Обеспечение технологичности смесителей частот приемной радиоэлектронной аппаратуры на этапе подготовки производства тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Черкасов Кирилл Вячеславович

• Черкасов Кирилл Вячеславович
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Черкасов Кирилл Вячеславович

Перечень сокращений

Введение

Глава 1. Обоснование актуальности проблемы обеспечения технологичности смесителей частот приемной радиоэлектронной аппаратуры на этапе подготовки производства

1.1. Анализ современного состояния и тенденций развития смесителей частот приемной радиоэлектронной аппаратуры

1.2. Анализ конструкций смесителей частот приемной радиоэлектронной аппаратуры, а также технологий их изготовления

1.3. Анализ существующих методик прогнозирования показателей назначения и обеспечения заданного уровня технологического выхода годных смесителей частот приемной радиоэлектронной аппаратуры

1.4. Выводы по главе

Глава 2. Разработка методики, позволяющей учитывать влияние технологических факторов при прогнозировании показателей назначения смесителей частот приемной радиоэлектронной аппаратуры

2.1. Разработка модуля прогнозирования показателей назначения смесителей частот радиоэлектронной аппаратуры с учетом влияния технологии изготовления

2.2. Разработка модуля прогнозирования технологического выхода годных СмЧ

2.3. Численное моделирование влияния технологии изготовления смесителей частот приемной радиоэлектронной аппаратуры на показатели назначения изделия

2.3.1. Численное моделирование влияния технологических факторов на распределение показателей назначения балансного смесителя

2.3.1.1. Описание объекта исследования

2.3.1.2. Статистический анализ влияния технологического разброса параметров конструкции и нелинейных элементов балансного смесителя на разброс его показателей назначения

2.3.2. Численное моделирование влияния технологических факторов

на распределение показателей назначения субгармонического смесителя

2.3.2.1. Описание объекта исследования

2.3.2.2. Статистический анализ влияния технологического разброса параметров конструкции и нелинейных элементов субгармонического смесителя на разброс его показателей назначения

2.3.3. Численное моделирование влияния технологии изготовления нелинейных элементов на параметры их эквивалентных схем

2.4. Численное моделирование влияния параметров активной области нелинейных элементов на параметры их эквивалентных схем

2.5. Оценка соответствия результатов численного моделирования показателей назначения смесителей частот приемной радиоэлектронной аппаратуры и параметров эквивалентных схем нелинейных элементов экспериментальным данным

2.6. Выводы по главе

Глава 3. Разработка методики оптимизации параметров конструкции смесителей частот приемной радиоэлектронной аппаратуры для повышения технологического выхода годных изделий на этапе подготовки производства

3.1. Разработка алгоритма повышения технологического выхода годных смесителей частот

3.2. Разработка модуля обеспечения требуемых параметров эквивалентной схемы нелинейного элемента

3.3. Выбор рациональных параметров конструкции смесителей частот для обеспечения заданного уровня технологического выхода годных изделий

3.3.1. Выбор рациональных параметров конструкции балансного смесителя частот для повышения технологического выхода годных изделий

3.3.2. Выбор рациональных параметров конструкции субгармонического смесителя частот для повышения технологического выхода годных изделий

3.4. Выводы по главе

Глава 4. Разработка программного обеспечения для конструкторско-технологического проектирования смесителей частот приемной радиоэлектронной аппаратуры

Основные выводы и заключение

Список использованных источников

Перечень сокращений

БС - балансный смеситель частоты радиосигналов

ВАХ - вольт-амперная характеристика

ГИС - гибридная интегральная схема

ДБШ - диод с барьером Шоттки

ИС - интегральная схема

КП - коэффициент передачи

КЧ - комбинационная частота

МИС - монолитная интегральная схема

МЛЭ - молекулярно-лучевая эпитаксия

МС - монослой

НЭ - нелинейный элемент

ОК - омический контакт

ПКО - приконтактная область

РТД - резонансно-туннельный диод

РЭА - радиоэлектронная аппаратура

САПР - система автоматизированного проектирования

СГС - субгармонический смеситель частоты радиосигналов

ТП - технологический процесс

УНПЧ - устройство для нелинейных преобразований частоты

6

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обеспечение технологичности смесителей частот приемной радиоэлектронной аппаратуры на этапе подготовки производства»

Актуальность работы

Ключевую роль в формировании показателей назначения радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) играют устройства для преобразования частоты радиосигналов, такие как диодные смесители частот (СмЧ). Ключевым модулем СмЧ являются нелинейные элементы (НЭ) - их параметры оказывают доминирующее влияние на показатели назначения СмЧ. Использование резонансно-туннельных диодов (РТД) в качестве НЭ СмЧ позволяет улучшить показатели назначения данных устройств за счет обусловленных конструкцией диода и механизмом его функционирования преимуществ перед другими НЭ. Перспективность данного подхода подтверждается работами T. C. L. G. Sollner, R. Tsu, L. Esaki, M. Asada, S. Suzuki, С. А. Мешкова, Ю. А. Иванова, И. А. Обухова, И. И. Абрамова, В. Ф. Елесина, Д. В. Громова, Н. В. Алкеева, А. А. Дорофеева и других отечественных и зарубежных авторов.

Вместе с тем, конструкторско-технологическая подготовка производства (КТПП) СмЧ приемной РЭА характеризуется высокой трудоемкостью этапа отработки изделий на технологичность, на котором обеспечиваются технологическая рациональность и преемственность конструкции изделия. Данный факт обусловлен недостаточной развитостью средств проектирования -существующие инженерные методики проектирования СмЧ не позволяют в полной мере учесть доминирующий вклад параметров конструкции НЭ и влияние технологических факторов на формирование показателей назначения СмЧ, что сужает круг возможных конструкторско-технологических решений и осложняет их поиск в процессе разработки СмЧ.

На основании изложенного представляется актуальной, имеющей важное научное и практическое значение работа, направленная на обеспечение технологичности СмЧ приемной РЭА на этапе подготовки производства.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является повышение технологичности смесителей частот приемной радиоэлектронной аппаратуры на этапе подготовки производства.

Основные решаемые задачи:

1. Разработать методику прогнозирования показателей назначения смесителей частот приемной радиоэлектронной аппаратуры, позволяющую учитывать влияние технологических факторов;

2. Разработать методику оптимизации параметров конструкции смесителей частот приемной радиоэлектронной аппаратуры для повышения технологического выхода годных изделий на этапе подготовки производства;

3. Разработать программное обеспечение, предназначенное для конструкторско-технологического проектирования смесителей частот приемной радиоэлектронной аппаратуры.

