автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Синтез реактивно-резистивных амплитудных управляющих устройств на основе матриц рассеяния

РГБ ОД

На

КУЗЬМИН АЛЕКСАНДР ЮРЬЕВИЧ

СИНТЕЗ РЕАКТИВНО - РЕЗИСТИВНЫХ АМПЛИТУДНЫХ УПРАВЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ МАТРИЦ РАССЕЯНИЯ

Специальность 05. 12.17 - Радиотехнические и телевизионные системы и устройства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж 2000

Работа выполнена на кафедре радиотехнических систем Воронежского института МВД России.

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

А.А. Головков

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Б.В. Сестрорецкий,

кандидат физико-математических наук, доцент C.B. Ветров

Ведущая организация: Федеральный

научно-производственный центр «Воронежский НИИ связи»

Защита диссертации состоится ¿74 2000 г. в //ч на заседании диссертационного совета К 052.17.01 при Воронежском институте МВД России: 394065, Воронеж, Проспект патриотов, 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского института МВД России.

Автореферат разослан ¿У 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук C.B. Ролдугин

•?M Я -CM.4Й - О/Ь D -h i ffS.- û/3. D

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Амплитудные управляющие устройства (АУУ) - это большой класс радиотехнических устройств, обеспечивающих требуемое изменение амплитуды отражённого и (или) проходного сигнала.

Амплитудные управляющие устройства могут быть использованы в системах и средствах приёма, передачи и разрушения информации, а также для повышения помехоустойчивости технических средств охраны. К средствам разрушения информации относятся средства уменьшения эффективной поверхности рассеяния апертурных антенн импульсных РЛС, средства создания мерцающих помех из одной или нескольких точек, средства управления энергетическим центром отражения и т.д.

Анализ существующей литературы показывает, что известные алгоритмы синтеза управляющих устройств предназначены для проектирования таких управляющих устройств, неуправляемая часть которых построена с использованием либо только реактивных, либо только резистивных элементов. Возможность построения алгоритмов синтеза АУУ, неуправляемая часть которых построена и на реактивных, и на резистивных элементах до настоящего времени практически не рассматривалась. Не доказана также возможность разработки АУУ с предельно достижимыми ' значениями модулей коэффициентов передачи в одном из состояний при заданном отношении модулей в двух состояниях управляемого элемента, в том числе и с учётом изменения мощности входного сигнала.

Таким образом, тема диссертационной работы "Синтез реактивно -резистивных амплитудных управляющих устройств на основе матриц рассеяния", направленная на устранение указанных недостатков, является актуальной.

Целью диссертационной работы является разработка совокупности алгоритмов синтеза реакгивно-резистивных АУУ с предельными характеристиками на фиксированной частоте, ряде дискретных частот и в полосе частот, в том числе с учётом дискретного изменения мощности входного сигнала.

Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи: 1. Развитие и разработка алгоритмов синтеза реактивных и реактивно-резистивных управляемых и неуправляемых АУУ с предельно достижимыми значениями модулей коэффициентов передачи и отражения в одном из состояний и заданном их отношении на фиксированной частоте, основанных на описании каждого состояния матрицами рассеяния, в том числе с учетом изменения мощности входного сигнала.

2. Разработка алгоритмов синтеза многоуровневых многочастотных и широкополосных реакгивно-резистивных АУУ смешанного типа, основанных на использовании полученных в результате решения первой задачи выражений для определения значений части параметров неуправляемых элементов АУУ на

фиксированной частоте и градиентного метода наискорейшего спуска для определения значений оставшейся части этих элементов, обеспечивающих требуемое отклонение характеристик в полосе частот.

3. Экспериментальное подтверждение возможности использования разработанных алгоритмов синтеза реактивно-резистивных АУУ для их практического проектирования в интересах создания технических средств охраны.

Методы исследования. Предлагаемые в работе алгоритмы синтеза реактивно-резистивных АУУ основываются на использовании волнового и классического методов описания четырёхполюсников, методов матричной алгебры, теории длинных линий, методов решений алгебраических уравнений, градиентного метода наискорейшего спуска, теории функций комплексного переменного, результатов решения задачи дифракции электромагнитных волн на периодических решетках, а также известных результатов синтеза управляющих устройств отражательного типа.

Научная новизна. На защиту выносятся следующие результаты, впервые достаточно подробно развитые или впервые полученные в настоящей работе:

1. Впервые разработан алгоритм синтеза реактивно-резистивных амплитудных управляющих устройств смешанного типа, основанный на описании базовых элементов устройства матрицами рассеяния, записанными для каждого состояния, определяемого уровнями управляющего воздействия на управляемом элементе, отыскании матрицы рассеяния всего устройства в каждом из указанных состояний, составлении систем алгебраических уравнений, вытекающих из заданных значений или отношений модулей коэффициентов передачи и отражения, решении этих систем относительно значений параметров неуправляемых элементов, анализе полученных решений с целью определения областей физической реализуемости как областей изменения действительной и мнимой срставляющих иммитанса управляемого элемента, в пределах которых возможна физическая реализация с помощью заданной схемы устройства требуемых значений и отношений модулей коэффициентов передачи и отражения на фиксированной частоте, сшивании выражений для получения значений параметров неуправляемых элементов, обеспечивающих различные требуемые, значения отношения модулей и решение полученных уравнений для определения соотношений между требуемыми характеристиками, в том числе и предельными.

2. Впервые разработан алгоритм синтеза АУУ, позволяющий обеспечивать требуемое изменение значений и отношений модулей коэффициентов передачи и отражения при дискретном изменении мощности входного сигнала, основанный на использовании явления увеличения проводимости управляемого элемента при увеличении мощности входного сигнала.

3. -Разработан численно-аналитический алгоритм синтеза широкополосных АУУ на основе комплексного использования разработанных в

диссертации алгоритмов аналитического определения значений части параметров неуправляемых элементов АУУ на фиксированной частоте и градиентного метода наискорейшего спуска, позволяющего при требуемых отклонениях характеристик устройства от заданных на фиксированной частоте определить значения оставшейся части параметров и обеспечить максимально возможную полосу частот.

4. Экспериментально подтверждена возможность использования разработанных алгоритмов синтеза АУУ для их практического проектсгрования, в частности, в интересах повышения эффективности технических средств охраны.

Практическая значимость работы. Полученные алгоритмы синтеза АУУ являются эффективными и доступными для широкого круга инженеров-проектировщиков радиоэлектронной аппаратуры. Они позволяют путём использования аналитических относительно несложных выражений находить значения параметров элементов неуправляемой части АУУ не снижая точности расчетов и уменьшая машинное время, затрачиваемое на разработку таких устройств. Создание и использование таких устройств во многих системах радиотехники позволит в значительной степени уменьшить их массогабаритные характеристики и энергопотребление.

Реализация и внедрение результатов работы.

1. Разработаны и экспериментально исследованы макеты АУУ в виде электродинамической структуры, представляющей собой плоскослоистую среду проходного типа, а также в полосковой и волноводной линиях передач:!, результаты испытаний которых показали возможность использования разработанных алгоритмов для практического проектирования АУУ.

2. Акт внедрения алгоритма синтеза амплитудных манипуляторов проходного сигнала (акт внедрения ВКБ АФУ от 17 декабря 1997 г.).

3. Акт внедрения результатов экспериментальных исследований МФУУ, используемых при выполнении ОКР завода «Сигнал» (акт внедрения от 15 ноября 1999 г.).

4. Акт внедрения алгоритмов синтеза реактивно-резистивных АУУ смешанного типа в учебный процесс ВИ МВД России (акт внедрения от 14 февраля 2000 г.).

Личный вклад автора в диссертационную работу заключается в создании алгоритмов решения всех задач, обосновании используемых методов решения, получении окончательных соотношений и формул, экспериментальных результатов, их анализе, интерпретации и сравнении с теоретическими результатами, разработке макетов АУУ, их настройке и проведении экспериментальных исследований.

Апробация результатов работы. Диссертационная работа выполнена в рамках решения целого ряда задач синтеза управляющих многополюсников, используемых в интересах научно-исследовательских работ, проводимых в 5 ЦНИИ МО РФ, ВНИИС, ВИ МВД РФ, УИН Воронежской области.

Основные результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на межвузовской научно-практической конференции "Повышение помехоустойчивости технических комплексов охраны и системы защиты информации" (Воронеж, 1996 г.), на научно-практической конференции (Воронеж, 1997 г.), на 3-й международной научно-технической конференции "Антенно-фидерные устройства. Системы и средства радиосвязи" (Воронеж, 1997 г.), на всероссийской научно-технической конференции "Радио и волоконно-оптическая связь, локация и навигация" (Воронеж, 1997 г.), на 3-й международной конференции "Теория и техника передачи, приема и обработки информации" (Харьков, 1997), на всероссийской научно-практической конференции "Охрана-97" (Воронеж, 1997 г.), на научно-практической конференции (Воронеж, 1997 г.), на научно-практической конференции (Воронеж, 1998 г.), на 3-й международной элеюронной научной конференции "Современные проблемы информатизации" (Воронеж, 1998 г.), на 4-й международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь" (Воронеж, 1998 г.), на научно-практической конференции "Информационная безопасность автоматизированных систем" (Воронеж, 1998 г.), на всероссийской научно-практической конференции "Охрана-99" (Воронеж, 1999 г.), научно-технических советах и семинарах в ВИ МВД РФ, заводе "Сигнал".

