Багатофункціональні параметричні зонні пристрої та їх використання у радіоелектронних засобах

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ

УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

УДК 621.039.53

БАГАТОФУНКЦІОНАЛЬНІ ПАРАМЕТРИЧНІ ЗОННІ ПРИСТРОЇ

ТА ЇХ ВИКОРИСТАННЯ У РАДІОЕЛЕКТРОННИХ ЗАСОБАХ

05.12.13 - радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікації

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Абдерразік Мохамед

Харків - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, доцент,

Ключник Ігор Іванович,

Харківський національний університет

радіоелектроніки,

завідувач кафедри “Проектування і експлуатація

електронних апаратів”

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, проф.,

Волощук Юрій Іванович.,

Харківський національний університет

радіоелектроніки Міносвіти і науки України,

професор кафедри основ радіотехніки,

доктор фізико-математичних наук, проф.,

Лукін Костянтин Олександрович,

Інститут радіофізики і електроніки ім. О.Я. Усикова

НАН України, м. Харків,

зав. відділом нелінійної динаміки електронних систем

Провідна установа:

Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна

Міністерства освіти і науки України, кафедра

прикладної електродинаміки.

Захист відбудеться "30" 06 2006 року о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 64.052.05 Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, г. Харків, просп. Леніна, 14, ауд. 454.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, просп. Леніна, 14.

Автореферат розісланий “29” 05 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради К 64.052.05 Мустецов М.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Протягом останнього десятиліття бурхливо розвиваються пристрої систем зв'язку і телекомунікації. Це обумовлено розвитком нової елементної бази, принципів побудови радіотехнічних пристроїв і освоєння нових частотних діапазонів. Набувають розвиток одноелектронні параметричні системи, що працюють у першій зоні нестійкості (субгармонійні та комбінаційні коливання й хвилі), для створення радіоімпульсних фазоманіпульованих інформаційних сигналів.

Одними із суттєвих переваг параметричних зонних систем можна вважати їх малий рівень шумів та значну стійкість до шкідливих впливів зовнішнього середовища, таким як, наприклад, підвищений рівень радіації. А це в свою чергу обумовлює їх високу надійність, можливість застосування для роботи у небезпечних і складно доступних місцях.

Параметричні системи знаходять застосування як високоякісні підсилювачі, генератори, перетворювачі, а в цифровій техніці - тригери, логічні елементи і елементи пам'яті. Переваги таких систем обумовлює їх використання в вимірювальній техніці, як датчики НЧ-диапазону, та в якості малошумлячих функціональних пристроїв. Для їх дослідження розроблені точні методики й широкий клас експериментальних методів і засобів дослідження. Головними недоліками таких систем є низька швидкодія, використання радіо імпульсного накачування, складність логічних структур і схем керування.

Роботи з підвищення швидкодії та ефективності модуляції сигналів у параметричних систем ідуть у декількох напрямках. Одним з маловивчених, але перспективних напрямків у розробці радіоелектронних засобів є дослідження й розробка пристроїв на основі параметричних систем, що працюють у вищих зонах нестійкості (параметричні зонні системи). Тому дослідження, вивчення закономірностей явищ і властивостей параметричних зонних систем, що працюють у вищих зонах нестійкості, є актуальним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Окремі результати, що отримано в дисертації, були використані при виконанні держбюджетної роботи Міністерства освіти і науки України № 162-3 “Розробка методу та засобів пазонного проектування нелінійних енергоінформаційних систем і технологій” (№ держреєстрації 0103U001559).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розвиток методів і засобів дослідження параметричних зонних систем; створення швидкодіючих радіоелектронних пристроїв на основі модифікованих параметричних зонних систем, що працюють у вищих зонах нестійкості; розширення функціональних можливостей і області застосування багатофункціональних параметричних зонних пристроїв (БПЗП). Для рішення поставленої мети необхідно вирішити ряд задач.

1. Обґрунтувати вибір наукової теми, методів дослідження БПЗП та сформулювати постановку завдання на основі аналізу існуючих теоретичних і експериментальних підходів.

2. Зробити вибір, розрахунок і аналіз функцій апроксимації нелінійної характеристики моделей БПЗП.

3. Побудувати удосконалену математичну модель БПЗП, розвити методи її досліджень, провести аналіз амплітудних, частотних і фазових характеристик параметричної зонної системи.

4. Провести аналітичний аналіз нелінійного рівняння Матьє, що описує процеси в БПЗП.

5. Порівняти теоретичні й експериментальні результати досліджень амплітудних і частотних характеристик БПЗП, надати практичні рекомендації по підвищенню швидкодії пристроїв на основі параметричних зонних систем.

6. Розробити вузли параметричних зонних підсилювачів, компараторів, помножувачів частоти, частотнофазових пристроїв і пристроїв модуляції сигналів для використання в радіоелектронних засобах.

Об'єктом дослідження є процес перетворення сигналів у модифікованих БПЗП, призначених для радіоелектронних засобів.