Методы исследования. В работе использовались фундаментальные положения технологии приборостроения, радиотехники, управления качеством. Для прогнозирования показателей назначения СмЧ приемной РЭА использовались методы теории линейных и нелинейных электрических цепей, электродинамического анализа микроволновых структур, методы численного моделирования процессов переноса вещества и заряда. Для прогнозирования технологического выхода годных изделий применялся метод вероятностного моделирования. Разработанные методики оптимизации базируются на методах нулевого и первого порядков с использованием методов теории чувствительности параметров РЭА.

Научная новизна Новыми научными результатами, полученными автором, являются: 1. Создана комплексная математическая модель смесителей частот приемной радиоэлектронной аппаратуры, позволяющая учесть влияние технологии изготовления в процессе прогнозирования их показателей назначения, которая представляет собой суперпозицию стохастической и детерминированной моделей, учитывающих доминирующий вклад параметров нелинейных

элементов в формирование показателей назначения смесителей и формализующих влияние технологических факторов; 2. Разработан алгоритм оптимизации параметров конструкции смесителей частот приемной радиоэлектронной аппаратуры с учетом влияния технологии изготовления, позволяющий на этапе подготовки производства обеспечить заданный уровень технологического выхода годных изделий. Задача оптимизации решается поэтапно: на первом этапе осуществляется поиск сочетания параметров конструкции изделия, обеспечивающего попадание показателей назначения в заданные допуски, на втором - коррекция параметров полученного решения с учетом технологических факторов для обеспечения требуемого уровня технологического выхода годных изделий.

Практическая ценность работы

1. Разработана реализованная в виде программного комплекса методика, позволяющая прогнозировать показатели назначения и технологический выход годных смесителей частот приемной радиоэлектронной аппаратуры;

2. Разработана реализованная в виде программного комплекса методика, позволяющая на этапе подготовки производства оптимизировать параметры конструкции смесителей частот приемной радиоэлектронной аппаратуры для достижения заданного уровня технологического выхода годных изделий в заданных условиях производства.

Достоверность и обоснованность научных положений и результатов. Обоснованность теоретических положений обусловлена соответствием используемых в диссертационной работе методов исследования объекту исследования и протекающим в нем физическим процессам.

Достоверность результатов обеспечивается экспериментальной проверкой с использованием высокотехнологичного, поверенного измерительного оборудования и аттестованных методик измерения. Полученные результаты численного моделирования соответствуют экспериментальным данным и согласуются с современными научными представлениями и данными отечественных и зарубежных научно-технических источников в данной области.

Обоснованность и достоверность полученных в работе результатов подтверждаются результатами обсуждения на международных и российских научно-технических конференциях, а также публикациями в научных изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, и изданиях, реферируемых в международных базах Web of Science и Scopus.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Для решения задачи обеспечения технологичности смесителей частот приемной радиоэлектронной аппаратуры следует использовать комплексную математическую модель изделия, позволяющую учесть влияние технологии изготовления и представляющую собой сочетание детерминированной и стохастической моделей, учитывающих доминирующий вклад параметров нелинейного элемента в формирование показателей назначения смесителя и формализующих влияние на них технологических факторов;

2. Доминирующий вклад в технологический разброс показателей назначения смесителей частот приемной радиоэлектронной аппаратуры вносят технологические погрешности параметров нелинейных элементов, обусловленные погрешностями технологических операций формирования активной области элементов и процессов фотолитографии;

3. Алгоритм оптимизации параметров конструкции смесителей частот для обеспечения заданного уровня технологичности основан на последовательном решении задач обеспечения соответствия показателей назначения установленным допускам и максимизации технологического выхода годных смесителей в заданных условиях производства.

Личный вклад автора. Все основные научные положения, определение цели, постановка задач, выводы и рекомендации сформулированы лично автором. Результаты теоретических исследований получены лично автором, экспериментальные исследования проводились с его участием. Личное участие автора в получении изложенных в диссертации результатов отражено в публикациях и подтверждено соавторами. Во всех необходимых случаях

заимствования чужих результатов в диссертации приведены ссылки на литературные источники.

Апробация работы. Вошедшие в диссертацию результаты докладывались и обсуждались на 9 научно-технических конференциях, в частности: International Russian Automation Conference «RusAutoCon 2023» (г. Сочи, 2023 г.), «Молодежный конкурс научно-технических работ и проектов на соискание премии им. академика А. И. Берга» (Москва, 2021 г.), International Russian Automation Conference «RusAutoCon 2020» ( г. Сочи, 2020 г.); IAA/AAS SciTech Forum 2020 Cyber Edition International (г. Москва, 2020 г.); Conference on Modern Trends in Manufacturing Technologies and Equipment 2020 «ICMTMTE 2020» (г. Севастополь, 2020 г.); XV Международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления» (г. Томск, 2019 г.); International Russian Automation Conference «RusAutoCon 2019» ( г. Сочи, 2019 г.); International Russian Automation Conference «RusAutoCon 2018» (г. Сочи, 2018 г.); Международной НТК «Energy Management of Municipal Facilities and Sustainable Energy Technologies 2018 (EMMFT 2018)» (г. Воронеж, 2018 г.).

Внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены в НИИ радиоэлектроники и лазерной техники МГТУ им. Н. Э. Баумана, а также в учебный процесс подготовки дипломированных специалистов по специальности «Проектирование и технология радиоэлектронных средств», магистров и бакалавров по направлению «Наноинженерия» МГТУ им. Н. Э. Баумана, что подтверждается актами, приложенными к диссертации.

Публикации. Основное содержание работы отражено в 7 работах (из них 3 статьи в изданиях из перечня ВАК РФ, 4 статьи в материалах международных и российских научно-технических конференций), 3 работы из перечисленных - в журналах, индексируемых в наукометрических базах Scopus и Web of Science. Общий объем 3,3 п. л./1,3 п. л.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка используемой литературы. Содержит 182 страницы, в том числе 165 страниц основного текста. Список используемых источников содержит

163 наименования и приведен на 17 страницах. Работа содержит 85 иллюстраций и 41 таблицу.

Глава 1. Обоснование актуальности проблемы обеспечения технологичности смесителей частот приемной радиоэлектронной аппаратуры на этапе подготовки производства

1.1. Анализ современного состояния и тенденций развития смесителей частот приемной радиоэлектронной аппаратуры

В процессе передачи информации в радиоэлектронной аппаратуре осуществляются частотные преобразования сигналов: перенос спектра частот выходного сигнала вверх и модуляция несущей частоты в передающих устройствах, в приемных - понижающее преобразование и демодуляция. В качестве альтернативы сложению и вычитанию частот широко используются нерезонансное умножение либо деление частоты. Перечисленные операции выполняются с помощью таких устройств для нелинейных преобразований частоты радиосигналов (УНПЧ) как модуляторы, смесители, умножители, детекторы и делители частоты. В свою очередь, показатели назначения УНПЧ, главным образом, определяются его НЭ - диодом либо транзистором.

