Исследование и оптимизация в частотной области преобразующих трактов приемо-передающих устройств на основе рядов Фарея

Актуальность темы

исследования. Перспективы развития современных радиотехнических устройств с широким кругом практического применения неразрывно связаны с дальнейшим освоением сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн и, как следствие, с решением разнообразных проблем электромагнитной совместимости и помехоустойчивости. В особенности это касается разработок устройств приемо-передающей аппаратуры систем связи, радиолокационных и радионавигационных систем спецназначения. Улучшение важнейших технических характеристик таких, например, как спектральные характеристики частотно-преобразующих трактов приемников, синтезаторов частот, возбудителей передатчиков и других устройств существенно повышает качество и эффективность работы систем в целом и является актуальной темой исследования.

Дело в том, что частотно-преобразующие и синтезирующие тракты являются источниками разнообразных комбинационных помех, влияние которых возрастает с увеличением чувствительности приема и смещением вверх диапазона рабочих частот. Задача существенно усложняется для устройств с неоднократным, в частности, двойным и тройным преобразованием частот, характерным для высокочувствительных приемников сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн. В этом случае возрастает влияние перекрестного нелинейного взаимодействия гармоник сигналов и гетеродинов, дополнительных каналов приема и «продуктов» других нелинейных преобразований типа деления и умножения частот. Некоторые комбинации частот попадают в рабочую полосу частотно-преобразующих трактов, ухудшают параметры основных технических характеристик и снижают устойчивость работы устройств в целом. Поэтому теоретический анализ и синтез частотно-преобразующих устройств с целью выяснения условий, при которых уровень нелинейных и, в особенности, комбинационных частотных помех высокого порядка не превосходит заданного, является задачей весьма актуальной и перспективной для исследований.

Важно отметить, что глубокое теоретическое рассмотрение в этом направлении неизбежно приводит к постановке задач многокритериальной оптимизации основных параметров частотно-преобразующих устройств и соотношений частот, участвующих в нелинейных взаимодействиях. Решение этих задач невозможно без привлечения средств и систем оптимального автоматизированного расчета. Поэтому, с одной стороны теоретическое исследование должно быть направлено на разработку таких математических моделей частотно-преобразующих устройств, которые допускают алгоритмический подход к их описанию, а также решению задач анализа и параметрического синтеза. С другой стороны, в результате исследований должна быть решена задача создания методик и программных средств поиска и отыскания оптимальных значений параметров преобразователей и соотношений рабочих частот по заданным критериям. И, наконец, результаты работы должны быть апробированы при разработке новых эффективных образцов приемо-передающих и синтезирующих устройств с целью улучшения их основных технических характеристик.

В настоящее время достаточно полного анализа многокомбинационных частотных взаимодействий в частотно-преобразующих трактах различных радиотехнических устройств с учетом дополнительных каналов приема, комбинационных частот высокого порядка и помех от гармоник гетеродина не существует. Поэтому исследования в этом направлении представляются актуальными как с теоретической, так и с прикладной точек зрения. Решению именно такого круга задач посвящена данная работа. Важно отметить, что исследования ведутся с единой позиции привлечения математического аппарата теории чисел — аппарата рядов Фарея, как наиболее эффективного для решения этих задач.

Цель и задачи исследований. Целью данной работы является разработка основ теории и методов оптимального исследования многочастотных нелинейных взаимодействий сигналов с учетом комбинационных частот высоких порядков, помех от гармоник гетеродинов и дополнительных каналов приема в частотно-преобразующих и синтезирующих трактах приемо-передающих радиотехнических устройств. Исследования включают в себя анализ, параметрический синтез и методики оптимального расчета и проектирования, позволяющие разработать эффективные радиотехнические устройства с неоднократным преобразованием частот с существенно улучшенными спектральными характеристиками.

Для достижения поставленной цели в данной диссертационной работе с единых теоретических позиций, основанных на применение теории рядов Фарея, решены следующие актуальные научные задачи:

• разработаны методы анализа, параметрической оптимизации и расчета частотно-преобразующих трактов с учетом помех дополнительных каналов приема комбинационных частот высокого порядка и гармоник гетеродинов;

• разработаны функционально-алгоритмические модели диапазонных преобразователей частот и методы внеполосной селекции комбинационных частот высоких, в том числе произвольных, порядков с обобщением на модели с неоднократным преобразованием частот;

• разработана методика оптимизации параметров преобразующих трактов по критериям максимума полосы пропускания, минимума значений гетеродинных частот и максимума коэффициента передачи частот при заданных частотных и помеховых ограничениях;

• разработана методика анализа и оптимизации рабочих частот 2-х канальных частотно-преобразующих трактов ретрансляционных приемопередающих устройств с учетом заданных технических ограничений;

• проведен анализ преобразователей систем синтеза частот с учетом комбинационных помех делителей частот;

• разработаны эффективные алгоритмы расчета и многокритериальной оптимизации на ПЭВМ частотно-преобразующих трактов приемопередающих и синтезирующих устройств с улучшенными спектральными характеристиками.

