автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Оптимизация радиотехнических устройств по критерию инвариантности

Томский институт автоматизированных систем управления и радиоэлектроники

На правах рукописи

Стукач Олег Владимирович

ОПТИМИЗАЦИЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ПО КРИТЕРИЮ ШВАШАШЮСТИ

Специальность "Радиотехнические и телевизионные системы и устройства" - 05.12.17.

автореферат диссертации на 'сояокание ученой степени кандидата технических наук -

Томск - 1993

Работа Енполиеиа в Тшскси институте автоматизированных свсгеи управления и радиоэлектроники!

Научный .руководитель - кандидат технических наук, с. н. с, В. Н.Илышенко.

Официальные оппоненты - доктор ¡[изнко-иатецатических

наук, профессор Г. Н. Глазов ^ кандидат технических наук; с.н.с. А.В.Сеиенса.

Ведущая организация - НИИ "Проект", г. Тоиск.

Защита состоится И г. в 9 часов на

заседании специализированного совета К063.05.02 Тоиск ого института авгоыаги зироааянах систем управления и радиоэлектроники-.

С диссертацией к сан о ознакомиться в библиотеке Тоиского института автоматизированных систеи управления н радиоэлектроники.

Отзыв« в двух экземплярах, завеянные печатыз, проспи направлять на иия ученого секретаря специализированного совета по адресу : 634050, г. Томск, просп.' Ленива, 10.

' .Автореферат разослан д К¿«¿рг-^ 1993 г.

Учений секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, доцент-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Проектирование и расширение функциональных возможностей радиотехнических систем (РТС) связано с трудностями обеспечения противоречивых требований по пшро-кополосности, быстродействии, согласованию. Значительно усложняется проектирование и в случае учета нелинейности реальных элементов, влияние которых. придает системаи качественно новые свойства, особенно при работе в режао большого сигнала. В связи с этим возникает необходимость разработки и совершенствования аналитически)! и численных методов, позволявших исследовать нелинейные свойства РТС. Во шшгих случаях при проектировании систем и устройств требуется высокая линейность и взаимная независимость (инвариантность) характеристик. Например, в устройствах пикосекундной импульсной текинки (ПИТ), таких как усилители, аттеноаторы, формирователи иы-пульсов требуется независииость фазочастотной характеристики (ФЧХ) от параметров состояния или амлитудио-частотной характеристики (АЧХ) и АЧХ от ФЧХ; независииость откликов, а такие локальных параметров и формы переходной или импульсной характеристик от параметров входных сигналов, например, амплитуды. Указанное обстоятельство приводит к необходимости использования новых подходов- к анализу и оптимизации РТС, учитывающих требования обеспечения линейности и инвариантности характеристик систем. Такии образои, для разработки РТС требуется использование общей теории инвариантности.

В известных работах по теории инвариантности решается задача обеспечения независимости реакций сксте» автоматического регулирования от сигналов и воэиугдапщо; воздействий. Однако теория инвариантности можат быть использована.и как основа проектирования РТС. Для этого требуется ее развитие б направлении разработки методов определения инвариантности откликов ГТС не только к сигналам, но и к параметрам сигналов, а также, определения условий взаиштй инвариантности характеристик РТС.

Цельв работы является развитие теории инвариантности радиотехнических систем и разработка на этой основе методология оптимизации характеристик устройств усиления и управления п«~

-

раыетрами пикосекупднш; импульсных сигналов.

Цель работы достигается решекиаа следующих основных задач.

1. Обоснование использования свойства инвариантности как критерия оптииизацш ПС.

2.'Развитие матеиатического аппарата теории инвариантности характеристик линейных и нелинейных систем.

3. Исследование возможных способов обеспечения инвариантности характеристик систем к устройств.

^.Разработка алгоритмического и програшного обеспечения расчета и моделирования РТС, оптииальных по критерии достижимости трабуеиих условий инвариантности.'

5. Разработка практических схеи устройств ПИТ с заданными -свойствами инвариантности.

Методы исследования. Теоретический анализ проведен с но-ыоцыо теорий инвариантности, оптимального управления, дифференциальных преобразований. Для расчетов используются статистические и детернишровашше ыетоды оптиипзации. Теоретические выводы подтверждены зкслсрныентаяышии исследованиями.