Развитие радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), применяемой в различных областях жизни общества, предполагает расширение их функциональных возможностей, что является причиной непрерывного роста требований к техническим характеристикам данной аппаратуры. Одним из путей улучшения показателей назначения приемной РЭА радиосигналов является расширение диапазона рабочих частот и повышение помехоустойчивости. Основным вариантом исполнения современных РЭА СВЧ и КВЧ диапазонов является схема с преобразованием частоты, для которой характерна доминирующая роль показателей назначения входящих в состав аппаратуры смесителей частот (СмЧ) в формировании показателей назначения данной аппаратуры. К показателям назначения СмЧ [1, 2] можно отнести: коэффициент преобразования; развязку трактов промежуточной частоты, гетеродина и сигнала; диапазон рабочих частот; коэффициент шума; ширину динамического диапазона по уровню 1дБ -

компрессии и интермодуляционных компонент; уровни нежелательных комбинационных составляющих в спектре выходного сигнала и др.

При проектировании СмЧ РЭС решаются три основных задачи: обеспечение заданного уровня показателей назначения изделия, технологичности его конструкции и надежности в заданных условиях эксплуатации. Обобщенная функция качества может быть записана как [3-6]:

F = f(Y,T,R), (1.1)

где У - вектор показателей назначения; Т - показатели технологичности; Я -показатели надежности изделия.

В СВЧ и КВЧ диапазонах основным типом НЭ СмЧ является диод с барьером Шоттки (ДБШ), обладающий экспоненциальной формой ВАХ [3]. Данная особенность ДБШ обусловливает появление побочных каналов приема и паразитных гармоник в спектре выходного сигнала, что снижает помехоустойчивость СмЧ. Также, подобная ВАХ обусловливает высокий уровень нелинейных искажений, возникающих при обработке сигналов данным типом НЭ. Для борьбы с рассмотренными недостатками СмЧ, в качестве нелинейного элемента и создания более бедного выходного спектра в радиоэлектронной аппаратуре применяют балансные схемы, включающие в себя четное количество НЭ. Отличительной чертой СмЧ, спроектированных в балансном исполнении, является повышенная по сравнению с однодиодными схемами мощность гетеродина. Кроме того, большая конструктивная сложность балансных исполнений СмЧ обусловлена включением в схему прибора направленных ответвителей или аналогичных узлов для распределения мощностей сигнала и гетеродина между НЭ. Усложнение схемы прибора является еще одним недостатком балансного исполнения СмЧ, выражаясь в увеличении габаритов прибора. Технически реализуемы одно- либо двухбалансные исполнения.

Таким образом, применение ДБШ в качестве НЭ СмЧ приемной РЭА накладывает ограничения на динамический диапазон обрабатываемых сигналов, а также помехоустойчивость прибора.

Одной из альтернатив, позволяющих улучшить показатели назначения СмЧ приемной РЭА, представляется использование элементной базы с вариабельностью формы ВАХ [7]. К данному типу элементной базы относятся резонансно-туннельные диоды (РТД) на основе полупроводниковых двухбарьерных гетероструктур, выполненных из полупроводников III и V групп периодической таблицы элементов.

Исследованиям РТД и создаваемых на его основе устройств посвящено множество работ отечественных и зарубежных исследователей: так исследования [1-12, 20-31] посвящены вопросам применения РТД в СмЧ приемной РЭА.

Отличительной особенностью активной области РТД является возможность адаптирования формы ВАХ под требования конкретного прибора за счет изменения параметров конструкции диода: ВАХ РТД определяется толщинами и химическим составом слоев активной области, варьируя которые, можно целенаправленно изменять форму ВАХ диода [3, 14, 20, 22, 26]. Механизм резонансного туннелирования носителей заряда поперек слоев активной области, лежащий в основе функционирования РТД, обладает на порядки большим быстродействием по сравнению с классическим механизмом токопереноса, что позволяет добиться расширения рабочего диапазона частот вплоть до ТГц [8-12], что позволяет создавать СмЧ, работающие в КВЧ и ТГц диапазонах.

Форма вольт-амперной характеристики (ВАХ) РТД крайне чувствительна к варьированию толщин и химического состава слоев активной области, что позволяет формировать структуры с ВАХ, оптимизированной под конкретный прибор [13-15]. Применение РТД позволяет расширить динамический диапазон изделия по компрессии и интермодуляции [20-30]. В работах [22, 23, 25-29] проведен сравнительный анализ показателей назначения субгармонических СмЧ на основе ДБШ и РТД, представлены параметры конструкции РТД и форма ВАХ, позволяющие добиться описанного улучшения показателей назначения изделия.

Теоретическому и экспериментальному исследованию возможностей применения РТД в радиотехнике посвящена обширная библиография. Одними из первых исследования в данной области начали T. Sollner и E. Brown [16-19].

Согласно [20], РТД имеет целый ряд возможных применений в области нелинейных преобразований - с его помощью возможно осуществлять весь перечень актуальных для приемных РЭА преобразований частоты. Для практического применения РТД важно отметить, что данный тип диодов способен функционировать в диапазоне температур и иных внешних воздействий, соответствующим условиям эксплуатации современной РЭА, а его производство может быть организовано посредством отработанных технологий [20].

Одной из проблем при проектировании СмЧ СВЧ и КВЧ диапазона является реализация гетеродина, обеспечивающего требуемый уровень мощности в рабочем диапазоне частот. Одним из ее решений является использование субгармонических СмЧ работающих на второй и более высоких гармониках гетеродина [22-29], другим вариантом является использование умножительных каскадов - в работах [32-34] показаны результаты проектирования умножителей частоты КВЧ-диапазона на основе РТД. Как показано в [10, 11, 19, 32, 34] РТД способны функционировать на частотах вплоть до единиц ТГц, а наличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением позволяет также рассматривать их в качестве генераторных НЭ или НЭ для преобразований с усилением. Отдельно следует отметить обзорную статью [37], которая содержит указания на 99 публикаций различных научных коллективов и исследователей за период 1987-2021 г., посвященных применению НЭ на основе А1Ав/ОаАв активных областей в ТГц диапазоне частот, 50 из которых опубликованы в период с 2016 г. по настоящее время, что подтверждает актуальность РТД как НЭ устройств для преобразования частот.

