроці оптимізації можна записати так де - середньо квадратичне відхилення вхідних параметрів компонентів схем.

Отримані значення номіналів вхідних параметрів перетворювались до реальних у відповідністю з розглянутою методикою.

Розроблена принципова електрична схема ЧМ і проведені експериментальні дослідження.

Проведено розрахунок комплексного показника технічного рівня для різних типів ЧМ, який показав що введення ТІЕ в схему ЧМ на базі кварцового автогенератора дає можливість зменшити нестабільність від до , а нелінійність модуляційної характеристики зменшується від 5% до 2% при збільшенні індексу модуляції від 0,08 для ЧМ на базі кварцового автогенератора до 0,8 на базі транзисторного автогенератора зі стабілізацією середньої частоти та лінеаризацією МХ на базі ТІЕ.

Розглянута можливість побудови частотних маніпуляторів і цифрових радіотехнічних пристроїв на базі розроблених ЧМ, а також можливість їх застосування для побудови арифметико-логічних пристроїв з частотним представленням інформації та цифрових синтезаторів частоти.



ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота направлена на розв`язання актуальної наукової задачі підвищення стабільності середньої частоти та лінійності модуляційної характеристики частотного модулятора, а також підвищення його надійності шляхом врахування впливу виробничо-технологічних відхилень параметрів компонентів схем та оптимізації за критерієм максимальної ймовірності забезпечення працездатності на етапі проектування.

Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень полягають у наступному:

1. Запропоновано метод компенсації режимної і температурної нестабільності, який на відміну від відомих, враховує залежність еквівалентної індуктивності від зміни напруги між емітером і базою транзистора, що дає можливість компенсувати зміни ємності варікапа, які обумовлені нестабільністю напруги джерела живлення та зміною температури.

2. Запропоновано метод підвищення лінійності модуляційної характеристики частотного модулятора, який на відміну від відомих, враховує залежність еквівалентної індуктивності ТІЕ від миттєвих значень модулюючого сигналу, що дає можливість компенсувати нелінійність вольт-фарадної характеристики варікапа, при цьому нелінійність МХ зменшується від 20% до 2,4%, а індекс модуляції збільшується від 0,44 до 0,84, при приблизно рівних коефіцієнтах нелінійних спотворень по 2-й і 3-й гармоніках.

3. Проведено статистичний аналіз параметрів ТІЕ і ЧМ з використанням компенсації нелінійності вольт-фарадної характеристики на його базі показав, що параметри ТІЕ - еквівалента індуктивність, активний опір і добротність статистично залежні, коефіцієнти кореляції знаходяться в межах від 0,5 до 0,8, а функції густини ймовірності мають гауссівський характер, при цьому коефіцієнт асиметрії складає 0,01, а ексцес - 0,11; параметри ЧМ можуть характеризуватись довільними законами розподілу.

4. Розроблено методику і проведено перетворення довільних законів розподілу параметрів ЧМ до гауссівських та їх деко реляція, а також отримані вирази для прямих і зворотних перетворень випадкових вхідних параметрів, що дає можливість провести оптимізацію параметрів ЧМ за критерієм максимальної ймовірності забезпечення працездатності на етапі проектування з врахуванням виробничо - технологічних відхилень параметрів компонентів.

5. Запропоновано аналітичний вираз для МХ ЧМ, який на відміну від відомих, які враховують зміну ємності варікапа, враховує вплив миттєвих значень модулюючого сигналу на індуктивність ТІЕ, що дає можливість збільшувати девіацію частоти, як за рахунок зміни індуктивності та ємності при дії миттєвих значень модулюючого сигналу, так і за рахунок частотної залежності індуктивності в області частот вище за.Отримані вирази для розрахунку коефіцієнтів нелінійних спотворень по 2-й і 3-й гармоніках і проведено їх дослідження.

6. Розглянута можливість побудови частотних маніпуляторів з використанням високостабільних генераторів на основі ТІЕ і ЧМ, а також цифрових формувачів частотно-маніпульованих сигналів на базі розроблених ЧМ.

