Функциональные устройства на основе ПАВ структур для приемо-передающей аппаратуры КВ и УКВ диапазонов радиочастот

Никонова, Галина Сергеевна

Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Функциональные устройства на основе ПАВ структур для приемо-передающей аппаратуры КВ и УКВ диапазонов радиочастот

кандидата технических наук: Никонова, Галина Сергеевна
город: Омск
год: 2013
специальность ВАК РФ: 05.12.04

Диссертация по радиотехнике и связи на тему «Функциональные устройства на основе ПАВ структур для приемо-передающей аппаратуры КВ и УКВ диапазонов радиочастот»

Автореферат диссертации по теме "Функциональные устройства на основе ПАВ структур для приемо-передающей аппаратуры КВ и УКВ диапазонов радиочастот"

На правах рукописи

Никонова Галина Сергеевна

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ ПАВ СТРУКТУР ДЛЯ ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩЕЙ АППАРАТУРЫ КВ И УКВ ДИАПАЗОНОВ РАДИОЧАСТОТ

Специальность 05.12.04 — Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

005541822

Омск-2013

005541822

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» на кафедре «Радиотехнические устройства и системы диагностики» и в открытом акционерном обществе «Омский научно-исследовательский институт приборостроения»

Научный руководитель:

Аржанов Валерий Андреевич

кандидат технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Петров Виктор Петрович

доктор технических наук, профессор, начальник ИЛ, СибГУТИ

Губарев Алексей Александрович

кандидат технических наук, ведущий инженер ООО НПО «Мир»

Ведущая организация: ОАО «Центральное конструкторское бюро

автоматики», г. Омск

Защита состоится « 13 » декабря 2013 года в 16-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.178.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» по адресу: г. Омск, Пр. Мира, 11, ауд. 8-421.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОмГТУ.

Автореферат разослан «_» ноября 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира 11, Омский государственный технический университет, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.178.01

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.178.01 доктор технических наук

В. Л. Хазан

Общая характеристика работы

Работа посвящена разработке и исследованию функциональных узлов (фильтров и генераторов) на поверхностных акустических волнах (ПАВ) с улучшенными характеристиками. Предложены алгоритмы проектирования ПАВ устройств, новые схемотехнические решения для применения в приемо-передающей радиоаппаратуре коротковолнового (КВ) и ультракоротковолнового (УКВ) диапазонов радиочастот.

Актуальность темы

Современные приемо-передающие радиотехнические устройства, системы и сети связи проектируются для работы на радиочастотах от долей герц до десятков гигагерц. Но, по-прежнему, востребованными для различных систем служебной связи остаются КВ и УКВ диапазоны радиочастот.

Известно, что характеристики фильтров преселектора и тракта промежуточной частоты, а также характеристики опорных и управляемых генераторов во многом определяют качество приемо-передающей радиоаппаратуры. В течение длительного периода времени фильтры и управляемые генераторы достаточно успешно разрабатывались на ЬС-контурах, а опорные генераторы - с использованием резонаторов на объемных акустических волнах (ОАВ), однако в настоящее время такие разработки недостаточно технологичны и не всегда могут обеспечить заданные требования по надежности, по устойчивости к внешним воздействиям, по кратковременной, температурной и долговременной стабильности, по эффективной перестройке частоты, без увеличения вносимых потерь фильтров или фазовых шумов генераторов.

В последние десятилетия в частотном диапазоне от 10 МГц до 2 ГГц в аппаратуре связи все активнее начинают применяться фильтры, генераторы и различные специализированные устройства обработки сигналов на ПАВ. Достоинства ПАВ устройств: интегральная технология; малые габариты и вес; прогнозируемая возможность получения хороших избирательных свойств у широкополосных и узкополосных ПАВ фильтров и высокой стабильности частоты у ПАВ генераторов.

Однако широкое применение ПАВ устройств в современной приемо-передающей радиоаппаратуре сдерживается различными нерешенными или решенными лишь частично проблемами. В частности, при разработке ПАВ устройств для современной приемопередающей аппаратуры, необходимы несложные адекватные модели, пригодные для алгоритмизации и программной реализации задач анализа и синтеза при сравнительно небольших ресурсах программного времени. Существующие модели, алгоритмы, методики анализа и синтеза ПАВ устройств не учитывают многих важных факторов, требуют значительных машинных ресурсов, либо ввода начальных эмпирических данных. Для более широкого применения ПАВ устройств в трактах радиочастоты (РЧ) или промежуточной частоты (ПЧ) необходимо также решить задачи по разработке устройств с широким диапазоном плавной перестройки частоты, по обеспечению устойчивых одночастотных режимов работы ПАВ генераторов, минимизации у них мощности фазовых шумов, по уменьшению температурной зависимости характеристик. Поэтому разработка новых методик проектирования ПАВ устройств, новых принципов построения одночастотных ПАВ генераторов с малым уровнем фазовых шумов и с эффективной перестройкой частоты колебаний, способов улучшения температурной стабильности частоты является актуальной задачей в теоретическом и практическом плане.

Целью работы является разработка алгоритмов, методик анализа и синтеза ПАВ фильтров для одночастотных генераторов, а также разработка алгоритмов, методик анализа и синтеза перестраиваемых одночастотных генераторов с такими ПАВ фильтрами при обеспечении в генераторах приемлемого уровня фазовых шумов, а также улучшение температурной стабильности проектируемых устройств схемотехническими и топологическими способами.

Разрабатываемые ПАВ устройства предназначены для применения в приемопередающей радиоаппаратуре КВ и УКВ диапазонов радиочастот.

Задачи работы следующие.

1 Исследовать существующие модели, алгоритмы и методики проектирования ПАВ фильтров, частотные и температурные характеристики разработанных в настоящее время ПАВ фильтров.

2 Разработать алгоритм проектирования ПАВ фильтров с малыми потерями для одночастотных генераторов, исследовать характеристики узкополосных и широкополосных фильтров.

3 Исследовать существующие схемотехнические решения ПАВ генераторов, алгоритмы и методики их проектирования, характеристики разработанных в настоящее время ПАВ генераторов.

4 Разработать алгоритм проектирования ПАВ генераторов для частотного диапазона от 10 МГц до 2 ГГц, обеспечивающих одночастотный режим работы. Разработать образцы ПАВ генераторов для данного частотного диапазона, исследовать их характеристики, в том числе возможности получения малых уровней фазовых шумов, эффективной перестройки частоты, высокой температурной стабильности частоты.

5 Разработать ПАВ устройства для современной приемо-передающей аппаратуры, обеспечивающие требования технических заданий.

Объектами исследования являются функциональные устройства приемопередающей аппаратуры КВ и УКВ диапазонов радиочастот (фильтры, генераторы), разработанные на основе ПАВ структур.

Предметы исследования - алгоритмы, методики проектирования ПАВ фильтров и ПАВ генераторов, новые схемотехнические и топологические решения, обеспечивающие реализацию характеристик этих акустоэлектронных устройств, необходимых для современной приемо-передающей радиоаппаратуры.

Методы исследования.

Решение перечисленных выше задач выполнено с применением функции комплексного переменного, теории дифференциального и интегрального исчисления, теории линейных электрических цепей, теории электрических фильтров и генераторов, теории случайных процессов, программ моделирования.

подтвержденного экспериментальными исследованиями макетов и образцов устройств, публикациями в журналах из перечня ВАК и в других научных изданиях.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1 Разработан алгоритм проектирования ПАВ фильтров с малыми потерями для одночастотных генераторов, учитывающий возможность применения при проектировании различных моделей, описывающих излучение ПАВ, вторичные эффекты, S-параметры фильтра, требования к фазочастотной характеристике.

2 Предложена методика аналитического расчета эквивалентной добротности ПАВ фильтров, проведены исследования характеристик узкополосных и широкополосных ПАВ фильтров.

3 Проведен анализ схемотехнических решений ПАВ генераторов, методик проектирования, анализ их характеристик. Разработан алгоритм проектирования одночастотных ПАВ генераторов с малым уровнем шумов на основе S-параметров.

4 Предложена методика сравнительного теоретического анализа кратковременной нестабильности частоты, спектральных характеристик ПАВ генераторов и генераторов других типов на основе аналитических выражений теории электрических цепей.

5 Предложены новые схемотехнические решения для генераторов, обеспечивающие эффективную перестройку частоты, повышающие температурную стабильность частоты.

Практическая значимость работы.

На основе выполненных теоретических исследований и моделирования разработаны опытные образцы ПАВ устройств для КВ и УКВ диапазонов радиочастот.

Улучшение характеристик фильтров и генераторов достигнуто за счет использования разработанных методик (алгоритмов) проектирования, позволяющих учесть больший объем требований, необходимых для проектирования ПАВ устройств.

Предложены различные технические решения для получения в генераторах малых уровней фазовых шумов, эффективной перестройки частоты, лучшей температурной стабильности, что подтверждается внедрением разработанных устройств в новую приемопередающую радиоаппаратуру, разработанную в ОАО «Омский НИИ приборостроения» и в ООО «Сфинкс-ЭД» (акт внедрения). Результаты данной работы могут быть также использованы в качестве базы для дальнейших исследований.

Апробация работы. Результаты работы представлялись на следующих научных конференциях:

1 г. Омск, региональные научно-практические (н.п.к.) и научно-технические

конференции (н.т.к.), ОНИИП, 2010 г, ОМГТУ, 2011 г., ИРСИД , 2011 г.

2 г. Омск, международная н.т.к. «Радиотехника, электроника и связь», 2011г.

3 г. Омск, всероссийская н.т.к, «Наука, образование, бизнес», ИРСИД, 2012г.

4 г. Воронеж, международная н.т.к. «Радиолокация, навигация, связь», 2012г.

5 г. Новосибирск, XI международная н.т.к «Актуальные проблемы электронного

приборостроения», 2012г.

6 г. Омск, VIII международная конференция «Динамика систем, механизмов и

машин», ОмГТУ, 2012г.