Таким образом, показано, что РТД являются перспективными НЭ для СмЧ, и умножителей частоты, а также могут быть использованы в качестве генераторов за счет наличия участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Исследования надежности СмЧ на основе РТД концентрируются на рассмотрении деградационных процессов, протекающих в структуре диода. Проведенные в МГТУ им. Н. Э. Баумана исследования [38-52] показали, что наиболее уязвимым узлом СмЧ приемной РЭА с точки зрения надежности

является НЭ, т.к. доля отказов пассивных элементов СмЧ мала, а доминирующей причиной отказов СмЧ являются постепенные отказы нелинейного элемента, вызванные процессами необратимой деградации электрофизических характеристик диода под действием дестабилизирующих эксплуатационных факторов. В случае воздействия температурного фактора деградация обусловлена диффузионным размытием в слоях активной области, легированных полупроводниковых областей и омических контактов НЭ, причем для температур, характерных для эксплуатации РТД (80...150 °С), доминирующим является последний процесс [41-46, 48-52]. Математическая модель деградации электрофизических характеристик РТД в условиях воздействия температурного фактора была получена ранее Макеевым М. О. [48-52], методология обеспечения надежности СмЧ приемной РЭА предложена С. А. Мешковым в [3].

Задача обеспечения технологичности СмЧ приемной РЭА является актуальной проблемой, решению которой посвящены работы отечественных и зарубежных авторов [4-6, 39, 40, 53-62]. Данная задача решается на этапе конструкторско-технологической подготовки производства (КТПП), конкретно -на этапе отработки конструкции изделия на технологичность (Рисунок 1.1), на котором решаются обеспечивается технологическая рациональность конструкции, технологическая и конструктивная преемственность СмЧ [63-65]. Согласно [66, 67] к основным показателям технологичности данных изделий относится технологический выход годных, определяемый как отношение количества изделий, отвечающих заданным требованиям, к общему объему партии.

^ Конец 3

Рисунок 1.1.

Алгоритм обеспечения технологической рациональности конструкции СмЧ

приемной РЭА на этапе КТПП

Как видно из представленного на Рисунке 1.1 алгоритма, процесс отработки конструкции СмЧ приемной РЭА на технологичность разделен на две основных стадии - обеспечение показателей качества изделия расчетными методами с помощью его математической модели и экспериментальная проверка полученного конструкторско-технологического исполнения изделия на

соответствие требованиям к уровню показателей назначения, надежности и технологичности путем производства и проведения испытаний опытной партии СмЧ. Очевидно, что второй этап отличается большей трудоемкостью и ресурсоемкостью по сравнению с первым, потому актуальной представляется задача снижения трудоемкости процесса отработки конструкции СмЧ на технологичность за счет совершенствования математической модели изделия.

Работы [4, 5, 57-59] посвящены решению данной задачи для интегральных схем, однако они не учитывают конструктивных и технологических особенностей рассматриваемого в данной диссертационной работе НЭ, что снижает точность прогнозирования показателей назначения и технологического выхода СмЧ. Рассмотренные в перечисленных трудах методики прогнозирования технологического выхода годных СмЧ не учитывают влияния технологических разбросов и корреляционных связей параметров эквивалентной схемы НЭ под влиянием технологических погрешностей параметров конструкции на распределения показателей назначения изделия, что снижает адекватность получаемых оценок, не позволяя эффективно решать задачу обеспечения заданного уровня технологического выхода годных СмЧ. В [53-57, 60-62] описаны способы повышения быстродействия численных методов прогнозирования технологического выхода годных изделий.

Таким образом, перечисленные несовершенства существующих методик прогнозирования показателей назначения и технологического выхода годных СмЧ обусловливают необходимость проведения анализа конструктивных и технологических особенности изделий и их НЭ, возможностей и недостатков существующих математических моделей СмЧ и методик прогнозирования и обеспечения требуемого уровня технологического выхода годных СмЧ для определения направлений совершенствования математических моделей СмЧ приемной РЭА.

1.2. Анализ конструкций смесителей частот приемной радиоэлектронной аппаратуры, а также технологий их изготовления

Задача СмЧ состоит в осуществлении переноса частотного спектра входного сигнала частоты /с вверх или вниз на величину одной из гармоник гетеродина частоты /, в результате чего в выходном спектре образуются комбинационные составляющие с частотами (КЧ) вида т/с ± п/Г (т - число гармоник сигнала, п -число гармоник гетеродина).

Конструкция СмЧ состоит из подложки и расположенных на ней НЭ и цепей согласования [21, 68], а также цепей фильтрации на входе и выходе. Примем, что ВАХ НЭ описывается зависимостью следующего вида:

т = ъ?=0<ки1, (1.2)

где щ - коэффициенты полинома, определяющие крутизну ВАХ, и - полное напряжение на НЭ, равное сумме мгновенного значения напряжения и и напряжения смещения исмещ:

и = инэ + исмещ, (1.3)

Зададим напряжения, подаваемые на сигнальный (1.4) и гетеродинный (1.5) тракты. Напряжение гетеродинного тракта будем считать гармоническим, сигнального - модулированным по амплитуде и/или частоте:

исЮ = (/ ыс(г)бХ + вс), (1.4)

иг(£) = Uгcos (ы^ + 6г), (1.5)

На НЭ подается напряжение с мгновенным значением, равным сумме напряжений на сигнальном и гетеродинном трактах:

ицэ (0 = иг(г) + ис(г), (1.6)

Подставим (1.6) в (1.3), затем (1.3) в (1.2), для простоты положив исмещ равным нулю:

1НЭ = а010 + а1(иТ + ис) + а2(иг + ис)2 + а3(иг + ис)3 + —+ аы(иг + ис)м, (1.7) Раскроем скобки:

= а010 + а±иг + а±ис + а2и2 + 2а2игис + а2и2 + а3и3 + 3а3и^ис +

+3а3иги'2 + —+ аы(иг + ис)ы, (1.8)

Как видно из (1.8) в уравнении присутствуют слагаемые, содержащие произведения вида , представляющие собой комбинационные составляющие с КЧ вида т/с ± п/г.

Коэффициент преобразования, по определению, представляет собой отношение мощности преобразованного сигнала к мощности входного, т.е. мощности промежуточной частоты к мощности входного сигнала:

У = ЦПЧ^вых, (1.9)

1вх 4двх

где gвых - проводимость выходного тракта (тракта ПЧ); ¡вх - ток эквивалентного источника, объединяющего ток сигнального и гетеродинного трактов; -эквивалентная проводимость входного тракта.

На практике, для расчета коэффициента преобразования, уровней комбинационных составляющих в спектре выходного сигнала и других показателей назначения смесителя применяются САПР, реализующие численные методы решения данной задачи.

Перейдем к рассмотрению конструкций СмЧ. Традиционно СмЧ реализуются в виде схем с четным количеством НЭ или с одиночным НЭ. К первым относятся балансные, двойные балансные и кольцевые схемы, ко вторым - однотактные. Альтернативной классификацией СмЧ является классификация по гармонике гетеродина, используемой для получения ПЧ -выделяют СмЧ на основной (первой) гармонике гетеродина и субгармонические СмЧ, работающие на второй и более высоких гармониках.