Научная новизна раОотм представлена:

обоснование!.) принципа проектирования РТС, основанного на требовании обеспечения инвариантности реа!<ций систем к амплитуда сигнала и параметрам состояния;

развитие« теории инвариантности для случая независимости реакций нелинейных систец от амплитуды сигнала и инвариантности >1)4Л линейных систем к- /\ЧХ; ■

обоснованием ' нового критерия оценки нелинейных свойств дшаыичесних систем, основанного на требовании инвариантности реакций систем к аушлитуде сигнала;

доказательство« теореи об инвариантности;

решенной задач восстановления форш сигнала и теипера-турной стабилизации нетрадиционным способом с иснользованиец свойства инвариантности;

созданием ионик схемотехнических решений устройств с оп-тииальниии по критерии инвариантности характеристиками.

Практическая ценность работа заключается в следующей.

1. Результаты работы иогут быть использованы при изуче-

нип процессов их» явлениЛ в .хлСшу динамических системах, на обязательно радиотехнических, так как условия инвариантное?!; получены в наиболее общем виде.

2. Показана и реализована возиожиость решения на новой основе, с использованием свойства инвариантности известны;: задач - минимизации нелинейных искаяеиий СПИ), снижения амплитудно-фазовой конверсии <АФ!<), температурной стабилизации, восстановления сигналов.

3. Теоретически и экспериментально доказана возможность улучшения качественных показателей РТС, в тон числе и систен ПИТ в результате их проектирования с использованием критерия инвариантности.

Формализована задача оптимизации систеи и устройств ПИТ по критерии инвариантности характеристик, предложены алгоритмы и разработаны программы оптииизогшч.

5. Разработаны устройства ПИТ с оптимальными по критерия инвариантности характеристиками.

6. Предложены и обоснованы новые подходы, а также данн рекомендации по использованию положений теории инвариантности при проектировании устройств ППТ - усилителей и электрически управляемых аттешваторов (ЭУА).

Апробация работы. Результаты работы докладывались на 7-и Всесоюзной школе-сеиинаро студентов и молодых ученых "Автоколебательные системы и усилителя в рпдиоибредашцмх устройствах" (г. Симферополь, 1988г.), на 6-й Всесоюзной школе-сове-цаиии молодых ученых по стабилизации частоты (г. Канев, 1989 г.), на 4-й Всесоюзной школе по пикосекундной технике (г. Ереван, 1991 г.), на 5-й Республиканской научно-технической конференции "Генерирование, формирование и применение импульсных сигналов" (г. Вильнюс, 1991г.), на Х'-й международной конференции "Нанотохнология, наиозлектроникз и криоэлектрони-ка" (г. Барнаул, 1992г.), на 7-и сеыинаре-совешпши "Стабилизация частоты и формирование сигналов радио- и оптического диапазонов" (г. Новороссийск, 1992 г.).

Публикации. По тоне диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 7 статей и 5 тезисов докладов на конференциях. Приоритет технических решения зацицеи треия авторскими свидетельствам» на изобретения. Часть материалов вклвчена в 2

- с -

отчета о НИР.

Реализация "результатов работы. Результаты проведенных в диссертационной работе исследований являются составной частью хоздоговорной и. госбюджетной НИР по разработке пикосекундных усилителей и формирователей импульсов, выполненных на кафедре Радиоприемных и усилительных устройств Тоиского института АСУ и радиоэлектроники. Это подтверждается актами внедрения.

Структура и объел диссертации. Диссертация изложена на II? страницах машинописного' текста, иллюстрирована 47 рисунками и состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений и списка литературы из 6? наименований.

Дичный вклад. В данной работе автору принадлежит обоснование использования свойства инвариантности как критерия оптимизации РТС, доказательство теорем, разработка программ, расчет характеристик и экспериментальные исследования устройств. Личный вклад автора в изобретения изложен в справке о творческой участий. Формулировка направления, постановка задач исследования и анализ полученных результатов выполнены совместно с руководителем.

Научные положения, выносимые на' защиту.

1. Инвариантность является основой принципа проектирования РТС, связанного с принципами опгииалыюсти и допустимости,

2. Реализация условий инвариантности приводит к улучшению качественных показателей систем - уменьшению НИ, понижению ЛФК, уменьшению зависимостью формы и параметров реакций от амплитуды входного сигнала.

3. Абсолютная инвариантность нелинейных систем реализуется лишь при определенных условиях, зависящих от конкретного вида системы. Во всех других случаях достигается лишь относительная инвариантность.