7 г. Красноярск, международная н.т.к. «Современные проблемы

радиоэлектроники», СФУ, 2012г.

8 г. Омск, всероссийская н.т.к, «Наука, образование, бизнес», ИРСИД, 2013г.

9 г. Томск, V международная н.п.к. «Актуальные проблемы радиофизики». - ТГУ,

октябрь 2013 г.

10 г.Омск, V Всероссийская н.т.к. «Россия молодая: передовые технологии - в

промышленность».- ОмГТУ, 2013г.

Публикации. Результаты диссертации отражены в 24 публикациях. Из них, 5 публикаций в журналах и сборниках из перечня, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения и пяти глав основного текста. Объем 139 страниц, список литературы - 85 наименований.

Личный вклад. Все исследования, изложенные в диссертации, проведены автором в процессе научной деятельности. В частности, автор разработал алгоритмы анализа и синтеза ПАВ фильтров и генераторов, исследовал модели ПАВ устройств, провел необходимые экспериментальные исследования разработанных образцов, подтвердившие адекватность моделей и достоинства предложенных технических решений. Результаты работы, выносимые на защиту, получены автором лично, в имеющихся совместных публикациях по общим разработкам указаны соавторы, после заимствованного материала, в тексте работы имеются необходимые ссылки на соответствующие книги или статьи.

Основные положения, выносимые на защиту.

1 Алгоритм проектирования ПАВ фильтров для одночастотных генераторов, результаты моделирования и экспериментальных исследований фильтров с малыми потерями.

2 Алгоритм проектирования одночастотных ПАВ генераторов, результаты моделирования и экспериментальных исследований малошумящих генераторов, разработанных по этому алгоритму.

3 Методика аналитического расчета эквивалентной добротности ПАВ фильтров.

4 Методика теоретического анализа спектральных характеристик выходного сигнала ПАВ генераторов.

5 Технические решения, обеспечивающие эффективную перестройку частоты колебаний ПАВ генераторов, повышение их температурной стабильности и разработанные ПАВ устройства, примененные в радиоаппаратуре КВ и УКВ диапазонов радиочастот.

Краткое содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и основные задачи исследования.

В первой главе проведен анализ состояния современных разработок фильтров на ПАВ для аппаратуры радиосвязи: частотный диапазон их применения, характеристики, имеющиеся проблемы при разработке таких фильтров для систем частотной селекции и для генераторов, классические и модифицированные методы синтеза топологии преобразователей и анализа частотных характеристик.

Из проведенного анализа следует, что в новых радиотехнических устройствах для систем радиосвязи на частотах от 10 МГц до 2 ГГц все чаще применяются фильтры на ПАВ. На частотах ниже 10 МГц применение ПАВ фильтров затруднено из-за больших габаритов, а на частотах выше 2 ГГц разрешающая способность современного фотолитографического процесса не позволяет получить высокий процент выхода годных ПАВ устройств и их стоимость становится не конкурентной, по сравнению с другими техническими решениями.

В простейшем случае фильтр на ПАВ является акустической частотно-избирательной линией задержки (ЛЗ) и содержит два металлических встречно-штыревых преобразователя (ВШП), нанесенных методами интегральной технологии на поверхность пьезоэлектрической подложки, например, на поверхность монокристаллического кварца, ниобата лития или другого пьезоэлектрика (рисунок 1).

ВШП1 ВШП!

X . У1Г

_Е1

т т

[А]

ит

У2

£2^

Рисунок 1 — ПАВ фильтр

¡Ш * иГО

Рисунок 2- Структурная схема «ячейки Мэзона»

Приближенный анализ частотных характеристик таких преобразователей, применяемый для их предварительной оценки, основан на связи импульсной характеристики, пропорциональной апертуре ВШП, с частотной характеристикой преобразованием Фурье

К(]со)= \^(1)ехр(-](й1)с11 = К(т)ехр(](рк ). (1)

Более точные методы анализа и синтеза ПАВ фильтров основаны на применении различных моделей, отображающих с той или иной точностью возбуждение и прием акустических волн. К основным методам такого типа относятся следующие:

1 Применение моделей преобразователей с различными вариантами идеальных дискретных источников (5-функций), которые, однако не учитывают вторичных эффектов, потерь ПАВ при распространении и требуют дополнительной коректировки для аподизованных или неэквидистантных преобразователей.

2 Применение различных вариантов шестиполюсных эквивалентных электроакустических схем, полученных на основе уравнений Мэзона. Для описания простейшего шестиполюсника (рисунок 2) или преобразователя в целом применяют систему из трех уравнений в смешанных Р-параметрах вида: Г2(Р1,У 1,11(0); У2(П,У1,и(1)); ¡(П,У1,и(1)). Однако и в методах анализа на основе «ячеек Мэзона» не учитываются отражения ПАВ от электродов. Большим недостатком также является необходимость использования матриц смешанных параметров и в связи с этим - слишком сложные алгоритмы и программы, требующие трудоемкой разработки и значительных машинных ресурсов.

3 В модифицированных методах расчета классические шестиполюсники или восьмиполюсники по схеме Мэзона, соответствующие проектируемой топологии преобразователя, с помощью матричных преобразований заменяют линейными

четырехполюсниками, например, с А-параметрами. Принципы таких преобразований на примере балансного кольцевого ПАВ фильтра иллюстрирует рисунок 3.

Вы*

Рисунок 3 - Матричное преобразование балансного Рисунок 4 - Структурная схема ПАВ кольцевого ПАВ фильтра генератора

Достоинство подобного модифицированного метода заключается в возможности применения хорошо разработанного в теории цепей аппарата А-параметров.

В результате анализа методов проектирования, достигнутых характеристик и имеющихся проблем, отмечено отсутствие эффективных алгоритмов проектирования и сформулированы задачи диссертационной работы в части, касающейся разработки современных ПАВ фильтров промежуточных частот и фильтров для одночастотных генераторов КВ и УКВ диапазонов. Необходимо:

- разработать новый алгоритм проектирования ПАВ фильтров с малыми потерями для систем частотной селекции и для одночастотных генераторов, учитывающий различные эксплуатационные требования, вторичные эффекты, согласование с внешними цепями, требования к фазочастотной характеристике и другие важные факторы и приемлемый для программной реализации;

- исследовать узкополосные и широкополосные ПАВ фильтры, предложить методику анализа эквивалентной добротности таких фильтров;

- предложить достаточно эффективные методы температурной стабилизации или термокомпенсации частоты ПАВ фильтров.

Во второй главе проанализированы:

- общие принципы схемотехники генераторов с различными радиокомпонентами, частотно-избирательные цепи обратной связи и фазовые соотношения в них и в усилительных устройствах;

- классические условия самовозбуждения цепи с положительной обратной связью

и основные принципы анализа схем генераторов на традиционных ЬС-радиокомпонентах;

характеристики генераторов для аппаратуры связи на традиционных радиокомпонентах и с устройствами на ПАВ.

Анализ позволил сделать выводы, что в современных разработках для диапазона частот от 10 до 150 МГц все еще в большинстве случаев в качестве опорных генераторов применяются генераторы с резонаторами на ОАВ, работающие на основной частоте или на гармониках. Такие генераторы способны обеспечить в КВ диапазоне кратковременную стабильность частоты до 1СГ12. Для более высоких частот в генераторах с резонаторами на ОАВ применяется умножение частоты, которое однако, существенно ухудшает спектральные характеристики сигнала. В качестве перестраиваемых генераторов для частотного диапазона 107 - 2-Ю9 Гц все еще применяют традиционные ЬС - генераторы, имеющие сравнительно небольшую кратковременную стабильность частоты (порядка 10").

Также отмечено, что характеристики вновь разрабатываемых ПАВ генераторов мало изменились за последние 10-15 лет, что в значительной степени связано с отсутствием методик их проектирования. В частности, относительная кратковременная стабильность таких генераторов примерно равна 10"8-10"9 , а мощность фазовых шумов при отстройке от средней частоты генерации на 5-10 кГц составляет минус (130 - 135) дБ/Гц. Такие характеристики имеют, например, генераторы фирмы Micro Networks, разрабатываемые для диапазона частот от 100 МГц до 2 ГГц.

Проведен сравнительный анализ фазочастотных характеристик ПАВ устройств различного вида, для оценки возможности их применения в опорных и управляемых генераторах. У резонаторов на ПАВ (одновходовых), эквивалентных параллельному контуру третьего вида, фазовый сдвиг на границах полосы пропускания отличается на я радиан. У ПАВ линии задержки (J13) фазовый сдвиг в основном зависит от времени запаздывания. При большом времени запаздывания, в пределах полосы пропускания ВШП фазовые условия вида <р=(к+1)тг могут выполняться для многих частот, что в принципе позволяет разрабатывать многочастотные генераторы с возможностью дискретной перестройки. Однако для одночастотных генераторов на таких ПАВ JI3 необходимо применять внешние частотно-избирательные устройства или же разрабатывать специальную топологию ВШП. Структурная схема ПАВ генератора, который может быть выполнен как с ПАВ JI3, так и с ПАВ резонатором, приведена на рисунке 4. В схеме предусмотрено, что в цепь обратной связи может быть включен или фазовращатель для перестройки частоты, или перестраиваемый контур для выбора частоты генерации при многочастотном режиме.

В результате анализа, проведенного во второй главе, сформулированы задачи, решение которых позволит эффективно вести разработку опорных и перестраиваемых генераторов на ПАВ для частотного диапазона 107 - 2-109 Гц с приемлемыми для применения в современной радиоаппаратуре характеристиками. Задачи диссертационного исследования в части, касающейся ПАВ генераторов, следующие. Необходимо:

- разработать алгоритм проектирования малошумящих одночастотных ПАВ генераторов, обеспечивающих одночастотный режим работы, приемлемый для программной реализации;

- проанализировать достижимые эквивалентные добротности ПАВ J13 и ПАВ резонаторов в KB и УКВ диапазоне. Оценить возможность применения в различных частотных интервалах конкретных ПАВ устройств (J13 и резонаторов) в схемах генераторов;

- предложить новые схемотехнические решения для малошумящих генераторов, обеспечивающие эффективную перестройку частоты, повышающие температурную стабильность частоты;

- разработать сравнительную методику аналитической оценки спектральных характеристик ПАВ генераторов.