Публикации. По основным результатам выполненных исследований опубликовано 20 печатных работ, в том числе 1 монография, 11 статей, 8 тезисов докладов.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, в которых изложены теоретические и экспериментальные обоснования научных положений, выводов и основных результатов, заключения, приложения. Работа изложена на 148 страницах печатного текста, иллюстрирована 54 рисунками и содержит список литературы из 96 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цель и задачи исследования, показаны научная новизна и практическая значимость работы, представлена структура диссертации.

В первом разделе развиты основы теории синтеза АУУ путём использования метода декомпозиции, матричного способа описания многополюсников, составления и решения систем алгебраических уравнений, вытекающих из требуемых значений отношений модулей коэффициентов передачи и отражения в произвольном количестве состояний. Разрабатывается алгоритм синтеза многоуровневых реактивно-резйсгивных АУУ смешанного типа на фиксированной частоте (рис. 1) в однородной линии передачи с единичной нормированной проводимостью. Этот алгоритм по существу

представляет собой совокупность операций, с помощью которых решается задача синтеза АУУ, в соответствии с которой требуется определить минимальное количество неуправляемых реактивных и резистивных элементов и значения их параметров, обеспечивающих заданные отношения:

(1)

удовлетворяющие условиям физической реализуемости, где |.У,г'2)| и |.S'ii'!>j - модули коэффициентов передачи и отражения в двух состояниях управляемого элемента (диода) соответственно (элементы матрицы рассеяния АУУ, записанные для двух состояний диода).

Ч,

Рис. 1. Эквивалентная схема реактивно-резистивного АУУ

Четырёхполюсник Ч, характеризует неуправляемую часть АУУ, выполненную на реактивных и резистивных элементах. Он описывается матрицей рассеяния с неизвестными элементами:

& =

(2)

,521 Бгз

Четырёхполюсник Ч2 определяется матрицей рассеяния с известными элементами для параллельно включенного параметрического диода:

& =

Уи

2 + Уи 2

2 + У,.г Уи

2 +У,2

(3)

2 + Уи

где у, 2 = -с,, + ]уи - комплексная проводимость диода в двух состояниях. Используя известные соотношения для определения элементов матрицы рассеяния всего АУУ (четырёхполюсника Ч3) получим: 2 ¿,2 А<и> _ 522(2-Уи)-У..2

sr=-

sT=

У1.2(^§22> + 2

(4)

Уи0 + &,) + 2

Пусть =а, + jаг.

Подставляя выражения из (4) в (1) и разделяя действительные и мнимые части получим две разные системы двух уравнений, решения которых определяют значения параметров одной и той же неуправляемой части АУУ и имеют вид:

а - (m.2vi ~ )2 + (m.2t. ~ t;)' + ~ mi2t| )(1 - m,2) ' (m1!v,-v2)2+(m1!x1-'CJ)2

a _2 ('",;-1)(m,2v,-v2) 2 (m,2v, -v2)2+(mu"t, -тг)г '

a . 1 (Т22Т„г - Т,2Т,2)2(Т,Тг - T,T6) + 2Т,Т,(Т,г - Т,2)(Т,2 + Т4 V 2Т,Т2(Т}4 + Т44) ± ■иг 2 TS2(T,-Т2)2-Т„2(Т,+Т2)2

х (JJ4 + TJ-,)JQ т/сг.-т^-тЛт.+т,)2'

(6)

a _ 1 (T3T2-T|T<)Crj!+T,T4) + 2(T,T!-T<T2)(T/ + T42)±(T,T,+T2T4)VQ г',2г 2 T,J(T, -T2)J -Т42(Т, +Т2)2

где a», ai2 - действительные, a a2i, an - мнимые составляющие коэффициента отражения ¡22 неуправляемой части АУУ, в обозначении которых второй индекс означает номер соответствующего корня, а Q, Т| ...Т6 - известные функции от заданных параметров Ш22, т^, v^.

Условие физической реализуемости неуправляемой части АУУ определяется неравенством |a,|J +|a2f < 1 и сводится к выражениям:

i , т,+1 ms

1>т„ — или 1<т., —, (7)

12 х, + 1 w

накладывающим ограничения на отношения модулей коэффициентов передачи в двух состояниях

Условие физической реализуемости всей схемы АУУ |j^'2i| +Jg"'2j <1 сводится к выражению: [-4iu((a, +1)2 +a2) < О], которое выполняется при любых ai и а2. Это означает, что условия (7) одновременно являются также условиями физической реализуемости всего устройства.

Показывается, что при произвольном количестве N состояний диода значения параметров неуправляемых элементов, обеспечивающих N-уровневое изменение модулей коэффициентов передачи и отражения, могут быть определены путём сшивания решений, полученных для произвольных пар состояний.

Для определения значений параметров конкретной схемы АУУ при N=2 необходимо найти элементы матрицы рассеяния неуправляемой части, подставить их в (5) или (6) и решить полученную систему относительно двух выбранных параметров. Остальные могут быть выбраны произвольно.

На основе использования разработанных алгоритмов были синтезированы четыре конкретных схемы двухуровневых АУУ, построенных на реактивных и резистивных элементах с сосредоточенными и распределёнными

параметрами (рис.2).

I ^ Чк] I Чз\

J 1_

■ь ? Дд ?

Рис. 2 Варианты схем синтезированных двухуровневых амплитудных манипуляторов

В качестве примера здесь приводятся выражения для определения значений параметров двух типов АУУ - с реактивно-резистивными на сосредоточенных параметрах и реактивными элементами на распределённых параметрах:

2 у_ 2(а? + а|-а,) (а, -I)2 ' '

с), 1

— = —агйе Я. 2я 4

(О, -Р,г) р„-1

В, =(2з=±л/Е,г+Р,г-2,

(8) (9)

где В12, Е]2, Р12 - известные функции от т12, у|2,т12 а Я,- длинна волны в волноводе.

На диаграммах Смита построены границы областей физической реализуемости синтезированных амплитудных манипуляторов.

Во втором разделе разрабатывается совокупность алгоритмов сшгтеза управляемых и неуправляемых аттенюаторов, согласующих устройств, устройств с предельными значениями модулей коэффициенте в передачи и отражения с учётом и без учёта изменения мощности входного сигнала на фиксированной частоте.

Алгоритм синтеза управляемых аттенюаторов и согласующих устройств по критериям минимума отражённого сигнала и максимума отдачи мощности в нагрузку отличаются от вышеизложенного алгоритма следующим образом.

1.Задаются законы изменения модулей коэффициентов отражения и передачи реактивно-резистивного АУУ:

ю

¿й' = д„, (Ю)

где ¿и' — коэффициент отражения (соответствующий диагональный элемент матрицы рассеяния всего устройства) в п-м состоянии;

^>=1-8., (11) где — коэффициент передачи (соответствующий внедиагонапьный элемент матрицы рассеяния всего устройства) в п-м состоянии, а 8п и Д„ -заданные параметры рассогласования 05 Л, <1; 0< 5„<1.

Решаются системы уравнений вытекающие из этих законов, относительно элементов матрицы рассеяния неуправляемых частей АУУ соответственно: Да. (2т. ч- у? + т2п) + Д. (2т; + 2у; - 4) + т. (т. - 2) + у? ' Д2.(у!+Т>Д„(2У|+2Т1-4Т.)+У1 + (Т.-2)2 ' 2у.(1+Л.)2

2 Д1. (vi + <) + Д. (2vi + 2т2. - 4т. ) + vi + (т. - 2)2' а ^ S- ("2x- + Vl+XD + 2a*v. + 2ссзт. ~ ~ vi ~ 2т.

(vi+ti)(5.-l) '

а _2v.<*3-*."4-v, -S.v.-

(vi+Ti)(5.-l) '

где аз - действительная, а оц - мнимая составляющие коэффициента передачи s^ неуправляемой части АУУ.

При равенстве нулю значений параметров рассогласования 5ц и Д„ задача синтеза управляемых аттенюаторов сводится к задаче синтеза по критериям наименьшего отражённого сигнала и максимальной отдачи мощности в нагрузку.

Далее по описанному в первом разделе алгоритму определяются области физической реализуемости этих устройств. Для управляемого аттенюатора и согласующего устройства, обеспечивающих закон (10): 4(А,-И)(Д„т +А.+Т.-1) 1-х,

«д.+цт.-г^+^.+о'у; 1+т.