Н . Для обеспечения инвариантности системы с переменными установившимися состояниями требуется оптимизация как пара-;<!уроп корректирующих цепей, так и законов управления элементами с управляемый сопротивлением. Постоянное отношение абсо-.г.»тних максимумов переходных или импульсных характеристик является необходимым и достаточным условием инвариантности ФЧХ к АЧХ, что позволяет оптимизировать системы без вычисления

ФЧХ.

5. Методика конструирования передаточных функций, основанная на дифференциальных преобразованиях, позволяет уменьшить погрешность аппроксимации переходных характеристик (ПХ) и получить передагочну» характеристику с заданной точностьо.

6. Решение задачи восстановления истинной формы измеряемого сигнала без информации об аппаратной функции регистрирующей системы принципиально возможно на основе двукратного измерения сигнала фазоинздриантной системой.

ССДЕРВАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность настоящей работы, сформулирована цель и необходимые для ее достижения задачи исследования, показана практическая значшшсть, приведена .характеристика основных результатов и изложено краткое содержание диссертации.

В первой главе рассматриваются принципы оптимальности я допустимости в проектировании систеи. Отпечено, что оба принципа проектирования не позволяют в райках известных методов реализовать потенциальные возможности РТС. Сложной проблемой является проектирование нелинейных систеи-, однако в этой области существенного прогресса в решении задач оптимизации пока не достигнуто.

Проектирование нелинейных управляеиых РТС, а также необходимость учета всякого рода дестабилизирующих факторов требуют совершенствования принципов проектирования. В работе предложено рассматривать инвариантность как принцип проектирования РТС, отличающийся от известных принципов оптимальности и допустимости и вместе с теы тесно связанный с ниыи. Показано, что многие задачи анализа, оптимизации, синтеза динамических систем сводятся к необходимости обеспечения независимости характеристик систем от параметров сигналов. Это задачи шшииизации А4>К и НИ» задачи, связанные с отысканием способов построения систем, предусматривавших полную или частичную компенсацию внешних возмущений или сигналов, задачи синтеза систем с минимальной записивостьп одни* характеристик от других и т.д. В данной главе показано, что применение

-g-

принципа инвариантности позволяет вновь вернуться к рассмотрении и объяснение известных явлений с новых позиций, либо поставить и решить новые задачи анализа и синтеза систеи. Дается классификация инвариантных динамических систеи, иатеиа-TL148CKH представленных в виде

dx/dt=F(x,¿,ü,2»u,t), (i)

г(1}=П(з:,й,ы,г.иД). R<=Y. ¿eCSls), иб{Щ*}. ге{2|»}. иеШЫ,

где t£[to,T] - непрерывное вреия, ХБ X - вектор фазовых координат 'системы, включающий начальные условия, ó£S - юектор входных воздействий, ШЕЯ -вектор возиудающих воздействий, HG2 - вектор постоянцын во вреиени управления состоянием си-стены, UE=U -вектор управляющих функций, или допустимых управлений, со своики ограничениями, - параметры сигнала (например, амплитуда, фаза, частота), 2(t) - отклик систеиы.

Систеиа (X) инвариантна к сигналу, если z<t)=Rtó,ó.(iJs,H,u.t), ИлеИь WígW,

или

ЗыеИ, z(t)=lnшг и.

Систеиа (I) инвариантна к параиетраи сигнала, если

2i(t)=Lnrag lji, ZjeR, Bé^iGt.

Систеиа (I) инвариантна к параметрам состояния, если Zi<t)=lnoa2 У. ZiER, 32:S-

Три типа .инвариантности систеиы охватывают большинство задач проектирования РТС. С поиоцыо математических соотношений устанавливается связь г^ежду принципаии оптимальности, до-иуспшости, инвариантности. Исходя из предложенной классификации инвариантных систеи, d развернутой виде формулируется задачи диссертационной работы.

lio второй главе рассмотрено свойство инвариантности сис-

teuu к параиетраи сигнала, которое требуется в задачах синтеза нелинейных систеи, сохранявших форму обрабатываемого сигнала в широкой диапазоне амплитуд (линейное усиление, формирование, преобразование сигнала). Развита теория инвариантности для случая независииости характеристик нелинейных динамических систеи от параметров сигналов, позволяющая, с одной стороны, на единой методологической основе охватить разнообразные виды искажений Форш иипульсных сигналов, а с другой

-а -

стороны, получить с наиболее общей форме условия инвариантности, обладающие сравнительной простотой.

