автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Методы проектирования электромеханических устройств для селекции каналов связи

Ой

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ 'ДАЛЬНЯЯ СВЯЗЬ'

На правах рукописи

Моховиков Николай Васильевич

МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ . ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ СЕЛЕКЦИИ КАНАЛОВ СВЯЗИ

Специальность 05.12.13 - Системы и устройства

радиотехники и связи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени, кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1997

Работа выполнена в ГП 'Дальняя связь'

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор А.В.Кривошейкин

Официальные оппоненты: доктор технических наук Л.СЛевин, кандидат технических наук С.А.Фролов.

Ведущая организация: Ленинградский отраслевой научно-исследовательский институт связи

часов на заседании диссертационного Совета К1050801 на Государственном предприятии 'Дальняя связь' по адресу: 197046, Санкт-Петербург, Петроградская наб.,34, конференцзал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГП 'Дальняя связь'.

Автореферат разослан ' ' 1997 года.

Ученый секретарь

диссертационного Совета/~ъ^%-«ь,^ В.И.Канонюк

Защита состоится

профессор

С.Петербург'ГП "Дальняя связь" зак.№ 3130 тираж 50 экз.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Фильтры и корректоры япляются универсальными устройствами, используемыми как в аналоговых, так и в цифровых системах связи. Электромеханические фильтры (ЭМФ) п силу своей высокой добротности и повышенной стабильности обеспечивают качественное выделение узкополосных сигналов.

Вопросам теории, расчета и проектирования электромеханических устройств посвящено большое количество публикаций. Особое внимание в них уделяется проблеме создания .моночастотных малогабаритных электромеханических канальных фильтров, определяющих п основном характеристики каналов тональной частоты. Данная проблема решается различными фирмами по-разпому, так как развитие этого направления происходит параллельно во многих странах. При этом особое внимание уделяется таким техническим решениям, которые обеспечиваются соответствующими технологическими возможностями и качеством имеющихся материалов. В зарубежной практике нашли широкое распространение механические резонансные системы с параллельным расположением механических резонаторов, работающих в режиме изгнбпых (фирма Siemens) или крутильных (фирма Fugitsu) колебаний, соединенных связками на продольных колебаниях посредством прецизионной сварки. На входе и выходе устанавливаются составные пьсзопреобразоватсли. с трансформаторами. Такие конструкции выгодны только при крупносерийном производстве фильтров на фиксированные частоты, так как требуют разработки специального технологического оборудования, обеспечивающего высокую точность повторяемости параметров резонансной системы. Это является одним из существенных недостатков подобных конструкций, так как они экономически невыгодны при мелкосерийном производстве. Кроме- того, они обладают не высокой механической устойчивостью, вследствие соединения резонаторов между собой прецизионными связками с помощью сварки. Поэтому данная работа, посвященная разработке методов проектирования и исследования монолитных ЭМФ с механическими резонаторами гантельного типа и магнитострикционными преобразователями на ферритовых сердечниках, работающими в режиме крутильных колебаний и свободными от перечисленных недостатков, является актуальной.

Учитывая отечественные технологические достижения п части создания монолитных механических резонансных систем цепочечной структуры и ферритовых сердечников для магнитострикционных преобразователей на крутильных колебаниях оказалось возможным создать малогабаритные электромеханические резонансные устройства, обладающие повышенной механической устойчивостью и не требующие разработки специального технологического оборудования. При этом механическая устойчивость, температурная и временная стабильность обеспечиваются самой резонансной системой, изготавливаемой из монолитного стержня с помощью стандартного режущего инструмента.

Цслыо реферируемой работы явилось исследование и разработка методов проектирования и реализации экономически выгодных и стабильных малогабаритных электромеханических фильтров для индивидуального оборудования многоканальных систем дальней связи.

Для достижения поставленной цели было необходимо:

- разработать эквивалентные схемы малогабаритных механических резонаторов и связок, которые позволяют составить эквивалентные схемы резонансных систем для фильтров, рассчитанных по рабочим параметрам;

определить основные характеристики передачи гантельных резонаторов, позволяющих существенно сократить габариты резонансных систем;

исследовать методы согласования механических сопротивлений с электрическими нагрузками с помощью магнитострикционных или пьезоэлектрических

преобразователей с учетом потерь в их элементах и выработать рекомендации по определению оптимальных вариантов;

- предложить метод расчета точности характеристик электромеханических устройств при условии, что параметры настройки находятся в пределах рассчитанного поля допусков.