Предметом досліджень є нелінійні характеристики й динамічні параметри параметричної системи при інтенсивних вхідних сигналах.

Методи дослідження: У дисертаційній роботі використовуються методи гармонійного балансу, метод найменших квадратів, метод обраних точок, метод фазової площини, метод ізоклін та інші.

Наукова новизна одержаних результатів. В ході виконання дисертаційної роботи отримані такі нові результати:

1. Побудована математична модель параметричного зонного генератору, що може бути використана для аналізу характеристик генерування будь-якої гармоніки. Запропонована модель відрізняється від існуючих тим, що вона придатна для опису процесів, не тільки першої, а й у n-зоні нестійкості. Модель надає можливість підвищити ефективність проектування параметричних зонних пристроїв.

2. Проведено теоретико-експериментальне обґрунтування вибору функції апроксимації нелінійності в математичних моделях. Отримані у роботі висновки можуть бути використано для вибору опису як слабо, так й значно нелінійних режимів роботи параметричної системи.

Розроблено алгоритм розрахунку коефіцієнтів апроксимації нелінійних характеристик індуктивних елементів на основі експериментальних вольт-амперних характеристик, який ураховує режими глибокого насичення, що надає можливість опису значно нелінійних систем.

3. Проведено дослідження рішення нелінійних рівнянь Матьє та Хiлла з урахуванням власного струму резонансної системи на основі чого отримана залежність коефіцієнта модуляції індуктивності від розстройки. Отримані вирази, на відміну від відомих, ураховують вплив власного струму резонансного контуру індуктивної системи на величину коефіцієнта модуляції її індуктивності, що дозволяє розраховувати процес зростання та встановлення вихідного сигналу. Вони дають можливість більш точного визначення амплітудних характеристик параметричних пристроїв у зонах нестійкості.

4. Уперше для підвищення швидкості обробки, передачі й прийому інформаційних сигналів створено новий метод й практично реалізовано радіотехнічні пристрої на основі параметричних зонних систем; приведено якісні та кількісні оцінки швидкодії перетворення, прийому і передачі інформації та реалізовано пристрій високоефективної модуляції сигналів систем зв'язку, захищений патентом на винахід України.

Отримані результати надають можливість підвищити ефективність радіоелектронних пристроїв та систем зв'язку на основі параметричних перетворювачів. Показано, що перехід у більш високі зони нестійкості спрощує конструктивне вирішення генератору накачування.

Практичне значення отриманих результатів. Побудована узагальнена математична модель БПЗП з урахуванням генерації сигналів вищих гармонік, яка являє собою систему нелінійних диференціальних рівнянь зі змінними коефіцієнтами, може бути використана для проектування систем зв'язку. Обрана в моделях функція апроксимації нелінійності у вигляді гіперболічного синуса дала можливість отримати компактні співвідношення, які можна використовувати для інженерних розрахунків.

Досліджено фізичні основи механізму збудження параметричних зонних систем у вищих зонах нестійкості при різних вхідних сигналах. Показано можливість підвищення швидкодії БПЗП з використанням параметричного зонного тактового метода передачі інформації.

Розроблені засоби дослідження БПЗП (математичні моделі та пристрої перетворення) дозволяють, насамперед, більш поглиблено вивчать фізичні процеси, що відбуваються у нелінійних резонансних системах при інтенсивних вхідних сигналах. Результати роботи можуть бути використано при вивченні значно нелінійних систем різної природи (механічних, акустичних, оптичних та ін.).

Розглянута можливість застосування розроблених параметричних зонних пристроїв в інформаційних засобах, бо вони мають такі якості, як: відносна схемна та конструктивна простота, надійність, багатофункціональність та стійкість до радіації. Це надає можливість збільшити швидкодію в десятки разів у порівнянні з існуючими параметричними пристроями та поширити область застосування параметричних зонних систем у радіоелектроніці.

Побудовані математичні моделі найшли застосування у держбюджетній роботі Міністерства освіти і науки України № 162-3 (№ 0103U001559). Результати досліджень за темою дисертаційної роботи були використані на кафедрі “Проектування і експлуатація ЕА” при читанні дисципліни “Дослідна робота студентів” та “Теорія та практика проектування нелінійно-параметричних конструкцій”.

Апробація результатів роботи. Наукові результати дисертації доповідалися і обговорювалися: на наукових семінарах кафедри; на 8 та 9-й Міжнародних наукових конференціях "Теорія й техніка передачі, прийому і обробки інформації", на 4, 6, 7, 8 Міжнародних молодіжних форумах "Радіоелектроніка і молодь у ХХІ віці" і на 1-му Міжнародному радіоелектронному форумі "Прикладна радіоелектроніка. Стан і перспективи розвитку".

Публікації за темою дисертації. Матеріали дисертації викладено в 9 статтях у наукових збірниках, 7 тезах наукових докладів і 1 патенті на винахід України. Публікації містять основні результати, отримані в дисертації (6 статей опубліковано у журналах зареєстрованих у ВАК - [1, 2, 3, 4, 5, 6].

