CC BY
145
ционного сигнала присутствует около десятка гармоник, и даже более, то такой сигнал имеет смысл анализировать с помощью вейвлет-преобразования. В настоящее время идет активное опробование нетрадиционных подходов в части обработки и анализа исходной информации.
Основными критериями применимости методов являются: эффективность, оптимальное соотношение цена/качество, технологичность, возможность работы в реальном масштабе времени.
Библиографический список
1. Браташ, О. В. Анализ методов вибродиагностики асинхронных двигателей / О. В. Браташ, А. П. Калинов [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://masters.donntu. edu.ua/2012/etf/iasynskyi/library/vibro.htm (дата обращения: 10.06.2013).
2. Тэттэр, В. Ю. Разработка технологий и оборудования для вибродиагностики колесно-моторных блоков локомотивов : дис. ... канд. техн. наук : 05.22.07 / В. Ю. Тэттэр. — Омск, 2005. - 193 с.
3. Руссов, В. А. Диагностика дефектов вращающегося оборудования по вибрационным сигналам / В. А. Русов. — Пермь, 2012. — 252 с.
4. Дороничев, А. В. Совершенствование вибродиагностики подшипников качения тяговых электрических машин : дис. ...
канд. техн. наук : 05.22.07 / А. В. Дороничев. — Хабаровск, 2012. - 165 с.
5. Костюков, В. Н. Основы виброакустической диагностики и мониторинга машин / В. Н. Костюков, А. П. Науменко. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2011. — 360 с.
6. Федер, Е. Фракталы / Е. Федер ; пер. с англ. — М. : Мир, 1991. — 254 с.
7. Применение теории фракталов для обнаружения дефектов роторных узлов подвижного состава железнодорожного транспорта / В. И. Щедрин [и др.] // Тез. докл. науч.-техн. конф. — Самара, 2005. — С. 17—19.
8. Короткий, С. Нейронные сети: основные положения / С. Короткий [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http:// www.shestopaloff.ca/kyriako/Russian/Artificial_Intelligence/ Some_publications/Korotky_Neuron_network_Lectures.pdf (дата обращения: 20.07.2013).
МАТЮШКОВА Ольга Юрьевна, аспирантка кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство». ТЭТТЭР Владимир Юрьевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Теоретическая электротехника».
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 19.09.2013 г. © О. Ю. Матюшкова, В. Ю. Тэттэр
уДК 621373 Г. С. НИКОНОВА
А. В. МАРТЫНОВ
Омский государственный технический университет
Омский научно-исследовательский институт приборостроения
ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПАВ УСТРОЙСТВ
В статье приведен разработанный алгоритм проектирования ПАВ генераторов. Проведено моделирование схемы ПАВ генератора, приведены результаты некоторых экспериментов.
Ключевые слова: ПАВ-фильтры, ПАВ-резонаторы, ПАВ-линии задержки, ПАВ-генераторы.
Характеристики практически любой радиоаппаратуры для систем связи во многом определяются примененными в ней генераторами или синтезаторами частот, которые являются важнейшими функциональными элементами. Традиционными радиокомпонентами для цепей обратных связей генераторов в течение длительного периода времени являлись реактивные элементы для частотного диапазона от 104 до 109 Гц, и резонаторы на объемных акустических волнах (ОАВ), для частотного диапазона от 106 до 108 Гц при работе на основной частоте или на гармониках. Причем LC генераторы по совокупности характеристик (стабильность частоты, диапазон плавной перестройки частоты) применялись как генераторы, управляемые напряжением, а
генераторы с резонаторами на ОАВ — как опорные генераторы.
В настоящее время перспективными для частотного диапазона 107 — 2-109 Гц считаются генераторы на поверхностных акустических волнах (ПАВ), которые можно изготавливать современными методами интегральной технологии. Специалисты в области акустоэлектроники пытаются разработать для этого частотного диапазона ПАВ генераторы, имеющие стабильность частоты не хуже, чем у генераторов с резонаторами на ОАВ (при сравнении спектральных характеристик на выбранной частоте сравнения), а также обеспечивающие возможность плавной перестройки частоты в широких пределах (до 10 — 20 % от полосы пропускания ПАВ фильтра). Хотя имеют-
ся публикации о некоторых успешных разработках ПАВ генераторов [1—5], но в целом задача проектирования малошумящих, одночастотных (одномо-довых) генераторов с возможностью плавной перестройки частоты в широких пределах не решена. Причины этого заключаются в меньшей эквивалентной добротности ПАВ фильтров, в малой проработке методов повышения температурной стабильности и методов перестройки частоты, а также в том, что не учитываются особенности работы ПАВ фильтров, применяемых в генераторах (переотражения ПАВ, возможность многочастотного (многомодового) режима). Нет открытых публикаций с алгоритмами проектирования ПАВ генераторов, в которых учитывались бы особенности их работы.