В случае балансной схемы в СмЧ (БС) устанавливается два НЭ и присутствует два независимых входа сигнала и гетеродина. В качестве полезных составляющих выходного спектра в таких схемах выступают четные комбинационные составляющие, поэтому для них оптимальны НЭ с квадратичной формой начального участка ВАХ [21, 30, 68]. Преимуществом балансных схем является возможность подавления амплитудных шумов гетеродина. С другой стороны, параллельное соединение НЭ снижает выходное сопротивление схемы вдвое, что облегчает задачу согласования с малошумящим усилителем

промежуточной частоты на выходе приемника и снижает потери преобразования по сравнению с однодиодными аналогами. Недостатком балансного исполнения по сравнению с однодиодными схемами является его конструктивная сложность и большие габариты.

Более редкое и еще более конструктивно сложное двойное балансное (ДБС) исполнение смесителей частот обладает более чистым по сравнению с БС спектром преобразованного сигнала и характеризуется меньшими потерями преобразования, более широким динамическим диапазоном, большей развязкой входов и увеличенной входной мощностью. Одной из проблем в проектировании БС и двойных балансных смесителей является сложность проектирования направленных ответвителей, сумматоров и делителей мощности, обладающих низкими потерями.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Черкасов Кирилл Вячеславович, 2024 год

// // //

// // ?

у/

О 0,5 1 1,5 2 2,5

и, V

—— Эксперимент — — Расчет

Рисунок 2.56.

Прямая ветвь начального участка ВАХ НЭ БС: сплошная линия - осредненная экспериментальная; штриховая - теоретическая

Сравнение показало, что разработанная детерминированная модель НЭ позволяет прогнозировать ВАХ одиночного НЭ с максимальным отклонением 4,81% от осредненной экспериментальной и обеспечивает точность моделирования паразитных параметров со следующими значениями отклонений: для последовательного сопротивления потерь - 1,4% (результат прогнозирования - 0,4176 Ом, выборочное среднее экспериментальной выборки - 0,4124 Ом), для паразитной емкости - 3,16% (результат прогнозирования - 0,249 пФ, выборочное среднее экспериментальной выборки - 0,257 пФ), для паразитной индуктивности - 5,5% (результат прогнозирования - 9,27 пГн, выборочное среднее экспериментальной выборки - 9,81 пГн).

Оценена адекватность результатов вероятностного моделирования распределений параметров эквивалентной схемы НЭ БС посредством оценки статистической значимости различия выборочных средних и дисперсий по критериям Стьюдента и Фишера (Таблицы 27-30), а также оценено соответствие законов распределений статистических и полученных экспериментально выборок по критерию х2. Доверительная вероятность проводимых оценок - 0,95.

Таблица 27.

Параметры статистического и экспериментального распределений тока в рабочей точке ВАХ НЭ БС и значения критериев Стьюдента и Фишера

Параметры распределения Выборка

Эксперимент Моделирование

Среднее значение, А 0,0034 0,0037

СКО, А 0,0015 0,0014

Дисперсия, А2 0,00000230 0,00000190

Ррасч 0,8230

tрасч 1,0424

Ркр.мин. 0,5847

Ркр.макс. 1,5821 1,9787

Исходя из рассчитанных значений критериев Стьюдента и Фишера, можно утверждать, что различие выборочных средних и дисперсий статистических и

экспериментально полученных распределений параметров эквивалентной схемы НЭ статистически не значимы с доверительной вероятностью 0,95.

Таблица 28.

Параметры статистического и экспериментального распределений последовательного сопротивления потерь НЭ БС и значения критериев

Стьюдента и Фишера

Параметры распределения Выборка

Эксперимент Моделирование

Среднее значение, Ом 0,4124 0,4176

СКО, Ом 0,0859 0,0793

Дисперсия, Ом2 0,0074 0,0063

Ррасч. 0,8526

1расч. 0,2936

Ркр.мин. 0,5847

Ркр.макс. 1,5821 1,9787

Таблица 29.

Параметры статистического и экспериментального распределений паразитной емкости НЭ БС и значения критериев Стьюдента и Фишера

Параметры распределения Выборка

Эксперимент Моделирование

Среднее значение, пФ 0,2572 0,2502

СКО, пФ 0,0304 0,0267

Дисперсия, пФ2 0,0009 0,00071

Ррасч. 0,7698

tрасч. 1,1296

Ркр.мин. 0,5847 ^хр.

Ркр.макс. 1,5821 1,9787

Значения критерия х2 составили (критическое значение критерия х2 при доверительной вероятности 0,95 - 12,59): для распределений тока в рабочей точке ВАХ - 9,87; для распределений последовательного сопротивления потерь - 11,15; для распределений паразитной емкости - 9,30; для распределений паразитной

индуктивности - 7,20. Таким образом можно утверждать, что частоты статистических и полученных экспериментально распределений согласуются с доверительной вероятностью 0,95.

Таблица 30.

Параметры статистического и экспериментального распределений паразитной индуктивности НЭ БС и значения критериев Стьюдента и Фишера

Параметры распределения Выборка

Эксперимент Моделирование

Среднее значение, пГн 9,8033 9,8020

СКО, пГн 0,3740 0,3369

Дисперсия, пГн2 0,1399 0,1135

Fрасч 0,8113

tрасч 0,0175

Fкр.мин. 0,5847

Fкр.макс. 1,5821 1,9787

Аналогичное исследование проведено для НЭ СГС, результаты оценки адекватности представлены на Рисунках 2.57, 2.58 и в Таблицах 31-34. Сравнение показало, что максимальное отклонение по току теоретической ВАХ НЭ СГС от осредненной экспериментальной составляет 5,29% и обеспечивает точность моделирования паразитных параметров со следующими значениями отклонений: для последовательного сопротивления потерь - 4,2% (результат прогнозирования - 0,1213 Ом, выборочное среднее экспериментальной выборки - 0,1164 Ом), для паразитной емкости - 2,66% (результат прогнозирования - 0,489 пФ, выборочное среднее экспериментальной выборки - 0,502 пФ), для паразитной индуктивности - 5,5% (результат прогнозирования - 9,27 пГн, выборочное среднее экспериментальной выборки - 9,82 пГн).

0,07 (1,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0

а

//

и )/ //

7 //_

// у

0,5

1,5

1

и, В

— Эксперимент —Расчет

2,5

Рисунок 2.57.

Прямая ветвь начального участка ВАХ НЭ СГС: сплошная линия - осредненная экспериментальная; штриховая - теоретическая

Я ¿V)

1 II

о ™ ■ ■

□,<и?4 |>л«21 щюй* Й,]Ш IUJ.HI о,1 Ни К«, Ом

б)

8,9410 9,1947 9,4505 9,6954 9,8515 10,1075 10,3394 Индуктивность, пГн

в) г)

Рисунок 2.58.