Особистий внесок здобувача. У дисертаційній роботі безпосередньо автором отримані наступні результати:

- отримана й досліджена математична модель параметричного зонного генератора, працюючого в n-ій зоні нестійкості, для радіоелектронних

- систем;

- проведене теоретичне й експериментальне дослідження індуктивних БПЗП при сильних сигналах, що працюють не тільки у першій, а й у більш високих зонах нестійкості;

- розроблено новий параметричний пристрій з імпульсною парамет-ричною модуляцією, що має підвищити швидкодію й ефективність систем зв'язку, на основі методу інтегральної модуляції.

У статті [1] автору належать результати аналізу функцій апроксимації нелінійніх характеристик елементів параметричних перетворювачів. У статті [2] автору належить математична модель для будь-якої зони нестійкості, яка є ядром проектування систем зв'язку. У статті [3] дисертанту належать результати визначення критеріїв подоби при параметричному зонному моделюванні. У роботах [4, 5, 11] автором побудовано структурні схеми пристроїв для виміру параметрів нелінійних елементів і систем. У роботах [6, 14] дисертанту належать результати розробки структурних схем параметричних перетворювачів для систем зв'язку: параметричного зонного підсилювача, параметричного помножувача частоти, компаратора на вищих гармоніках, пристрою формування сигналів із кутовою модуляцією, частотнофазового пристрою та багатофункціонального параметричного зонного пристрою. У патенті [7] автору належать результати розробки приймача та передавача пристрою високоефективної модуляції для приймально-передавальних систем зв'язку. У роботах [8, 17] автору належать результати експериментальних досліджень параметричних перетворювачів. У статті [9] автором проведено аналіз зон нестійкості розв'язання нелінійного рівняння Мат'є. У роботі [12] дисертантом побудовано алгоритми розрахунку коефіцієнтів апроксимації нелінійних характеристик індуктивних елементів на основі експериментальних даних. У роботах [10, 13, 16] дисертантом запропоновано метод моделювання динамічних параметрів нелінійної системи. У статті [15] автору належить аналіз механізму регенеративного режиму роботи параметричної системи та його придатності для застосування у засобах радіозв'язку.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти основних розділів, висновків, списку використаних джерел. Обсяг дисертації - 152 стор., з них 8 стор. - список використаних літературних джерел (97 найменувань). Всього в дисертації 61 рисунків.

пристрій зонний параметричний багатофункціональний

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі розкривається актуальність теми дисертації, зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, стан наукової проблеми, визначені мета, об'єкт, предмет і головні завдання роботи, методи досліджень, наукова новизна та практичне значення отриманих результатів, апробація результатів дисертації й структура роботи.

У розділі 1 проведено аналіз сучасного стану по темі досліджень і показана перспективність застосування параметричних зонних пристроїв (параметричних, що працюють у вищих зонах нестійкості) у радіоелектронній техніці для обробки сигналів - посилення, обмеження по амплітуді, розподілу частоти, квантування по фазі й іншого, що дозволяє в цілому ряді випадків значно підвищити надійність виділення слабких сигналів на фоні шумів, їх підсилення, і підвищити надійність або дальність передачі інформації, спростити апаратуру. Їх використання дозволяє створити високонадійні економічні пристрої в тих галузях техніки зв'язку, де вирішальну роль грають надійність і довговічність.

У цей час такі особливості параметронів, як: висока фазова чутливість, можливість квантування вхідного сигналу по фазі й ідеального обмеження по амплітуді, простота реалізації логічних операцій при фазовому кодуванні, відкривають перспективи використання параметричних пристроїв у спеціалізованих дискретних пристроях, що працюють разом з радіоканалом.

Проведено порівняльний аналіз теоретичних методів дослідження багатофункціональних параметричних зонних систем, на підставі чого обрано напрямок для досліджень.

У розділі 2 зроблені розрахунок і аналіз отриманих коефіцієнтів для апроксимацій функції нелінійності Н = ѓ(B) індуктивних елементів параметричних зонних систем: синус гіперболічний (H= sh ( B), и - коефіцієнти апроксимації), статечна з добавкою (, = 1,2,3,…), дрібно-раціональна ()і статечна (). Побудовано алгоритми визначення коефіцієнтів апроксимації нелінійності параметричної зонної системи: експонентною функцією, дрібно-раціональною функцією й функцією гіперболічного синуса. Згода розрахунковій і експериментальній кривій вольтамперної характеристики для діючих значень струму і напруги серцевика оцінено за критерієм найменших квадратів.

Обрано апроксимацію нелінійності гіперболічним синусом, тому що ця функція дозволяє одержувати компактні кінцеві вираження.

Побудовано узагальнену математичну модель параметричного генератора для будь-якої зони (з номером n) нестійкості, що є “ядром” для проектування параметричних зонних вузлів радіоелектронних засобів, на підставі чого отримане рівняння "скелетних" кривих:

де I2k - модифіковані функції Беселя; 1, 2 - швидко убутні члени,

Таке рівняння дозволяє провести аналіз завадостійкості й швидкодії БПЗП.