Научная иопизна работы заключается п следующем:

получены эквивалентные схемы механических резонаторов и связок, которые в ограниченном спектре частот позволяют составлять эквивалентные схемы любых резонансных систем и найдены формулы, связывающие нормированные коэффициенты полиномиальных схем полосовых фильтров с коэффициентами резонаторов и механической связи между ними;

определены оптимальные методы согласования механических сопротивлений с электрическими нагрузками с помощью магнитострикционных или пьезоэлектрических преобразователей и даны формулы для расчета их параметров

при учете потерь, что обеспечивает жесткие требования к характеристикам фильтров;

- теоретически решена проблема расчета точности характеристик электромеханических устройств, основанная на вероятностном выполнении неравенств, и- на использовании табличных функций Лапласа. Значения чувствительности и их максимальные величины находятся методом конечных приращений , I. с использованием пакета программ схемотехнического моделирования PSPICE.")

Практическая ценность работы заключается п следующих полученных результатах:

1. Решена проблема реализации электромеханических фильтров с малогабаритными резонансными системами цепочечной структуры. Подобные монолитные резонансные системы обеспечивают стабильность параметров характеристик электромеханических фильтров.

2. Разработаны канальные электромеханические фильтры в спектре частот 128-132 кГц, на основе которых созданы варианты аппаратур индивидуального двухступенного преобразования спектра телефонных каналов в стандартный диапазон частот 60-108 кГц, являющийся основным для создания-многоканальных систем с частотным разделением каналов.

Аппобппнп работы.

Основные результаты работы доложены и обсуждены на:

- XXIV областной научно-технической конференции НТРО РЭС им.А.С.Попова (1979 г., Ленинград); :

11 Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов отрасли связи (1979 г., Ленинград);

- XXXV областной научно-технической конференции НТО РЭС им.А.С.Попова (1980 г., Ленинград);

- XXXIX областной научно-технической конференции НТО РЭС им.А.С.Попова (1984 г., Ленинград);

- XL областной научно-технической конференции НТО ЮС им.А.С.Попова (1985 г., Ленинград);

- XLI областной научно-технической конференции НТО РЭС им.А.С.Попова (1986 г., Ленинград);

- XLII научно-технической конференции НТО РЭС им.А.С.Попова (1987 г., Ленинград).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе два авторских свидетельства.

Структура и обч,см лмсссртапии. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка литературы, включающего 32 наименования. Объем, диссертации 4*2.4 страниц, включая /¿-j страниц основного текста и ^^ рисунков.

Основные положения, пыпосимме на защиту:

1. Эквивалентные схемы малогабаритных механических резонансных систем, адаптированные к математическому аппарату расчета полиномиальных схем фильтров по рабочим параметрам.

2. Характеристики передачи гантельных резонаторов, позволяющих существенно сократить габариты резонансных систем. .

3. Методы согласования механических сопротивлений с электрическими нагрузками с помощью магнитострикционных или пьезоэлектрических преобразователен при учете потерь в их элементах.

4. Метод расчета точности характеристик электромеханических устройств при условии, что параметры настройки механических резонаторов и коэффициентов связи между ними, находятся в пределах поля допусков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проведенных исследований, сформулирована постановка задачи, изложены выносимые на защиту положения, приведены сведения об апробации результатов и кратко изложено содержание.

В псовой главе приводятся эквивалентные схемы механических стержней и резонансных систем, удобные для использования разработанного математического аппарата при расчете электрических схем. Математически показано, что и соответствии с первой электромеханической аналогией эквивалентная электрическая схема • замещения четвертьволнового механического стержня может быть представлена в виде каскадного соединения двух резонансных контуров и идеального четвертьволнового преобразователя, включенного между ними. Полуволновый резонатор в зависимости от нагрузки представляется в виде последовательного или параллельного электрических контуров. Полученные формулы позволяют рассчитать геометрические размеры механических резонансных систем (MPC) резонаторов и, связок, работающих в режиме продольных или крутильных колебаний. На основе нормированных коэффициентов элементов

эквивалентных схем ' замещений и нормированных коэффициентов полиномиальных структур, получены выражения для коэффициентов механической связи между резонаторами и спязками.