Общая методика исследований. В процессе решения поставленных задач использовались методы исследования операций, теория нелинейных частотных взаимодействий с привлечением математического аппарата теории чисел, методы структурного программирования, а также численные методы расчета и экспериментальные исследования для проверки разработанных методик, алгоритмов и программных средств и реальных макетов устройств.

Новые научные результаты и положения, выносимые на защиту. Предложены методы анализа спектрально чистых зон номограмм комбинационных составляющих частот преобразователей с учетом влияния гармоник гетеродинов и дополнительных каналов приема, основанные на использовании рядов Фарея. На основе этих методов построены функционально-алгоритмические модели систем преобразования частот с последовательным двух-, трехи более кратном преобразованием частот. Разработана методика расчета областей частот с уровнем подавления комбинационных, гармонических и внеполосных помех непревышающем заданного. Данная методика распространена на типовые блочные структуры умножитель-преобразователь частоты, характерные для приемо-передающих трактов, а также преобразователь-делитель частоты, характерные для трактов синтеза частот. Построены алгоритмы и программные средства расчета частотно-преобразующих трактов на ПЭВМ, на основе которых построены, защищенные авторскими свидетельствами, устройства формирования частот преобразующих трактов приемо-передатчиков сантиметрового и миллиметрового диапазонов волн и широкополосных синтезаторов аналогичных диапазонов с существенно улучшенными спектральными характеристиками.

Из полученных теоретических и следующих из них прикладных результатов на защиту автор выносит:

1. Анализ областей частот, свободных от внеполосных помех, гармоник от гетеродинов и комбинационных частот заданного порядка, основанный на числовых закономерностях рядов Фарея.

2. Функционально-алгоритмические модели перестраиваемых преобразователей частот с оптимизацией взаимодействующих частот в условиях комбинационных помех высоких порядков.

3. Методы и алгоритмы анализа, расчета и оптимизации параметров преобразователей и соотношений взаимодействующих частот с учетом комбинационных, гармонических и внеполосных помех.

4. Методы синтеза и параметрической оптимизации частотно-преобразующих структур ретрансляционного типа с учетом регламентированных частотных критериев.

5. Анализ преобразователей частот прямых синтезирующих систем с учетом частотных помех «декадных» делителей частот и комбинационных помех преобразователей.

6. Новые структуры частотно-преобразующих трактов приемо-передающих устройств, включая технологию их изготовления в сантиметровом и миллиметровом диапазонах частот, запатентованные свидетельствами Российской Федерации на полезные модели.

Практическая значимость работы. На основе теоретических и экспериментальных исследований, ориентированных на использование средств вычислительной техники, разработаны эффективные методы расчетов и оптимального проектирования частотно-преобразующих и синтезирующих трактов, доведенные до законченных программных средств. Эти методы и алгоритмы расчетов открывают путь к созданию систем автоматизированного проектирования как простых (смесителей, делителей и т. п. элементарных преобразователей частот), так и сложных (систем частотно-преобразующих трактов, возбудителей передатчиков, широкодиапазонных анализаторов спектра и т. д.) радиотехнических устройств различного назначения.

Результаты исследований, изложенные в данной работе, использованы при разработке и создании устройств формирования рабочих частот частотно-преобразующих трактов и приемных каналов бортовых приемо-передатчиков радиолокационных станций в Нижегородском ЗАО «Салют-27» (ОКРы «Остер», «Обра», «Водолей»), в Санкт-Петербургском ОАО «Радар-ММС» (комплекс АРГС-35), в Московском ОАО «Корпорация Фазатрон-НИИР» (метеорадар ГУ-КОЛ, комплексы «Арбалет», «Копье»). При разработке приемопередатчиков радиорелейных станций в Ленинградском отраслевом НИИ Радио (РРС «Эстафета»), в Нижегородском НИИИС (приемо-передающий комплекс «РК ИУС»), а также при разработке твердотельных широкодиапазонных быстродействующих синтезаторов частот СВЧ и миллиметрового диапазонов в Нижегородском ЗАО «Салют-27» (ОКРы «Оркестр», «Вихрь»), в Московском АКЦ ФИРАН (космический аппарат Спектр-Р международного проекта «Радиоастрон»), в НИИП (г. Жуковский) (комплекс «Оса»).