Распределения экспериментально определенных параметров эквивалентной схемы НЭ СГС под действием технологических разбросов толщины спейсерных слоев: а) тока в рабочей точке ВАХ; б) последовательного сопротивления потерь; в) паразитной емкости; г) паразитной индуктивности

Значения критерия х2 составили (критическое значение критерия х2 при доверительной вероятности 0,95 - 12,59): для распределений тока в рабочей точке ВАХ - 4,17; для распределений последовательного сопротивления потерь - 5,04; для распределений паразитной емкости - 9,18; для распределений паразитной индуктивности - 9,68. Таким образом можно утверждать, что частоты статистических и полученных экспериментально распределений согласуются с доверительной вероятностью 0,95.

Таблица 31.

Параметры статистического и экспериментального распределений тока в рабочей точке ВАХ НЭ СГС и значения критериев Стьюдента и Фишера

Параметры распределения Выборка

Эксперимент Моделирование

Среднее значение, А 0,01881 0,01879

СКО, А 0,0075 0,0065

Дисперсия, А2 0,00006 0,00004

Ррасч 0,7481

1расч 0,0117

Ркр.мин. 0,5847 ^р.

Ркр.макс. 1,5821 1,9787

Таблица 32.

Параметры статистического и экспериментального распределений последовательного сопротивления потерь НЭ СГС и значения критериев

Стьюдента и Фишера

Параметры распределения Выборка

Эксперимент Моделирование

Среднее значение, Ом 0,1164 0,1213

СКО, Ом 0,0235 0,0237

Дисперсия, Ом2 0,0060 0,0056

Ррасч. 1,0143

1расч. 0,9929

Ркр.мин. 0,5847

Ркр.макс. 1,5821 1,9787

Таблица 33.

Параметры статистического и экспериментального распределений паразитной емкости НЭ СГС и значения критериев Стьюдента и Фишера

Параметры распределения Выборка

Эксперимент Моделирование

Среднее значение, пФ 0,5021 0,4860

СКО, пФ 0,0434 0,0387

Дисперсия, пФ2 0,0019 0,00150

Ррасч. 0,7698

tрасч. 1,1296

Ркр.мин. 0,5847

Ркр.макс. 1,5821 1,9787

Таблица 34.

Параметры статистического и экспериментального распределений паразитной индуктивности НЭ СГС и значения критериев Стьюдента и Фишера

Параметры распределения Выборка

Эксперимент Моделирование

Среднее значение, пГн 9,8269 9,7489

СКО, пГн 0,2765 0,2912

Дисперсия, пГн2 0,0765 0,0848

Fрасч 1,1087

tрасч 1,3387

Fкр.мин. 0,5847

Fкр.макс. 1,5821 1,9787

Сравнение результатов численного моделирования параметров эквивалентных схем НЭ с экспериментальными данными показало, что полученные теоретически результаты не противоречат экспериментальным данным.

Эксперимент по сравнению показателей назначения СГС и БС с РТД в качестве НЭ с показателями назначения аналогов на основе ДБШ проводился при участии автора в рамках НИР кафедры технологий приборостроения МГТУ им. Н.

Э. Баумана и подробно изложен в [3]. Показано, что приборы с РТД в качестве НЭ обеспечивают потери преобразования, сопоставимые с аналогами на основе ДБШ (15 дБ для СГС на основе ДБШ против 20 дБ для СГС на основе РТД, 9 дБ для БС на основе ДБШ против 11 дБ для БС на основе РТД), в то же время обеспечивая более широкий динамический диапазон по интермодуляции (определялся по положению точки IP3, 23 дБм для СГС на основе ДБШ против 35 дБм для СГС на основе РТД) и помехоустойчивость (определялась по подавлению паразитной КЧ с наиболее высоким уровнем мощности (КЧ 2-2 для исследованного БС) -минимальное значение коэффициента передачи КЧ 2-2 для БС на основе ДБШ составило -50 дБ, для БС на основе РТД —75 дБ). Также установлено, что для СГС на основе РТД уровень нежелательных комбинационных составляющих в спектре выходного сигнала на 10.30 дБ ниже, чем у аналога на основе ДБШ. Таким образом, можно утверждать, что важным преимуществом приборов на основе РТД по сравнению с аналогами на ДБШ является более широкий динамический диапазон и более низкий уровень нежелательных комбинационных составляющих выходного спектра сигнала.

Измерения, необходимые для оценки адекватности численного моделирования показателей назначения СмЧ проводятся на стенде, упрощенная структурная схема которого показана на Рисунке 2.59. Стенд состоит из генераторов Agilent E8257D, источника питания Agilent Е3615А, анализатора спектра Agilent 8565ЕС, персонального компьютера и вспомогательных устройств. Измерения проводились при участии инженера А. И. Романова.

Рисунок 2.59.

Схема стенда для измерения параметров спектра выходного сигнала СмЧ

приемной РЭА

Конструкция и топология исследуемого БС представлены на Рисунках 2.12, 2.13. Смеситель на базе микрополосковых линий передачи собран на поликоровой микрополосковой плате. Измерены коэффициенты передачи КЧ 1-1 и 2-2. Результаты сравнения показателей назначения одиночного прибора с осредненными экспериментальными показали, что максимальное отклонение осредненных экспериментальных значений КП КЧ 1-1 и 2-2 БС-ГИС от полученных теоретически не превышает 1,5 дБ для КЧ 1-1 и 2 дБ для КЧ 2-2.

Экспериментально полученные распределения показателей назначения БС-МИС на частоте 7,5 ГГц приведены на Рисунке 2.60, их параметры -в Таблице 35.

Расчетные значения критерия Стьюдента - 0,223 для КЧ 1-1 и 0,944 для КЧ 2-2 (критическое - 1,9787), критерия Фишера - 1,067 и 1,206 соответственно (минимально допустимое значение критерия - 0,5847, максимально допустимое -1,5821), значения критерия %2 составляют 3,74 для КЧ 1-1 и 5,89 для КЧ 2-2 при критическом значении 12,59, что позволяет сделать вывод о непротиворечивости теоретических и экспериментальных данных.

Рисунок 2.60.

Распределения экспериментально измеренных показателей назначения БС-МИС на частоте 7,5 ГГц: а) КП КЧ 1-1; б) КП КЧ 2-2

Таблица 35.

Параметры теоретических и экспериментальных распределений показателей

назначения БС-МИС

Показатель назначения Тип значения Среднее значение, дБ СКО, дБ Дисперсия, дБ2 Коэффициент вариации, %

КП КЧ 1-1 Моделирование -13,38 0,66 0,4382 4,79

Эксперимент -13,35 0,64 0,4105 3,28

КП КЧ 2-2 Моделирование -79,59 5,35 28,6201 6,72

Эксперимент -78,61 4,87 23,6417 6,20

Аналогичная оценка приведена для показателей назначения СГС. Как и БС, СГС выполнен на поликоровой подложке. Макет смесителя (Рисунок 2.61) обеспечивает возможность быстрой смены НЭ за счет размещения активной и пассивной частей изделия в отдельных корпусах, соединяемых коаксиальным переходом.