Уменьшить длину MPC можно применением гантельных, резонаторов и сложных связок укороченной длины. Для этого случая аналитически уточнены формулы для расчета элементов резонансного стержня и приводятся основные характеристики гантельных резонаторов симметричной и несимметричной структур.

С целыо повышения механической устойчивости MPC и удаления нежелательных частот рсзопапсов от эффективно используемого диапазона частот целесообразно применение сложных связок. Приведен анализ параметров сложных связок и. их характерные зависимости.

Заключают эту главу данные экспериментальных исследований MPC с использованием механических резонаторов гантельного типа и сложных связок.

Во второй главе рассмотрены меггодьт согласования механических сопротивлений резонансных систем с электрическими нагрузочными сопротивлениями при . учете потерь в элементах магнитострнкционных или пьезоэлектрических преобразователей. Представлены эквивалентные электрические схемы магнитострнкционных преобразователей, полученные в соответствии с первой элеетромеханнческой аналогией, которые представляют собой селективные четырехполюсники , где с одной стороны действуют электрические сигналы, а на второй стороне имеют место механические колебания. Показана дуальность схем пьезоэлектрических преобразователей схемам

магнитострнкционных преобразователей.

Соединение эквивалентных схем преобразователей и механической резонансной системы позволило получить схемы согласования, в которых учтены потери в ' элементах преобразователей путем изменения значений параметров входящих элементов. Рассмотрены три метода согласования преобразователей, при этом представляет интерес третий метод согласования, где механическое сопротивление резонансной системы с помощью преобразователей нагружается па сопротивление образуемое электрическими элементами преобразователей L или С и сопротивлением Rir. При этом потери колебательного элемента преобразователя также разбиваются на потери, отнесенные к резонансной системе и нагрузочным сопротивлениям. В этом случае нормированный

коэффициент катушки возбуждения магнитострикционного преобразователя или статической емкости пьезоэлектрического преобразователя а и коэффициенты связи Кп между колебательным элементом преобразователя и первым механическим резонатором MPC определяются формулами:

где Ь - угол поворота фазы (волновая длина механического стержня);

си.рг - нормированные коэффициенты полиномиальной • схемы фильтра-прототипа;

п - величина обратная относительной ширине полосы пропускания фильтра;

Кси • коэффициент, электромеханической связи преобразователя;

г = 1 для нечетного числа резонаторов, г = р для четного числа резонаторов;

р - нормированное нагрузочное сопротивление;

Предложенные методы согласования механических сопротивлений с электрическими нагрузками подтверждены измеренными характеристиками рассмотренных ЭМФ. Представлены данные анализа чувствительности амплитудно-частотных характеристик фильтров к изменению параметров преобразователей и сопротивлений нагрузок.

В этой же главе рассмотрены методы трансформации сопротивлений в ЭМФ с магнитострикционными преобразователями и даются рекомендации по проектированию ЭМФ, предназначенных для работы мевду различными' сопротивлениями нагрузок на входе и выходе.

а

/r-sin 1>

При проектирований ЭМФ с колебательными системами, работающими в режимах продольных или крутильных колебаний, необходимо учитывать возможность возникновения в них нзгнбных колебаний. Получены формулы для расчета резонансных частот изгиба для млгиптострикционных стержней, длина которых соизмерима с их диаметрами. Графически показаны критические соотношения длин и диаметров сердсчииков-рсзонатороп при крутильных колебаниях, где возникают нежелательные резоиансы колебаний изгиба, и эквивалентные схемы магннтострнкцноиного резонатора с нежелательным (паразитным) резонансом.

Третья глава посвящена расчету точности характеристик электромеханических фильтров.

В канальных ЭМФ монолитная резонансная система состоит из механических- резонаторов гантельного типа, соединенных связками длиной значительно меньше XI4. Такая конструкция позволяет существенно уменьшить длину резонансного стержня, однако при этом повышаются требования к точности обеспечения геометрических размеров, которые исчисляются долями микрон.

Для создания полиномиальных ЭМФ предложен вариант настройки контуров на резонансную частоту Г0, с соблюдением расчетных соотношений между одноименными элементами соседних контуров при точной установке оконечных элементов схемы.