В третьей главе разработан алгоритм проектирования ПАВ фильтров с малыми вносимыми потерями для систем частотной селекции и для одночастотных генераторов. Основной алгоритм приведен на рисунке 5, а на рисунках 6,7,8 более подробно рассмотрены наиболее важные этапы проектирования этого алгоритма.

Рисунок 5 - Алгоритм анализа и синтеза ПАВ фильтров

| Т^ГДГ.' |—1-

__, | ПрОН-Щ.

т е.

™кыти>

Рисунок 6 - Алгоритм анализа и синтеза ПАВ фильтров. Технические требования

Рисунок 7 - Алгоритм анализа и синтеза ПАВ фильтров. Требования к топологии

Рисунок 8 - Алгоритм анализа и синтеза ПАВ фильтров. Синтез фильтра с учетом внешней нагрузки

1 В разработанном алгоритме проектирования ПАВ фильтров, в отличие от встречающихся в публикациях типовых рекомендаций по проектированию, предусмотрено следующее: увеличен объем требований, необходимых для проектирования ПАВ фильтров с учетом требований к современной радиоаппаратуре; предусмотрена возможность применения различных моделей для расчета топологии преобразователей фильтров, в зависимости от допустимой погрешности; введены новые этапы, для обеспечения возможности проектирования ПАВ фильтров с требуемыми фазочастотными характеристиками, предназначенных для последующего проектирования одночастотных генераторов; предусмотрена возможность применения при проектировании современного аппарата матриц 8-параметров (матриц рассеяния).

2 С использованием разработанного алгоритма были промоделированы, а затем исследованы узкополосные и широкополосные ПАВ фильтры. Узкополосные фильтры проектируют либо на основе узкополосных ПАВ линий задержки (многоэлектродных, с кольцевой или резонаторной топологией) или же в них могут быть просто применены один или несколько ПАВ резонаторов.

3 Выполнение требований технических заданий на проектирование узкополосных фильтров для современной радиоаппаратуры может быть выполнено при применении фазовой аподизации электродов многоэлектродных ВШП, которую аналитически принято описывать аппаратом S - функций. В этом случае, частотная характеристика ПАВ структуры (фильтра) из двух преобразователей при аподизации различными оконными функциями определяется в виде

H(f) = XZBJmln exp(j2nf(ym - х )/v), (2)

где xn,ym- координаты положения 5- источников (электродов) передающего и приемного ВШП (имеющих N, и М, электродов), отложенные от края передающего преобразователя; /„,/„- коэффициенты знака (полярности); v- средняя скорость ПАВ на поверхности пьезоподложки; Впт - функция аподизации электродов. При отсутствии аподизации Впт=1, а при аподизации обоих ВШП в формуле для каждой пары электродов применяется весовой коэффициент более короткого электрода. Однако, хотя промоделированный по разработанному алгоритму ПАВ фильтр с фазовой аподизацией на частоту 70 МГц имел ослабление в полосе задерживания около 55 дБ, по сравнению с полосой пропускания, но вносимые потери в полосе пропускания были значительны и составляли более 6 дБ из-за двунаправленного излучения.

4 Более эффективными вариантами узкополосных фильтров на основе ПАВ JI3 с малыми потерями, обеспечивающими одночастотный режим в схеме генератора, оказались фильтры на основе кольцевых и двухпреобразовательных структур. Топология и частотные характеристики ПАВ фильтров с малыми потерями, следующие.

Кольцевой фильтр с малыми потерями (рисунок 9) состоит из входного и выходного двунаправленных ВШП, размещенных в параллельных акустических каналах, и двух отражательных многополосковых ответвителей (ОМПО), обеспечивающих передачу ПАВ между этими каналами [1, 2]. Такие фильтры не требуют внешних согласующих элементов, поскольку проектируются с активными импедансами 50-200 Ом в полосе пропускания, то есть обеспечивают самосогласование (статическая емкость ВШП компенсируется реактивной проводимостью излучения ПАВ).

Рисунок 9- Кольцевой ПАВ фильтр

Рисунок 10- АЧХ и ФЧХ кольцевого ПАВ фильтра

Фильтры обеспечивают малые вносимые потери (1-2 дБ) и фазовый набег ± 180° в относительной полосе пропускания 1,5-5% на срезах YX/128°, YX/64°, YX/41" LiNb03. На рисунке 10 приведены измеренные АЧХ и ФЧХ разработанного кольцевого фильтра для тракта 50 Ом на срезе YX/1280 LiNb03. Относительная полоса пропускания 2Д/%=1,5%, центральная частотота/0=157 МГц. Фильтр имеет вносимые потери около 1 дБ, ФЧХ, близкую к линейной в полосе пропускания, с крутизной около 90°/МГц.

ПАВ фильтр на основе двухпреобразовательной резонаторной структуры (рисунок 11 а) [1,2] содержит резонансную полость между двумя отражательными решетками (ОР). Такие фильтры тоже не требуют внешних согласующих элементов, обеспечивают самосогласование в трактах 50-100 Ом, малые вносимые потери (1-2 дБ) и фазовый набег ± 180° в относительной полосе пропускания 2-6 % на срезах YX/420 LiTa03, YX/640 и YX/41°LiNb03.

■ lUli — issl ТйГ]

/ : \

h =Х

а)

б)

Рисунок 11 - Резонаторный ПАВ фильтр (а), АЧХ и ФЧХ резонаторного ПАВ фильтра (б)

На рисунке 11 б приведены измеренные АЧХ и ФЧХ двухпреобразовательного резонаторного фильтра на срезе УХ/42° ЬГГа03 с относительной полосой пропускания 2Д///0 =2% и центральной частотой /0=247 МГц. Фильтр имеет вносимые потери около 2 дБ, ФЧХ, близкую к линейной в полосе пропускания. На рисунке 12 приведены АЧХ и импеданс ПАВ фильтра для одной из итераций проектирования (при поэтапных приближениях к заданным требованиям), а на рисунке 13 - экспериментальная АЧХ двухкаскадного ПАВ фильтра, с ослаблением в полосе задерживания более 90 дБ.

Рисунок 12-АЧХ и импеданс ПАВ фильтра Рисунок 13 - АЧХ двухкаскадного ПАВ

фильтра

Исследованы условия одночастотного режима ПАВ генераторов с кольцевыми и резонаторными фильтрами [7]. Показано, что в генераторах с такими фильтрами одночастотный режим в общем случае будет выполняться при условии

1/т>2А(, (3)

где г- величина запаздывания в ЛЗ; 2 А/ = /0/М - полоса пропускания ОМПО или ОР;^-число пар электродов ОМПО или ОР. Однако при выборе частоты генерации в середине полосы пропускания ПАВ устройства выражение (3) преобразуется к виду 1/т>Л/, то есть требования к величине т существенно снижаются.

5 Исследованы широкополосные ПАВ фильтры с веерными преобразователями (рисунок 14), которые могут найти применение в преселекторах, в широкополосных трактах ПЧ, в автогенераторах с широким диапазоном дискретной или плавной перестройки частоты, а также в специализированных устройствах, использующих эффект сканирования акустического луча веерных ВШП. Эффект сканирования применен для термокомпенсации частоты генератора [6] и описан в четвертом разделе.

ВШП1 ВШП2 О-1 -О

Рисунок 14 - Типичная структура топологии широкополосного ПАВ фильтра

При моделировании применялась модель ВШП с 3 - функциями. Комплексная амплитуда ПАВ точке наблюдения с координатами (х,у) от электродов возбуждающего ВШП (для сечения Ду) при этом определяется аналогично выражению (2)

и(х'У) = Т,1Л е*.Р( (У «„ )№) ехр(~]2т$ /у), (4)

где (-Ы,/2)<п< (N,/2), а„ - угол наклона п -го электрода по отношению к центральному. Характеристики ПАВ фильтра с веерными ВШП: коэффициент прямоугольности 3-4; ослабление в полосе задерживания при аподизации электродов около 40-45 дБ. Но вносимое ослабление в полосе пропускания более 6дБ. Его можно уменьшить в последующих разработках, применив топологию резонаторного вида [20].

6 Для прогнозирования характеристик генераторов с ПАВ фильтрами на основе ЛЗ получено аналитическое выражение для расчета добротности ПАВ ЛЗ из условия ее эквивалентности по частотным характеристикам колебательному контуру.

Для колебательного контура с полосой пропускания 2Ди> = (ш2 ~ ^н) справедливы соотношения 2Дш = ^р Ьг-Ь1= п/2, где Ь2, Ь, - значения аргумента коэффициента

передачи (фазы) на границах полосы пропускания цепи с контуром.

Для ПАВ ЛЗ, имеющей время запаздывания г, без учета избирательности ВШП справедливо соотношение Ь2~Ь1 = ш2т - шгт = 2Д«т. Тогда из условия эквивалентности рассматриваемых устройств добротность ПАВ ЛЗ определится в виде

<2 = (<и0т)/(Ь2 - Ьг) = 2(а)0т)/тг » 0,6 ш0т. (5)

В полученном выражении в правой части не приведен коэффициент 1/рад, не влияющий на численное значение добротности, а также не учтены избирательные свойства ВШП.