Определены условия абсолютной и относительной инвариантности для системы (I), представленной в виде

£ [а .«>*'.♦«. .х. b{Em>'U^~ (2)

¿-Л и J и J о, 1=2,п

с откликом

h(t)=i! Э£ь (3)

где БеY.-аннлитуда входного перепада напряжения; f(t)-* входной сигнал системы; П - число фазовых координат или порядок системы; Qjj(I)- нелинейные функции или коэффициенты-для нелинейной системы или коэффициенты для линейной системы; 6 ц, 3 1 - коэффициенты.

Получено условие абсолютной инвариантности фазовых координат системы к амплитуде Б:

Е£ 3 ibCt/dE=il С—I

и доказана Теорема I, определяющая необходимое и достаточное условие относительной инвариантности иеаи:и?йной динамической системы:

Д О, . (Ч)

где Л t - алгебраическое дополнение для L-Я инвариантируеиой фаЭовой координаты, получаемое в результате реэзкия линейной относительно ЗХ i /ЭЕ системы уравнений

£<а. .р .1'. ва. ./зх. »6. .> зх./вЕ={ ^^¿-Ь""1, J=I U i и J ij J 0,U2,tl;

P=3/dt.

Аналитическое решение задачи инвариантности формы сигнала затруднительно, так как системы нелинейных дифференциальных уравнений, как правило, реааются только численно. Поэтому создана численная методика инвариантирования спетом, основанная на обеспечений условия

H[x,p.£i<t),t]4nmz E=H[i,P.i(t).t],

- где

H[i,p,E|(t').t] = (j>,F(x,E|<t),t»,f p.F., (5)

P(t) - вектор сопряженных переданных. Структура и параметры

- 4 О - _

систеиы определяются в результате оптимизации по критерий минимума функции цеди, или ошибки инвариантности

8 ¿.ОС. )-04С. ; (6)

е 2=11 Л0( ^^¿ирЦОаЫ-ОЛ.)]/^.)!; (7)

ИЛИ

"в,4ио(.)1и«я (ТЮ»«.)^,«.)!^)!74 (8)

/1-*°° о

где ОеСХ.Б.М.Х.и] - некоторый конечномерный вектор, 0г=Ья(1) - соответственно реакции (3) нелинейной систеиы (2) и гипотетической линейной систеиы. В качестве такой систеиы выбрана (2) при условии йц^С0ГМ1. Показано, что система инвариантна, если амплитуда С доставляет экстремальное значение для- (5).. В случае минимума функционала будет найдена точка абсолютной инвариантности, где Н<"Ь>ЛС"Ь) и соответствующая ей амплитуда, а в случае максимума - наибольшая ошибка инвариантности.

Сформулирован алгоритм оптимизации нелинейной систеиы. Он включает следующие взаимосвязанные атапы.

I. Интегрирование (I) или (2) и поиск амплитуды Е при выполнении условий (6)-(В). При зтои величина Е используется в качестве оптимального управления согласно принципу ыаксииуиа.

2.. Поиск-экстремума функционала (6),(7) или (8). В случае иинииуиа будет найдена точка абсолютной инвариантности, а в случае максимума - наибольшая ошибка инвариантности.

3. Минимизация ошибки инвариантности любым методом нелинейного программирования.

Условие инвариантности выбросов откликов нелинейкой систеиы к амплитуде сигнала также может быть представлено в виде (4). В атом случае А - определитель, получаемый в результате решения линейной относительно Э<3 I /ЭЕ системы уравнений

£ (А. .р +8'. ЭА. ./В8 . *В. .) э& /эБ=0. ии, «»=1 и I и л и г

где

& »= I» А,» -I

- функция выброса, А - нелинейные функции или коэффициенты; В и - коэффициенты. Доказано, что инвариантность выОро-

-и -

сов откликов нелинейных систем всегда относительна. Для оптимизации системы функция цели записывается в виде (6)-(8), где 0ь 0 2- б л ■ - соответственно выбросы реакций нелинейной системы (?) и гипотетической линейной системы, в качестве которой выбрана (2) при условии О.^СОЛб'!;. В результате оптимизация сводится к задаче нелинейного программирования, в которой требуется найти все Ои и Х> из (2), где функция цели минимальна.