Для управляемого аттенюатора и согласующего устройства, обеспечивающих закон (11):

6 ^ ~а3(2 + т.)-<x4v. -^2а3а,(2у. + 2т.)-4gj(l + т.) + a^vj +a34j

2(т.+1)

. -Цз(2 + т.)-сс4у. +У2а]а4(2у. +2T.)-4aj(i + T.)+a;vi +a32xj

(15)

5,

2(х.-И)

X. (1 - «3 ) + («3 + 1)г + «4 («4 - V. ) 2 0.

Поскольку коэффициенты а1 и аг, определяемые выражениями (12) и (13) при Д*0; 5*0 и Д=0; 5=0 характеризуются только параметрами неуправляемых элементов, то они должны быть равны и при любых других комбинациях, например, Д*0 и Д=0; 5*0, 5=0; Д*0; 6*0 и т. д.

Путём сшивания различных комбинаций этих решений получаются исходные соотношения для определения значений параметров неуправляемых элементов АУУ смешанного типа с требуемыми (в том числе и с предельными) значениями модулей коэффициентов передачи и отражения. Аналогичным образом, то есть путём сшивания различных решений, получены исходные соотношения для определения параметров АУУ, обеспечивающих двухуровневое изменение модуля коэффициента передачи или отражения при заданном их отношении и значении в одном из состояний.

Алгоритм синтеза АУУ с учётом дискретного изменения уровня входного сигнала позволяет определить, каким образом изменится значение модуля коэффициента передачи или отношение модулей при изменении мощности входного сигната. Он основывается на физическом эффекте увеличения проводимости диода при возрастании рассеиваемой на нём мощности, использовании разработанных в диссертации алгоритмов синтеза АУУ при фиксированном уровне мощности и сшивании исходных выражений для определения значений параметров неуправляемых элементов при двух уровнях мощности входного сигнала.

В третьем разделе разрабатываются и описываются алгоритмы синтеза АУУ на ряде дискретных частот и в полосе частот.

Развивается алгоритм синтеза АУУ смешанного типа, обеспечивающих заданные одинаковые или различные значения глубины амплитудной манипуляции на трёх дискретных частотах. Это достигается использованием первой канонической схемы Фостера (рис. 3) с определёнными значениями параметров Ь, С элементов, при которых обеспечиваются заданные равные или не равные значения реактивных сопротивлений X], Хг, Х3.

Реактивное сопротивление этой схемы определяется выражением

Х = (о^0С0-1)/о.С„+|;о.Ь./(1-^Ь.С.), (16)

«=1

гдеп=1,2... N.

При N=3 формула (16) сводится к системе трех алгебраических уравнений, решением которых будут следующие выражения для определения значений параметров схемы:

г Р,_ , _(о>,-1-СО2Ж->-Щ3)(С.з + <»,)РзР<Р5

° = 1--ы '

(17)

С,=_53-_,

(а, +е>2)(со2 + <э3)(а>3 + о>|)Р3Р4Р5

где Р]...Рб - известные функции от заданных параметров (Ъо, Сг, см, со?, Шз) которые из-за своей громоздкости здесь не приводятся.

Рис. 3 Первая каноническая схема Фостера

Разработан алгоритм численно-аналитического синтеза широкополосных АУУ, позволяющий часть значений параметров определять аналитически на каждом шаге поиска значений остальных параметров АУУ для обеспечения заданного отклонения в требуемой полосе частот. Полученные результаты синтеза АУУ позволяют распространить выводы теоремы Фано о максимально широкой полосе частот при заданном количестве неуправляемых элементов, полученные для согласующих устройств, на случай управляющих устройств с управляемыми во времени параметрами и характеристиками. Показано, что максимально широкая полоса рабочих частот АУУ составляет примерно 40 - 45% относительно средней частоты при количестве неуправляемых элементов, равном 4-6.

В четвёртом разделе описываются макеты АУУ, выполненные на основе слоистых сред, полосковой и волноводной линиях передачи (рис. 2), а также экспериментальные установки и методики их испытаний, с помощью которых проводились практические исследования макетов АУУ на элементах с сосредоточенными и распределёнными параметрами. Разработано предложение по использованию АУУ, выполненных в виде плоскослоистых сред в системах охранной сигнализации, суть которых состоит в выборе таких значений параметров управляемой решётки среды, при которых обеспечивается многолучевой характер проходного сигнала. Каждый из лучей исследуется одновременно для обмена информацией между объектовым блоком и системой передачи, сбора и обработки информации, а также для охраны данного направления.

Полученные экспериментальные результаты позволяют сделать вывод о возможности использования разработанных в диссертации алгоритмов синтеза для проектирования АУУ.

В заключении изложены основные результаты диссертационной работы и определяются основные направления дальнейших исследований.

В приложении приводятся программы синтеза широкополосных АУУ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Развит алгоритм синтеза многоуровневых реактивных амплитудных

манипуляторов, позволяющий определить минимальное количество, а также значения параметров неуправляемых элементов, области изменения значений параметров управляемых элементов таких манипуляторов, при которых обеспечивается заданное отношение модулей коэффициентов передачи при различных уровнях управляющего воздействия на управляемом элементе при заданном значении модуля коэффициента передачи в одном из состояний.

2. Разработан алгоритм синтеза многоуровневых реактивно-резистивных амплитудных манипуляторов смешанного типа, позволяющий определить минимальное количество неуправляемых и управляемых элементов, значения их параметров, при которых обеспечиваются заданные значения отношений модулей коэффициентов передачи и отражения, а также их соотношения при различных уровнях управляющих воздействий на управляемом элементе.

3. Разработан алгоритм синтеза реактивно-резистивных управляемых аттенюаторов и согласующих устройств по критериям максимальной отдачи мощности в нагрузку и наименьшего отраженного сигнала, позволяющий определить минимальное количество неуправляемых реактивных и резистивных элементов и значения их параметров, при которых обеспечивается заданное управляемое или неуправляемое ослабление амплитуды сигнала или полное согласование по одному из критериев.

4. Разработан алгоритм сиитеза реактивно-резистивных и АУУ с предельными характеристиками, позволяющий определить минимальное количество неуправляемых элементов и значения их параметров, при которых обеспечивается полное согласование по одному из критериев или заданное ослабление амплитуды сигнала в одном состоянии управляемого элемента и заданное отношение модулей коэффициентов передачи в двух его состояниях.

5. Разработан алгоритм синтеза АУУ с учетом дискретного изменения мощности входного сигнала, позволяющий определить значения параметров неуправляемых элементов, обеспечивающих требуемые значения модулей коэффициентов передачи при двух заданных уровнях мощности входного сигнала.

6. Разработан алгоритм синтеза широкополосных АУУ с использованием предыдущих алгоритмов для определения значений параметров неуправляемых элементов на фиксированной частоте и численного метода наискорейшего спуска, позволяющий обеспечить заданное отклонение отношений модулей коэффициентов передачи в максимально возможной полосе частот.

7. Разработано предложение, которое состоит в использовании АУУ в виде плоскослоистых сред с многолучевой диаграммой направленности. Каждый из лучей этой диаграммы направленности используется одновременно для выполнения функций охраны и обмена информацией.

8. Экспериментально подтверждена возможность использования разработанных алгоритмов для проектирования АУУ для их использования в технических средствах охраны.

Основные результаты диссертации автором изложены в работах:

Монография

1. Анализ и синтез управляющих многополюсников: Монография / Под ред. A.A. Головкова; A.A. Головков, О.И. Бокова, А.Ю. Кузьмин, Н.В. Талышев и др. - Воронеж: ВИ МВД России, 1999. - 140 с.

Научные статьи и доклады на НТК

2. Головков A.A., Кузьмин А.Ю. Способы и средства испытания радиотехнических средств охраны // Сборник научных трудов ВВШ МВД РФ Вып. 4. - Воронеж: ВВШ МВД РФ, 1997. - С. 98-101.

3. Головков A.A., Кузьмин А.Ю., Бобрешов В. Ю., Пашков А.И. Анализ и синтез проходных регулирующих устройств в интересах создания новых компактных средств радиосвязи // Антенно-фидерные устройства. Системы и средства радио и связи: Материалы 1П международной научно-технической конференции. Том 2. - Воронеж: ВГУ, 1997.- С. 263-267.

4. Головков A.A., Кузьмин А.Ю., Маураов Н.Б., Симонов В.Б. Регулирующие устройства проходного типа, обеспечивающие амплитудно-фазовую модуляцию и демодуляцию сигнала // Радио и волоконно-оптическая связь, локация и навигация: Сборник докладов Всероссийской научно-технической конференции. Том 3. - Воронеж: 1997.- С. 1082-1087. 5. Головков A.A., Кузьмин А.Ю., Муравьёв Я.Ю. Методика синтеза амплитудных и фазовых манипуляторов проходного сигнала // Сборник научных трудов ВВШ МВД РФ. -Воронеж, 1997,-С 102-107.

6. Головков A.A., Кузьмин А.Ю. Многофукциональные устройства радиотехнической охраны, обеспечивающие амплитудную и фазовую модуляцию и демодуляцию сигналов //Охрана-97: Доклады Всеросийской научно-практической конференции (18-20 ноября 1997 г.). - Воронеж: Воронежская высшая школа МВД России, 1998. - С. 68-73.