Проведена оценка погрешности расчета добротности ПАВ ЛЗ из-за неучтенного дополнительного запаздывания тдо„. Величина тдап. определена из сравнения характеристик ВШП с характеристиками однозвенного полосового фильтра (ПФ) с Я, Ь, С-элементами, в продольной ветви которого включено сопротивление ¿а (последовательный контур), а в поперечной ветви - сопротивление ¿ь (параллельный контур). При одинаковых радиоэлементах контуров в соответствии с классической теорией фильтрации справедливо выражение для полосы пропускания ПФ 5/1(5/2) = ^¿аТ^ь- рДе 5 = характеристическая постоянная передачи; а- ослабление; Ь- фаза;

¿а = я(1 + )(Цш/щ - ш0/ш))-, ¿ь = (Я<32)/(1 +](}(.ш/ы0 - ш0/ш)У,

Учитывая, что в полосе пропускания величина д мала, получаем

.ЛС*/2) - -о/-))) . Ь - 2 £ - « ^

Так как запаздывание является производной от фазы, окончательно получаем дополнительную величину тдоп = | = 2ш0/со2, характеризующую погрешность

расчета эквивалентной добротности по (5). Анализ полученного выражения для тдоп позволяет сделать вывод, что эту величину при расчете эквивалентной добротности ПАВ ЛЗ следует учитывать лишь при расчетах для КВ диапазона, где добротность ЛЗ составляет несколько сотен единиц, а в УКВ диапазоне допустимо применять выражение (5). Погрешность расчета менее десятой доли процента

7 Исследованы температурные характеристики ПАВ фильтров при применении различных вариантов температурной стабилизации. В разработанной партии фильтров температурная нестабильность частоты в среднем не превышала 70-10" относительных единиц в диапазоне температур 100°С, что на два порядка лучше, чем у ПАВ фильтров с температурно-зависимыми пьезоподложками [10]. Все измерения характеристик ПАВ фильтров проводились аттестованными приборами. Графики частотных характеристик усреднялись в режиме измерения по десяти измерениям.

В четвертой главе: разработан алгоритм проектирования ПАВ генераторов (рисунок 15); проведен сравнительный теоретический анализ кратковременной нестабильности ПАВ генераторов и генераторов других типов; исследованы характеристики генераторов с кольцевыми и резонаторными ПАВ фильтрами, с ПАВ резонаторами. Предложены ПАВ устройства для перестройки частоты, для повышения температурной стабильности частоты генераторов.

Формулирование, ввод требований к ПАВ генератору

Формулирование, ввод требован! ПАВ устройству

Выбор варианта топологии по компромиссным критериям

ч:

Разработка топологии ПАВ резонатора

Разработка эквивалентной схемы. ПАВ резонатора. Моделирование АЧХ. ФЧХ

Разработка топологии ПАВ /13 (с учетом одномодового или многомодового режима)

Разработка э> /13 Моде

Алгоритм проектирования ПАВ генераторов, совместно с разработанным в главе 3 алгоритмом проектирования фильтров, позволяет учесть влияние всей схемы и реализовать поэтапную оптимизацию схемы усилителя и конструкции ПАВ фильтра для достижения требуемых параметров. Благодаря такому системному проектированию разработка ПАВ генератора осуществляется за небольшое число итераций (до десяти).

Для оценки характеристик и возможности применения ПАВ генераторов на частотах КВ и нижней части УКВ диапазонов в радиоаппаратуре связи, по предложенной автором методике проведен сравнительный анализ фазовых шумов и кратковременной стабильности частоты генераторов с различными частотно-избирательными радиокомпонентами в цепи обратной связи (ОС)[ 7 ].

При этом анализировалось изменение добротности частотно-избирательных устройств ОС на разных радиокомпонентах при их включении в кольцо автогенератора, фазовые шумы, кратковременная стабильность частоты различных автогенераторов. Сравнительные исследования кратковременной стабильности частоты генераторов с разными радиокомпонентами проводились для диапазона 10-30 МГц при небольших мощностях и для частоты отстройки большей, чем частота анализа /а, где начинают преобладать аддитивные шумы, что позволило не учитывать температурную нестабильность и фликкер-эффекты. Были проведены исследования характеристик генераторов трех видов: ЬС-генератора, генератора с резонатором на ОАВ, генератора с ПАВ ЛЗ (по схеме на рисунке 16).

Рисунок 16- Схема генератора Центральные частоты избирательных систем и, соответственно, частоты генерации составляли около 30 МГц. Сопротивление потерь (г„) у ЬС-контура и резонатора на ОАВ на резонансной частоте последовательного резонанса составляло около 1 Ом, значения индуктивностей 1,с = 0,75 мкГн, ЬОАВ -0,5 мГн (динамическая), время запаздывания в ЛЗ (т) составляло около 3 мкс. Рассчитанные значения собственной добротности составили: для ЬС контура 0,с = 150, для ПАВ ЛЗ (по крутизне фазочастотной характеристики)

Отав = 300. для резонатора на ОАВ (по динамическим параметрам) (ЭОАВ = 100000. Анализ проведен по следующей предложенной методике.

1 При небольшой мощности выходного сигнала генератора (0,2 мВт) были применены линейные приближения. В частности принято, что уменьшение собственной добротности ЬС контура и добротности резонатора на ОАВ происходит в основном за счет влияния дифференциального сопротивления каскада усилителя по схеме с общей базой (ОБ)

г* = кТ/13, (6)

где к - постоянная Больцмана, Т- термодинамическая температура и составляет для выбранного режима генераторов около 8 Ом.

2 С учетом сопротивления внешней цепи рассчитанные эквивалентные добротности ЬС контура и резонатора на ОАВ

= (7)

составляют соответственно: 0^=15,0^=70000; (?шВ = Сплв = 300. Из трех значений добротности не изменилась лишь £)'ПЛВ> так как сопротивление не повлияло на крутизну фазочастотной характеристики ПАВ ЛЗ, что является несомненным достоинством применения линий задержки на поверхностных акустических волнах в схемах генераторов.

3 С учетом полученных значений эквивалентных добротностей определена относительная мощность фазовых шумов (ДЧ*2) при средней частоте генерации

/о= 30 МГц и выбранной частоте анализа (частоте отстройки) К > /а=1 кГц

(ДЧ*2) = А^вь|х ■ Кр , (8)

где Л/аых = Ы0Р = 2кТР - мощность фазовых шумов на выходе не избирательного усилителя при типовом коэффициенте шума транзистора, Кр - частотно-зависимый коэффициент передачи мощности избирательной цепи, связанный с эквивалентной добротностью выражением Кр = (/0/2/а(Г)2.

4 Мощность фазовых шумов в спектре выходного сигнала генератора на частоте анализа fi¡ определяется в виде

(ДУ2) = (2/с7Т) • Кр. (9)

5 Нормированная мощность фазовых шумов по отношению к мощности сигнала Рв определяется выражением

СО)

6 Пересчет в логарифмическую систему единиц производится в соответствии с общепринятым выражением

= 10/д (ДУ2) . (11)

В результате, для трех анализируемых генераторов получены следующие значения: я -145 дБ/Гц, Бтлв « —133 дБ/Гц, Бпс «-775 дБ/Гц;

7 Кратковременная нестабильность частоты в первом приближении определяется из выражения

ДФ « агад{2<?*(Д///о)) * 2<?'(Д///0), (12)

где А/ — абсолютное отклонение частоты.

8 Тогда для режима малых сигналов, используя квазилинейную модель для малых величин (шумов), получаем

ДУ я 2<2*(Д///0). (13)

9 Выражение (11) позволяет оценить кратковременную нестабильность частоты Д///0 для анализируемых генераторов:

(Д///о)1С « ю-6; (Д/УЛ)™* » ю-8; (Д///0)№ « ю-10.

Результаты экспериментальных исследований фазовых шумов, кратковременной нестабильности частоты показали хорошее совпадение с расчетными данными и перспективность применения ПАВ генераторов даже на сравнительно низких частотах в

десятки мегагерц. Отклонение экспериментальных данных от результатов анализа не превышало 2-3 %, что сопоставимо с погрешностью измерительных приборов.

Разработаны и исследованы ПАВ генераторы с двух преобразовательными резонаторными и кольцевыми фильтрами (рисунок 8, 10), выполненные по фильтровой схеме, приведенной на рисунке 15, для частотного диапазона 100-400 МГц. Для генераторов с такими фильтрами характерны следующие преимущества, в сравнении с применением типовых ПАВ ЛЗ:

- легко достижимая возможность согласования с внешними цепями, за счет заранее рассчитанной и выполненной топологии преобразователей;

- малые потери фильтров в полосе пропускания фильтра (менее 1 дБ);

- допустимо применение в схеме генератора простых усилителей, не требующих большого коэффициента усиления, что обеспечивает меньший уровень фазовых шумов (менее 135-140 дБ/Гц);

- обеспечение одночастотного режим за счет изменения фазового сдвига в полосе пропускания не более чем на 180-360°.

Теоретические и экспериментальные исследования ПАВ генераторов по разработанным фильтровым схемам с фильтрами кольцевого и резонаторного типа проводились по методике на основе анализа АЧХ и ФЧХ разомкнутой петли автогенератора. Критериями генерации на центральной частоте /0 является усиление по мощности в разомкнутой петле не менее единицы (ДА>1) и сдвиг фаз, кратный 360° (Д<р= п-360°, где п=0; ± 1; ± 2). При анализе использовалось представление ПАВ структур, фазовращателя и усилителя через Б-параметры (рисунок 17), так как современные измерительные приборы - анализаторы цепей - дают измеренные данные по АЧХ и ФЧХ именно в формате 8-параметров. На рисунке 17 Б01, 8(2), 8(3) - 8 - матрицы ПАВ фильтра (ПАВ ЛЗ), фазовращателя и усилителя соответственно [2].

ПАВ устройство

□г,

резонатор

"Г

г3

Рисунок 18- Генератор с ПАВ резонатором

СИИН]'

Рисунок 17 — Эквивалентная схема разомкнутой цепи генератора с ПАВ ЛЗ

Характеристики ПАВ генераторов на фильтрах с малыми потерями значительно лучше, чем у приведенных ранее генераторов с типовыми ПАВ ЛЗ. В частности, мощность фазовых шумов при отстройке 5-10 кГц составила минус 135 дБ/Гц. Правильность выбора такого направления проектирования подтверждает то, что на сегодняшний многие ведущие фирмы, в частности, УЕСТЯОК (США), Ш7М (США), ТЕМЕХ (Франция), МШАТ А (Япония), также разрабатывают подобные схемы генераторов.