Материалы диссертации используются также в учебном процессе Нижегородского государственного технического университета в ряде дисциплин, читаемых для студентов специальностей 200 700 — Радиотехника и 2011 — Радиосвязь, радиовещание и телевидение.

Апробация работы и публикации. Результаты исследований докладывались и обсуждались на: 7-ом Международном симпозиуме «Стабилизация частоты и формирования сигналов радиои оптического диапазонов» (г. Минск, 1992 г.) — научно-технической конференции «Радиоэлектронные и телекоммуникационные системы и устройства» (г. Н. Новгород, НГТУ, 1995) — Международном симпозиуме «Акустоэлектроника», управление частотой и формирование сигналов (г.

Москва, 1996 г.). Всероссийской научно-технической конференции «Информационные системы и технологии (ИСТ — 2001 г.), ХП-ой научно-технической конференции по СВЧ-электронике (г. И. Новгород, август 2001 г.), научно-техническом семинаре «Системы синхронизации в радиотехнике и связи» (г. Одесса, сентябрь 2001 г.), а также на научных семинарах кафедры «Техника радиосвязи и телевидения» Нижегородского государственного технического университета.

По теме диссертации опубликованы 21 научная работа. Конкретные технические решения, вытекающие из теоретических исследований защищены двумя патентными свидетельствами РФ на полезные модели.

Краткое содержание работы. Диссертация состоит из 4-х главВведения, Заключения и Приложений.

Во Введении рассматривается современное состояние проблемы, обосновывается актуальность темы диссертацииставятся цель и задачи исследованияпредлагается и обосновывается методика исследованийформулируются новые научные результаты и положения, выносимые на защитуотмечаются практическая значимость работы и результаты внедрения ее положений в промышленное производстводается краткое изложение содержания работы в целом.

В первой главе работы проводится анализ методов расчета и параметрической оптимизации преобразователей частоты систем преобразования, важнейшим условием работы которых является подавление в рабочей полосе частот комбинационных помех высоких порядков до заданного уровня. Анализируются три основных направления исследования влияния комбинационных помех на качество работы преобразователей и систем преобразования, характерных для частотно-преобразующих трактов радиоприемных и синтезирующих частоты устройств: аналитические, графо-аналитические и алгоритмические. В том же направлении анализируется взаимодействие частот в системах с неоднократным преобразованием частот в условиях внешнего воздействия по каналам гетеродинных и побочных, в частности, зеркальных помех, а также частотных помех создаваемых делителями частоты, в преобразующих блоках синтезаторов и возбудителей частот. Показано, во-первых, что анализ функционирования преобразователей в частотной области, в особенности, при диапазонной работе в условиях комбинационных помех высоких порядков и помех дополнительных каналов приема практически не рассмотрен ранее. Существует необходимость создания на функционально-алгоритмическом уровнеуниверсальных математических моделей частотно-преобразующих трактов, аппарата параметрической оптимизации частотных характеристик и параметров, а также необходимость разработки алгоритмов и программных средств расчета, обладающих высоким быстродействием.

Во-вторых, ставится задача синтеза частотных параметров структур преобразования частот. Анализируются и предлагаются методы параметрической оптимизации моделей, частотных соотношений и режимов работы в частотной области. Приводятся обоснования по выбору целевых функций и критериев — оптимизации. Показано, что основополагающим математическим аппаратом, адекватно описывающим процесс формирования и взаимодействия рабочих частот в условиях комбинационных, гармонических, зеркальных и т. п. помех в частотно-преобразующих трактах, является аппарат теории чисел, основанный на рядах Фарея.

И, наконец, в третьих, разработана и обоснована методика исследования расчета и оптимизации параметров преобразователей частоты и частотно-преобразующих трактов в частотной области на основе анализа дробей последовательностей Фарея.

Вторая глава посвящена разработке и анализу функционально-алгоритмических моделей преобразователей частоты, необходимых для аналитического рассмотрения, расчета и параметрической оптимизации преобразователей и систем преобразования частот в частотной области.