7. Головков A.A., Кузьмин А.Ю., Талышев Н.В. Анализ и синтез фидерных устройств, управляющих модулем коэффициента передачи //Радиотехника. - № 6. - 1998. - С.64-66.

8. Головков A.A., Кузьмин А.Ю., Овчинников И.Ю. Анализ и синтез реактивно-резисгивных амплитудных манипуляторов проходного типа с применением матрицы рассеяния //Сборник докладов 4-й Международной научно-технической конференции "Радиолокация, Навигация, Связь". -Воронеж: изд-воВГУ, 1998г.- С.1505-1512.

9. Головков A.A., Кузьмин А.Ю. Метод анализа и синтеза многочастотных согласующих устройств на основе матриц рассеяния // Вестник ВВШ МВД России, № 2, 1998 г. - Воронеж: ВВШ МВД РФ, 1998,- С.78-80.

10. Головков A.A., Кузьмин А.Ю., Муравьев Я.Ю., Овчинников И.Ю. Области физической реализуемости амплитудного манипулятора проходного типа в однородной линии передачи // Научно-практическая конференция

"Информационная безопасность автоматизированных систем". - Воронеж: ВГУ, 1998.-С.736-741.

11. Головков A.A., Кузьмин АЛО. и др. Экспериментальные исследования возможности модуляции проходного сигнала и демодуляции падающего сигнала с помощью управляемых плоскослоистых сред // Научно-практическая конференция "Информационная безопасность автоматизированных систем".

- Воронеж: ВГУ, 1998. - С.715-724.

12. Головков A.A., Кузьмин А.Ю., Пашков А.И., Ярошенко М.И. Алгоритмы оптимизации широкополосных реактивно-резистивных амплитудных и фазовых манипуляторов проходного типа // V-я международная научно-практическая конференция "Радиолокация, навигация, связь": Сборник докладов. Том 3,- Воронеж: Воронежский НИИС, 1999.- С.1566-1779.

Тезисы докладов на НТК

13. Головков A.A., Кузьмин АЛО., Караулов В.Ю., Федюнин В.П. Экспериментальная оценка возможности использования одного устройства СВЧ в качестве модулятора и демодулятора // Научно-практическая конференция ВВШ МВД РФ: Тезисы докладов. Часть 2.- Воронеж: ВВШ МВД РФ, 1997,- С. 36-37.

14. Головков A.A., Кузьмин АЛО. Экспериментальная оценка эффективности технических средств охраны // Повышение помехоустойчивости технических комплексов охраны и системы защиты информации: Тезисы докладов межвузовской научно-практической конференции (17 декабря 1996 г.)

- Воронеж: ВВШ МВД РФ, 1977,- С. 25-26.

15. Головков A.A., Бобрешов В.Ю., Кузьмин А.Ю. Синтез регулирующих устройств проходного типа и их экспериментальное исследование // 3-я Международная конференция "Теория и техника передачи, приёма и обработки информации": Тез.докл./ ХТУРЭ, Харьков - Туапсе, 1997.- С. 140-141.

16. Головков A.A., Кузьмин АЛО., Бобрешов В.Ю. Экспериментальное исследование радиотехнических средств охраны // Охрана 97: Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции. - Воронеж: Воронежская высшая школа МВД России, 1997,- С.130-131.

17. Головков A.A., Кузьмин А.Ю., Бобрешов В.Ю. Радиоволновый извещатель на основе устройства для амплитудной и фазовой модуляции и демодуляции сигнала // Охрана 97: Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции. - Воронеж: Воронежская гысшая школа МВД России, 1997,- С.131-132.

18. Головков A.A., Кузьмин А.Ю. и др. Алгоритм моделирования регулирующих устройств в однородных и неоднородных линиях передачи // Современные проблемы информатизации. Тезисы докладов 3-ей Международной электронной научной конференции. - Воронеж: Изд-го Воронежской педуниверситета, 1998,- С,157-158.

19. Кузьмин А.Ю., Просветов Е.А. Алгоритм синтеза трехчастотного амплитудного модулятора. // Охрана - 99. Доклады Всероссийской научно; практической конференции (1999 г.) Воронеж: Воронежский институт МВД > России:-;С.85-86.

■ 20. Кузьмин А.Ю. Использование матрицы рассеяния для проектирования амплитудных манипуляторов отраженного сигнала. // Охрана - 99: Доклады Всероссийской научно-практической конференции (1999 г.). Воронеж: Воронежский институт МВД России, 1999. - С.89-91.

ЛР № 020728 от 09.02.98. Подписано в печать 22.03.2000. Усл. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № .

Воронежский институт МВД России 394065, Воронеж, проспект Патриотов, 53

ВВЕДЕНИЕ.

СИНТЕЗ РЕАКТИВНО-РЕЗИСТИВНЫХ АМПЛИТУДНЫХ МАНИПУЛЯТОРОВ НА ФИКСИРОВАННОЙ ЧАСТОТЕ.

1.1. Алгоритм синтеза многоуровневых реактивных амплитудных манипуляторов проходного типа.

1.2. Алгоритм синтеза многоуровневых реактивно-резистивных амплитудных манипуляторов смешанного типа.

1.3. Примеры синтеза реактивных и реактивно-резистивных двухуровневых амплитудных манипуляторов.

1.4. Выводы.

2. СИНТЕЗ РЕАКТИВНЫХ И РЕАКТИВНО-РЕЗИСТИВНЫХ АМПЛИТУДНЫХ УПРАВЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ НА ФИКСИРОВАННОЙ ЧАСТОТЕ.

2.1. Алгоритм синтеза согласующих устройств и аттенюаторов по критериям максимальной отдачи мощности в нагрузку и минимума отраженного сигнала.

2.2. Алгоритм синтеза амплитудных манипуляторов и аттенюаторов по критерию предельного значения модуля комплексного коэффициента передачи.

2.3. Алгоритм синтеза амплитудных управляющих устройств с учётом изменения мощности входного сигнала.

2.4. Выводы.

3. СИНТЕЗ РЕАКТИВНО-РЕЗИСТИВНЫХ МНОГОЧАСТОТНЫХ И ШИРОКОПОЛОСНЫХ АМПЛИТУДНЫХ УПРАВЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ.

Амплитудные управляющие устройства (АУУ) - это большой класс радиотехнических устройств, обеспечивающих требуемое изменение амплитуды отраженного и (или) проходного сигнала. Традиционные АУУ включают в себя аттенюаторы, манипуляторы, модуляторы, согласующие устройства, ограничители мощности и т.д. [1,2]. Амплитудные управляющие устройства могут быть использованы в системах и средствах приёма, передачи и разрушения информации, а также для повышения помехоустойчивости технических средств охраны [3]. К средствам разрушения информации относятся средства уменьшения эффективной поверхности рассеяния апертурных антенн импульсных РЛС [4,5], средства создания мерцающих помех из одной или нескольких точек [6], средства управления энергетическим центром отражения [7], средства для создания заданного амплитудного распределения поля в антенных системах [1] и т. д.

Традиционные АУУ проектируются на элементах с распределенными (отрезки линий передач, диафрагмы, резонансные штыри, стержни с включенными в их разрывы управляемыми элементами и т.д.) [8-17] и сосредоточенными параметрами типа Я, Ь, С и параллельно или последовательно включёнными диодами или нагрузками.

Наряду с данными типами показана возможность создания новых типов показана возможность создания новых типов АУУ, отличающихся тем, что перспективные АУУ могут быть в зависимости от диапазона частот в одном из вариантов выполнены, например, с использованием однородных диэлектрических слоев [18], периодических решеток проводящих элементов (полосок или стержней) [19], а так же периодических решеток проводящих элементов, в разрывы которых включены управляемые элементы [20,21].

В качестве управляемых элементов в АУУ могут быть использованы различные полупроводниковые диоды, ферритовые элементы и т.д. [22-35].

Благодаря возможности использования известных результатов решения дифракционных задач на периодических решетках [19,36-39], принципа декомпозиции и известных алгоритмов объединения базовых элементов в сложное устройство [1,40,41] при синтезе АУУ можно использовать развитые ранее подходы теории синтеза традиционных и новых типов перспективных устройств. Это открывает широкие возможности по развитию общей теории синтеза АУУ проходного и отраженного сигналов.

К моменту начала планомерных исследований управляющих устройств указанных классов теория их синтеза характеризуется следующим образом.