В частотном диапазоне выше 300-400 МГц меньший уровень фазовых шумов у ПАВ генераторов может быть получен при применении резонаторов, имеющих на этих частотах большую эквивалентную добротность, чем линии задержки. Применение ПАВ резонаторов различного типа, в сравнении с ПАВ ЛЗ, имеет следующие достоинства: возможность

двухполюсного и четырехполюсного включения в схеме генератора; автоматическое обеспечение одночастотного режима работы генератора; возможность применения известных «трехточечных» схем (рисунок 18); возможность изготовления в этом частотном диапазоне при небольших размерах пьезоподложек ПАВ резонаторов со сравнительно большой добротностью (более 10000).

В данной работе в генераторах были применены одновходовые ПАВ резонаторы, включенные в трехточечные схемы [8]. Типовая топология и вариант электрической эквивалентной схемы одновходового резонатора, приведены на рисунках 18 а и 18 б. На рисунке 19а: а - ширина волнового фронта, примерно соответствующая апертуре ВШП; 1„ - длина резонансной полости; 1с - расстояние от первого элемента отражательной решетки до эффективного центра отражения решетки. На рисунке 19 б: Ьр, Ср - динамические эквивалентные параметры резонатора; С0 - статическая емкость преобразователя; Г<0 -«расчетное сопротивление излучения», характеризующее эффективность отражательных решеток.

1л 1е Ко

Рисунок 19 - Топология (а) и эквивалентная схема (б) резонатора

Эквивалентная схема является контуром третьего вида, а Яо для этой схемы определяется величиной коэффициента отражения (Я0 - аналог резонансного сопротивления параллельного контура первого вида). Эквивалентные параметры одновходового ПАВ-резонатора приближенно рассчитаны для рабочей частоты 1о=435 МГц, по методике, использующей значение модуля коэффициента отражения Г0 для пьезоэлектрика. Модуль коэффициента отражения от отражательных решеток рассчитывался по модели электрода-ступеньки. При числе отражательных элементов в каждой решетке не менее 500, при их ширине, равной четверти длины волны резонансной частоты (XI4), при 1=0,002 м его значение Го=0,999999. Тогда эквивалентные параметры резонатора, наиболее важные для проектирования схемы генератора, определяются в соответствии с выражениями:

<2 * р(2тгг/1 - Г0), (12)

¿р«Р(ЯрО//оС1-г2), (13)

Ср * 1/((2тг)2/о%) . (14)

В выражениях (12), (13) поправочный коэффициент р имеет величину и размерность, равную 1/м. Рассчитанные значения элементов эквивалентной схемы приближенно равны: <3=12000, Яр~8 Ом; ¿р=3,2-10"5 Гн; Ср~0,3210 "м Ф. Значение С0 на анализируемои частоте при а = 100 X равно (1-1,5)-10"|2Ф. Эквивалентная добротность ПАВ резонатора в трехточечной схеме генератора уменьшалась в соответствии с выражением (7) до величины (Г = 7500.

С учетом значения эквивалентной добротности ПАВ резонатора в трехточечной схеме генератора и связанной с этой характеристикой шириной полосы пропускания цепи

обратной связи (2Д/0С = /0/(2"), значения коэффициента шума примененного транзистора ВРЯ949Т (Р~2 дБ), значения типовой мощности, отдаваемой в нагрузку (Рс=0,5 мВт), проведено моделирование ожидаемых характеристик. При моделировании получены следующие характеристики: частота генерации около 434 МГц; напряжение выходного сигнала при нагрузке 50 Ом - 0,3 В; относительная мощность фазовых шумов при отстройке 1 кГц - минус 138 дБ/Гц. На рисунке 20 приведена промоделированная характеристика относительной мощности фазовых шумов выходного сигнала ПАВ генератора (Бц,) при разных отстройках от средней частоты (в полосе анализа 1 Гц).

Проведен проверочный аналитический расчет относительной мощности фазовых шумов, подтвердивший достоверность моделирования [14, 16].

—5—-..... ........ ШВЩ

• - :2Д àgijf

. Si

С;

Щ FT

5ф(дБ/Гц)

(отс (Гц)

Рисунок 20 - Моделирование спектра Рисунок 21 - Расчетный спектр генератора

Для частот отстройки за пределами полосы пропускания цепи обратной связи (/отс s /а = (/о/2<2*)) в соответствии с (10) аналитическое выражение следующее:

Sy = lQlog(JJ0/2Q*)2(2FkT/Pcfomc)). (15)

Расчетный график относительной мощности фазовых шумов приведен на рисунке 21. При экспериментальных исследованиях макетов ПАВ генераторов также исследовался вид спектральных характеристик выходного сигнала. Макеты ПАВ генераторов для этих экспериментов были выполнены на частоты около 434 МГц. Измеренная относительная мощность фазовых шумов ПАВ генератора при отстройках 1 кГц составила минус 133 дБ/Гц, при 10 кГц - 155 дБ/Гц, вид спектральной характеристики в целом соответствовал результатам моделирования и расчетов. Некоторое отличие от результатов моделирования объясняется тем, что в макетах было невозможно минимизировать влияние конструктивных элементов и внешних помех.

Кроме исследований одночастных режимов ПАВ генераторов с резонаторами, резонаторными и кольцевыми фильтрами были проведены исследования условий одночастотных режимов генераторов с типовыми ПАВ ЛЗ (с двумя ВШП), без применения внешних избирательных устройств. Условие для одночастотного режима генератора для типовой JI3 при произвольном выборе значения возможной частоты генерации в пределах полосы пропускания в соответствии с (3) следующее, 1/t > 2Af. Однако при выполнении этого условия накладываются ограничения на величину времени запаздывания, а значит и на возможность проектирования ПАВ ЛЗ с большой эквивалентной добротностью. Для обеспечения одночастотного режима работы генератора с типовыми ПАВ ЛЗ в данной работе предложено применять одноканальные ЛЗ с расстроенными по частоте ВШП, а также двухканальные ПАВ ЛЗ, имеющие различное время запаздывания в каналах

(рисунок 22). ПАВ устройства с такой топологией, при проведенном предварительном расчете, позволяют существенно ухудшить условия самовозбуждения на всех разрешенных модах, кроме одной, то есть обеспечить одночастотный режим генератора.

Исследована плавная перестройка частоты в одночастотных ПАВ генераторах и возможности ее увеличения [5]. Из-за меньшей крутизны фазочастотной характеристики больший диапазон плавной перестройки частоты может быть получен в генераторе с ПАВ ЛЗ, чем в генераторе с узкополосным резонатором.

Рисунок 22 - Топология Рисунок 23 - ПАВ генератор с Рисунок 24 - ПАВ генератор двухканальной ПАВ ЛЗ с управлением на выходе ЛЗ с управлением за счет

параллельными каналами отражения ПАВ

В связи с этим предложены и исследованы управляемые генераторы с ПАВ ЛЗ в соответствии со схемой, приведенной ранее на рисунке 16. Диапазон плавной перестройки частоты генератора с таким ПАВ устройством составил до 5-7 % от полосы пропускания фильтра. Были предложены другие варианты частотно-избирательных ПАВ устройств для цепей обратной связи генераторов, обеспечивающие более эффективную перестройку частоты. Два варианта структурных схем генераторов с двухканальными ПАВ линиями задержки показаны на рисунках 23, 24.

В этих схемах входной преобразователь ВШП 1 однонаправленный, а выходные ВШП 2,3 выполнены на пьезоподложке со сдвигом по отношению друг к другу в направлении распространения ПАВ - в четверть длины волны (для средней частоты ПАВ устройства). Таким образом, напряжения с выходных ВШП 2,3 суммируются с фазовым сдвигом около 90°, как квадратурные составляющие ( ср = агсСд(ит2/ит1)). Управляемый делитель (УД) или управляемая нагрузка выполнялись с применением полевого транзистора. В схеме на рисунке 23 реализовано изменение коэффициента передачи одного из каналов за счет изменения коэффициента отражения

^отр = Са/[Са +■ (+7'Ва 4- _/'ыС0) + 1/2„] от дополнительного ВШП. Суммирование сигналов осуществляется усилителем на двухзатворном полевом транзисторе, который является также усилителем генератора.

Предложенные схемы перестраиваемых генераторов являются эффективными с точки зрения перестройки частоты. Диапазон плавной перестройки частоты составляет до 12,5% от полосы пропускания ПАВ устройства. Возможно увеличение в два раза диапазона регулирования фазы и, соответственно, изменения частоты — при введении аналогичных элементов регулирования в оба канала двухканальной линии задержки. На данный момент эффективность такого управления коэффициентом отражения и, соответственно, эффективность подобной перестройки частоты генератора подтверждена моделированием и экспериментами на макетах.

Одной из сложнейших проблем при разработке любых радиотехнических устройств является улучшение температурной стабильности их характеристик. Проведенный анализ, моделирование, эксперименты позволили сформулировать следующие рекомендации для ПАВ генераторов:

- сравнительно эффективная температурная стабилизация частоты ПАВ генераторов может быть обеспечена применением в цепи обратной связи двухкаскадного ПАВ фильтра, выполненного на пьезоподложках, имеющих температурные коэффициенты задержки разного знака (улучшение термостабильности на один-два порядка);

- возможно применение топологических методов термостабилизации, например, с использованием сканирования акустического луча в веерных ВШП, что подтверждено экспериментами (улучшение термостабильности на один-два порядка);

- возможны схемотехнические решения в виде фазовой или частотной подстройки частоты генераторов, а также проектирование ПАВ фильтров с расширенной полосой пропускания, если это не противоречит требованиям технического задания;

- сравнительно эффективная термостабилизация характеристик ПАВ устройств достигается при применении для пьезоподложек пьезокристаллов с квадратичной зависимостью изменения запаздывания от температуры (улучшение термостабильности примерно на два порядка);

- варианты с применением пленочных структур, механического и электрического воздействий на пьезоподложки, выбором разных направлений ПАВ требуют специальных теоретических и экспериментальных исследований.