Исследовано свойство инвариантности временных параметров импульсов к амплитуде сигнала. С помощью дифференциального преобразования доказана

Теорема 2. Инвариантность любого временного параметра (времени нарастания, вреиени задержки) в нелинейных системах всегда относительна и означает выполнение условия:

\ ЛЖк).СХ]=к!Х(Ю/(Еек)

где 1(1) - оригинал, К(Ю - изображение, или дискреты дифференциального спектра; К - дискретный аргумент; С - постоянная. Для оптимизации системы функция цели также записывается в виде (6)-(8) применительно к соответствующим временный параметрам.

Центральный в данной главе является исследование инвариантности с точки зрения неискаженной передачи сигнала.. Предложено оценивать НИ сильно нелинейной импульсной системы по отклонению формы реакций этой системы от требуемой. В зависимости от решаемой задачи, в качестве требуемого отклика системы может использоваться любой сигнал, изменение формы которого, то есть его нелинейные искажения, нежелательны. Очевидно, что НИ будут изменяться от амплитуды входного сигнала. Поэтому перспективна оценка ИИ по критерив обеспечения инвариантности фориы отклика к аиплитудаи сигналов. Показана связь критерия инвариантности нелинейных динамических систем с гармоническим критерием оценки НИ. Предложен алгоритм решения такой задачи снижения !1И, который основан на приближении формы или отдельных параметров откликов нелинейной системы к форме троОуеиого отклика и включает в себя следующие этапы:

1. Интегрирование (2) при Ом =С0Лд1., Е=1м поиск нормированного отклика линейной системы.

2. Интегрирование (2> и максимизация 3 (6)-(8) на осно-

- --¡г -

ве принципа ыакеимуиа. В качестве О 1) берется нормированный отклик линейной системы, найденный на этапе I, умноженный на амплитуду входного сигнала. Эта амплитуда используется в качестве оптимального управления. В результате будет найдена аиплцтуда Е, при которой С наибольшее.

3. Оптимизация структуры и параметров нелинейной системы любым цетодом нелинейного программирования. Функция цели для какдой итерации оптимизации вычисляется при амплитуде входного сигнала, найденной на этапе 2Ч.

С позиции теории инвариантности рассмотрена и задача снижения АФК. Поскольку для обеспечения минимума А4>К систеиа должна быт;ь фазоинвариантной к аиплитуде сигнала, решение задачи снижения АФК сводится и созданию системы, аргумент комплексной функции передачи которой остается постоянным в широком интервале изменения амплитуд. Непосредственное использование теории инвариантности возможно на основе связи импульсного отклика 1(\,Е) с его спектральной плотностью. Уменьшения вычислительных затрат на обратное, преобразование Фурье достигается непосредственный использование!! (I) или (3). Зто следует из результатов следующей теоремы.

Теорема 3. Для фазовой инвариантности системы (I) необходимо и достаточно, чтоб соблюдалось соотношение

УгсЬ г(1ьтдаг <ьс1/сК).

Такии образои, Теорема Ь , доказывает эквивалентность инвариантности переходного процесса и фазовой инвариантности.

В конце главы рассмотрен ряд практических примеров оптимизация нелинейных иипульсных систеи ПИТ. Теоретически и экспериментально исследованы схема однокаскадного усилителя на транзисторе ЗП602А-2- и защищенная авторским свидетельством схема усилителя с суммированием токов (рис. I). Проведена оптимизация параиетров схем по критерию инвариантности характеристик к амплитуде сигнала (рис. 2). Такии образои, во второй главе теоретически доказаны и экспериментально подтверждены преимущества йивариантиих систем перед неинвариантный«. Инвариантные системы обладают лучшими качественными показателями - меньшими .'НИ, пониженной АФК, малой зависимостью формы и параметров реакций системы от аиплитуды входного сигнала.

В третьей глаие исследована инвариантность системы к параметрам состояния. При проектировании РТС с переменными сос-

Рис I. Усилитель с суммированием токов.

2.6

2,2 1,0

1,4

П 1 2 Е,В

Рис 2. Нормированные зависимости первого выброса в, времени нарастания Ь, и фазы первой гармоники 1Р \ реакций корректированного (I) и некорректированного (2) усилителя.от, амплитуды входного.сигнала.