В конце 50-х годов в работе [42] было введено понятие качества переключательного элемента, входящего в управляющее устройство на элементах с сосредоточенными параметрами. Дальнейшее развитие теория синтеза управляющих устройств получила в работах [1,8,10-12,22,43-47]. В настоящее время разработаны различные схемы управляющих устройств на реактивных и резистивных элементах с сосредоточенными и распределенными параметрами, составлены различные алгоритмы [48-56] (аналитические и численные) определения значений параметров этих элементов и получены формулы для отыскания предельно достижимых значений глубины амплитудной модуляции на фиксированной частоте и в полосе частот. Показано, что предельно достижимые характеристики управляющих устройств ограничиваются не только предложенной в [42] формой качества управляемого элемента, но и другими формами качества, которые вытекают из решения поставленных задач синтеза различных типов управляющих устройств. Кроме того, предложено выполнять управляющие устройства, как один из вариантов их реализации в виде плоскослоистой структуры, представляющей собой чередование управляемых и неуправляемых слоев в виде диэлектрических слоев и периодических решеток с управляемыми элементами и без них. Однако, возможности управляемых плоскослоистых структур и управляющих устройств на элементах с сосредоточенными параметрами в настоящее время полностью не изучены. В частности, не определены максимально достижимые потери при максимально достижимых значениях девиации фазы и отношениях модулей коэффициентов передачи при заданном количестве состояний управляемого элемента на фиксированной частоте и в полосе частот. Для большинства типов управляющих устройств, отличающихся условиями включения в линию передачи, типами элементов неуправляемой части и законами изменения комплексных коэффициентов передачи и отражения не определены зависимости максимальных значений девиации фазы и отношения модулей от заданных значений параметров управляемого элемента линии передачи и нагрузки. Для устранения указанных недостатков в работах [8,10,11] сформулирован ряд задач синтеза управляющих устройств, которые отличаются от известных описанием характеристик каждого базового элемента управляющего устройства с использованием одной из матриц параметров во всех состояниях, определяемых уровнями управляющего воздействия (напряжения или тока) на управляемый элемент, отыскании одной из матриц параметров всего устройства, элементы которой содержат информацию о модулях и фазах коэффициентов передачи и отражения, составлении системы алгебраических уравнений, вытекающих из заданного закона изменения коэффициента передачи или коэффициента отражения, решении этой системы относительно значений неизвестных параметров неуправляемых элементов при известных значениях параметров управляемых элементов. Эти задачи сформулированы в рамках развивающейся в последнее время концепции состояний [57] для описания различных радиотехнических электродинамических структур.

В работах [12,58-60] из числа вышеизложенных задач решена задача синтеза реактивных амплитудно-фазовых манипуляторов смешанного типа на основе использования классических матриц передачи базовых элементов и матрицы рассеяния всего устройства.

Известные алгоритмы синтеза управляющих устройств предназначены только для проектирования таких устройств, неуправляемая часть которых построена с использованием либо только реактивных, либо только резистивных элементов. Возможность построения алгоритмов синтеза многоуровневых АУУ проходного и смешанного типа, неуправляемая часть которых построена и на реактивных, и на резистивных элементах до настоящего времени не рассматривалась. Не доказана также возможность разработки АУУ с предельно достижимым значением модуля коэффициента передачи в одном из состояний при заданном значении отношения модулей в двух состояниях [1,12,40,41,6163].

Известные алгоритмы синтеза управляющих устройств с учётом изменения мощности очень сложны и не всегда позволяют оценить каким образом будут изменяться значения модулей коэффициентов передачи и отражения и их отношения при двухуровневом дискретном изменении мощьности входного сигнала. Поскольку известно, что изменение мощности входного сигнала приводит к изменению проводимости управляемого элемента, а, следовательно, к изменению характеристик всего АУУ в целом, целесообразность создания алгоритма синтеза АУУ основаннго на этом физическом явлении очевидна.

Таким образом, в теории синтеза АУУ имеется ряд недостаточно исследованных вопросов. Поэтому тема диссертационной работы, направленная на устранение указанных недостатков, является достаточно актуальной.

Разработка этой темы имеет существенное значение для развития различных областей радиотехники - радиосвязи, радионавигации, технических средств охраны, радиоэлектронного подавления, уменьшения радиолокационной заметности и т.д.

Целью диссертационной работы является разработка совокупности алгоритмов синтеза реактивно-резистивных АУУ с предельными характеристиками на фиксированной частоте, ряде дискретных частот и в полосе частот, в том числе с учетом изменения мощности входного сигнала.

Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи: Разработка алгоритмов синтеза реактивных и реактивно -резистивных управляемых и неуправляемых АУУ с предельно достижимыми значениями модулей коэффициентов передачи и отражения в одном из состояний и заданном их отношении на фиксированной частоте, основанных на описании каждого состояния матрицами рассеяния, в том числе с учетом изменения мощности входного сигнала, влияющей на характеристики управляемого элемента.

2. Разработка алгоритмов синтеза многоуровневых многочастотных и широкополосных реактивно-резистивных АУУ смешанного типа, основанных на использовании полученных в результате решения первой задачи выражений для определения значений параметров элементов неуправляемой части АУУ на фиксированной частоте и градиентного метода наискорейшего спуска.

3. Экспериментальное подтверждение возможности использования разработанных алгоритмов синтеза реактивно-резистивных АУУ для их практического проектирования, например, в интересах создания технических средств охраны.

2. Основные научные результаты работы, выносимые на защиту и обладающие новизной

2.1. Алгоритмы синтеза многоуровневых АУУ, обеспечивающих требуемые значения модулей коэффициентов передачи и отражения и заданные отношения модулей в различных состояниях управляемого элемента на фиксированной частоте, отличающиеся от известных тем, что в качестве неуправляемых элементов АУУ используются реактивно-резистивные элементы, управляемые элементы описываются матрицами рассеяния во всех состояниях. Составляются и решаются системы алгебраических уравнений, вытекающие из условий обеспечения предельно достижимых значений и отношений модулей коэффициентов передачи или отражения в некоторых из состояний управляемого элемента путём сшивания решений полученных для амплитудных манипуляторов проходного сигнала, и решений, полученных для неуправляемых АУУ на фиксированной частоте и ряде дискретных частот с учетом зависимости значений параметров управляемого элемента от мощности входного сигнала и условий физической реализуемости [64-73].

2.2. Алгоритм синтеза широкополосных реактивно-резистивных АУУ с заданными характеристиками на фиксированной частоте и заданными их отклонениями в полосе частот, отличающийся от известных тем, что значения параметров части неуправляемых элементов определяются в соответствии с алгоритмами по п. 2.1., а значения параметров остальных неуправляемых элементов определяются в соответствии с методом наискорейшего спуска [74].

2.3. Экспериментальное подтверждение возможности использования разработанных алгоритмов синтеза АУУ для их практического проектирования в интересах использования в технических средствах охраны [13-17,75].

3. Достоверность научных положений и результатов

3.1. Достоверность сформулированных в работе научных положений в области разработки реактивно-резистивных АУУ обеспечивается синтезом АУУ на основе корректного использования теории матричной алгебры, теории длинных линий, методов решения алгебраических уравнений, метода наискорейшего спуска, теории функций комплексного переменного, результатов решения задачи дифракции электромагнитных волн, а также известных результатов синтеза управляющих устройств отражательного и проходного типов, полученных ранее.

3.2. Достоверность новых научных результатов, полученных с помощью разработанных алгоритмов, определяется учетом основных факторов и физических явлений, происходящих в процессе взаимодействия электромагнитного поля с совокупностью базовых управляемых и неуправляемых элементов АУУ, подтверждается экспериментальными результатами, полученными в процессе исследований макетов АУУ, построенных на основе использования элементов с распределенными и сосредоточенными параметрами в соответствии с разработанными алгоритмами, а также совпадением в частных случаях теоретических и экспериментальных результатов с результатами, полученными другими авторами [8,12,58-60].

3.3. Основные положения синтеза АУУ обоснованы и апробированы в практике научных исследований и учебного процесса ВИ МВД РФ, ВКБ АФУ, внедрены в производство заводом "Сигнал".

Разработанные и изготовленные при непосредственном участии автора макеты АУУ прошли успешные лабораторные испытания, результаты которых подтвердили возможность использования разработанных алгоритмов и программ для проектирования традиционных и перспективных АУУ и возможность их применения в технических средствах охраны.

4. Практическая ценность основных научных результатов

Сформулированные новые положения синтеза реактивно-резистивных управляющих устройств смешанного типа в интересах усовершенствования средств управления амплитудой отраженного и (или) проходного сигналов, основанные на использовании матриц передачи и рассеяния и (или) только матриц рассеяния позволяют во многих областях радиотехники создавать новые средства, с применением перспективных и традиционных АУУ. Разработанные алгоритмы и программы могут быть реализованы в любых современных аппаратно-програмных комплексах в том числе и персональных компьютерах. Это определяет их доступность для использования широким кругом инженеров-проектировщиков РЭА.

На основе этих положений разработано предложение по повышению эффективности технических средств охраны, заключающееся в возможности использования охраняемых направлений в качестве радиоканала для обмена информацией и в увеличении диапазона скоростей, которой может быть зарегистрирован извещателем.

Ожидается, что исследуемые в диссертационной работе перспективные АУУ будут иметь лучшие, по сравнению с известными, массогабаритные характеристики и энергетические показатели.

5. Апробация, публикация и реализация результатов работы

Диссертационная работа выполнена в рамках решения целого ряда задач синтеза управляющих многополюсников, разработанных в [11], а также в интересах научно-исследовательских работ, проводимых в 5 ЦНИИ МО РФ, ВНИИС, ВИ МВД РФ, УИН Воронежской области.