Проведено моделирование и экспериментальные исследования ПАВ-генераторов, в которых были применены некоторые из перечисленных методов повышения температурной стабильности [11,12,13]. На рисунке 25 показана топология двухканальной ПАВ ЛЗ с возбуждающим веерным ВШП, предназначенной для компенсации температурной нестабильности частоты генератора._

В этом устройстве используется эффект сканирования акустического луча по поверхности пьзоподложки при изменении частоты. Ширина акустического луча по первым нулям характеристики излучения ПАВ определяется из анализа топологии ВШП и описывается выражением В=(4аХо)/(МЫ), где АЛ = Лт -Лт11; Ы- число пар электродов, а - апертура. При изменении частоты ПАВ генератора с таким устройством, например, за счет температурных эффектов, излучение акустического луча происходит из области веерного ВШП уже с другим шагом электродов и с выходных преобразователей непосредственно или с помощью дополнительного частотного детектора, может быть сформирован сигнал частотной автоподстройки [6]. Такое устройство повышает температурную стабильность частоты генератора примерно на порядок. Лучшие результаты были получены при применении комплекса мер, например, использование термостабильных пьезоподложек и

8ШП1

и1

Рисунок 25 - ПАВ линия задержки с веерным ВШП

устройств термокомпенсации (в диапазоне температур от - 50 до + 50 °С изменение частоты составило 50 Гц/°С относительно номинальной частоты 70 МГц).

В пятой главе рассмотрены ПАВ устройства, разработанные и изготовленные для современной аппаратуры радиосвязи. Приведено описание и параметры цифрового узкополосного приемо-передающего модуля (ЦОТ), а также характеристики ПАВ фильтров и ПАВ генератора, разработанных для этого модуля [10]. Кроме того, в данной главе разработаны ПАВ устройства для системы радиочастотной идентификации [18] и для системы измерения параметров физических величин [17].

Структурная схема модуля ЦОТ представлена на рисунке 26. Модуль ЦОТ предназначен для одновременного приема двух независимых каналов связи диапазона частот от 156 до 174 МГц и передачи данных на одном из каналов [10]. В состав радиомодуля для узкополосной связи входят два идентичных приемных модуля, которые выполнены по схеме с переносом частоты на ПЧ 70 МГц, где применены ПАВ фильтры, и последующей оцифровкой сигнала. Структурная схема приемного узкополосного радиомодуля представлена на рисунке 27.

В таблице 1 представлены значения параметров приемного тракта и их соответствие требованиям ТЗ, обеспеченное за счет разработанных ПАВ устройств. Таблица 1___

Рисунок 27 - Узкополосный приемный модуль

Рисунок 26 - Структурная схема модуля ЦОТ

Наименование параметра Значение по ТЗ Полученное значение Соответствие ТЗ

Чувствительность 2 мкВ по ЭДС при с/ш 20 дБ 0,96 мкВ по ЭДС при с/ш 20 дБ Соответствует

Интермодуляционная избирательность приемника 70 дБ от чу вств ител ь н ости 80 дБ от чувствительности Соответствует

Блокирование 90 дБ/мкВ 104 дБ/мкВ Соответствует

Избирательность по соседнему каналу 75 дБ >80 дБ Соответствует

В качестве отдельных фильтров ПЧ разработанного узкополосного модуля используются ПАВ фильтры с шириной полосы пропускания 30 кГц. Фильтр ПЧ выполнен в виде микросборки, содержащей ПАВ фильтр - усилитель - ПАВ фильтр. Затухание за полосой пропускания до 120 дБ, при малых потерях в полосе пропускания (единицы децибел). Величина неравномерности амплитудно-частотной характеристики в полосе пропускания ПАВ фильтра определялась вариантом конкретной разработки, при этом максимально допустимое значение для данной разработки составляет 3 дБ (1,5 дБ на каждый ПАВ фильтр). Избирательность каждого фильтра по ближайшему несмежному каналу, в соответствии с требованиями, составляет не менее 70 дБ. На рисунке 28 представлена амплитудно-частотная характеристика, на рисунке 29 - фазочастотная характеристика фильтра.

PSA/ESA Spectrum Analyzer (E4401B)

6.97E+07 6,98E+07 6.99E+07 7.00E+07 7,01 E+07 7.02E+07 7.03E+07 Frequency (Hz)

Рисунок 28 - Амплитудно-частотная характеристика фильтра ПЧ

70,01 70,008 70.006 70BW 70,002 70

9 10 11 17 13

Рисунок 29 - Фазочастотная характеристика фильтра ПЧ

Рисунок 30 —Температурно-частотная характеристика фильтра ПЧ

На рисунке 30 приведена температурно-частотная характеристика (ТЧХ) ПАВ фильтра для узкополосного модуля. По оси ординат на рисунке 30 отложены значения номинальной частоты фильтра в мегагерцах, по оси абсцисс отложены - пронумерованные температурные интервалы (через 10°С). Первый интервал соответствует изменению температуры от минус 60 до минус 50°С, а тринадцатый - от плюс 60 до плюс 70°С. ТЧХ в диапазоне температур от -50 до + 70°С имеет отклонение от номинальной частоты всего лишь ± 3 кГц, при ширине полосы пропускания 30 кГц.

Для радиомодуля ЦОТ УКВ радиоустановки с цифровым избирательным вызовом были разработаны генераторы на ПАВ линиях задержки и ПАВ резонаторах. При сравнении характеристик генераторов (по мощности фазовых шумов, технологическим уходам при изготовлении, температурным уходам) в модуле был применен ПАВ генератор на частоту 786,432 МГц, выполненный на ЛЗ по фильтровой схеме Батлера с подстройкой частоты внешним фазовращателем. Его основные характеристики:

- напряжение выходного сигнала при нагрузке 50 Ом - 0,3 В;

- мощность в нагрузке - 1 мВт;

- мощность фазовых шумов при отстройке 10 кГц - минус 135 дБ/Гц.

При выполнении данной работы также исследовались специализированные ПАВ устройства - автогенераторные датчики физических величин, по схеме рисунка 31. На рисунке 32 показана топология ПАВ устройства для такого датчика [17]. ПАВ устройство может быть вынесено на радио кабеле или принимать дополнительный управляющий сигнал на ВШП2 от внешнего физического элемента.

Разработан и исследован идентификатор системы распознавания объектов с ПАВ устройством [18]. Топология устройства: двунаправленный эквидистантный ВШП и смещенные на разные величины по отношению к центральной оси пьезоподложки

отражательные решетки. Топология такого ПАВ устройства приведена на рисунке 33.

Рисунок 31 -Двухкаскадная схема генератора

Рисунок 32 - Топология датчика измерения физических величин

Рисунок 33 - ПАВ транспондер

Основные результаты, полученные в диссертации

1 Разработан алгоритм проектирования ПАВ фильтров с малыми потерями для одночастотных генераторов, учитывающий согласование с внешними цепями, требования к фазочастотной характеристике и другие важные факторы.

2 Предложена методика аналитического расчета эквивалентной добротности ПАВ фильтров, проведены исследования характеристик узкополосных и широкополосных ПАВ фильтров. Характеристики фильтров: вносимые потери в полосе пропускания

1-2 дБ, ослабление в полосе задерживания до 65 дБ.

3 Разработан алгоритм проектирования одночастотных ПАВ генераторов с малым уровнем шумов, использующий системное проектирование. Характеристики генераторов: относительная мощность фазовых шумов при отстройке 10 кГц - не более минус 135 дБ/Гц.

4 Предложена методика сравнительного теоретического анализа спектральных характеристик ПАВ генераторов.

5 Предложены новые схемотехнические решения для генераторов, обеспечивающие эффективную перестройку частоты, повышающие температурную стабильность.

Практическая значимость работы подтверждается внедрением разработанных устройств в новую приемо-передающую радиоаппаратуру, разработанную в ОАО «Омский НИИ приборостроения», в ООО «Сфинкс-ЭД».

Основные публикации по теме диссертации.

Журналы, рекомендованные ВАК, для представления основных научных результатов диссертации.

1 Никонова, Г.С. Генераторы на поверхностных акустических волнах с малым уровнем шумов [Текст] /Г.С. Никонова, С.А. Доберштейн, В.А. Аржанов//.- Омский научный вестник. Серия Приборы, машины и технологии. Научно-технический журнал,- №2(100).-Омск: издательство ОмГТУ, 2011,- С.222-225.

2 Никонова, Г.С. Принципы построения генераторов на поверхностных акустических волнах с малым уровнем шумов [Текст] /Г.С. Никонова, С.А. Доберштейн, В.А. Аржанов // Успехи современной радиоэлектроники. Научно-технический журнал,- №7,- М: ЗАО «Издат. «Радиотехника», 2011.- С.42-45.

3 Никонова, Г.С. Исследование характеристик генераторов на поверхностных акустических волнах [Текст] /Г.С. Никонова, В.А. Аржанов // Омский научный вестник. Серия Приборы, машины и технологии. Научно-технический журнал. №3(113).- Омск: издательство ОмГТУ, 2012,-С.ЗЗ 1-334.

4 Никонова, Г.С. Основные принципы проектирования и температурной стабилизации ПАВ-устройств. [Текст] / Г.С. Никонова // Омский научный вестник. Серия Приборы, машины и технологии. Научно-технический журнал.- Омск: издательство ОмГТУ, 2012,-№3(113).-С. 327-330.

5 Никонова, Г.С., Перестраиваемый по частоте генератор на поверхностных акустических волнах [Текст] / Г.С. Никонова, И.В. Никонов // Известия вузов. Физика.- 2013,-№8/3,-С.66-68.