Рисунок 2.61. Макет исследуемого СГС диапазона 10.. .11 ГГц

Для определения положения точки 1Р3 исследуемого смесителя используется модификация экспериментального стенда с рис. 2.60, изображенная на Рисунке 2.63. При проведении исследования на сигнальный вход СГС подаются два сигнала с расстройкой по частоте, сложение мощности которых происходит через направленный ответвитель. Измеряются уровни полезного и паразитного сигналов на выходе СмЧ при варьировании мощности входного сигнала. Положение точки 1Р3 при заданном уровне входного сигнала определяется посредством интерполяции зависимостей паразитного и полезного сигнала от мощности входного сигнала касательными.

Рисунок 2.62.

Структурная схема стенда для определения положения точки 1Р3 СмЧ

приемной РЭА

Сравнение результата прогнозирования КП КЧ 1-2 одиночного СГС с номинальными значениями параметров конструкции с осредненным

экспериментальным представлено на Рисунке 2.63. Показано, что максимальное отклонение теоретического значения КП КЧ 1-2 от экспериментального не превышает 0,8 дБ (6,67%).

Рисунок 2.63.

Теоретический и экспериментально измеренный КП КЧ 1 -2 исследуемого СГС

Распределения экспериментально измеренных показателей назначения приведены на Рисунке 2.64, их параметры - в Таблице 36.

Расчетные значения критерия Стьюдента - 0,5574 для КП КЧ 1-2, 0,8126 для верхней границы динамического диапазона по уровню 1дБ-компрессии и 1,4808 для положения точки 1Р3 (критическое - 1,9787), критерия Фишера - 1,1211, 1,1176 и 0,8542 соответственно (минимально допустимое значение критерия -0,5847, максимально допустимое - 1,5821), значения критерия %2 составляют 2,52 для КП КЧ 1-2, 3,21 для верхней границы динамического диапазона по уровню 1дБ-компрессии и 11,29 для положения точки 1Р3 при критическом значении 12,59, что позволяет сделать вывод о непротиворечивости результатов прогнозирования и экспериментальных данных.

Таким образом, в результате проведенного экспериментального исследования установлено, что разработанная комплексная модель СмЧ приемной РЭА позволяет осуществлять прогнозирование показателей назначения СмЧ и параметров эквивалентных схем их НЭ, что позволяет использовать разработанную модель при решении задачи обеспечения заданного уровня технологического выхода годных СмЧ в заданных условиях производства.

Рисунок 2.64.

Распределения экспериментально измеренных показателей назначения СГС на частоте 10,9 ГГц: а) КП КЧ 1-2; б) положение точки 1Р3; в) верхняя граница динамического диапазона по уровню 1дБ-компрессии

Таблица 36.

Параметры теоретических и экспериментальных распределений показателей

назначения СГС

Показатель назначения Тип значения Среднее значение СКО Дисперсия Коэффициент вариации, %

КП КЧ 1-2 Моделирование -12,16 дБ 0,18 дБ 0,0305 дБ2 1,45

Эксперимент -12,14 дБ 0,17 дБ 0,0301 дБ2 1,44

Дин. диап. по уровню 1дБ-компрессии Моделирование 10,02 дБм 0,37 дБм 0,1379 дБм2 3,71

Эксперимент 9,96 дБм 0,35 дБм 0,1261 дБм2 3,51

Положение точки1Р3 Моделирование 28,92 дБм 0,61 дБм 0,3764 дБм2 2,11

Эксперимент 29,12 дБм 0,66 дБм 0,4335 дБм2 2,27

На основе разработанной в главе 2 комплексной модели СмЧ и входящих в ее состав алгоритмов создана инженерная методика прогнозирования показателей назначения и технологического выхода годных СмЧ на этапе проектирования (Рисунок 2.65). Разработанная методика учитывает влияние технологии изготовления при прогнозировании показателей назначения СмЧ приемной РЭА на этапе подготовки производства, основываясь на предложенной в главе 2 комплексной математической модели СмЧ приемной РЭА.

Конец

Рисунок 2.65. Методика прогнозирования показателей назначения и технологического выхода годных СмЧ приемной РЭА в заданных условиях

производства

Последняя представляет собой сочетание стохастической и детерминированной моделей, учитывающих доминирующий вклад параметров НЭ в формирование показателей назначения СмЧ и формализующих влияние на них технологических факторов.

Для прогнозирования технологического выхода годных СмЧ исходные данные дополняются конструкторскими допусками на показатели назначения изделия, а также технологическими допусками на параметры его конструкции и информацией о законах их распределений, передаваемой в стохастическую модель СмЧ. Результатом прогнозирования являются: значение технологического выхода годных исследуемого прибора в заданных условиях производства и статистические распределения показателей назначения СмЧ и параметров эквивалентной схемы НЭ.

2.6. Выводы по главе 2

— Предложена обобщенная структурная схема обеспечения заданного уровня технологичности СмЧ приемной РЭА, основанная на последовательных преобразованиях в пространствах конструкторско-технологических параметров изделия и его показателей назначения и обосновывающая поэтапный подход к решению данной задачи.

— Предложена комплексная математическая модель СмЧ приемной РЭА, позволяющая учесть влияние технологии изготовления при прогнозировании показателей назначения изделия. Модель прибора сочетает стохастическую и детерминированную составляющие, учитывающие доминирующий вклад параметров эквивалентной схемы НЭ в формирование показателей назначения СмЧ и формализующих влияние на них технологических факторов.

— Установлено, что доминирующий вклад (до 90%) в технологический разброс показателей назначения смесителей частот приемной радиоэлектронной аппаратуры вносят технологические погрешности электрических параметров нелинейного элемента. В свою очередь, технологические погрешности

электрических параметров нелинейных элементов обусловлены процессами формирования параметров топологии элементов и слоев активной области с заданными толщинами и химическим составом.

— Посредством сравнения результатов численного моделирования показателей назначения СмЧ, параметров эквивалентной схемы НЭ и их статистических распределений с экспериментальными данными установлено, что теоретические результаты не противоречат экспериментальным данным.

— Разработана методика прогнозирования показателей назначения и технологического выхода годных СмЧ приемной РЭА, основанная на комплексной математической модели СмЧ. Методика позволяет на основе данных о номинальных значениях параметров конструкции СмЧ и НЭ, технологических допусках и законах распределения этих параметров, а также конструкторских допусках на показатели назначения изделия оценивать технологический выход годных СмЧ в заданных условиях производства расчетными методами и прогнозировать номинальные значения и статистические распределения показателей назначения СмЧ и параметров эквивалентной схемы НЭ.