Вводятся в рассмотрение модели диапазонных преобразователей частот с перестраиваемым и неперестраиваемым преселектором, характерные для типовых прикладных применений. Разработанные модели предусматривают единую систему математического описания, включающую в себя информацию о входных, гетеродинных и выходных частотах и их гармоник, номограмм комбинационных частот, а также технических характеристиках фильтров. Показано, что обобщенными частотными параметрами наиболее подходящими для оптимизации преобразователей и систем преобразования частот в частотной области являются коэффициент перекрытия по входной частоте и коэффициент преобразования частот. Даны предельные оценки этих коэффициентов при изменении параметров преобразователя частот.

Разработаны методики параметрической оптимизации преобразователей и соотношений смешиваемых частот на основе методов «псевдопреобразования» и «маятниковых» вариаций. Даны алгоритмы реализации данных методик для решения конкретных оптимизационных задач систем преобразования частот, в том числе, взаимосвязанных частотно-преобразующих трактов приемо-передающих систем ретрансляционного типа.

В третьей главе решается задача анализа в частотной области преобразующих трактов приемо-передающих и синтезирующих устройств с учетом помех побочных каналов.

Анализируются преобразователи частоты приемных устройств с учетом влияния гармоник гетеродина и зеркального каналов приема на спектральное распределение выходных частот. Установлена взаимосвязь номограмм комбинационных частот с дробями подпоследовательностей рядов Фарея. Выведены основные расчетные соотношения.

Исследуется процесс преобразования частот в элементарной структурной связке преобразователь — делитель частоты, характерной для систем прямого синтеза частот. В условиях безпомехового делителя оптимизируются соотношения взаимодействующих частот в зонах, свободных от комбинационных помех практически любого порядка для системы, состоящей из заданного числа последовательных блоков преобразователь — делитель частоты.

Далее рассматривается более сложная ситуация, когда на выходе делителя присутствуют комбинационные или другие побочные частотные составляющие, источником возникновения которых является делитель частоты. В предположении, что выходной фильтр делителя пропускает лишь ближайшую к рабочей частоте помеховую компоненту, анализируется ряд частотных соотношений, где влияние помехи минимально. Разработан алгоритм поиска преобразуемых частот и номограммных зон свободных от комбинационных и побочных помех заданного порядка.

В четвертой главе рассматриваются примеры реализации теоретических положений, алгоритмов и программных средств расчета и оптимизации параметров частотно-преобразующих трактов приемо-передающих и синтезирующих устройств сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн.

Приводятся результаты расчета оптимальных частотных параметров 2-х кратно преобразующих приемного и передающего каналов радиорелейного СВЧ-ретранслятора, работающего в диапазонах 15- 18- 23- и 38 ГГц. Решается задача синтеза структуры преобразующего тракта с оптимизацией частотного распределения гетеродинных сигналов и промежуточных частот приемного и передающего каналов с целью обеспечения фильтрации комбинационных помех заданного порядка и поиска оптимальных номиналов частот, при которых преобразующая структура реализовала бы заданный коэффициент широкополосности.

При этом расчеты ведутся с учетом технических ограничений, обусловленных стандартами на номиналы рабочих частот и интервалы между ними.

Высокая эффективность расчета оптимальных структур и соотношений частот подтверждена в практически реализованных СВЧ приемнике с двойным преобразованием частоты, устройстве для формирования сигналов рабочих частот приемопередатчика радиолокационной станции, на которые автором получены свидетельства РФ на полезную модель и ряде других систем.

Далее рассматриваются примеры построения бортовых широкополосных синтезаторов сетки частот СВЧ диапазона, построенных в реальной практике, высокая эффективность работы и технических характеристик которых в значительной степени обусловлены оптимальным выбором и распределением синтезируемых частот, рассчитанным согласно формулам и алгоритмам, приведенным во второй и третьей главах.

В конце главы излагаются результаты разработки гибридноинтегральной и монолитной технологий приемо-передающих и синтезирующих устройств СВЧ-диапазона, рассмотренных в этой главе ранее. Обосновывается необходимость применения твердотельной электроники, а также создания автономных функциональных базовых элементов на изолированной подложке по групповой технологии в едином технологическом цикле. Приводятся основные технические параметры, разработанных с участием автора, важнейших элементов, а также приемопередающих и синтезирующих устройств в целом в диапазонах частот 7,0 — 26,0- 30,0−40,0- 80,0- 100,0 ГГц.

В Заключении приводятся основные результаты диссертационной работы. В Приложениях описаны основные пакеты прикладных программ анализа и оптимизации систем преобразования частоты, а также документы, подтверждающие внедрение основных результатов диссертации в промышленную практику.