Ведомственные издания

6 Никонова, Г.С. Термокомпенсация ПАВ-генераторов. [Текст] /Г.С. Никонова, И.В. Никонов // Техника радиосвязи. Научно-технический сборник,- Выпуск 14,- Омск: издательство ОНИИП, 2009.- С.112-115.

7 Никонова, Г.С. Оценка кратковременной нестабильности частоты генератора на поверхностных акустических волнах. Одночастотный режим работы [Текст] /Г.С. Никонова, И.В. Никонов // Техника радиосвязи. Научно-технический сборник.- Выпуск 15,-Омск: издательство ОНИИП, 2010.-С.100-106.

8 Никонова, Г.С. Расчетные характеристики ПАВ-генераторов УКВ диапазона. [Текст] / Г.С. Никонова, И.В. Никонов // Техника радиосвязи. Научно-технический сборник,-Выпуск 17.- Омск: издательство ОНИИП, 2012,- С.94-100.

9 Никонова, Г.С. Применение корреляционных кодов для систем синхронизации и связи [Текст] / Г.С. Никонова, И.В Никонов // Техника радиосвязи. Научно-технический сборник,- Омск: издательство ОНИИП, 2008.- Выпуск 13.- С.87-90

Сборники трудов международных научно-технических конференций

10 Никонова, Г.С. Тракт промежуточной частоты узкополосного модуля с ПАВ-фильтрами [Текст] / Г.С. Никонова, A.B. Мартынов, И.А. Тихонов // Радиотехника, электроника и связь: материалы международной научно-технической конференции,- Омск: изд-во «Радиотехника», 2011,- С.392-395.

11 Никонова, Г.С. Анализ характеристик генераторов на поверхностных акустических волнах [Текст] /Г.С. Никонова, И.В. Никонов // Современные проблемы радиоэлектроники. Сборник научных трудов. Сибирский федеральный университет. Красноярск: Изд-во ООО «Поток», 2012.-С.407-411.

12 Никонова, Г.С. Температурная стабилизация характеристик ПАВ устройств. [Текст] / Г.С. Никонова, И.В. Никонов // Радиолокация, навигация, связь: Сборник докладов XVIII международной научно-технической конференции.- Воронеж: Изд-во НПФ «САКВОЕЕ» ООО, 2012,- Т.2.-С.1181-1184.

13 Никонова, Г.С. Повышение температурной стабильности ПАВ устройств. [Текст] / Г.С. Никонова, И.В. Никонов // Материалы XI Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП-201 г.Новосибирск: Изд. НГТУ, 2012,- Т.4.- С.52-54.

14 Никонова, Г.С. Фазовые шумы ПАВ генераторов УКВ диапазона. [Текст] /Г.С. Никонова, И.В. Никонов // Материалы VIII международной конференции «Динамика систем, механизмов и машин»,- Омск: Изд. ОмГТУ, 2012.- Книга 3.- С.273-276.

15 Никонова, Г.С. ПАВ фильтры [Текст] / Г.С. Никонова, В.А. Аржанов // Материалы VIII международной конференции «Динамика систем, механизмов и машин»,- Омск: Изд. ОмГТУ, 2012,- Книга 3,- С.276-279.

Сборники трудов всероссийских научно-технических конференций

16 Никонова, Г.С. Шумовые характеристики ПАВ генераторов на одновходовых резонаторах [Текст] / Г.С. Никонова // Наука, образование, бизнес: матер. Всероссийской науч. практ. конф. ученых, преподавателей, аспирантов, студентов, специалистов пром. и связи, посвященной 15-летию ИРСИД,- Омск: Изд-во полигр. центр КАН, 2012,- С.187-188.

17 Устройство измерения параметров физических величин [Текст] / Г.С. Никонова [и др.] // Наука, образование, бизнес: материалы Всероссийской науч. практ. конф. ученых, преподавателей, аспирантов, студентов, специалистов промышленности и связи, посвященной Дню радио.- Омск: Изд. полигр. центр КАН, 2013.-С. 325-327.

18 Никонова, Г.С. Система радиочастотной идентификации [Текст] / Г.С Никонова// Наука, образование, бизнес: матер. Всероссийской науч. практ. конф. ученых, преподавателей, аспирантов, студентов, специалистов промышленности и связи, посвященной Дню радио,- Омск: Изд. пол. центр КАН, 2013.- С. 185-187.

19 Фисенко К.Е. ПАВ генераторы для систем частотного синтеза [Текст] / К.Е. Фисенко, Г.С.Никонова П Материалы V Всероссийской н.т.к. с международным участием. Книга 1. — Омск: Изд. ОмГТУ, 2013. - С 242-244.

Другие издания

20 Никонова, Г.С. Применение акустоэлектронных фильтров в приемопередающей аппаратуре. [Текст] / Г.С. Никонова // Наука, образование, бизнес: матер, региональной науч. практ. конф. ученых, преподавателей, аспирантов, студентов, специалистов промышленности. Омск: Изд-во полигр. центр КАН, 2011.- С.197-199.

21 Никонова, Г.С. Широкополосные ПАВ-фильтры с веерными преобразователями [Текст] / Г.С. Никонова // Наука, образование, бизнес: матер, региональной науч. практ. конф. ученых, преподавателей, аспирантов, студентов, специалистов промышленности.- Омск: изд-во полигр. центр КАН, 2011.- С. 199-201.

22 Никонова, Г.С. Узкополосные акустоэлектронные фильтры [Текст] /Г.С. Никонова //.Наука, образование, бизнес: матер, региональной науч. практ. конф. ученых, преподавателей, аспирантов, студентов, специалистов промышленности. Омск: Изд-во полигр. центр КАН, 2011,- С.201-203.

23 Никонова, Г.С. Фильтры на поверхностных акустических волнах. Основные принципы расчета, характеристики [Текст] /Г.С Никонова // Приборостроение и информационные технологии: матер. III студ. науч. практ. конф.- Омск: изд-во ОНИИП, 2011.- С.16-19.

24 Никонова, Г.С. Применение акустоэлектронных фильтров в приемо-передающей радиоаппаратуре [Текст] / Г.С. Никонова//.- Омский регион — месторождение возможностей: матер. II региональной молодеж. науч. техн. конф., книга 1,- Омск: изд-во ОмГТУ, 2011,- С.136-137.

Подписано в печать 08.11.2013. Формат 60x84/16. Бумага писчая. Оперативный способ печати. Усл. печ. л. 1,75. Тираж 100 экз. Заказ № 627

Отпечатано в «Полиграфическом центре КАН» тел. (3812) 24-70-79, 8-904-585-98-84.

E-mail: pc_kan@mail.ru 644050, г. Омск, ул. Красный Путь, 30 Лицензия ПЛД № 58-47 от 21.04.97

Текст работы Никонова, Галина Сергеевна, диссертация по теме Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

04201453671

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

НИКОНОВА ГАЛИНА СЕРГЕЕВНА

Специальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства

телевидения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -к.т.н., проф. Аржанов В.А.

Омск-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ (ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ)..................... 4

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ РАЗРАБОТОК ФИЛЬТРОВ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ (ПАВ) 12

1.1 ПАВ фильтры для аппаратуры радиосвязи. Частотный диапазон применения. Классические методы расчета топологии и частотных характеристик преобразователей ПАВ фильтров........................... 12

1.2 Модифицированные методы расчета топологии и частотных характеристик преобразователей ПАВ фильтров............................ 23

1.3 Характеристики современных ПАВ фильтров для аппаратуры связи. Проблемы при разработке ПАВ фильтров для генераторов с требуемыми частотными и температурными характеристиками........ 25

1.4 Выводы.............................................................................. 27

2 ПРИНЦИПЫ АНАЛИЗА И СХЕМОТЕХНИКИ ГЕНЕРАТОРОВ. ХАРАКТЕРИСТИКИ СОВРЕМЕННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ НА ТРАДИЦИОННЫХ РАДИОКОМПОНЕНТАХ И НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ.............................................................. 28

2.1 Обобщенная структурная схема генератора. Принципы анализа

схем генераторов.................................................................. 28

2.2 Схемотехника генераторов на традиционных радиокомпонентах и генераторов с устройствами на поверхностных акустических

волнах............................................................................... 35

2.3 Характеристики современных генераторов с различными радиокомпонентами для аппаратуры связи. Основные проблемы при разработке ПАВ генераторов с требуемыми частотными и температурными характеристиками............................................ 37

2.4 Выводы.............................................................................. 41

3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТОПОЛОГИИ ПАВ-ФИЛЬТРОВ С УМЕНЬШЕННЫМИ ПОТЕРЯМИ И ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОДНОЧАСТОТНЫХ РЕЖИМОВ ГЕНЕРАТОРОВ. ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК РАЗРАБОТАННЫХ ПАВ ФИЛЬТРОВ...................... 43

3.1 Алгоритмы проектирования топологии ПАВ фильтров с уменьшенными потерями и для обеспечения одночастотного

режима работы генератора...................................................... 43

3.2 Узкополосные ПАВ фильтры генераторов....................................... 49

3.3 Широкополосные ПАВ фильтры с веерными преобразователями...... 58

3.4 Анализ эквивалентной добротности ПАВ ЛЗ............................... 61

3.5 Температурные характеристики ПАВ фильтров для радиочастотных трактов................................................................ 62

3.6 Выводы.............................................................................. 64

4 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНЫХ И ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ ОДНОЧАСТОТНЫХ ПАВ ГЕНЕРАТОРОВ. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК РАЗРАБОТАННЫХ ПАВ ГЕНЕРАТОРОВ.................. 66

4.1 Принципы схемотехники современных ПАВ генераторов. Алгоритмы проектирования схем и анализа характеристик ПАВ генераторов................................................................................................ 66

4.2 Сравнительный анализ кратковременной нестабильности частоты генераторов с различными частотно-избирательными радиокомпонентами. Одночастотный режим работы ПАВ генератора........................................................................... 74

4.3 Разработка генераторов с кольцевыми и резонаторными ПАВ фильтрами. Исследование их характеристик................................. 82