В работе использован метод настройки резонансных стержней путем установки частот резонаторов и коэффициентов связи между парами резонаторов, а также метод настройки ЭМФ со стороны входных клемм магиитострикционных преобразователей.

Для проверки выполнения жестких требований предъявляемых к параметрам канальных фильтров предложен метод расчета точности характеристик электромеханических устройств при условии, что параметры настройки находятся в пределах рассчитанного поля допусков.

Решение теоретической проблемы этого вопроса основывается на вероятностном выполнении неравенств и на использовании табличных функций Лапласа. Значения чувствительности и их максимальные величины находятся методом максимальных приращений с использованием пакета программ схемотехнического моделирования РБРЮЕ.

На основе опыта . изготовления партии ЭМФ рекомендуется принять косинусоидальный закон распределения,

для которого значение О = 2,3, тогда значения допусков можно расчитывать по следующим формулам:

£ аа = . I = 1,2Ыс

i = 1.2N-1

где Дат - заданная неравномерность рабочего затухания фильтра,

M=4N-1 - общее число параметров настройки, N - класс фильтра по рабочему затуханию, arg [0(Z) = tf>,/ 2] - аргумент функции Лапласа, значение которой равно половине заданного значения вероятности Фи Значения •

|упствнтслыюстс1! S;j+i и их максимальные величины S" определяются из рекуррентных соотношений, полученных в расчете.

Рассчитанные допуски па точность резонансных частот резонаторов и коэффициентов связи между парами резонаторов по разработанному методу подтверждены расчетными и экспериментальными характеристиками.

В четвертой главе приведены результаты исследований проблемных вопросов применительно к проектированию деталей и производству ЭМФ цепочечной структуры с магпитострикционнымп преобразователями:

представлен метод расчета электромеханических полиномиальных фильтров с учетом эквивалентного представления механических резонаторов и коэффициентов связи между ними;

- разработан метод контроля параметров механических стержней и элементов сложных механических резонансных систем, позволяющий контролировать материалы, резонанс стержня которых находится в пределах эффективного резонансного промежутка преобразователя;

- найдены методы регулирования рабочего затухания на частотах нежелательных рсзопапсов в полностью собранном и настроенном ЭМФ. Эти резонансы появляются в механических резонансных системах вследствие наличия взаимно перпендикулярных магнитных полей остаточной индукции, одно

из которых является нежелательным и при взаимодействии с переменным магнитным полем катушек возбуждения преобразователей приводит к нежелательным гармоническим колебаниям резонансной системы, а следовательно, и всплескам затуханий в полосах задерживания или пропускания фильтра.

В приложеиии даны нормированные коэффициенты полиномиальных схем фильтров-прототипов для расчета эквивалентных схем с 11-ю механическими резонаторами, а также метод стабилизации катушек индуктивности электрических фильтров и магнитных экранов магнитострикционных преобразователей электромеханических фильтров.

В .заключении сформулированы основные результата работы:

1. Проведено математическое описание эквивалентных схем механических резонаторов типа гантели и сложных связок в ограниченном диапазоне частот. На основе этих схем оказалось возможным составлять эквивалентные схемы замещения любых механических резонансных систем. Найдены формулы связывающие нормированные коэффициенты полиномиальных схем полосовых фильтров с нормированными коэффициентами между связкой и резонатором и между двумя резонаторами. Определены основные характеристики передачи гантельных резонаторов, позволяющие существенно сократить габариты резонансных систем цепочечной структуры. Исследованы основные зависимости параметров сложных связок применительно к вопросам проектирования малогабаритных резонансных стержней и даны рекомендации по их применению в сложных резонансных системах. Результаты исследований подтверждаются результатами экспериментов.

2. Детально исследованы вопросы согласования механических сопротивлений резонансных систем с электрическими нагрузками при учете потерь в элементах магнитострикционных или пьезоэлектрических преобразователей. Приводятся методы согласования механических сопротивлений в различных режимах работы магнитострикционных и пьезоэлектрических преобразователей. Результаты анализа чувствительности характеристик канальных электромеханических фильтров к параметрам преобразователей подтверждаются расчетными и измеренными характеристиками в полосах пропускания фильтра.