Побудовано графіки "скелетних" кривих залежності магнітної індукції у зоні нестійкості Вn від магнітної індукції, викликаної вхідним сигналом, Вн для слабко ( = 0,365, = 12,12) і сильно ( = 0,24410-4, = 37,5) нелінійних випадків (рис.1). Видно, що при збільшенні номера гармоніки сусідні криві розташовуються ближче одна до другої.

1 - n=1 зона 4 - n=4 зона 7 - n=7 зона

2 - n=2 зона 5 - n=5 зона 8 - n=11 зона

3 - n=3 зона 6 - n=6 зона 9 - n=15 зона

а) слабкої, б) сильної не лінійності

Рис. 1. “Скелетні” криві магнітної індукції для:

З вище наведеного рівняння отримано рівняння для визначення амплітудних характеристик параметричного зонного генератора:

Отримано амплітудні (рис.2) та частотні співвідношення, що зв'язують АЧХ вихідного сигналу з АЧХ живильного сигналу. Зменшення втрат у резонансному контурі перетворювача, дозволяє одержувати сигнали більш високих гармонік. У таблиці 1 для різних значень опору R2 зазначене число гармонік збудження.

а) б)

Рис. 2. Амплітудні характеристики параметричного генератора для:

а) слабкої, б) сильної нелінійності при наявності активних втрат (R2=0,1 Ом)

Розраховано амплітудно-частотні характеристики для випадків слабко й сильно нелінійних параметричних систем (рис. 3). Аналіз резонансних кривих показує, що при зменшенні втрат відбувається зростання амплітуд вищих гармонік і збільшення затягування коливань.

Параметричний генератор може генерувати вищі гармоніки при досить малому загасанні. Чим менше загасання системи, тим більше число гармонік можна збудити, і тим більшу амплітуду мають ці гармоніки. За інших рівних умов, у сильно нелінійній параметричній системі можна збудити більше число вищих гармонік, чим у слабко нелінійній. Сильно нелінійна параметрична система перестає збуджуватися при більшому опорі R2, ніж слабко нелінійна. Таким чином, сильно нелінійна параметрична система дає більш багатий вибір гармонік, на яких можна працювати.

Таблиця 1

Число гармонік збудження при різних втратах

R2, Ом	Кількість гармонік збудження
	=0,365; =12,12	=0,24410-4; =37,5
847	-	-
846	-	1
313	-	1
312	1	1
178	1	1
177	1	2
54	1	2
53	1	3
51	1	3
50	2	3
17	2	3
16	2	4
5	3	4
4	3	5
2	3	5
1	4	6
0,1	5	7
10-9	11	16

а) б)

Рис. 3. АЧХ параметричного генератора, який працює в 3 зоні нестійкості для: а) слабкої, б) сильної нелінійності за наявності активних втрат (R2 = 0,1 Ом)

Досліджена параметрична зонна система методом фазової площини та виявлені причини деформації її фазових портретів при різних вхідних сигналах. При введенні втрат особливі точки типу центр переходять в особливі точки типу стійкого фокуса, радіуси - вектори яких повертаються проти годинної стрілки. Радіуси - вектори особливих точок типу сідла повертаються по годинній стрілці. Різнотипні особливі точки, при збільшенні загасання зближаються одна з другою і при деякому критичному значенні активного опору зливаються, що відповідає зриву вихідних коливань.

У розділі 3 виконаний аналітичний і кількісний аналіз модифікованого рівняння Хілла

при живленні індуктивного параметрону від генератора синусоїдальної напруги та струму. В областях стійкого рішення рівняння Хілла у нелінійному індуктивному параметричному перетворювачі існують коливання з довільно перемінною фазою і амплітудою, тобто випадкові флуктуації або шуми. При знаходженні тільки стійкого рішення рівняння Хілла методом Уіттекера-Хілла амплітуду коливань у резонансному контурі параметричної системи визначити не представляється можливим. Струм у резонансному контурі наростає швидше у випадку живлення перетворювача від генератора струму.

Проведено аналіз зон нестійкості рішення нелінійного рівняння Матьє

Показано, що введення нелінійності (кубічного члена) у лінійне диференціальне рівняння з періодичними коефіцієнтами (рівняння Матьє) приводе до повороту і деформації областей збудження, причому кут повороту тим більше, чим більше по модулі коефіцієнт нелінійності k і амплітуда початкових коливань. Отримано інваріанти руху, що зв'язують амплітуду і фазу коливань у системі. Для першої зони порушення отримана в явному виді залежність між квадратом амплітуди і величиною , а також знайдена залежність між коефіцієнтом модуляції т та величиною розстроки системи о. Показано поворот і деформація областей збудження при введенні нелінійності (кубічного члена) у лінійне диференціальне рівняння з періо-дичними коефіцієнтами (рівняння Матьє).

Вперше у викладках враховано вплив власного струму резонансного контуру індуктивної параметричної зонної системи на величину коефіцієнта модуляції індуктивності цього ж контуру, що дозволяє розрахувати процес наростання і установлення коливань (формування вихідного сигналу).

