CC BY
99
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012
следовательно, увеличивается время исправнои работы, но не истинное, а наблюдаемое время. Это отражается на показателях надежности — уменьшается коэффициент готовности системы.
Таким образом, предложенная методика позволяет оценить и проанализировать характер изменения значении вероятностей ошибок первого и второго рода встроенной АД от периодичности ТО.
Библиографический список
1. Держо, Г. Г. Организация технического обслуживания электронных устроИств на железнодорожном транспорте : учеб. пособие / Г. Г. Держо // ОмскиИ ин-т инж. ж.-д. трансп. — Омск, 1993. — 47 с.
2. Тихонов, В. И. Марковские процессы / В. И. Тихонов, М. А. Миронов. — М. : Сов. радио, 1977. — 488 с.
3. Герцбах, И. Б. Модели профилактики / И. Б Герцбах. — М. : Сов. радио, 1959. — 216 с.
4. Корн, Г. Справочник по математике / Г. Корн, Т. Корн. — М. : Наука, 1974. - 832 с.
КОПЫТОВ Евгений Юрьевич, аспирант кафедры «Радиотехнические и управляющие системы». Адрес для переписки: [email protected] ЛЮБЧЕНКО Александр Александрович, аспирант кафедры «Радиотехнические и управляющие системы».
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 26.09.2011 г.
© Е. Ю. Копытов, А. А. Любченко.
УДК 621.373.5.001.5 д. н. ЛЯШУК
С. д. ЗДВЬЯЛОВ Д. Н. ЛЕПЕТДЕВ
Омский государственный технический университет
ИССЛЕДОВДНИЕ ГЕНЕРДТОРД НД ПОВЕРХНОСТНО-ДКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНДХ МЕТОДОМ ДВУХПОЛЮСНОГО ПРЕДСТДВЛЕНИЯ
В статье исследуются узлы высокочастотного (ВЧ) генератора, выполненного на ПДВ фильтре. Днализ генератора производится исходя из его представления в виде системы из двух элементов: пассивного линейного узкополосного частотозадающего элемента и активного нелинейного широкополосного элемента — схемы возбуждения. Сопоставляются результаты графоаналитического определения частот генерации с экспериментальными результатами измерения частоты выходного ВЧ сигнала реального макета.
Ключевые слова: поверхностно-акустическая волна; ПДВ; генератор; резонатор; фильтр; генератор, управляемый напряжением; моделирование генераторов.
1. Введение
Источники высокостабильных опорных колебании являются неотъемлемой частью современной аппаратуры передачи данных. Рост требовании к миниатюризации аппаратуры и увеличение скорости и объема передаваемых данных требует повышения рабочих частот. Для военных применении требуется устойчивость к ударным воздеиствиям большои амплитуды.
Задача синтеза ВЧ источников опорных колебании с рабочими частотами в диапазоне 150 МГц и выше, удовлетворяющего комплексу требовании по термостабильности, ударостоикости (способности сохранять работоспособность с обеспечением заданных технических характеристик после прекращения ударного воздеиствия), массогабаритным и энергетическим показателям, простоте реализации является актуальной что подтверждается востребованностью подобных генераторов, в частности, в военнои технике. Пути решения задачи синтеза подобных гене-
раторов ограничены — это создание источников опорных колебании на основе высокочастотных кварцевых генераторов с последующим умножением частоты, использование элементнои базы современ-нои MEMS-технологии (MicroElectroMechanical Systems, технология микроэлектромеханических систем) [1], и, на взгляд авторов, более предпочтительный путь — создание ВЧ источников опорных колебании с использованием ПАВ структур.
ПАВ структуры в зависимости от типа устрои-ства (двухполюсный ПАВ резонатор, четырехполюсная ПАВ линия задержки (ЛЗ)) и своеи специфики (материала пьезоэлектрика, топологии) позволяют создавать различные по своиствам и сложности реализации ПАВ генераторы, в частности, перестраиваемые по частоте — перестраиваемые ПАВ генераторы как на кварцевых ПАВ резонаторах, так и ПАВ ЛЗ. Кварцевые ПАВ ГУНы имеют небольшои диапазон перестроики по частоте, а для ПАВ ГУНов на ЛЗ характерна сложность схемных решении (как пра-
вило это двухкаскадные схемы с внешним фазовращателем) [2 — 7]. В [8] приводится описание ПАВ генератора, во многом лишенного указанных выше недостатков. На его базе можно создавать ВЧ источники опорных колебаний, удовлетворяющих комплексу требований по термостабильности и ударостойкости.