Предложен метод трансформации сопротивлений в электромеханических фильтрах с магнитострикционными преобразователями и даны рекомендации по проектированию

электромеханических фильтров, предназначенных для работы между различными сопротивлениями нагрузок. Эти рекомендации могут быть использованы при проектировании электромеханических фильтров с пьезоэлектрическими преобразователями. Теоретически также возможно проектирование электромеханических устройств, на входе которых имеются магнитострикционныс преобразователи, а на выходе резонансной системы пьезоэлектрические.

Представлены рекомендации по проектированию моночастотных электромеханических устройств и методы удаления нежелательных рсзонансов от диапазона эффективно используемых частот.

3. Предложены методы настройки резонансных стержней и электромеханических полиномиальных фильтров с учетом потерь в элементах преобразователей. Особый интерес представляет метод настройки и контроля параметров

. резонансных стержней со стороны входных клемм магпитострикцноиных преобразователен.

.Дан метод расчета точности характеристик электромеханических устройств при неточности установки параметров настройки механических резонаторов и коэффициентов связи между ними, обеспечивающих выполнение требований к параметрам электромеханических фильтров при условии, что параметры настройки находятся в пределах рассчитанного поля допусков. Решение теоретической проблемы этого вопроса основывается на вероятностном выполнении неравенств с помощью табличных функций Лапласа. Значения чувствительности и их максимальные величины находятся из рекуррентных соотношений методом конечных приращений с использованием пакета программ схемотехнического моделирования РБР1СЕ. Рассчитанные допуски на точность резонансных частот резонаторов и коэффициентов связи между парами резонаторов по разработанному методу подтверждены расчетными и экспериментальными характеристиками.

4. Представлен метод расчета электрических полиномиальных фильтров с учетом эквивалентного представления механических резонаторов и коэффициентов связи между ними.

Предложен метод контроля параметров механических стержней н элементов сложных механических резонансных систем. Данный метод позволяет контролировать любые материалы, резонанс стержня из которого будет находиться в пределах эффективного резонансного промежутка преобразователя. Этот метод теоретически приводит к

возможности создания' мульти-модного резонатора, работающего в различных режимах колебаний.

Решена проблема реализации канального электромеханического фильтра с малогабаритной резонансной системой цепочечной структуры. Подобные монолитные резонансные системы обеспечивают высокую надежность температурной и временной стабильности параметров электромеханических фильтров, а, следовательно, в основном, и характеристик каналов связи.

Разработаны канальные электромеханические фильтры в диапазоне частот 128-132 кГц, на основе которых созданы варианты аппаратур индивидуального двухступенного преобразования спектра телефонных каналов в стандартный диапазон 60-108 кГц, являющийся основным для создания многоканальных систем дальней связи с частотным разделением каналов.

Результаты диссертационной работы использованы в НИР и ОКР и внедрены на предприятиях: ГП 'Дальняя связь' (г.С-Петербург), ГЗАС (г.Губаха Пермской обл.), Узловский завод аппаратуры дальней связи (г.Узловая), АО 'Морион' (г.Пермь).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Н.В.Моховиков, А.С.Степаноп, Л.Р.Быкова, Т.ВЛрицыиа. К анализу механических резонаторов гантельного типа и сложных связок. 'Техника средств связи', сер.ТПС, вып.3(48), 1980.

2. Моховиков Н.В., Степанов A.C. Вопросы создания элементной базы для малогабаритных канальных фильтров. Тезисы доклада на научно-технической конференции Одесского института связи. 1982 г.

3. Моховиков Н.В., Степанов A.C. Трансформация сопротивлений в магнитострикционных преобразователях. 'Техника средств связи', сер.ТПС, вып.1 (22), 1978.

4. Моховиков Н.В., Степанов A.C., Ярнцыиа Т.В. Согласование канальных электромеханических фильтров с учетом потерь в элементах преобразователей. 'Техника средств связи', сер.ТПС, вып.9,1985.

5. Моховиков Н.В. Точность параметров настройки электромеханических фильтров. 'Электросвязь', 1997 принята к опубликованию 25.03.97.

6. Моховиков Н.В., Тараканов В.Н.,. Власова H.A. Электромеханический фильтр. Авторское свидетельство №511676, КЛ.НОЗН9/00, 1975.

7. Моховиков Н.В., Степанов A.C. Магнитострикционный фильтр. Авторское свидетельство № 1162366,1985.