4.4 Разработка генераторов с ПАВ резонаторами. Исследование их характеристик....................................................................... 89

4.5 Разработка перестраиваемых по частоте ПАВ генераторов. Исследование их характеристик................................................ 99

4.6 Методы повышения температурной стабильности частоты ПАВ генераторов.......................................................................... 103

4.7 Температурная компенсация частоты ПАВ генератора с применением специальной топологии встречно-штыревых преобразователей.................................................................. 109

4.8 Выводы............................................................................ 112

5 ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ ПАВ ФИЛЬТРОВ И ПАВ-ГЕНЕРАТОРОВ В СОВРЕМЕННОЙ АППАРАТУРЕ РАДИОСВЯЗИ........ 113

5.1 Узкополосный модуль приема-передачи с акустоэлектронными

ПАВ фильтрами.................................................................... 113

5.2 ПАВ фильтры для тракта ПЧ узкополосного модуля приемопередающей аппаратуры......................................................... 118

5.3 Характеристики разработанного ПАВ генератора для узкополосного приемо-передающего модуля................................................... 120

5.4 Устройство для измерения параметров физических величин............ 121

5.5 Система радиочастотной идентификации.................................... 123

5.6 Выводы............................................................................... 125

6 ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................... 127

7 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................. 128

ПРИЛОЖЕНИЕ А............................................................................. 138

ПРИЛОЖЕНИЕ Б............................................................................ 139

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Современные приемо-передающие радиотехнические устройства, системы и сети связи проектируются в настоящее время для работы на радиочастотах от долей герц до десятков гигагерц, а также для работы в оптическом и инфракрасном диапазонах электромагнитных колебаний. Но по-прежнему востребованными для различных систем служебной связи остаются коротковолновый (КВ) и ультракоротковолновый (УКВ) диапазоны радиочастот.

В настоящее время для связной радиоаппаратуры коротковолнового и ультракоротковолнового диапазонов радиочастот разрабатывают и применяют как аналоговые, так и цифровые функциональные узлы, в зависимости от того, какой из вариантов схемной реализации более эффективно обеспечивает заданные при проектировании требования. Однако очень важные функциональные узлы радиоаппаратуры, в частности, фильтры радиочастот и промежуточных частот, опорные и управляемые генераторы, пока еще имеют существенно лучшие характеристики при их выполнении в аналоговом виде.

Известно, что характеристики фильтров для преселекторов, фильтров тракта промежуточной частоты, а также характеристики опорных и управляемых генераторов во многом определяют качество приемо-передающей радиоаппаратуры в целом [1-4]. В течение длительного периода времени фильтры и управляемые генераторы достаточно успешно разрабатывались на ЬС-контурах, а опорные генераторы - с использованием резонаторов на объемных акустических волнах (ОАВ). Такие радиотехнические устройства на данном этапе развития радиотехники являются недостаточно технологичными и, кроме того, при применении этих функциональных узлов не всегда возможно обеспечить заданные при проектировании требования по надежности, по устойчивости к внешним воздействиям, по кратковременной, температурной и долговременной стабильности,

по эффективной перестройке частоты фильтров и генераторов, без увеличения, в частности, вносимых потерь у фильтров или фазовых шумов у генераторов.

В последние десятилетия в новых российских и зарубежных разработках приемо-передающей радиоаппаратуры в частотном диапазоне от 10 МГц до 2 ГГц начинают применяться фильтры, генераторы и различные специализированные устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Достоинства ПАВ устройств в этом частотном диапазоне следующие: интегральная технология, малые габариты, прогнозируемая возможность получения хороших избирательных свойств у широкополосных и узкополосных ПАВ фильтров и высокой стабильности частоты у ПАВ генераторов. В числе первых российских и зарубежных исследователей, внесших существенный вклад в теорию, в технические приложения акустоэлектроники поверхностных акустических волн, а также опубликовавших по этой тематике первые монографии, были в частности, Гуляев Ю.В., Багдасарян A.C., Бондаренко B.C., Каринский С.С., Орлов B.C., Пустовойт В.И., Речицкий В.И., Рождественский А.Н., Плонский А.Ф., Зелинка И., Морган Д., Мэтгьюз Г., Олинер А., Таикрилл Р., Холланд М. и другие специалисты этой области [5-16].

Широкое применение ПАВ устройств в современной приемо-передающей радиоаппаратуре сдерживается различными нерешенными или решенными лишь частично проблемами. В частности, для разработки ПАВ устройств, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к современной приемо-передающей аппаратуре, необходимы несложные адекватные модели ПАВ устройств, пригодные для алгоритмизации и программной реализации задач анализа и синтеза при сравнительно небольших ресурсах программного времени. Модели и алгоритмы анализа или синтеза ПАВ устройств, которые приводятся в научно-технических публикациях по акустоэлектронике, как правило, не учитывают многие важные для проектирования требования, для их реализации необходимы значительные машинные ресурсы и ввод начальных эмпирических данных [17-18]. В этих

публикациях в основном рассматриваются общетеоретические проблемы и результаты таких исследований невозможно или очень сложно применить при разработке функциональных радиотехнических узлов для конкретной радиоаппаратуры. Кроме того, для широкого применения ПАВ устройств в трактах радиочастоты (РЧ) или промежуточной частоты (ПЧ) необходимо решить важные задачи по разработке ПАВ устройств с большим диапазоном плавной перестройки частоты, по улучшению температурной стабильности характеристик, по обеспечению устойчивых одночастотных режимов работы ПАВ генераторов и минимизации в таких генераторах мощности фазовых шумов.

Таким образом, для более широкого и эффективного применения ПАВ устройств в приемо-передающей радиоаппаратуре, необходимо выполнить следующее:

- разработать алгоритмы или методики проектирования ПАВ фильтров и ПАВ генераторов для КВ и УКВ диапазонов радиочастот, на основе которых могут быть реализованы программы моделирования с приемлемым программным временем анализа и синтеза;

- предложить схемотехнические или топологические способы и технические решения для обеспечения устойчивых одночастотных режимов работы ПАВ генераторов при сохранении приемлемых характеристик по кратковременной стабильности частоты колебаний;

- предложить схемотехнические или топологические способы и технические решения повышения температурной стабильности характеристик ПАВ фильтров и генераторов. В существующих разработках эта важная характеристика не отвечает современным требованиям;

- предложить схемотехнические или топологические способы и технические решения достаточно эффективной перестройки или подстройки средней частоты у ПАВ фильтров и генераторов без ухудшения их характеристик.

Из вышесказанного следует вывод о необходимости дополнительных теоретических и экспериментальных исследований ПАВ фильтров и ПАВ генераторов для приемо-передающей радиоаппаратуры КВ и УКВ диапазонов, а также о необходимости разработки простых адекватных моделей, алгоритмов, методик их анализа и синтеза. Часть этих задач решается в данной работе. В связи с этим тема диссертационной работы является актуальной и практически важной.

Задачи работы следующие.

4 Разработать алгоритм проектирования ПАВ генераторов для частотного диапазона от 10 МГц до 2 ГГц, обеспечивающих одночастотный режим работы.

Разработать образцы ПАВ генераторов для данного частотного диапазона, исследовать их характеристики, в том числе возможности получения малых уровней фазовых шумов, эффективной перестройки частоты, высокой температурной стабильности частоты.

Методы исследования.

Решение перечисленных выше задач было выполнено с применением функции комплексного переменного, теории дифференциального и интегрального исчисления, теории линейных электрических цепей, теории электрических фильтров и генераторов, теории случайных процессов, программ моделирования.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректной постановкой задач исследования, строгостью применяемого математического аппарата, результатами адекватного ПАВ устройств, подтвержденного экспериментальными исследованиями макетов и образцов устройств, публикациями в журналах из перечня ВАК и в других научных изданиях.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1 Разработан алгоритм проектирования ПАВ фильтров с малыми потерями для одночастотных генераторов, учитывающий возможность применения при проектировании различных моделей, описывающих излучение ПАВ, вторичные эффекты, Б-параметры фильтра, требования к фазочастотной характеристике.

Практическая значимость работы.

Улучшение характеристик фильтров и генераторов достигнуто за счет разработанных методик (алгоритмов) проектирования, позволяющих учесть больший объем требований, необходимых для проектирования ПАВ устройств.

Предложены различные технические решения для получения в генераторах малых уровней фазовых шумов, эффективной перестройки частоты, лучшей

температурной стабильности, что подтверждается внедрением разработанных устройств в новую приемо-передающую радиоаппаратуру, разработанную в ОАО «Омский НИИ приборостроения» и в ООО «Сфинкс-ЭД» (акт внедрения). Результаты данной работы могут быть также использованы в качестве базы для дальнейших исследований.

Апробация работы. Результаты работы представлялись на следующих научных конференциях:

1 г. Омск, региональные научно-практические (н.п.к.) и научно-технические конференции (н.т.к.), ОНИИП, 2010 г, ОМГТУ, 2011 г., ИРСИД, 2011 г.

2 г. Омск, международная н.т.к. «Радиотехника, электроника и связь», 2011г.

3 г. Омск, всероссийская н.т.к, «Наука, образование, бизнес», ИРСИД, 2012г.

4 г. Воронеж, международная н.т.к. «Радиолокация, навигация, связь», 2012г.

5 г. Новосибирск, XI международная н.т.к «Актуальные проблемы электронного приборостроения», 2012г.

6 г. Омск, VIII международная конференция «Динамика систем, механизмов и машин», ОмГТУ, 2012г.

7 г. Красноярск, международная н.т.к. «Современные проблемы радиоэлектроники», СФУ, 2012г.

8 г. Омск, всероссийская н.т.к, «Наука, образование, бизнес», ИРСИД, 2013г.

9 г. Томск, V международная н.п.к. «Актуальные проблемы радиофизики». -ТГУ, октябрь 2013г.

10 г.Омск, V Всероссийска�

Похожие работы

Радиотехника и связь
05.12.00