-1 ----2

у / ! /Г / ,........—

-

/ / /У ! /

-А -

тоянияии, или с регулируемыми характеристиками, возникает необходимость достижения минимальной зависимости одних характеристик от других. Например, регулирование задержки не должно сопровождаться существенный изменением формы АЧХ в полосе частот, а регулирование АЧХ не Должно вызывать изменение фазового сдвига. Последнее свойство систем рассмотрено в диссертации на примере ЭУА. Многопараметрическая оптимизация систем по критерию инвариантности фазового сдвига к АЧХ заключается в минимизации функция цели

У = ^ИоАЧ» в и-Ь (9)

где

(Ил,-

ДЧ»^<2л,Е2.....1ЯЛ) =С -4»<г1,.г,,.....Е»,.?,). 1=0;

О, 1=1

- $&зое.ый сдвиг в диапазоне ослаблений; - число состояний; М - ко^и^ество^частотнык точйк; Но...N5 - весовые коэффициенты; 13 , « < - требуемая и полученная на ^-й частоте неравномерность АЧХ (К=1); КСВН входа (К=2>, КСВН выхода (К=3); ОС«1,ОЬ| - соответственно требуемое и полученное значение ослабление но нижней границе диапазона ослабления; 17! -количество управляемых элементов; В ы - сопротивление 1-го управляемого элемента в (11-и состоянии.

Главным недостатком (9) является невозможность обоснованного выбора начального приближения и весовых коэффициентов многокритериальной целевой функции, что обуславливает локальную оптимальность решеиия. Кроме того, в ряде случаев невозможно вообце оптимизировать систему из-за сильной зависимости ФЧХ от АЧХ, так как для минимизации изменения ФЧХ в диапазоне регулирования коэффициента перодачи требуется уменьшение этого диапазона. Поатоиу разработан новый способ оптимизации, свободный от указанных недостатков. Для этого рассмотрена методика конструирования передаточных функций на основе дифференциальных преобразований временных характеристик линейных систем. Эта методика предполагает поиск дискрет степенного

- 1 «г -

многочлена, аппроксимирующего данную временную функции. По найденным дискретам получаем передаточную характеристику в виде Оесконечного ряда. Для представления ее в виде дробно-рациональной функции бесконечный ряд ограничивается и составляются две системы линейных уравнений, в результата решения которых находятся коэффициенты числителя и знаменателя дробно -рациональной функции.

На основе предложенной методики доказана

Теорема 4. Необходимый и достаточный условием инвариантности ФЧХ линейной системы с переменными состояниями к АЧХ является постоянное отношение абсолютных максимумов переходных или импульсных характеристик:

«uph.*»(t)/«ip h.(t) = II,

где М - постоянна!, hit) - Г1Х.

Ha основе полученных при доказательстве Теоремы 4 соотношений можно Определить, отличается ли система свойством инвариантности Фазы без вычисления ФЧХ. Необходимыми условиями инвариантности такко является

K„M<j»)/Kjj»)sH.

где K(jbJ) - комплексная передаточная характеристика, И - частота.

В конце главы рассмотрены практические примеры оптимизации систем с переменными состояниями, подтверждающих полученные результаты . Принципиальные схемы некоторый структур ЭУА с инвариантным к ослаблению фазовым сдвигом приведены на рис. 3-6. Все аттенюаторы отличаются большим диапазоном вносимого ослабления - от I до <tO дБ,' широкой полосой рабочих частот -от 50 КГц до 2 ГГц и минимальным изменением фазового сдвига -от 1° до 5° в полоса частот or 50 МГц до I ГГц и вносимом ослаблении от I до 30 дБ: В устройствах использовались P-L-П диоды 2A5IIA. В случав применения других элементов с управляемым сопротивлением с меньшими паразитными параметрами аффект компенсации фазы будет достигнут в Солее широкой полоса частот.

В четвертой главе представлено применение принципа инвариантности для решения других задач теории систем. На основе известных из теории автоматического управления критериев инвариантности и доказанной в глава. 2 Теоремы I разработан уся-

UDÎ "

-Щ--

UD2

-ы—-

il

12

Xe

таз

52 J

13

Г

14

B1

UD4

R 2 П5

Рис 3. Управлявши атгенвагор.

У01

>——ы-

L1 UD2

ч

п m ci с2 пг Г)

j^YW

L2

S2 UD3

ÜD4 sfe

Ркс 't. Управляемый атгенватор.

ищ

>---н—

ипз У2

Xе

и 02

-Й-<

2 1904

12

}г 15

В2

Рис 5. Управляемый аттенюатор.

Рис 6. Управляемый аттенюатор.