2. Задачи
Для разработки генератора на основе ПАВ-фильт-ра необходимо решить следующие задачи:
— обосновать требования к электрическим свойствам ПАВ структуры для проектирования ГУН с широкой перестройкой по частоте;
— провести экспериментальное исследование узлов ПАВ ГУН и сопоставить полученные экспериментальные данные с результатами аналитического (графического) определения частот генерации.
3. Решение поставленных задач
Существует два разных подхода к задаче проектирования конкретного автогенератора с устройством на ПАВ [9]. Один из них — разработка автогенератора под конкретное устройство на ПАВ, которое есть в наличии у разработчика. Другой подход — это создание устройства на ПАВ с заданными электрическими и механическими свойствами, что может дать существенное улучшение параметров автогенератора. Определим ряд требований к ПАВ устройству для создания генератора управляемого напряжением с широкой перестройкой по частоте.
Ширина полосы перестройки ГУН на основе ПАВ резонатора или ПАВ фильтра зависит от полосы пропускания ПАВ структуры. Передаточная характеристика ПАВ элемента в основном определяется свойствами передаточных функций передающего и приемного встречно-штыревых преобразователей (ВШП), а также согласующих цепей. Эффективность, ширина полосы частот и электрическое сопротивление ВШП как наиболее распространенного устройства возбуждения и приема ПАВ определяются только его геометрическими размерами и физическими параметрами пьезоэлектрика (подложки), поэтому существуют некоторое оптимальное количество пар электродов Ы0, при котором можно получить максимальную эффективность при заданном электрическом сопротивлении преобразователя [10]. С учетом связи между относительной шириной полосы пропускания А/// и величиной Ы0 можно записать [10]:
Df
f
1
No
4 * k2св
1.128* kcB
где к2св — коэффициент электромеханическои связи.
Значения к2св сильно отличаются для разных материалов: для ниобата лития к2св составляет примерно 0.05, для танталата лития Т и У ориентации — 0,01, а для кварца — 0,002. Оценивая потери в ПАВ структуре, следует отметить, что использование пьезокристаллов ниобата лития, германата висмута и пьезокварца позволяет создавать ПАВ устроиства с небольшими вносимыми потерями [10]. Поэтому, с точки зрения создания широкополосных ПАВ устроиств с малыми потерями, наиболее предпочтительным материалом для звукопровода является ниобат лития. Важнои особенностью ПАВ фильтра является то, что его амплитудно-частотные (АЧХ) и фазочастотные (ФЧХ) характеристики не связаны однозначно между собои, и крутизну фазовои характеристики можно изменять путем изменения расстояния между при-емнои и передающеи структурои ВШП [10]. Это дает
Тгс1
Тгс2
dB Mag 10 dB / RefOdB Cal Phase 45°/ Ref 0° Cal
Рис. 1
Uynp
En
■і
пассивная часи.
ВЧ
ПАВ
фильтр R4 U ce ±
-c
««I
активная часть Рис. 2
Рис. 3
возможность изменять ширину полосы перестройки частоты независимо от вида АЧХ фильтра. Поэтому задача синтеза необходимой ПАВ структуры для генератора с большой перестройкой сводится к проектированию фильтра на ПАВ с малыми вносимыми потерями (класс ПАВ фильтров для входных цепей радиоприемного тракта) и с линейной ФЧХ в полосе пропускания для обеспечения одномодового режима генерации.
На рис. 1 приведены измеренные АЧХ и ФХЧ ПАВ устройства, удовлетворяющего сформулированным выше требованиям. Устройство представляет собой фильтр на ПАВ, выполненный на ниобате лития ЫЫЬо3 с малыми вносимыми потерями в полосе пропускания — примерно 1,8 дБ. Из рисунка видно, полоса пропускания фильтра по уровню минус 3 дБ составляет примерно 2,7 МГц, при этом ФХЧ имеет линейный характер с фазовым изменением в полосе пропускания примерно 2р.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012
Е.отр, Ом
"□возбуждения, сІВт
Рис. 4
Р\л/г -13 сІВт Рис. 5
На рис. 2 представлена схема генератора на ПАВ структуре со свойствами, изображенными на рис. 1 и выполненная по схеме емкостной трехточки (схема Колпитца). Для проведения исследования генератора выделим его основные узлы — это усилитель на транзисторе УТ1, ПАВ фильтр и П-контур (УШ, Ь1, С4, Я1, С1) [8].
