автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.21, диссертация на тему:Исследование и разработка широкополосных систем с масштабно-временным преобразованием сигналов

/

О

/

/

/ < >

ку /

V

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

На правах рукописи

КОЛЬЦОВ Юрий Васильевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИСТЕМ С МАСШТАБНО-ВРЕМЕННЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ СИГНАЛОВ

Специальность 05.12.21 Радиотехнические системы специального назначения, включая технику СВЧ и технологию их производства

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

Лауреат Государственной премии, доктор технических наук,

ДМИТРИЕВ Н.И.

г

Н.Новгород -1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................5

Глава 1 Анализ факторов, определяющих характеристики

широкополосной системы.................................................................14

1.1 Основные принципы исследования и построения системы........14

1.2 Возможности улучшения характеристик преобразователя.........16

1.3 Анализ параметров переходной характеристики системы..........20

1.4 Связь характеристик широкополосной системы

с процессом формирования импульсов выборки.........................22

1.5 Влияние активных элементов формирования

на параметры импульсов выборки...................................................30

1.6 Шумы широкополосной системы......................................................32

1.7 Методы совершенствования узлов системы...................................33

1.8 Постановка задачи................................................................................34

Глава 2 Анализ искажений при дискретизации сигналов

во входном устройстве системы........................................................37

2.1 Исследование искажений, вносимых СВЧ входными устройствами системы........................................................................37

2.2 Анализ значения выброса переходной характеристики мостового смесителя............................................................................41

2.3 Реакция четырехдиодного смесителя на тестовые

входные сигналы.................................................................................46

2.4 Анализ значения выброса переходной характеристики входных устройств применительно к СВЧ диодам, используемым на практике...............................................................48

2.5 Соотношение ВЧ и НЧ искажений. Анализ путей

снижения влияния высокочастотных искажений.........................57

ВЫВОДЫ......................................................................................................59

. Глава 3 Исследование динамики преобразователя

с обратной связью...............................................................................60

3.1 Точность преобразования системы..................................................60

3.2 Математическая модель преобразователя

с обратной связью................................................................................61

3.3 Анализ переходной характеристики преобразователя

широкополосной системы.................................................................64

3.4 Исследование динамики преобразователя системы

с учетом реальных условий преобразования сигналов................65

3.5 Анализ погрешности преобразования системы с токовой схемой памяти интегратора преобразователя...............................70

3.6 Погрешность преобразования сигналов, амплитудные

значения которых соизмеримы с динамическим

диапазоном системы.........................................................................76

ВЫВОДЫ......................................................................................................83

Глава 4 Методы расширения полосы пропускания, динамического диапазона системы и обеспечения многоканального режима ее работы...............................................................................85

4.1 Модель системы, связывающая ее выходные параметры с формой входного сигнала и характеристиками формирователя импульсов выборки................................................85

4.2 Исследование влияния параметров системы формирования

на амплитуду импульсов выборки....................................................89

4.3 Анализ процесса формирования импульсов выборки на отрезке регулярного волновода.........................................................97

4.4 Исследование процесса формирования импульсов выборки при изменении формы входного сигнала формирующей камеры........................................................................99

4.5 Анализ процесса формирования импульсов выборки

для преобразователя с полосой пропускания 0-1 ГГц................104

4.6 Формирование импульсов выборки сверхмалой

длительности......................................................................................110

4.7 Многоканальное формирование импульсов выборки................118

4.8 Формирование импульсов выборки для анализа параметров однократных сигналов..............................................123

ВЫВОДЫ...................................................................................................124

Глава 5 Анализ шумов широкополосной системы...............................126

5.1 Источники шумов системы и оценка их

интенсивности...................................................................................126

5.2 Оценка влияния отдельных узлов преобразователя на

уровень шумов..................................................................................138

5.3 Анализ характеристик прецизионного преобразователя

системы..............................................................................................143

ВЫВОДЫ.................................................................................................148

Глава 6 Методы улучшения технических характеристик системы. Экспериментальные исследования.