- ■(£ -

литель пикосекундных сигналов с характеристикам]:, инвариантными к температуре. Хорошо известно, что транзисторные усилители нуждаются в термостабилизацми. Но рассмотренные в литературе методы терцостабилизации для ПТШ неаффективны т.к. под воздействием температуры даже при стабилизации тока стока крутизна вольтамперной характеристики не остается постоянной. Вследствие этого измененяется коэффициент усиления и форма ПХ. Для обоснования способа температурной компенсации форыы ПХ и коэффициента усиления транзистора рассмотрена температурная модель ПТП и показано, что относительная инвариантность усилителя достигается оптимизацией параметров элементов схемы, например, корректирующих цепей и управляющего напряжения па затворе. При этом температура рассматривается как воз-муцающее воздействие. Б практической схеме штариантиость реализована с помощью варикапа, используемого в качестве корректирующей емкости, значение которой зависит от температуры благодаря включении управляющего биполярного транзистора без термостабилизации.

Предложено использовать фазоинвасиантные устройства при решении задачи восстановления истинной формы сигнала ЛС1), математически представленной в виде:

где 2(t) - шходной сигнал, S?(t) -аппаратная функция или импульсная характеристика регистрирующей системы. Доказана принципиальная возможность решения этой задачи на основе двукратного изыерешя сигнала системой с регулируемой АЧХ, фазо-частотная характеристика которой инвариантна к АЧХ. При этом, в отличие от известного метода редукции по пробному отклику, форма Z(t) может существенно отличаться от Sect). Кроме того, показано, что при реиении задачи (10) с нелинейной JB(t) точность восстановления ö(t) выше, если система инвариантна. Таким образом, показана возможность использования принципа инвариантности для реиения шрокого круга задач оценки и устранения искажений, вносимых реальными приборами или окружаюцей средой в результате каких-либо процессов или явлений.

Приложения включают в себя описание программ оптимизации систем ПИТ и програкм восстановления формы сигнала. Тан же

(10)

-оо .

содержатся акты внедрения разработанных устройств и программ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Исходя из обоснования использования свойства инвариантности как принципа проектирования РТС, развита матеиатичес-кзя теория инвариантности характеристик линейных и нелинейных динамических систем для случая независимости откликов систем от параиетров входных сигналов. Предложена классификация инвариантных систем. Показано, что многие задачи анализа, оптимизации, синтеза динамических систем сводятся к необходимости обеспечения абсолютной или относительной инвариантности характеристик систем к параметрам сигналов.

2. Впервые с общих позиций исследовано свойство инвариантности систем к параметрам сигналов. Сфориулирована в виде теореи и доказана принципиальная возможность улучшения качественных показателей динамических систем и, в частности, систем ПИТ в результате оптимизации параметров и структуры этих систем по критерий инвариантности параиетров выходных сигналов к параметрам входных или собственно к входным сигналам (возмудающим воздействиям).

3. Получены необходимые и достаточные условия инвариантности формы, выброса и крененных параметров переходных-или импульсных характеристик нелинейных систеы к ацплитуде сигнала, а также условия инвариантности ФЧХ к АЧХ в линейных системах. Рассмотрено свойство инвариантности систеи к температуре на прииере проектирования пикосекундного усилителя.

Ц . Разработаны алгоритмы и программы оптимизации систем по критерию достижимости необходимых условий инвариантности.

5. Показана возможность использования принципа инвариантности для решения широкого круга задач оценки и устранения искажений, вносимых реальными приборами или окружающей' средой в результате каких-либо процессов или явления.

6. Впервые с позиции теории инвариантности рассмотрена проблема АФК. Доказана теореиа о фазовой инвариантности нелинейных динамических систеы.

?. Проблема инвариантности рассмотрена с точки зрения неискаженной передачи сигнала. Разработан новый 'критерии оцен-

- 2.0 -

ки нелинейных свойств динамических скстеи по ог.:бко инвариантности ©орны отклика или отдельных его парлметрог. и амплитудам входных сигналов системы. Полученная оценка является интегральной, в отличие от известной оценки по коэффициенту гармоник. Показана связь предложенного критерия инвариантности с гаргюническки критериеа оценки НИ. Созданная в работе методика ¿¡окет использоваться как вспомогательная для других аналитических нотодов расчета ЯП. Например, с ое помочью «о-жет быть найдена окрестность экстремума критерия нелинейности, а его точные координаты получены традиционными ыегодашь