В данной работе представлен разработанный алгоритм проектирования ПАВ генераторов, реализованный затем в виде программы. Структурная схема алгоритма проектирования приведена на рис. 1. Алгоритм позволяет учесть при разработке генератора влияние схемы, в которой он будет применяться и реализовать поэтапную оптимизацию схемы генератора и конструкции ПАВ элемента для достиже-
ния требуемых параметров. Алгоритм включает этапы моделирования, на которых применялись пакеты прикладных программ (Altium desyner, Genesys, Cadence Spectre RF). В соответствии с алгоритмом, исходя из комплекса технических требований, разрабатывается топология двухполюсника (ПАВ-резонатора), или четырехполюсника (ПАВ линии задержки), затем разрабатывается эквивалентная схема, моделируются частотные характеристики ПАВ-устройства. Выбирается возможный вариант схемы генератора для разработанного акустоэлектронного устройства, выбираются радиоэлементы, анализируется эквивалентная схема усилителя генератора и ее соответствие параметрам ПАВ устройства. При необходимости проводятся корректировочные расчеты. На заключительных этапах анализируется модель генератора, исследуются его частотные характеристики, при необходимости вновь проводятся корректировочные расчеты. При анализе спектра выходного сигнала генератора по разработанному алгоритму в эквивалентной схеме генератора применялись хорошо зарекомендовавшие себя в расчетах шумовые модели транзисторов. Для биполярных
о х
2
Требования к
внешним воздействиям
Формулирование, ввод требований к ПАВ генератору
Формулирование, ввод требований к ПАВ устройству
Выбор варианта топологии по компромиссным критериям
Разработка топологии ПАВ резонатора
Разработка топологии ПАВ/13 (с учетом одномодового или многомодового режима)
Разработка эквивалентной схемы ПАВ резонатора. Моделирование АЧХ, ФЧХ
Разработка эквивалентной схемы ПАВ ЛЗ Моделирование АЧХ, ФЧХ
Рис. 1. Структурная схема алгоритма проектирования ПАВ генераторов (продолжение на 301-й стр.]
Рис. 1. Структурная схема алгоритма проектирования ПАВ генераторов (продолжение)
1п 1е Ко
б)
Рис. 2. Топология (а) и эквивалентная схема (б) резонатора
транзисторов применялась шумовая модель с источником теплового шума сопротивления базы и комбинированным источником дробового и фликкер шумов перехода база-эмиттер. Для полевых транзисторов применялась модель с тепловым шумом и фликкер с шумом канала. Достоинством алгоритма является сравнительно небольшое количество итераций (до десяти), необходимых для разработки схемы ПАВ генератора, при выполнении в полном объеме заданных требований.
С использованием алгоритма (рис. 1) рассчитана топология одновходового ПАВ резонатора для частотного диапазона 430 — 450 МГц, для которого
планировалась эта разработка, выбрана схема генератора, исследованы спектральные характеристики генератора. Топология одновходового резонатора и его эквивалентная схема приведены на рис. 2а, 2б.
На рис. 2а обозначено: a — ширина волнового фронта, примерно соответствующего апертуре ВШП; 1п — длина резонансной полости; 1е — расстояние от первого элемента отражательной решетки до эффективного центра отражения решетки. Реальная резонансная полость резонатора равна 1 = 1п + 1е.
На рис. 2б обозначено: Rр, Lр, Ср — динамические эквивалентные параметры резонатора; С0 — статическая емкость преобразователя; R0 — «расчетное
Рис. 3. Схема электрическая принципиальная ПАВ генератора с разомкнутой петлей ОС
о *
Рис. 4. Частотные характеристики модели ПАВ генератора без учета шумовых источников питания и схемы
сопротивление излучения», характеризующее эффективность отражательных решеток. Эквивалентные параметры подобных одновходовых резонаторов рассчитывались с использованием значения модуля коэффициента отражения Г0, для пьезоэлек-трика. Модуль коэффициента отражения от отражательных решеток рассчитывался в соответствии с [6]. При числе отражательных элементов в каждой решетке не менее 500, при их ширине, равной четверти длины волны для резонансной частоты (Х0/4), при 1 = 0,002 м, значение модуля Г0=0,999999. Эквивалентные параметры резонатора, наиболее важные для проектирования схемы генератора, определялись выражениями:
Q»p(2й1/(1-Г0)),
Ь-р^У1— ГД
(1) (2) (3)
В выражениях (1), (2) поправочный коэффициент р имеет величину и размерность, равную 1/м. Рассчитанные значения элементов эквивалентной схемы на частоте 434 МГц равны: Q«12000, R -8 Ом; Ь «3,7-10—5 Гн; С «0,3740—14 Ф. Значение С. наРанали-
р р о
зируемой частоте (при а-100 X и для пьезоподложки, выполненной на кварце) равно С0-10—12Ф.