Основные результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на межвузовской научно - практической конференции "Повышение помехоустойчивости технических комплексов охраны и системы защиты информации" (Воронеж, 1996 г.), на научно-практической конференции (Воронеж, 1997 г.), на 3-й международной научно-технической конференции "Антенно-фидерные устройства. Системы и средства радиосвязи" (Воронеж, 1997 г.), на всероссийской научно-технической конференции "Радио и волоконно-оптическая связь, локация и навигация" (Воронеж, 1997 г.), на 3-й международной конференции "Теория и техника передачи, приема и обработки информации" (Харьков, 1997), на всероссийской научно-практической конференции "Охрана-97" (Воронеж, 1997 г.), на научно-практической конференции (Воронеж, 1997 г.), на научно-практической конференции (Воронеж, 1998 г.), на 3-й международной электронной научной конференции "Современные проблемы информатизации" (Воронеж, 1998 г.), на 4-й международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь" (Воронеж, 1998 г.), на научно-практической конференции "Информационная безопасность автоматизированных систем" (Воронеж, 1998 г.), на всероссийской научно-практической конференции "Охрана-99" (Воронеж, 1999 г.), научно-технических советах и семинарах в ВИ МВД РФ, заводе "Сигнал", опубликованы в 20 открытых печатных трудах.

6. Структура работы

В первом разделе развиты и разработаны два алгоритма синтеза многоуровневых амплитудных манипуляторов.

Первый алгоритм предназначен для синтеза реактивных амплитудных манипуляторов проходного типа. Он основан на описании каждого базового элемента с помощью матриц передачи, причем управляемый элемент описывается матрицами передачи в каждом из состояний, отыскании матриц рассеяния каждого базового элемента и всего АУУ в целом, составлении и решении систем алгебраических уравнений, вытекающих из заданного закона изменения модулей коэффициентов передачи на фиксированной частоте относительно значений параметров неуправляемых элементов.

Второй алгоритм предназначен для синтеза реактивно-резистивных многоуровневых амплитудных манипуляторов смешанного типа с заданными значениями отношений модулей коэффициентов передачи и отражения на фиксированной частоте и отличается от первого тем, что управляемая и неуправляемая ■ части АУУ описываются с помощью матриц рассеяния, а решения полученные для АУУ, обеспечивающих амплитудную манипуляцию проходного и отраженного сигнала сшиваются. Получены выражения для определения значений сосредоточенных и распределенных параметров неуправляемых реактивных и резистивных элементов для нескольких простейших схем АУУ. Определены области физической реализуемости этих схем в виде областей изменения адмитансов управляемого элемента в одном состоянии при заданных значениях адмитансов в другом состоянии.

Во втором разделе разрабатываются алгоритмы синтеза согласующих устройств, управляемых и неуправляемых аттенюаторов на фиксированной частоте, основанные на использовании матриц рассеяния, составлении и решении системы алгебраических уравнений, вытекающих из критериев наименьшего отраженного сигнала и наибольшей отдачи мощности в нагрузку, а также из заданного управляемого или неуправляемого изменения модуля коэффициента передачи или отражения. Результаты решения задач синтеза указанных типов АУУ сшиваются с результатами решения задач синтеза, полученных в первом разделе. В итоге получаются решения задач синтеза двухуровневых АУУ смешанного типа с предельным значением модуля коэффициента передачи или отражения в одном состоянии.

На основе использования известного свойства увеличения проводимостей с увеличением мощности входного сигнала для ограничительных и переключательных диодов [84-86], разрабатываются алгоритмы синтеза управляемых и неуправляемых АУУ, обеспечивающих на фиксированной частоте требуемые характеристики при двух заданных уровнях мощности входного сигнала. Рассчитываются и анализируются зависимости модулей коэффициентов передачи и их отношений от уровня мощности входного сигнала.

В третьем разделе разрабатывается алгоритм синтеза многочастотных АУУ, основанный на использовании всех алгоритмов синтеза АУУ на фиксированной частоте, разработанных в первом и втором разделах, и обеспечении заданных равных или различных значений сопротивлений каждого двухполюсника, входящего в неуправляемый четырехполюсник, путем формирования этих двухполюсников из определенного количества соединенных между собой определенным образом индуктивностей и емкостей. При количестве дискретных частот, равном трем получены аналитические выражения для определения трех значений индуктивности и емкости для двух вариантов формирования этих двухполюсников.

Разработан алгоритм синтеза широкополосных двухуровневых АУУ, основанный на использовании результатов решения задач синтеза реактивных и реактивно-резистивных АУУ, обеспечивающих требуемое значение отношения модулей коэффициентов передачи или отражения на фиксированной частоте, и метода наискорейшего спуска, который позволяет обеспечить максимально возможную полосу рабочих частот при заданном отклонении отношений модулей коэффициента передачи или отражения в полосе частот от их значений на фиксированной средней частоте.

В четвертом разделе описываются и экспериментально исследуются четыре макета АУУ различных типов. Первый макет представляет собой двухуровневый амплитудный манипулятор проходного типа, выполненный в виде отрезка волновода, вдоль которого на регулируемых расстояниях друг от друга расположены стержень, в разрыв которого включен полупроводниковый диод и три реактивных штыря переменной высоты. Второй макет выполнен на отрезках полосковой линии передачи. Третий макет выполнен в виде управляемой плоскослоистой среды, а четвертый отличался от первого добавочным реактивным штырем переменной высоты. Результаты исследований подтвердили возможность использования разработанных алгоритмов синтеза для практического проектирования АУУ.

На основе анализа полученных в диссертации результатов исследования АУУ проходного типа в виде управляемой плоскослоистой среды и результатов исследования таких же АУУ отражательного типа, полученных другими авторами [7,12,58-60] разработаны предложения по их использованию в технических средствах охраны [75]. Внедрение этих предложений позволит дополнительно организовать охрану произвольного количества направлений и обмен информацией по этим направлениям между системой передачи, сбора и

15 обработки информации и объектовыми блоками при сохранении функции обнаружения движущегося нарушителя.

1. СИНТЕЗ РЕАКТИВНО - РЕЗИСТИВНЫХ АМПЛИТУДНЫХ МАНИПУЛЯТОРОВ НА ФИКСИРОВАННОЙ ЧАСТОТЕ

4.3 Выводы

В четвертом разделе на основе результатов теоретических исследований, проведенных в первых трех разделах, разработаны четыре макета АУУ, построенные на элементах с сосредоточенными и распределенными параметрами. Результаты экспериментальных исследований этих макетов подтвердили основные выводы диссертационной работы и позволили сформулировать предложения по использованию АУУ в виде управляемых плоскослоистых сред в технических средствах охраны.

Экспериментальные результаты исследования АУУ и предложения по их использованию сводятся к следующим.

1. Разработаны четыре макета АУУ различных типов, экспериментальные исследования которых подтвердили возможность использования алгоритмов синтеза для практического проектирования АУУ, теоретические и экспериментальные значения параметров и характеристики расходятся не более чем на 20%. Анализ экспериментальных результатов показал, что при одних и

122 тех же значениях параметров неуправляемых элементов обеспечивается амплитудная модуляция проходного сигнала и амплитудная демодуляция падающего сигнала.

Этот вывод распространяет известный принцип взаимности приемных и передающих антенн и принцип функциональной взаимности амплитудных манипуляторов отраженного сигнала и амплитудных демодуляторов падающего сигнала на случай одновременной амплитудной манипуляции проходного сигнала и амплитудной демодуляции падающего сигнала.

2. Разработано предложение по созданию новой системы сигнализации, основанной на использовании АУУ в виде управляемых плоскослоистых сред отражательного и проходного типов. Использование этих сред позволяет организовать охрану заданного количества направлений при одновременной организации радиосвязи между системой передачи, сбора и обработки информации и объектовыми блоками на каждом из направлений. Кроме того, к числу достоинств предложенного комплекса относится возможность обнаружения факта пересечения одного или нескольких из охраняемых ■ направлений нарушителем, движущимся с любой радиальной скоростью, в том числе с близкой к нулевой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации разработаны три совокупности алгоритмов синтеза АУУ (согласующих устройств, управляемых и неуправляемых аттенюаторов, многоуровневых амплитудных манипуляторов, демодуляторов, ограничителей мощности).

Первая совокупность алгоритмов основана на представлении эквивалентной схемы АУУ в виде каскадно соединенных двух четырехполюсников (один из них неуправляемый, а другой управляемый), описании каждого четырехполюсника матрицей рассеяния, отыскании матрицы рассеяния всего АУУ, составлении и решении системы алгебраических уравнений, вытекающих из требуемого закона управляемого или неуправляемого изменения коэффициента передачи, относительно элементов матрицы рассеяния неуправляемой части, определении матрицы передачи неуправляемой части конкретной схемы АУУ и совместном решении системы алгебраических уравнении относительно конкретных параметров выбранной схемы АУУ, анализе полученных решений на физическую реализуемость данной схемы требуемых значений и отношений модулей коэффициентов передачи без учёта и с учётом дискретного изменения уровня мощности входного сигнала.