8. Теоретически п зкеперииенталым исследован ряд схем устройств ПИТ - отенкаторов, усилителей, формирователей с оп-тииальныаи, то есть инвариантными к тре&уеиьш параиетраи входных сигналов, параметрам состояния и возыуцавсии воздействиям характеристиками. Изложены способы инезризнтирования характеристик систем и устройств. Б результате оптимизации усилителей достигнуто уменьшение оиибки инвариантности (6)-(8) в 2-5 раз при сохранении фориы откликов в линейном режиме: вреия нарастания фронта шпульса не яревыпает 82 не, выброс - 8$. Разработанные аттенюаторы отличается больший диапазоном вносимого ослабления - от / до 40 дБ, широкой полосоГ! рабочих частот - от 50 КГц до 2 ГГц и минимальным изменением фазового сдвига - от Iе до 5° в полосе частот от 0,05 до I ГГц и вносило« ослаблении от I до 30 дБ.

Предложенные новые цетода и полученные результаты подтверждают достоверность теоретических положений и выводов, их практическув значимость и убедительно свидетельствуют об эффективности и общности разработанной методологии оптимизации по критерию) инвариантности, охватывавшей широкий класс задач проектирования РТС и устройств различного назначения.

По теме диссертации опубликованы следующие работы.

1. А. с. 14 1385249 СССР, ИКИ Н ОЗр 1/42. Усилитель / В. 11. Ильвшенко, О.В. Стукач// Открытия. Изобретения. 1988. К? 12.

2. А. с. В 1626330 СССР. МКИ Н 3/20. Управляемый П-образный аттенюатор / В.Н. Ильвшенко, О.В. Стукач // Открытия. Изобретения. 1991. К 5.

3. А. с. Й 1731141 СССР, ИКИ Н 01Р 1/22. Управляемый ат-

-ZI —

тенватор / D.H. Ильюшенко, O.D. Стукач // Открытия. Изобретения. 1992. Sk 18.

'к Ильюшенко D.H., Стукач O.D. Оценка и ииниыизация нелинейных искажений никосекундных иыпульсных сигналов // 4-я Всесоюзная школа по пикосекунрдой технике. Тезисы докладов. -1!.: тПШОФИ, 1991, с. 27-28.

5. Ильюшенко В.!]., Стукач О.В., Туев В.И. Оптимизация аттенюаторов с фазовии сдвигоц, шгвариантньш к вносимому ослаблению // Техника средств связи. Сер, ГадиоизиерительнаЯ техника, 1990, вып. ?; с. 25-29.

6. Стукач О.В., Яльоаешсо D.H. Восстановление фориы спектра с использование!! свойства инвариантности систем // Оптика и спектроскопия, 1992, т. 73, вып. I, с. 55-57.

7. Стукач O.D., Ильюзенко D.H. Инвариантность' линейных динамических систец к параыетрац состояния // Радиоэлектроника, 1993, т. Зб>, fis 3, с. 67-70 (Известия высших учебник заведении ).

8. Стукач О.В., Ильюшенко В.Н. Инвариантность фазочас-тотных характеристик линейних систем к параметрам состояния. // 1-я Международная конференция "Нанотехнология, наноэлек-троника и криоэлектрошша". Тозисы докладов. - П., 1992.

9. Стукач О.В. , Ильюшенко В.Н. Управляешь аттенюатор // Приборы и техника эксперимента, 1993 (в печати).

10. Стукач О.В., Ильюшенко В.Н. Конструирование передаточных функций на основе дифференциальных преобразований вре-мешшх характеристик линейных систем // Электронное моделирование, 1990, V. 12, » 6, с. 97-98.

П. Стукач О.В., Ильюшенко В.Н. Минимизация времени задержки импульса в нелинейной систеые // Электронное моделирование, 1993, т. 15, 5:

12. Стукач О.В., Ильюшенко В.Н. Минимизация- нелинейных искажений в импульсной системе // Радиоэлектроника, 1991, т.

№ 6, с. '(9-53 (Известия высший учебных заведений)..

13. Стукач О.В., Ильюшенко В.Н., Туев В.Н. Многопарамот-рическая оптимизация характеристик ииогооктавнык устройств управления амплитудой и фазой сигналов // б-я Всесоюзная шкояа-совещ,ание молодых ученых и специалистов по стабилизации частоты. Тезисы докладов. М.: ВИНИ, 1989, ч. 2, с. 52-58.