Используемый метод анализа ПАВ ГУНа является логическим развитием метода анализа кварцевых генераторов [11, 12]. Абстрагируясь от конкретной структуры схемы автогенератора и от конкретного вида обратной связи, генератор может быть представлен в виде системы из двух элементов: пассивного, частотозадающего элемента — колебательного контура, и активного, восполняющего потери энергии, элемента — схемы возбуждения [13, 14] (рис. 3). Независимо от того, сколько компонентов имеет реальная схема автогенератора, пассивная и активная часть автогенератора рассматриваются как линейные двухполюсники и описываются определенными характеристическими параметрами. В этом представлении (рис. 3) свойства, как колебательной системы, так и схемы возбуждения можно описать, опираясь только на соотношения между сигналами на внешних выводах. На рис. 3 двухполюсник 7рж описывает пассивную часть генератора, а 7ас(- активную. Эквивалентная схема пассивной части, включает реактивность X , представляющую реактивное сопротивление пассивной части (каскадное соединение ПАВ фильтра и П-контура), и Я , представляющее
сопротивление потерь пассивной части. Активная часть представлена последовательным соединением реактивности ХаС и сопротивления ЯасГ В данном случае двухполюсник пассивнои части генератора имеет сопротивление с положительнои реальнои частью.
При соединении активнои и пассивнои частеи схема будет работать как генератор, если сумма реальных частеи входных сопротивлении отрицательна. В этом случае энергетические потери в пассивнои части полностью компенсируются. Только в данном случае напряжения шумов могут быть усилены. Это выражается в следующих начальных условиях:
Д
act
>
раз '
здп(Да^> = —з9п(Драз>.
С увеличением амплитуды сигнала коэффициент усиления транзистора уменьшается. В момент, когда сумма реальных частей входных сопротивлений становится равной нулю, происходит установление режима работы генератора со следующими условиями:
Д
а^\
раз
X = — X раз аС •
Наступает так называемьш баланс энергии, соот-ветствующии стационарному режиму генерации, при
Рис. б
Рис. 7
котором энергия, выработанная за период колебания в активном двухполюснике, полностью компенсирует потери за тот же период колебания в пассивном двухполюснике, что эквивалентно классическим условиям генерирования колебаний на основе условий баланса фаз и амплитуд.
На рис. 4 — 7 ниже приведены следующие измеренные характеристики (измерения проводились с использованием анализатора цепей Rohde&Schwarz Network Analyzer ZVL):
1. Рис. 4 — зависимость входного отрицательного сопротивления активной части генератора при различных значениях амплитуды возбуждения.
2. Рис. 5 — 7 — реальная и мнимая части входного импеданса активной (кривые 1,3) и пассивной части генератора (кривые 2, 4) при управляющих напряжениях иупр, равными 0,5 В, 2,5 В и 4 В соответственно.
Из рис. 5 — 7 из условий баланса фаз и амплитуд графически можно определить значения возможных частот генерации: при иупр = 0,5 В значение частоты f составляет примерно 170,9 МГц; при иупр = 2,5 В — 171,6 МГц; при иупр = 4 В — 172,1 МГц. Также надо отметить, что возможны перескоки на паразитные частоты генерации, например, при иупр =
= 0,5 возможна сбивка рабочеИ частоты на 172,8 МГц. Это говорит о необходимости дальнеИшеИ оптимизации проектирования ПАВ структуры и номиналов схемы.
График измеренноИ зависимости частоты ВЧ сигнала на выходе генератора (рис. 2) от управляющего напряжения показан на рис. 8, из которого видно, что перестроИка частоты при изменении управляющего напряжения в пределах (0,5...4) В составляет не менее 5800 ppm (не менее 1 МГц). Ранее графически были определенны значения частот ВЧ сигнала при U^p равным 0,5, 2,5 и 4 В. Сравнение графически определенных значении частот генерации и значении соответствующих реальноИ характе-ристикоИ управления генератора дают расхождение около 1%. На рис. 9 представлена измеренная характеристика фазового шума при Uупp = 2,5; значение фазового шума при отстроИке 10 кГц в рабочем диапазоне перестроИки составляет менее минус 120 дБ/Гц. Следует отметить, что данные характеристики были получены без оптимизации конструктивного (корпусного) исполнения генератора. В качестве сравнения можно указать, что для генератора фирмы Vectron International VS-709 [15] типовые зна-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012
f, МГц
И72,07 ► 172,12
*4 71,9
/171,72
/171,45
►'171,08 Г 171,19
►-170,95
О 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
Uynp, В
Рис. В
hQn PHASE NOISE
Settings Residual Noise Spot Noise [Tl]
Signal Freq: 171.670531 MHz Evaluation from 100 Hz to 1 MHz 1 kHz -82.75 dBc/Hz
Signal Level: -1.22 dBm Residual PM 2.389 ° 10 kHz -123.46 dBc/Hz
Signal FreqA: 0 Hz Residual FM 119.746 Hz 100 kHz -130.41 dBc/Hz
Signal Level a: -0.19 dBm RMS Jitter 38.6618 ps 1 MHz -147.28 dBc/Hz
PH Noise
RF Atten 0 dB
Top -30 dBc/Hz
До
% Ш I'm ,
n \ trv’4
— -110— -130— -150- % 4
,л'>Чч,|ц jL~„
It Fit
100 Hz 1kHz 10 kHz 100 kHz 1 MHz
Frequency Offset
Рис. 9
чения перестройки по частоте составляет примерно 1200 ppm (порядка 200 кГц при частоте 170 МГц), мощность фазовых шумов минус 115 дБ/Гц при отстройке 10 кГц от несущей для значения на кривой фазового шума.