7. Отримав подальший розвиток метод синтезу цифрових радіотехнічних пристроїв, який, на відміну від відомих, використовує частотно-маніпульовані сигнали для представлення інформації, що дало можливість спростити структурну схему шифратора в по рівнянні з використанням традиційних методів синтезу з використанням частотно-імпульсних логічних елементів.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кичак В.М. Оценка влияния сопротивления нагрузки на параметры шестиполюсных СВЧ устройств / В.М. Кичак, Нассир Мансур Махмуд Абухамуд // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 2008. - № 2. - С. 57-60.

2. Кичак В.М. Синтез шифратора двоичного кода с частотно-импульсным представленим информации [Электронный ресурс] / В.М. Кичак, В.В. Кичак, Нассир Мансур Махмуд Абухамуд // Наукові праці ВНТУ. - 2009.- № 2. - Режим доступу до журн.: http://www.nbuv.gov.ua/e-joumals/VNTU/2009_2_ua/2009-2. files/uk/09vvumsc_ua.pdf.

3. Кичак В.М. Математическая модель индуктивного динамического негатрона / В.М. Кичак, Нассир Мансур Махмуд Абухамуд, В.М.Ткачук // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 2009. - № 2. - С. 65-71.

4. Кичак В.М. Метод компенсації нестабільності параметрів частотного модулятора за відсутності модулюючого сигналу / В.М. Кичак, Нассир Мансур Махмуд Абухамуд, П.О. Гаврасієнко, Н.В. Трухачова // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2010. - № 5. - С. 100-104.

5. Кичак В.М. Методы линеаризации модуляционной характеристики частотного модулятора / В.М. Кичак, Нассир Мансур Махмуд Абухамуд, Н.В. Трухачёва / Вісник Хмельницького націоналнього університету. - 2010. - № 3. - С. 177-181.

6. Кичак В.М. Прогнозирование статистических характеристик радиотехнических устройств на ранних этапах проектирования / В.М. Кичак, Нассир Мансур Махмуд Абухамуд, В.В. Кичак // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 2010. - № 1. - С. 90-93.

7. Кичак В.М. Оптимізація вибору режиму керованої реактивності / О.О., Дрючин, В.М Кичак, Нассир Мансур Махмуд Абухамуд / Вісник Хмельницького національного університету. - 2010. - № 3. - С. 232-237.

8. Кичак В.М. Анализ методов модуляции сигналов с целью повышения помехоустойчивости систем радиодоступа / В.М. Кичак, Н.В., Нассир Мансур Махмуд Абухамуд, Н.В. Трухачёва // Современные проблемы радиоэлектроники, телекоммуникаций и приборостроения: 4-я междунар. науч.-техн. конф. Ч. 1. - 2009. : тезисы докл. - Винница. - С. 84.

9. Кичак В.М. Прогнозирование статистических параметров устройств управления частотой / В.М. Кичак, Нассир Мансур Махмуд Абухамуд, В.В. Кичак // Контроль и управление в сложных системах: 10-я междунар. науч.-техн. конф. - 2010.: тезисы докл. - Винница. - С. 147.

10. Kychak V. Integrated Microwave Modulator Based on Induction of Dynamic / V. Kychak, Nassir Abuhamoud, P. Gavrasienko, N. Trouhachyova // Modern problems of radio engineering, telecommunications and computer science. Proceedings of the International Conference TCSET. - 2010. - Lviv-Slavske. - P. 92.

11. Kychak V. Method of parameters frequency modulator instability compensaftion in the absence of modulating signal / V. Kychak, Nassir Abuhamoud, P. Gavrasienko, N. Trouhachyova // Modern problems of radio engineering, telecommunications and computer science. Proceedings of the International Conference TCSET. - 2010. - Lviv-Slavske. - P. 96-97.

12. Кичак В.М. СВЧ модулятор на основе индуктивного динамического негатрона / В.М. Кичак, Нассир Мансур Махмуд Абухамуд, П.О. Гаврасиенко // Современные проблемы радиоэлектроники, телекоммуникаций и приборостроения: 4-я междунар. науч.-техн. конф. Ч. 1. - 2009.: тезисы докл. - Винница. - С. 83.

Размещено на Allbest.ru

...