Вторая совокупность алгоритмов основана на использовании известного алгоритма синтеза [12] для решения нового класса задач синтеза согласующих устройств, аттенюаторов и амплитудных манипуляторов без учёта и с учётом дискретного изменения уровня мощности входного сигнала.

Третья совокупность алгоритмов синтеза АУУ основана на сшивании решений, полученных, с одной стороны, при синтезе управляемых АУУ, а, с другой стороны, при синтезе неуправляемых АУУ.

В результате доказана возможность обеспечения двухуровневой манипуляции амплитуды проходного сигнала с предельными значениями модулей коэффициентов передачи в одном из состояний, и заданном отношении модулей коэффициента передачи в двух состояниях.

Для всех перечисленных алгоритмов определены условия, при которых заданное неуправляемое или управляемое изменение модуля коэффициента передачи или отражения, обеспечиваемое на фиксированной частоте путем использования указанных трех совокупностей алгоритмов, достигается на заданном количестве дискретных частот. Это обеспечивается, благодаря представлению каждого неуправляемого двухполюсника, входящего в неуправляемую часть в виде специальным образом соединенных индуктивностей и емкостей, количество которых определяется количеством дискретных частот. В работе аналитическим путем для двух схем таких двухполюсников получены выражения для определения трех параметров типа Ь, С, при которых на заданных трех частотах обеспечиваются одной схемой равные значения реактансов двухполюсников, а второй схемой - разные значения. Первая схема двухполюсника используется при синтезе неуправляемых АУУ, а вторая - при синтезе управляемых АУУ.

На основе использования известной зависимости значений параметров ограничительных и переключательных диодов от изменения мощности входного сигнала (проводимость таких диодов с увеличением мощности увеличивается), разработан алгоритм синтеза амплитудных манипуляторов проходного сигнала, обеспечивающих заданные значения и отношения модулей коэффициентов передачи в двух состояниях при двух разных уровнях мощности входного сигнала.

Разработан алгоритм синтеза широкополосных АУУ, основанный на одновременном использовании алгоритмов синтеза АУУ на фиксированной частоте и метода наискорейшего спуска, обеспечивающего требуемую полосу рабочих частот при заданном отклонении отношения модулей коэффициентов передачи в полосе частот от его значения на заданной фиксированной частоте. Этот алгоритм доведен до эффективной машинной программы на языке Турбо

Паскаль. Эффективность программы объясняется значительным снижением машинного времени за счет того, что на каждом шаге варьирования значений параметров неуправляемых элементов, значения двух из них строго определяются по полученным формулам. В результате использования этой программы показано, что увеличение количества варьируемых параметров свыше 4-6 не приводит к увеличению рабочей полосы частот. Этот вывод распространяет теорему Фано о зависимости рабочей полосы частот от количества настроечных параметров, сформулированную для согласующих устройств с неизменяемыми во времени параметрами и характеристиками, на случай АУУ произвольного типа с изменяемыми и неизменяемыми во времени параметрами и характеристиками.

Разработано четыре макета АУУ различных типов, экспериментальные исследования которых подтвердили возможность использования алгоритмов синтеза для практического проектирования АУУ. Разработано предложение по использованию в технических средствах охраны АУУ в виде отражательных и проходных плоскослоистых сред. Это позволяет сформировать ряд охраняемых направлений и обмен информацией по этим направлениям.

Таким образом, цели, поставленные в работе, достигнуты, сформулированные задачи решены.

Дальнейшие исследования АУУ целесообразно сосредоточить в направлении экспериментальной оценки использования управляемых плоскослоистых сред отражательного и проходного типов в радиотехнических средствах охраны в интересах повышения их эффективности и увеличения функциональных возможностей.

В работах [3, 14-17, 64-75], опубликованных в соавторстве лично автору принадлежат результаты, включенные в текст диссертации и содержащие решение систем алгебраических уравнений, получение окончательных формул для определения значений параметров неуправляемых элементов различных схем АУУ, анализ физической реализуемости этих схем, экспериментальные

1. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. - М.: Высшая школа, 1988. -431с. .

2. Проектирование радиопередающих устройств с применением ЭВМ / Под ред. Алексеева О.В. М.: Радио и связь, 1987. - 396 е., ил.

3. Головков A.A., Мартынов H.A., Михайлов Г.Д., Соломин Э.А. Управляемая структура для уменьшения эффективной поверхности рассеяния антенн. Заявка на изобретение № 3147646 от 22. 07. 86. Авт. св-во№ 265523 от 01. 12. 87.

4. Михайлов Г. Д., Соломин Э.А., Головков A.A. Устройство для уменьшения эффективной поверхности рассеяния антенн. Заявка на изобретение №3085315 от 19.03.84. Авт. св-во №213006 от 28.12.84.

5. Вакин A.C., Шустов JI.H. Основы радиопротиводействия и радиотехнической разведки. М.: Сов. радио, 1968. - 448 с.

6. Петров Б.М., Семенихин А.И. Управляемые импедансные покрытия и структуры // Зарубежная радиоэлектроника. №6.1994. С. 9-14.

7. Левин Л. Теория волноводов. Методы решения волноводных задач: Пер. с англ. / Под ред. В.И. Вольмана. М.: Радио и связь, 1981. - 312 е., ил.

8. Головков A.A. Комплексированные радиоэлектронные устройства. М.:

9. Радио и связь, 1996. 127 с.

10. Анализ и синтез управляющих многополюсников. Монография под редакцией Головкова A.A. / Головков A.A., Кузьмин А.Ю. и др./. -Воронеж.: ВИ МВД России, 1999. - 140 с.

11. Бокова О.И. Алгоритм синтеза и анализа амплитудно-фазовых манипуляторов проходного типа на фиксированной частоте // Межвузовская научно-практическая конференция "Охрана-99": Тезисы докладов. Воронеж: ВИ МВД России, 1999. -С.85-86.

12. Головков A.A., Кузьмин А.Ю., Бобрешов В.Ю. Экспериментальное исследование радиотехнических средств охраны // Охрана 97: Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции -Воронеж: Воронежская высшая школа МВД России, 1997.-С.130-131.

13. Артур Р.Х. Диэлектрики и их применение. / Пер. с англ. под ред. Казарновского Д.М. М.: ГЭИ, 1959. - 532 с.

14. Михайлов Г. Д. Рассеяние электромагнитных волн на двумерно-периодических решетках с включенными импедансными неоднородностями // Рассеяние электромагнитных волн: Межведомственный тематический научный сборник. -Таганрог: ТРТИ, 1985. Вып.5. С. 144-148.

15. Шнитков A.C., Борисова H.A. Моделирование многослойных диодных структур для устройств СВЧ диапазона // Изв. вузов Электос. 1999г. - № 1-2.-С.63-70.

16. Невидин К.В. Динамика пространственных структур в решетках бистабильных систем // Тр. Волж. гос. акад. вод. трансп. -1998г. -№257,4.2. -С.24-36.

17. СВЧ устройства на полупроводниковых диодах. Проектирование и расчет / Под ред. Мальского И.В., Сестрорецкого Б.В. М.: Сов. радио, 1969. -391 с.

18. Берман J1.C. Введение в физику варикапов. Л.: Наука, 1968. - 620 с.

19. Гусятинер М.С., Горбачев А.И. Полупроводниковые СВЧ диоды. М.: Радио и связь, 1983. - 223 с.

20. Дзехцер Г.Б., Орлов О.С. р- i-n диоды в широкополосных устройствах СВЧ. М:: Сов. радио, 1970. - 200 с.

21. Колосов М.В., Перегонов С.А. СВЧ- генераторы и усилители на полупроводниковых приборах. М.: Сов. радио, 1974. - 230 с.

22. Лебедев И.В., Шнитков A.C. Полупроводниковые диоды в СВЧ управляющих устройствах // Изв. вузов. СССР. Радиоэлектроника. 1987.10. С.5-13.

23. Михайлов Г.Д., Руцкий М.А. О законе распределения полных сопротивлений СВЧ параметрических диодов // Электронная техника. Сер.2 Полупроводниковые приборы. 1984. Вып.7(173).-С.3-6.

24. Михайлов Г.Д., Руцкий М.А. О законе распределения реактивной и активной составлявших импедансов p-i-n- диодов // Электронная техника. Сер.2. Полупроводниковые приборы. 1985. Вып.1. С. 94-96.

25. Полупроводниковые приборы и их применение / Под ред. Федотова А.Я. т IV. М.: Сов. радио. 1960. - 300 с.

26. Полупроводниковые приборы в схемах СВЧ / Под ред. Хауэса М., Моргана Д.; Пер. с англ. под ред. Эткина В. С. М.: Мир, 1979. - 444 с.

27. Тагер A.C., Вальд-Перлов В.М. Лавинно-пролетные диоды и их применение в технике СВЧ. М.: Сов. радио, 1968. - 480 с.

28. Алыбин В.Г., Лебедев И.В. Мощный СВЧ генератор на диодах Ганна // Тезисы докладов VT1 межвузовской конференции по электронике СВЧ. -Ростов-на-Дону, 1976. С. 116-117.