4. Выводы
Проведенный анализ вариантов построения генераторов и генераторов управляемых напряжением на ПАВ структурах, их технических характеристик, а также экспериментальное исследование разработанного генератора на ПАВ фильтре [8], показывает, что использование ПАВ фильтра с малыми вносимыми потерями (потерями, определяемыми при включении фильтра в его типовой схеме включения) и линейной фазовой характеристикой в полосе пропускания позволяет создавать генераторы управляемые напряжением с перестройкой по частоте, большей, чем у возможных аналогов. При этом полученное схемное решение отличается простой ввиду наличия одного активного элемента в схеме генератора. Рекомендуется использовать полученные результаты в производственной деятельности НИИ электронного приборостроения г. Омска.
Библиографический список
1. Сайт Ежедневного дайджеста новостей для разработчиков электронной техники. — URL: http ://www. seminews .ru/ passive/371.html (дата обращения: 24.10.2011).
2. СаИт Компании IP.com Products and Services. — URL: http://ip.com/patent/US4799029 (дата обращения: 24.10.2011).
3. СаИт Компании IP.com Products and Services. — URL: http://ip.com/patent/US4760352 (дата обращения: 24.10.2011).
4. СаИт Компании IP.com Products and Services. — URL: http://ip.com/patent/US4011526 (дата обращения: 24.10.2011).
5. Пат. 1256654 A1, РоссиИская Федерация, МПК H 03 H 9/00. Генератор на поверхностных акустических волнах [Текст] / Николаенко К.В. — № 3840314/23 ; заявл. 11.01.1985; опубл. 10.10.1996.
6. Пат. 2052888 С1, РоссиИская Федерация, МПК H 03 B 5/ 32. НизкочастотныИ генератор на поверхностных акустических волнах [Текст] / Мельцер Я.Е. ; заявитель и патентообладатель Товарищество с ограниченноИ ответственностью Опытное конструкторское бюро "Павика". — № 5058300/09; заявл. 10.08.1992; опубл. 20.01.1996.
7. Двуполостная ПАВ-микросборка ГУНа для мобильных радиостанции диапазона частот 146-174 МГц [Текст] / С. А Добер-штеИн [и др.] // Техника радиосвязи : научно-техническиИ сборник. — Омск : ОмскиИ НИИ приборостроения, 2000. — Вып. 5. — С. 52 — 60.
8. Пат. 98301 U1, РоссиИская Федерация, МПК H 03 H 9/ 00. Генератор ПАВ [Текст] / Завьялов С. А., Ляшук А. Н ; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ОмскиИ государственным техническиИ университет». — № 2010114993/ 09 ; заявл. 14.04.2010 ; опубл. 10.10.2010.
9. Дворников, А. А. Стабильные генераторы с фильтрами на поверхностных акустических волнах [Текст] / А. А Дворни-
ков, В. И. Огурцов, Г. М Уткин. — М. : Радио и связь, 1983. — 136 с.
10. Рыжков, А. В. Синтезаторы частот в технике радиосвязи [Текст] / А. В Рыжков, В. Н. Попов. — М. : Радио и связь, 1991. - 264 с.
11. Lepetaev A.N., Zavjalov S.A., Kosykh A. V. The New Method of Computer Analysis of Dual-Mode Oscillators. International Forum on Wave Electronics and Its Applications, - St. Petersburg, Russia, 2000.