Выводы т-ч и о.

В данной главе излагаются результаты практических приложений теоретических положений, методик и алгоритмов расчетов, разработанных в предыдущих главах, к расчету и оптимизации параметров в частотной области преобразующих трактов конкретных радиотехнических устройств, в промышленной разработке и внедрении которых автор диссертации принимал непосредственное участие.

К основным результатам главы следует отнести:

• расчет коэффициентов преобразования частот и набора номиналов взаимодействующих частот оптимальных для широкополосных двухканальных СВЧ ретрансляторов в рабочих диапазонах 15- 18- 23 и 38 ГГц;

• разработку оптимальных структурных схем и соотношений частот приемопередающих СВЧ модулей радионавигационных систем спецназначения;

• новую, подтвержденную свидетельством РФ на полезную модель, структурную схему устройства для формирования рабочих частот приемо-передатчика радиолокационной станции, оптимизированную по критерию максимальной спектральной чистоты выходных сигналов;

• разработку оптимальных структур и параметров преобразователей частоты сверхширокополосных и быстродействующих синтезаторов на ПАВ-структурах в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн;

• учет особенностей гибридно-интегральной и монолитной технологий оптимально соответствующих изготовлению приемо-передающих модулей, преобразующих трактов и узлов формирователей частот СВЧ и миллиметрового диапазонов.

Заключение

.

На основе установления и исследования взаимосвязи закономерностей последовательностей Фарея и номограмм нелинейно-взаимодействующих частот разработаны основы теории, методы расчета и оптимизации в частотной области частотно-преобразующих трактов приемо-передающих и синтезирующих устройств радиодиапазона. Получены следующие основные результаты.

1. Развиты методы анализа и алгоритмы расчета моделей преобразователей и преобразующих трактов с учетом гармоник гетеродина и комбинационных помех и помех дополнительных, в частности, зеркальных каналов приема. Предложено использовать аппарат цепных дробей и теорему Фарея-Коши для отыскания двойного диофантова приближения соотношений преобразуемых и помеховых частот в классе дробей Фарея для расчета заданной селекции рабочих частот.

2. Разработаны теоретические основы и принципы построения функционально-алгоритмических моделей диапазонных преобразователей частоты с перестраиваемыми и неперестраиваемыми преселекторами, работающих в условиях комбинационных помех высоких, в том числе произвольных, порядков. Полученные результаты обобщены на модели преобразующих и синтезирующих трактов с неоднократным последовательным преобразованием частот.

3. Разработана методика анализа и расчета частотно-преобразующих трактов синтезаторов, построенных на основе прямого метода формирования сетки частот, преобразователи секций (декад) которых содержат делители опорных (гетеродинных) и выходных частот смесителей. Предложена методика расчета структур с учетом гармонических и комбинационных помех делителей частот.

4. Предложен метод анализа частотно-преобразующих структур ретрансляционных систем, приемный и передающий тракты которых взаимосвязаны общими гетеродинами и строгими соотношениями между номиналами сеток входных и гетеродинных частот, обусловленными госстандартами режимов частот, с учетом диапазонности работы систем, заданных порядков допустимых комбинационных помех и величины общего коэффициента преобразования входных частот.

5. Введен критерий оптимизации двухканальных взаимосвязанных преобразующих приемо-передающих трактов ретрансляционного типа в виде максимального значения коэффициента широкополостности КлахПредложена методика «синтеза оптимизационного ряда Фарея» путем синтеза ряда с индексом п = Кщах с учетом заданного порядка комбинационных частот. Разработан новый «маятниковый» метод ускоренного безытерационного поиска оптимальных соотношений частот преобразователей частоты, позволивший на порядок увеличить эффективность синтеза оптимальных рядов Фа-рея и расчетов в целом. Построены программные средства оптимальных расчетов.

6. Разработаны и реализованы в промышленной практике конкретные высокоэффективные радиотехнические устройства: приемо-передающие СВЧ-модули, быстродействующие и сверхширокополосные СВЧ-синтезаторы сеток частот, устройства формирования комплекса рабочих частот приемопередатчика бортовых радиолокационных станций, частотно-преобразующие тракты, высокая эффективность технических характеристик которых достигнута, в частности, за счет оптимизации по методам и алгоритмам, развитым в данной работе. Предложена и реализована гибридно-интегральная и монолитная технологии их практической реализации. Две структуры из этих устройств запатентованы свидетельствами Российской Федерации на полезную модель.