29. Усанев Д.А., Вениг С.Б., Орлов В.Е. Отрицательное дифференциальное сопротивление тунельного диода, наведенное внешним СВЧ сигналом // Письма в ЖТФ. -1999.-25, №2.-С.39-42.

30. Вайсблат A.B. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах. М.: Радио и связь, 1987. - 120 с.

31. Вардеванян А.Г. Электродинамические исследования и схемы замещения некоторых структур твердых управляемых покрытий.: Дисс. канд. техн. наук. Науч. руков. Фрадкин Б.М. М.: МЭИ, 1972. - 184 с.

32. Коган Н.Л. и др. Сложные волноводные системы. Л.: Суперпромгиз, 1977. - 150 с.

33. Лебедев И.В., Алыбин В.Г. Резонансная решетка и ее применение для создания твердотельных устройств СВЧ // Изв. вузов. СССР. Радиоэлектроника. 1985. №10. С. 44-48.

34. Панченко Б.А., Соловьянова Т.В. Аномальные отражения электромагнитной волны от дифракционных решеток со слоем диэлектрика // Изв. вузов СССР. Радиофизика. 1970. №3. С. 467 - 470.

35. Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников СВЧ. М.: Связь, 1971. - 387 с.

36. Микроэлектронные устройства СВЧ: Учеб. пособие для радиотехнических специальностей ВУЗов / Веселое Г.И., Егоров Е.Н., Алехин Ю.И. и д.р.; Под ред. Веселова Г.И. М.:Высш. школа, 1988 -280.е.; ил.

37. Kawarami S. Figur of Merit Associatid with a Variable Parameter One-Port for RF Switching and Modulation // IEEE Trens: 1965. CT-12. №3. C.320328.

38. Шейнкман В.Г. Метод синтеза линейных фазовых модуляторов СВЧ // Вопросы радиоэлектроники. Сер. Техника радиосвязи. Вып. 5. 1971. С.67 74.

39. Бородулин А.А. О достижимых параметрах выключателя и отражательного фазовращателя СВЧ с одним переключательным элементом // Радиотехника и электроника. 1976. №10. С. 2103 - 2108.

40. Михайлов Г. Д., Руцкий М.А. О законе распределения полных сопротивлений СВЧ параметрических диодов // Электронная техника. Сер.2 Полупроводниковые приборы. 1984. Вып.7(173). С. 3-6.

41. Михайлов Г.Д. Синтез отражающей переключаемой плоскослоистой среды с ограничением мощности, рассеиваемой на управляемом слое // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1988. N3. С. 50-56.

42. Михайлов Г.Д. Анализ нелинейного отражения радиоволн от активной плоскослоистой среды // Радитехника и электроника. N11 .-1988.-С21-24.

43. Иванча Н.Н. Синтез трансформирующих цепей // Техн. кино и телевид. -1999. №4. -С56-58.

44. Mlacar J., Kostevic D. Pirect calculation of scattering parameters of SCN node // Electron, lett. -1998.-34, №5.-C.468-469.

45. Ромащев A.A., Арефьев А.И., Цыганов О.А. Автоматическая система для определения структуры и значений параметров электрических цепей с реактивными элементами // Приборы и системы упр. -1998. -№12. -С.49-52.

46. Аль-Номан А.А., Сергеев В.В. Электрические характеристики реактивных четырехполюсников // Автомат, и телемех. -1999. -№1. -С. 180-186.

47. Kang Won-tae, Chang In-soo, Kang Min-soo Refection type low - phase -chift attenuator // IEEE Trans. Microwave Theory and Techn. -1998. -46, №7. -С. 1019-1021.

48. Бойко И.В., Черушева Т.В. Один из методов определения двухполюсников // Метрология. -1998. -№9. С.3-17.

49. Афремеев В.И., Миронов А.В., Никитин В.В., Вашин А.А. Электродинамический синтез функциональных узлов ОИС СВЧ: Метод комбинированного подобия с ретрансляцией форм // Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ. -1997. -5. №1. -С. 16-18.

50. Petrescu Т., Nicolaescu S.V. Scattering matrix of the interconected multiports // Rev. roum. sci. techn. Ser. electrotechn. et energ. -1995. 40. №2. -C.249-250.

51. Сестрорецкий Б.В., Кустов В.Ю., Шлепнев Ю.О. Методика анализа микрополосковых устройств на основе электродинамической программы // Вопросы радиоэлектроники . Сер. Общие вопросы радиоэлектроники. 1990. №1.-С. 3-12.

52. Калахан Д.А. Современный синтез цепей. М. - Л.: Изд-во «Энергия», 1966. - 192 с.

53. Реза Ф.М., Сили С. Современный анализ электрических цепей. Под ред. Г.В. Микуцкого. М. -Л.: «Энергия», 1964. - 480 с.

54. Попов В.П. Основы теории цепей : Учебник для вузов спец. «Радиотехника». М.: Высш. шк., 1985. - 496 е., ил.

55. Головков А. А.,Кузьмин А.Ю.,Муравьёв Я.Ю. Методика синтеза амплитудных и фазовых манипуляторов проходного сигнала // Сборник научных трудов ВВШ МВД РФ, 1997,- С 102-107.

56. Головков A.A., Кузьмин А.Ю., Талышев Н.В. Анализ и синтез фидерных устройств, управляющих модулем коэффициента передачи //Радиотехника. -№6. -1998. -С.64-66.

57. Кузьмин А.Ю. Использование матрицы рассеяния для проектирования амплитудных манипуляторов отраженного сигнала. // Охрана 99: Доклады Всероссийской научно - практической конференции (1999 г.). -Воронеж: Воронежский институт МВД России, 1999. - С. 89-91.

58. Головков A.A., Кузьм ин А.Ю. Метод анализа и синтеза многочастотных согласующих устройств на основе матриц рассеяния // Вестник ВВП! МВД России №2 1998г. Воронеж: ВВШМВД РФ, 1998.-С.78-80.

59. Кузьмин А.Ю., Просветов Е.А. Алгоритм синтеза трехчастотного амплитудного модулятора. // Охрана 99. Доклады Всероссийской научно-практической конференции (1999 г.) -Воронеж: Воронежский институт МВД России. - С.85-86.

60. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник. М.: Высш. школа., 1983,- 536 е., ил.

61. Андреев B.C. Теория нелинейных электрических цепей: Учебное пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1982. - 280 с.

62. Фуско В. СВЧ цепи / Перевод с англ; Под ред. Вольмана В.И. - М.: Радио и связь, 1990.- 288 с.

63. Григорьев А.Д. Электроника и техника СВЧ. М.: Высш. школа 1990. -335 с.

64. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи / Т 26 Л.Г. Гассанов, В.В. Марнов, H.A. Могильченко. М.: Радио и связь, 1988.-288с.: ил.

65. Смит Р. Круговые диаграммы в радиоэлектронике: Пер. с англ. М.: Связь, 1971.-228с.

66. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Изд - во

67. Советское радио», 1964. 695с.

68. Алексеев О.В., Грошев Г. А., Чавка Г.Г. Многоканальные распределительные устройства и их применение. Радио и связь, 1981. -136 с.

69. Карпов В.М., Малышев В.А., Перевощиков И.В. Широкополосные устройства СВЧ на элементах с сосредоточенными параметрами. М.: Радио и связь, 1984. - 130 с.

70. Владимиров Ю.К., Сестрорецкий Б.В., Синьков Ю.А. Полупроводниковые ограничители мощности СВЧ // Вопросы радиоэлектроники. -1962. -Сер 12.-С.59-72.

71. Хрулев А.К., Черепанов В.П. Диоды и их зарубежные аналоги. Справочник. В 3 т. ТЗ,- М.: ИП РадиоСофт, 1999.-704 е.,ил.

72. Вайсблат A.B. Комутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах. М.: Радио и связь, 1987.-120 е.: ил.

73. Бокова О.И. Алгоритм синтеза и анализа многочастотных амплитудно-фазовых манипуляторов смешанного типа // Межвузовская научно-практическая конференция "Охрана-99": Тезисы докладов. Воронеж: ВИ МВД России, 1999. - С. 84

74. Банди Б. Методы оптимизации. Вводный курс: Пер. с англ.-М.: Радио и связь, 1988- 128с.: ил.

75. Гупта К., Гардж Р., Чадха. Машинное проектирование СВЧ устройств: Пер. с английского М.: Радио и связь, 1987. - 432 с.

76. Амосов A.A., Дубинский Ю.А., Копчёнова Н.В. Вычислительные методы для инженеров: Учеб. Пособие. М.: Высш. шк. , 1994. - 544 е.: ил.

77. Фано Р. Теоретические ограничения полосы согласования произвольных импедансов. М.: Сов. радио, 1965. - 124 с.

78. Вальднер O.A., Миланов О.С., Собенин Н.П. Техника свервысоких частот. Учебная лаборатория.-М.: Атомиздат, 1974,- 232с.

79. Извещатели охранные, объемные радиоволновые ИО 307-2 "Волна-5" //