На рис. 3 приведена одна из схем ПАВ генераторов с резонатором, для которых проводилось моделирование по алгоритму проектирования. Полученные при этом амплитудно-частотная и фазочастот-ная характеристики схемы при разомкнутой цепи обратной связи, а также спектральная характеристика генератора показаны на рис. 4. ПАВ резонатор в схеме анализировался в виде параллельного конту-
ра третьего вида. Транзистор в схеме типа BFR949T (£р=9 ГГц, F«1-1,5 дБ).
При моделировании получены следующие характеристики генератора:
— частота генерации около 434 МГц;
— напряжение выходного сигнала при нагрузке 50 Ом — 0,3 В;
— мощность в нагрузке — около 1 мВт;
— относительная мощность фазовых шумов при отстройке 10 кГц — минус 175 дБ/Гц, что соответствовало величине тепловых шумов в применяемой шумовой модели транзистора.
При экспериментальных исследованиях макетов ПАВ генераторов оценивался вид их спектральных характеристик. ПАВ генераторы для этих экспериментов были выполнены на частоты около 434 МГц. Измеренная относительная мощность фазовых шумов ПАВ генератора при отстройках 1 — 10 кГц составила минус 133 дБ/Гц, вид спектральной характеристики в целом соответствовал результатам моделирования. Однако относительная мощность шумов реального устройства была больше шумов модели примерно на 20 — 30 дБ. Это объясняется тем, что в макете было невозможно минимизировать влияние различных конструктивных элементов и внешних помех.
Предложенный алгоритм позволяет за счет взаимной оптимизации схемы генератора и ПАВ элемента разрабатывать генераторы с низкими фазовыми шумами и минимизировать влияние внешних неблагоприятных факторов. Результаты проведенного моделирования и экспериментальных исследований показали, что генераторы на поверхностных акустических волнах имеют значительный потен-
циал для улучшения характеристик и в перспективе найдут широкое применение в радиоаппаратуре УКВ диапазона.
Библиографический список
1. Каталог изделий фирмы Micro Networks, — Режим доступа: http://kazus,ru/manufactures/content/1/A_528,html (дата обращения: 24.09.2010).
2. Каталог изделий фирмы VECTRON, — Режим доступа: httр://www.vectron.com (дата обращения: 24.09.2010).
3. Каталог изделий фирмы RFM. — Режим доступа: hM^:// www.rfm.com (дата обращения: 24.09.2010).
4. Каталог изделий фирмы TEMEX. — Режим доступа: httр://www.temex.com (дата обращения: 24.09.2010).
5. Каталог изделий фирмы MURATA. — Режим доступа: httр://www.murata.com (дата обращения: 24.09.2010).
6. Зеленка, И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах. Материалы, технология, конструкция, применение / И. Зеленка. — М. : Мир, 1990. - 548 с.
НИКОНОВА Галина Сергеевна, аспирантка кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики» Омского государственного технического университета.
МАРТЫНОВ Андрей Валерьевич, начальник сектора Омского НИИ приборостроения. Адрес для переписки:дшка59@таП.ги
Статья поступила в редакцию 25.09.2013 г. © Г. С. Никонова, А. В. Мартынов
Книжная полка
621.38/А86
Артемов, А. Д. Электроника : конспект лекций / А. Д. Артемов ; ОмГТУ. - Омск, 2010. - 88 с. - ISBN 978-58149-0938-1.
В конспекте лекций отражены основные сведения по электронике, необходимые при разработке электронных устройств. Описаны пассивные и активные компоненты электронных цепей. Представлены свойства биполярных и полевых (униполярных) транзисторов, аналоговых и аналого-цифровых микросхем, интегральных микросхем, оптоэлектронных элементов. Изложены основные положения схемотехники цифровых микросхем. В лекциях отражены последние достижения в элементной базе, при этом уделено внимание схемотехнической реализации функций электронных устройств. Представлена содержательная часть микропроцессоров RISC архитектуры, сведения о компьютерном моделировании электронных устройств.
621.37/39/Х26
Хаустов, В. В. Микропроцессорная техника в системах связи : учеб. пособие / В. В. Хаустов, Л. Б. Слобо-женко ; ОмГТУ. - Омск, 2010. - 82 с. - ISBN 978-5-8149-0945-9.
В данном учебном пособии последовательно рассмотрены вопросы организации цифровой обработки информации, методики проектирования и построения МП средств, а также использования этих средств в различных системах связи, в системах технологической обработки информации. Рассмотрены вопросы особенностей проектирования систем с применением МП.
621.38/Л68
Лобов, Д. Г. Электронные цепи и микросхемотехника : конспект лекций / Д. Г. Лобов 2010. - 51 с.
ОмГТУ. - Омск,
Настоящий конспект лекций разработан в соответствии с требованиями образовательного стандарта ОмГТУ. В нем рассматриваются основные принципы работы и схемотехника типовых аналоговых электронных цепей, применяемых при конструировании радиоэлектронной аппаратура.