Причому, такий підхід дозволяє визначити амплітуду коливань струму у резонансному контурі й у сталому режимі.

У розділі 4 на підставі методу найменших квадратів досліджена ефективність визначення коефіцієнтів апроксимації найбільше широко використовуваних апроксимуючих функцій нелінійної залежності .

Проведено експериментальні дослідження параметричного зонного підсилювача-модулятора, які свідчать про збіг теоретичних і експеримен-тальних результатів. При експериментальних дослідженнях виявлено, що введення оптимальних активних втрат усуває явища стрибків і затягування амплітуди вихідного сигналу. Наявність малих сигналів підмагнічування не впливає на вхідний контур, змінюється тільки амплітуда вихідних сигналів.

Досліджено регенеративний режим параметричної зонної системи, що розкриває механізм підвищення ефективності БПЗП. Отримано енергетичні співвідношення при регенерації. Знайдено, що якщо коливання відбувається з фазою , то загальні втрати в перетворювачі зменшуються, що еквівалентно внесенню "негативного опору", якщо ж фаза , то це призводить до збільшення втрат у реактивному контурі.

Представлено розроблений параметричний зонний тактовий періодний метод передачі інформації при фазових зрушеннях каналів (90°, 120°, 240°), який дозволяє значно збільшити швидкодію БПЗП (у десятки разів). Запропонований спосіб значно скорочує повний цикл перетворення інформації, що для систем без зсуву може дорівнювати або 2, а для систем з постійним зсувом - 4. Цей принцип можливо використовувати для створення логічних і інших елементів обчислювальної та контрольно-вимірювальної техніки за аналогією з існуючими. На рис. 4 наведена схема пристрою, який забезпечує фазовий зсув між інформаційними каналами у межах 0°- 180°.

У рамках запропонованого способу введення активних втрат у резонансні контури, рівних критичному значенню, дає можливість створювати тризначні логічні елементи, що використовують дві фази коливань 0, і відсутність параметричних зонних коливань (фазово-потенційні логічні елементи), порогові та підсилювальні пристрої.

1 - генератор; 2 - фазообертач; 3 - формувач сигналів накачування;

4 - фазообертач; 5 - параметричні зонні перетворювачі; 6 - резистори.

Рис. 4. Структурна схема параметричного зонного пристрою передачі

У розділі 5 представлені результати практичної реалізації па-зонних вузлів радіоелектронних пристроїв. Запропоновано структурні схеми пристроїв на базі індуктивних БПЗП у сполученні з напівпровідниковими елементами: швидкодіючих параметричних зонних підсилювачів, параметричного зонного помножувача частоти на вищих гармоніках, компаратора.

Якщо для слабонелінійних режимів роботи параметричних пристроїв використовується коефіцієнт модуляції індуктивності

m (,

де - максимальне і мінімальне значення індуктивності системи), то оцінювання процесів, що протікають, у розроблених параметричних зонних пристроях, проведено за допомогою коефіцієнта інтегральної модуляції індуктивності

mu (, де

- середнє значення ін-тегрального параметру (індуктивності) ). Коефіцієнт mu ураховує геометричні і електричні параметри системи, тому його можливо використовувати для проектування БПЗП при любих інтенсивностях сигналів.

Використання інтегральної модуляції у параметричній зонній системі обумовлює високу ефективність модуляції і демодуляції сигналів у прий-мально-передавальних системах цифрового і аналогового зв'язку.

Розроблено пристрій високоефективної модуляції сигналів для приймально-передавальних систем (рис. 5). Запропоноване технічне рішення може знайти застосування як приймач апаратури зв'язку, схем модуляції і демодуляції перетворювачів сигналів. На це технічне рішення отримано патент на винахід.

а) передавальний тракт

б) приймальний тракт

Рис. 5. Пристрій високоефективної модуляції сигналів системи зв'язку

Запропоновано пристрій формування сигналів із частотною і фазовою маніпуляцією (рис. 6) та частотнофазовий пристрій для систем, що використовують параметричний зонний тактовий періодний метод передачі інформації. Вони дозволяють оперативно програмувати зміну сигналів на виходах перетворювачів, тобто кодувати відповідну інформацію, автоматизувати підключення необхідного числа перетворювачів сигналів, підвищити надійність передачі інформації завдяки застосуванню дискретних сигналів і створювати вимірювальні сигнали.

Рис. 6. Пристрій формування сигналів із частотною і фазовою маніпуляцією

Запропоновані технічні рішення можуть знайти застосування в якості

вузлів приймально-передавальної апаратури цифрового і аналогового зв'язку, схем модуляції і демодуляції, перетворювачів сигналів. Такі пристрої надійні, стабільні та довговічні. Вони мало чутливі до ударних навантажень, мають значні температурні і тимчасові характеристики, стійкі до впливу радіації.