12. Lepetaev AN., Kosykh A.V., Zavjalov S.A., Gubarev A.A The method of computer simulation of crystal oscillators based on measuring of nonlinear input impedance of oscillator circuit and it experimental verification // Prog. of the 2002 IEEE International Frequency Control Symposium. — New Orleans, USA, 2002.
13. Бенинг, Ф. Отрицательные сопротивления в электронных схемах [Текст] / Ф. Бенинг. — М. : Советское радио, 1978. — 288 с.
14. Петров, Б. Е. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах [Текст] / Б. Е. Петров, В. А. Романюк. — М. : Высшая школа, 1989. — 232 с.
15. СаИт Компании Vectron International. — URL: http:// www.vectron.com/products/vcso/vs709.pdf (дата обращения 24.10.2011).
ЛЯШУК Алексей Николаевич, инженер НИЧ, кафедра «Радиотехнические устроИства и системы диагностики» .
Адрес для переписки: e-mail [email protected] ЗАВЬЯЛОВ Сергей Анатольевич, кандидат технических наук, доцент, преподаватель кафедры «Радиотехнические устроИства и системы диагностики». Адрес для переписки: e-mail [email protected] ЛЕПЕТАЕВ Александр Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Радиотехнические устроИства и системы диагностики».
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 25.10.2011 г.
© А Н. Ляшук, С. А Завьялов, А. Н. Лепетаев
Книжная полка
Основы электроники, радиотехники и связи : учебное пособие для вузов / А. Д. Гуменюк [и др.]. - М. : : Горячая линия-Телеком, 2008. - 480 с. - 18БЫ 978-5-9912-0029-5.
Рассмотрены принципы работы наиболее широко применяемых электронных приборов. Дано краткое изложение теории детерминированных и случайных электрических процессов (сигналов). Приведены основные типы частотно-селектирующих цепей и линий задержки; изложена теория работы электронных усилителей, генераторов, модуляторов, преобразователей частоты, детекторов, логических схем, волноведущих устройств. Описаны принципы кодирования сигналов и их обработки в радиоприемных устройствах, методики формирования сигнальных потоков в современных линиях связи. Кратко изложены принципы построения вторичных источников питания и их отдельных функциональных узлов. Для студентов, обучающихся по специальностям 075600 — «Информационная безопасность телекоммуникационных систем», 075500 — «Комплексное обеспечение безопасности автоматизированных систем». 075200 — «Компьютерная безопасность», будет полезна специалистам.
Интеллектуальные сенсорные системы / Под ред. К. М. Мейджера ; пер. с англ. - М. : Техносфера, 2011.464 с. - 18БЫ 978-5-94836-299-1.
Книга посвящена весьма актуальному новому направлению развития электроники — сенсорике, или, как принято в отечественной терминологии — микросистемотехнике. Авторы представляют Дельфтский технический университет, а также ряд ведущих западных фирм, разработки и продукция которых в достаточном объеме представлена на рынке электронных компонентов. Содержание книги отражает теоретические и практические достижения в области сенсорики и сенсорных систем, уровень которых позволяет квалифицировать их как интеллектуальные. Патентная защита предлагаемых технических решений свидетельствует о мировой новизне сенсорных устройств и способов высокоточных измерений. Предлагаемая научно-техническому сообществу книга будет способствовать интенсификации разработок сенсоров и сенсорных систем в силу достаточно доказательно сформулированных авторами перспективных направлений развития этой ветви электроники, учитывая пограничный характер используемых природных явлений. Изложенный теоретический и практический материал станет основой для разработчиков микроэлектронной аппаратуры, а также будет полезным преподавателям, аспирантам и студентам технических университетов.
Груба, И. И. Системы охранной сигнализации. Технические средства обнаружения / И. И. Груба. - М. : Солон-пресс, 2012. - 220 с. - 18БЫ 978-5-91359-103-6.
Данная книга адресована всем, кто интересуется проблемами разработки, изготовления, проектирования, монтажа и эксплуатации средств и систем охранной сигнализации. Дано систематизированное описание большинства известных на настоящее время типов средств обнаружения. Приведены оценки уровней физических воздействий от обнаруживаемых объектов и от основных помеховых факторов. Представлены типовые схемы построения средств обнаружения и основных элементов, используемых в их составе. Описано устройство и даны сравнительные характеристики средств обнаружения различных принципов действия. Изложенный материал упорядочен, что позволяет использовать его в качестве справочного пособия. Книга представляет интерес как для начинающих, так и для квалифицированных инженеров и радиолюбителей, специализирующихся в области охранной сигнализации.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