Промышленное внедрение............................................................149

6.1 Методы построения и совершенствования цифровых

преобразователей системы............................................................149

6.2 Принцип построения автоматической синхронизации системы..............................................................................................154

6.3 Метод совершенствования СВЧ синхронизаторов....................156

6.4 Методы построения и совершенствования устройств

развертки...........................................................................................156

6.5 Совершенствование смесителей системы...................................158

6.6 Блок преобразователя системы.....................................................159

6.7 Разработка и экспериментальные исследования формирователей импульсов выборки..........................................160

6.8 Практическое использование результатов теоретических

исследований значения выброса ПХ..........................................166

6.9 Разработка и экспериментальные исследования макетов

формирователей дельта-импульсов............................................166

6.10 Разработка и экспериментальные исследования макета многоканального формирователя импульсов выборки.........170

6.11 Разработка и экспериментальные исследования макета автосинхронизатора........................................................................172

6.12 Экспериментальные исследования образцов преобразователей с полосой пропускания 0-1 ГГц..................173

6.13 Промышленное внедрение............................................................176

ВЫВОДЫ..................................................................................................177

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................185

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................188

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 - Список обозначений...........................................200

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 - Документы о внедрении.....................................201

ВВЕДЕНИЕ

Потребности быстроразвивающихся отраслей науки и техники, предъявляют повышенные требования к широкополосным системам [1], в особенности :

-при тестировании СВЧ компонентов и узлов и при исследовании новых материалов и процессов;

-в радиосвязи (включая космическую); -при рефлектометрировании в свободном пространстве; -в антенной технике; -в оптоэлектронике (включая лазеры);

-при обнаружении, идентификации и слежении за объектами; -в полупроводниковой и квантовой электронике (включая Джозефсоновскую технологию);

-при разработке и проверке в серийном производстве скоростных ИС и сверхскоростных ИС;

-при исследовании динамических параметров супербыстродействующих АЦП и ЦАП, сверхскоростных устройств выборки и хранения (в том числе оптических);

-в гигабитовой электронике (включая телефонные линии связи); -при разработке и тестировании цифровых ТВ систем и радио;

Точность, широкополосность, функциональные возможности, динамический диапазон, определяют технические возможности широкополосных систем, в основу построения которых положен масштабно-временной метод преобразований широкополосных сигналов. Это связано с тем, что метод обладает большой разрешающей способностью, высокой чувствительностью и эффективностью измерений на СВЧ при автоматизации процесса анализа [1-4].

Создание широкополосных систем, используемых в различных областях техники, в силу постоянного уменьшения длительности сигналов и усложнения их формы, появления новых задач и видов сигналов, стимулируют дальнейшее развитие широкополосных систем.

Амплитуда сигналов становится соизмеримой с амплитудой импульсов выборки, а длительность сигналов - с полосой пропускания системы; необходимы синхронные исследования как минимум четырех сигналов. Все это требует детального исследования динамики и совершенствования структуры широкополосных систем.

Повышение точности анализа, расширение полосы пропускания, уменьшение выброса переходной характеристики, увеличение динамического диапазона, снижение уровня шумов узлов, расширение функциональных возможностей, одновременное исследование нескольких сигналов, упрощение схемио-техничесхой реализации и оптимизация

структуры системы для анализа параметров широкополосных сигналов сложной формы, основанном на дискретном временном преобразовании повторяющихся сигналов, являются актуальными задачами, решению которых и посвящена настоящая работа.

Для совершенствования широкополосных систем важное значение имеет изучение их динамики. Это связано с тем, что динамика определяет точностные характеристики системы.

В связи со значительным распространением цифровых систем и цифровых методов измерений произошел сдвиг в сторону исследования динамических параметров сигналов,амплитуды которых соизмеримы с амплитудой импульсов выборки [1],что делает задачу исследования динамики системы еще более актуальной.

Точность является интегральной оценкой качества работы всей системы. Поэтому наиболее рационально определить вклад в погрешность системы погрешностей составляющих ее узлов с целью их минимизации, а также оптимизации структуры и значений параметров узлов системы.

Целью работы является исследование возможностей совершенствования характеристика-Системы для обеспечения разработки широкополосных систем с высокими техническими характеристиками.

Появление ИС повышенного быстродействия привело к возникновению ряда проблем при их тестировании, что связано со значительным увеличением количества внешних выводов проверяемых ИС. Оптимальным решением является большое число каналов (более двух) анализа при высокой точности преобразования и скорости формирования тестовых сигналов в сочетании с умеренной ценой [1].Поэтому необходимо углубить исследование новых методов построения систем, обеспечивающих выполнение этих сложных задач.

Совершенствование характеристик широкополосных систем вызывает исследования как системы в целом, так и составляющих ее устройств, а также разработку новых принципов построения узлов системы, обладающих повышенной точностью.

Возникновение при дискретном преобразовании сигналов искажений, ведет к необходимости исследования общих факторов, определяющие точность измерения.

В настоящее время существует потребность в исследовании сигналов амплитудой порядка 3-5 В и более [1].Максимальное значение динамического диапазона определяется амплитудой импульсов выборки. Поэтому совершенствование процесса формирования импульсов выборки будет способствовать расширению динамического диапазона.