У висновках надано загальні висновки за результатами дисертаційної роботи.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

Наведені у дисертаційній роботі теоретичні та експериментальні дослідження дозволяють зробити наступні загальні висновки:

1. Вперше побудована узагальнена математична модель БПЗП, яка є ядром проектування системи, з врахуванням генерації сигналу вищих гармонік (для будь-якої зони нестійкості з номером n) на основі законів збереження та матеріальних рівнянь, що представляє собою систему нелінійних диференціальних рівнянь зі змінними коефіцієнтами. Коефіцієнтами в рівнянні є гіперболічні функції, аргументами яких є відповідні кругові функції з амплітудами будь-якої інтенсивності. Отримано амплітудні і частотні співвідношення, які зв'язують АЧХ вихідного контуру з параметрами вхідного сигналу.

2. Проведено теоретико-експериментальне обґрунтування вибору функції апроксимації нелінійності та математичних моделей, адекватно описуючих статичні, динамічні (тимчасові) і частотні характеристики енергоємних елементів параметричних зонних систем у вищих зонах нестійкості.

Розроблено новий алгоритм підбору коефіцієнтів і розрахунку апроксимації нелінійних характеристик індуктивних елементів на основі експериментальних кривих діючих напруг і струмів (в.а.х.) з урахуванням режиму глибокого насичення.

3. Розвинені асимптотичні методи дослідження рішень нелінійних рівнянь Матьє і Хілла, запропонована чисельно-аналітична методика розрахунку, побудови та аналізу амплітудних, частотних і фазових характеристик, досліджені питання стійкості у параметричній зонній системі. Установлено зв'язок між зонами нестійкості і фазовими портретами.

В отриманих вираженнях уперше врахований вплив власного струму резонансного контуру індуктивної параметричної зонної системи на величину коефіцієнта модуляції індуктивності цього ж контуру, що дозволяє розрахувати процес зростання і установлення коливань (формування вихідного сигналу). Причому, такий підхід дозволяє визначити амплітуду коливань струму в резонансному контурі перетворювача і у сталому режимі.

4. Досліджено фізичні основи механізму збудження параметричних зонних систем у вищих зонах нестійкості при різних вхідних сигналах. Обґрунтована можливість реалізації вивченого механізму для підвищення швидкодії БПЗП з використанням тактового методу передачі інформації.

5. Проведено порівняння теоретичних і експериментальних результатів досліджень. Всі теоретичні результати підтверджуються отриманими даними з експерименту. Обрано критерії адекватності математичних моделей параметричних зонних систем залежно від режиму їх роботи.

Виявлено нові особливості перетворення сигналів (явищ) у параметричному зонному підсилювачі-модуляторі. Виявлено, що введення активних втрат оптимальної величини усуває явища стрибків і затягування амплітуди коливань, а наявність малих сигналів підмагнічування не впливає на вхідний контур накачування, змінюючи тільки амплітуду коливань у резонансному контурі.

6. Вперше для підвищення швидкості обробки, передачі і прийому інформаційних сигналів створені та практично реалізовані новий метод і пристрої на параметричних зонних системах, що використовують принцип інтегральної модуляції та дозволяють підвищити ефективність, швидкодію і достовірність перетворення, прийому та передачі інформації , наведені якісні та кількісні оцінки швидкодії й вірогідності перетворення, прийому і передачі інформації, які реалізовано в пристрої високоефективної модуляції сигналів для систем зв'язку захищені патентом на винахід України. Розроблено методику побудови багатофункціональних пристроїв на основі модифікованих індуктивних параметричних зонних систем.

За останніми досягненнями мікро- і наноелектроніки, розглянута можливість використання розроблених параметричних зонних систем в інформаційних засобах, тому що вони мають такі якості, як: відносна схемна й конструктивна простота, надійність (стійкість до радіації, температурна стабільність та механічна стійкість і ін.), багатофункціональність та практична реалізація збільшення швидкодії в десятки разів у порівнянні з відомими принциповими і схемними вирішеннями. Проведений аналіз вказує на перспективність подальших досліджень параметричних зонних систем і можливість розширення області застосування БПЗП у радіоелектронних пристроях.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Абдерразік М., Лисенко Д.Л. Побудова і аналіз функцій апроксимації характеристики багатозначних елементів. // Радіотехніка. Всеукр. міжвід. наук.-техніч. збірник, 2001, вип. 118. - С. 28 - 32.

Абдерразік М., Зуєв М.Г., Тітаренко О.М., Чередников І.П. Аналіз амплітудних і частотних характеристик параметричних зонних систем. // Радіотехніка. Всеукр. міжвід. наук.-техніч. збірник, 2002, вип. 127.- С. 129 -

136.

Абдерразік М., Чередников П.І., Чередников І.П., Цибульський А.А. Визначення критеріїв подоби при пазонному моделюванні стану частки у потенційному полі. // Радіотехніка. Всеукр. міжвід. наук.-техніч. збірник, 2002, вип. 124. - С. 123 - 128.

Абдерразік М., Хом'яков Є.Б., Чередников І.П. Розробка пристроїв для дослідження параметричних зонних систем і логічних елементів на їх основі. // Автоматизовані системи керування і прилади автоматики. Всеукр. міжвід. наук.-техніч. збірник, 2002, вип. 118. - С. 84 - 91.

Абдерразік М., Чередников І.П., Чередников П.І. Вимірювальний перетворювач фазового зрушення. - Харків: ХНАДУ “Вісник ХНАДУ”, 2002. - С. 74 - 76.

Абдерразік М., Бондаренко М.Ф., Меняйло О.Д. и др. Використання багатофункціональних пазонних пристроїв у системах контролю та діагностики складних об'єктів. // Радіоелектроніка і інформатика. Всеукр. міжвід. наук.-техніч. збірник, 2004. Вип.4. - С. 79 - 87.

A.с. України № 58467 А7 Н04L27/20. Абдерразік М., Бондаренко М.Ф., Сліпченко М.І., Хом'яков Є.Б., Чередников П.І. Пазонний спосіб високоефективної модуляції для приймально-передавальних систем зв'язку і пристрій для його здійснення.

Абдерразік М., Ключник І.І., Подгайко О.І. Побудова логічних елементів на основі нелінійно-параметричної системи. // Контрольно-вимірювальні прилади та автоматика. Мас. щоміс. наук.-вироб. журнал, 2005. Вип. 5/6. - С. 18 - 20.

Абдерразік М. Аналіз зон нестійкості розв'язання нелінійного рівняння Мат'є. // Контрольно-вимірювальні прилади та автоматика. Мас. щоміс. наук.-вироб. журнал, 2005. Вип. 5/6. - С. 12 - 17.

Абдерразік М., Скачко С.В., Цибульський А.А. Моделювання динамічних процесів за допомогою параметричних зонних систем. - Харків: ХТУРЕ. Збірник наук. праць за матеріалами 4 Міжнар. молодіжного форуму “Радіоелектроніка і молодь в XXІ віці” ч.2, 2000. - С. 140 - 141.

Абдерразік М., Білоковаленко О.М., Лазуренко В.В. Установка для оцінки якості нелінійних реактивних елементів. - Харків: “Вісник науки і техніки”, 2001, вип. 5. - С. 15 - 21.

Абдерразік М., Невлюдов І.Ш., Чередников П.І. Програмно-апаратні засоби моделювання матеріалів електронної техніки і приладів на їх основі. - Харків: ХНУРЕ. Збірник наук. праць за матеріалами 1-го Міжнар. радіоелектронного форуму “Прикладна радіоелектроніка. Стан і перспективи розвитку” - МРФ 2002, 2002. - С. 372 - 375.

Абдерразік М., Кумер С.В., Мухін А.В. Метод моделювання матеріалів електронної техніки. - Харків: ХНУРЕ. Збірник наук. праць за матеріалами 6 Міжнар. молодіжного форуму “Радіоелектроніка і молодь в XXІ віці” ч.1, 2002. - С. 270 - 271.

Абдерразік М., Дреєв В.А., Кібець О.В., Піліпець В.В. Пристрій для формування параметричних коливань і виміру динамічних величин його реактивних елементів. - Харків: ХНУРЕ. Збірник наук. праць за матеріалами 7 Міжнар. молодіжного форуму “Радіоелектроніка і молодь в XXІ віці”, 2003. - С. 261.

Абдерразік М., Міняйло О.Д., Чередников П.І. Практичне

застосування параметричних зонних пристроїв у засобах радіозв'язку. - Харків: ХНУРЕ. Збірник наук. праць за матеріалами Міжнар. наук. конференції “Теорія і техніка передачі, прийому і обробки інформації”, 2003. - С. 155 - 156.

Абдерразік М., Салай І.В., Чередников П.І. Обґрунтування параметричного зонного методу моделювання фізичних процесів в активних середовищах. - Харків: ХНУРЕ. Зб. науков. праць з матеріалів наук. конференції “Теорія і техніка передачі, прийому й обробки інформації”, 2003. - С.

396 - 397.

Абдерразік М. Дослідження характеристик параметричних зонних підсилювачів. - Харків: ХНУРЕ. Збірник наук. праць за матеріалами

8 Міжнар. молодіжного форуму “Радіоелектроніка і молодь в XXІ віці” ч.1, 2004. - С. 228.

АННОТАЦІЯ

Абдерразік Мохамед. Багатофункціональні параметричні зонні пристрої та їх використання у радіоелектронних засобах. - Рукопис (152 стор.)

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.13 - радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій. - Харківський національний університет радіоелектроніки, м. Харків, 2006.

Дисертація присвячена розвитку методів і засобів дослідження параметричних зонних систем; створення швидкодіючих радіоелектронних пристроїв на основі модифікованих параметричних систем, що працюють у вищих зонах нестійкості; розширення функціональних можливостей і області застосування багатофункціональних параметричних зонних пристроїв.