Проблема расширения динамического диапазона системы объединяет в себе две задачи: уменьшение уровня шумов за счет оптимизации структуры преобразователя и формирование импульсов

выборки с большой активной амплитудой при сохранении или увеличении их общей амплитуды.

Одним из направлений совершенствования систем является применение устройства автосинхронизации и цифровых преобразователей, что открывает большие возможности повышения точности преобразования.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие

задачи:

- построение математической модели преобразователя с обратной связью и исследование действия факторов, влияющих на параметры переходной характеристики преобразователя; определение путей оптимизации формы переходной характеристики;

- разработка и исследование методов расширения динамического диапазона системы за счет изменения процесса формирования импульсов выборки и уменьшения паразитных колебаний, возникающих в формирователе; разработка методики расчета формирователей импульсов выборки с большой активной амплитудой, а также обеспечение одновременного исследования более двух сигналов в системе;

- исследование динамики процесса преобразования сигналов, амплитудные значения которых близки к динамическому диапазону системы; анализ погрешности преобразования системы;

- анализ шумов в системе и возможности их снижения для повышения чувствительности системы,

- исследования методов повышения быстродействия, точности анализа, расширение динамического диапазона за счет совершенствования всех узлов широкополосной системы,

- экспериментальная проверка возможности практической реализации широкополосной системы с расчетными характеристиками и подтверждение правильности основных теоретических положений.

Предложения, выносимые на защиту:

-результаты теоретического исследования нового типа искажений (высокочастотных) в системах со смесителем мостового типа; анализ значения выброса переходной характеристики в зависимости от соотношения параметров элементов схемы смесителя, длительности импульсов выборки и реактивных параметров ключевых элементов смесителя;

-результаты исследования преобразования сигналов, амплитуда которых соизмерима с динамическим диапазоном системы; анализ требований к параметрам сигналов для достижения заданной точности преобразования;

-результаты анализа методов формирования импульсов выборки для ограничения паразитных колебаний на дискретных элементах и с использованием формирующей камеры на отрезке регулярного волновода;

-результаты исследования формирователей импульсов выборки: синхронных и сверхмалой длительности;

-методы построения узлов системы и устройства, обеспечивающие совершенствование ее характеристик.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1.Впервые теоретически исследованы высокочастотные искажения мостовых смесителей и получены формулы, определяющие значение выброса переходной характеристики. Установлена количественная связь выброса со значениями реактивных параметров ключевых элементов смесителя и длительностью импульсов выборки.

2.Разработана математическая модель преобразователя в виде уравнений состояния с дискретным временем, позволяющая исследовать параметры переходной характеристики с учетом влияния конечного интервала дискретизации,формы импульсов выборки отличной от прямоугольной,не кусочно-линейной вольт-амперной характеристики ключевых элементов смесителя и изменения отношения амплитуд исследуемого сигнала и импульсов выборки.Определены требования,обеспечивающие минимальное время нарастания переходной характеристики.

3.Впервые разработаны и исследованы активные и пассивные методы увеличения динамического диапазона системы за счет изменения процесса формирования импульсов выборки.Доказано,что активная амп литуда импульсов выборки возрастает при использовании короткого импульса в качестве входного сигнала формирующей камеры устройства формирования импульсов выборки. Предложена методика инженерного расчета основных элементов формирователя импульсов выборки.

4.Исследована динамика изменения погрешности преобразования сигналов, амплитуды которых близки к значению динамического диапазона системы. Получены условия, обеспечивающие требуемую погрешность преобразования.

6.Предложен и исследован метод снижения шумов преобразователя, позволяющий увеличить точность преобразования системы.

б.Оптимизирован процесс формирования импульсов выборки для системы с полосой пропускания 0-1 ГГц.

7.Предложена новая схема построения преобразователя системы, а также смесителя, формирователя импульсов выборки и других узлов.

Практическая ценность работы определяется следующим.

1.Сформулированы практические рекомендации, позволяющие на практике выбрать параметры системы, обеспечивающие минимизацию значения выброса переходной характеристики за счет высокочастотных искажений.

2.Даны конкретные рекомендации по практической реализации системы, обеспечивающие минимальное время нарастания переходной характеристики.

3.Приведены расчетные соотношения, представленные в виде графиков, обеспечивающие требуемую погрешность преобразования соответствующим выбором амплитудного значения исследуемого сигнала.

4.Разработан метод построения многоканальной системы (число каналов больше двух) на основе синхронного формирования импульсов выборки. Изготовлен макет формирователя импульсов выборки, позволяющий на серийной элементной базе измерять параметры сигналов по 4 каналам при отс