У роботі обґрунтовано побудована математична модель параметричного зонного перетворювача, проведено дослідження фізичних механізмів підвищення швидкодії параметричних зонних систем у вищих зонах нестійкості з радіоімпульсним і безперервним накачуванням та створено нові методи і практично реалізовані радіотехнічні пристрої на основі параметричних зонних систем.

Ключові слова: параметрична зонна система, вищі зони нестійкості, вольт-амперна характеристика, апроксимація нелінійності, математична модель, багатофункціональні параметричні зонні пристрої, підвищення ефективності, швидкодія, інтегральна модуляція, передача інформації, радіоелектронні засоби.

АННОТАЦИЯ

Абдерразик Мохамед. Многофункциональные параметрические зонные устройства и их применение в радиоэлектронных средствах. - Рукопись (152 стр.).

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.13 - радиотехнические устройства и средства телекоммуникаций. - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, г. Харьков, 2006.

Одним из перспективных направлений в разработке радиоэлектронных средств является исследования и разработка устройств на основе параметрических систем, работающих в высших зонах неустойчивости (параметрических зонных систем). Изучение закономерностей явлений и свойств параметрических зонных систем, работающих в высших зонах неустойчивости, является актуальной задачей.

Данная работа посвящена развитию методов и средств исследования параметрических зонных систем; созданию быстродействующих радиоэлектронных устройств на основе модифицированных параметрических систем, работающих в высших зонах неустойчивости; расширению функциональных возможностей и области применения многофункциональных параметрических зонных устройств (МПЗУ).

В работе произведен расчет и анализ коэффициентов для часто используемых аппроксимирующих функции нелинейности Н = ѓ(B) индуктивных элементов. Построен новый алгоритм определения коэффициентов аппроксимаций, исследована состоятельность определения коэффициентов.

Построена уточненная математическая модель параметрического преобразователя для любой зоны (с номером n) неустойчивости, которая является “ядром” для проектирования параметрических зонных узлов радиоэлектронных средств. Получены амплитудные и частотные соотношения, связывающие АЧХ выходного сигнала с АЧХ входного и питающего сигналов. При исследовании вопросов устойчивости выполнен аналитический и количественный анализ модифицированного уравнения Хилла и зон неустойчивости решения нелинейного уравнения Матье.

По полученным выражениям рассчитаны АЧХ параметрического зонного преобразователя для случаев слабой и сильной нелинейности системы. Выявлены новые особенности преобразования в параметрическом зонном усилителе-модуляторе. Исследована параметрическая зонная система методом фазовой плоскости и выявлены причины деформации ее фазовых портретов при различных входных сигналах.

Исследован регенеративный режим параметрической зонной системы, раскрывающий механизм повышения эффективности МПЗУ. Получены энергетические соотношения при регенерации. Представлен разработанный параметрический зонный тактовый периодный метод передачи информации при фазовых сдвигах каналов (90°, 120°, 240°), который позволяет значительно увеличить быстродействие МПЗУ (в десятки раз) и значительно сокращает полный цикл преобразования.

Впервые для повышения скорости обработки, передачи и приема информационных сигналов созданы и практически реализованы новые метод и устройство на параметрических зонных системах, приведены качественные и количественные оценки быстродействия преобразования. Разработана методика построения многофункциональных устройств на основе модифицированных индуктивных параметрических зонных систем.

Применение параметрических зонных устройств в радиоэлектронной технике для обработки сигналов - усиления, ограничения по амплитуде, деления частоты, квантования по фазе и т.д. позволяет в целом ряде случаев значительно повысить надежность выделения слабых сигналов на фоне шумов и, следовательно, повысить надежность или дальность передачи информации, упростить аппаратуру.

Ключевые слова: параметрическая зонная система, высшие зоны неустойчивости, вольт-амперная характеристика, аппроксимация нелинейности, математическая модель, многофункциональные параметрические зонные устройства, повышение эффективности, интегральная модуляция, быстродействие, передача информации, радиоэлектронные средства.

SUMMARY

Abderrazik Mohamed. Multipurpose parametric zonal devices and their application in radio-electronic means. - Manuscript (152 p.).

The dissertation of Ph.D. scientific degree technical sciences in speciality 05.12.13 - Devices of a radio engineering and means of telecommunications. - Kharkov National University of Radio Electronics, Kharkov, 2006.

The work is devoted to development of methods and means of research parametric zonal systems; to creation of high-speed radio-electronic devices on the basis of the modified parametrical systems working in the supreme zones of instability; to expansion of functionalities and a scope multipurpose parametric zonal devices.

In work the mathematical model of parametric zonal converter is constructed, researches of physical mechanisms of increase of high-speed parametric zonal systems in the supreme zones of instability with radiopulse and continuous entrance signals are carried out, new methods are created and radio engineering devices on a basis parametric zonal systems are practically realized.

Key words: parametric zonal system, the supreme zones of instability, volt-amper the characteristic, approximation of nonlinearity, mathematical model, multipurpose parametric zonal devices, increase of efficiency, high-speed of transfer, modulation, transfer of information, radio-electronic means.

Размещено на Allbest.ru