— Полученные результаты позволяют перейти к проблеме повышения технологического выхода годных СмЧ приемной РЭА на этапе подготовки производства.

Глава 3. Разработка методики оптимизации параметров конструкции смесителей частот приемной радиоэлектронной аппаратуры для повышения технологического выхода годных изделий на этапе подготовки производства

3.1. Разработка алгоритма повышения технологического выхода годных смесителей частот

Наличие комплексной модели СмЧ и результатов исследований влияния технологических разбросов параметров изделий на их показатели назначения позволяет приступить к решению задачи повышения технологического выхода годных СмЧ. Основным отличием РТД от традиционной элементной базы, применяемой в качестве НЭ СмЧ, является вариативность формы ВАХ - в то время, как форма ВАХ традиционной элементной базы неизменна, форма ВАХ НЭ определяется параметрами слоев его активной области - их толщинами и химическим составом. Таким образом, можно выдвинуть гипотезу о возможности повышения технологического выхода годных СмЧ посредством подбора оптимальной для данного прибора формы ВАХ НЭ. Данный подход, теоретически изложенный в [124], обладает рядом преимуществ, как то: отсутствие изменений в технологии изготовления прибора, т.к. технологические допуски на параметры конструкции остаются неизменны, следовательно, нет необходимости в замене оборудования, переобучении персонала на предприятии, и иных сопутствующих этому мерах; отсутствие изменений в структуре оптимизируемого прибора -оптимизируются только номинальные значения параметров конструкции прибора и его показателей назначения, что обеспечивает преемственность конструкции изделия.

Для реализации предлагаемой в [124] методологии предусмотрено введение этапа конструкторско-технологической (К-Т) оптимизации, позволяющего определить поправки на номинальные значения параметров конструкции прибора и его показателей назначения, максимизирующие заданную целевую функцию, при этом оставляя неизменными технологические допуски на параметры

конструкции и задаваемые конструктором допуски на показатели назначения оптимизируемого прибора. Данная методология позволяет получить оптимальное сочетание параметров конструкторско-технологического исполнения изделия ХСмЧ , обеспечивающие требуемый уровень показателей назначения уСмс и максимизирующие целевую функцию (ЦФ). Исходными данными являются: вектор параметров конструкции СмЧ ХСмЧ, в состав которого входят параметры конструкции НЭ Хцз; Значения показателей назначения изделия до оптимизации УСмЧ = у(ХСмЧ1,Х1с^,Л, а); технологические допуски на параметры конструкции СмЧ д; допуски на показатели назначения изделия А. Ограничения и допущения:

0.А = const; ХСмЧ £ ОТ, ХСмЧ £ ОК, где От, Ок - ограничения технологического и конструкторского характера соответственно. В качестве ЦФ выступает технологический выход годных изделий (2.66). Критерий оптимальности - РГ не менее требуемого значения (задано в ТЗ).

Для решения поставленной задачи автором разработан алгоритм (Рисунок 3.1), позволяющий производить оптимизацию показателей назначения СмЧ. Разработка алгоритма оптимизации параметров конструкции СмЧ для обеспечения заданного уровня технологического выхода годных изделий в заданных условиях производства основывается на допущении об устойчивости технологического процесса изготовления СмЧ и сопряжена с решением задачи обеспечения производительности алгоритма оптимизации, обусловленной необходимостью использования ресурсоемкого метода вероятностного моделирования при прогнозировании технологического выхода годных в процессе оптимизации. Для этого процесс оптимизации разделен на шесть последовательных этапов (Рисунок 3.1):

1. Подбор номинальных значений параметров конструкции СмЧ и НЭ, требуемых для получения заданного уровня показателей назначения;

2. Оценка технологического выхода годных для полученного сочетания номинальных значений;

3. Коррекция номиналов показателей назначения СмЧ в пределах заданных допусков с целью повышения технологического выхода годных изделий.

4. Проверка статистической значимости полученного приращения технологического выхода годных. Если приращение значимо - к п. 5, иначе -к п. 3.

5. Целенаправленный выбор номинальных значений параметров конструкции СмЧ и НЭ, обеспечивающих скорректированные показатели назначения изделия.

6. Проверка полученного решения путем сравнения оценки технологического выхода годных изделий для оптимизированной конструкции СмЧ с полученным в п. 4. Если различие статистически не значимо - конец процедуры, иначе - к п. 3.

Задача обеспечения попадания номиналов показателей назначения СмЧ в заданные допуски с учетом технологических факторов, решаемая на первом и пятом этапах разработанного алгоритма, состоит из двух подзадач: определения параметров конструкции СмЧ, включая параметры эквивалентной схемы НЭ, обеспечивающих соответствие показателей назначения СмЧ заданным требованиям, и целенаправленного выбора параметров конструкции НЭ для обеспечения требуемых параметров эквивалентной схемы.

Разработанный алгоритм построен на основе комплексной модели СмЧ (описана в главе 2), дополненной функцией поиска технологически рационального конструкторско-технологического исполнения изделия (этапы 3-5 приведенного выше алгоритма). Рассмотрим описанный процесс подробнее. На первом этапе производится поиск параметров конструкторско-технологического исполнения оптимизируемого изделия, обеспечивающих попадание его показателей назначения в заданные разработчиком допуски. На данном этапе НЭ рассматривается как эквивалентная схема (Рисунок 2. 4), параметры которой

являются частью вектора ХСмЧц. Целью оптимизации ^смЧц является попадание всех показателей назначения уСмч в Оптимизация

I- J

производится посредством встроенных в САПР РЭА модулей оптимизации параметров конструкции изделия, результатом работы данного этапа являются

векторы ХСмЧ и ^СмЧц , описывающие параметры конструкторско-

с-

СП

«

(и

ч

(и

н

се со

св И

О

с

к

к

«

о

Рч

К

се

«

К

(и

С

о

(и

ю

о

к

ЬЧ

к

ч

«

сп

К

ЬЧ

к

к

<и

К

ч

о

с

о

К

о

и

о

И

о

(и

ЕГ ЬЧ

К к

и к

о <и

ч ЕГ

о се

к к

X

(и се

н К

с

Ввод входных данных:

- Целевая форма ВАХ и значения параметров эквивалентной схемы СмЧ и НЭТ^сйч;

- Исходные параметры конструкции РТД^ргд;

- Параметры технологии изготовления СмЧ и НЭ Хт;

- Технологические разбросы параметров конструкции Щ-,

- Требуемая степень совпадения ВАХ синтезируемого НЭ с /ц ЦФГ

- Допуски на показатели назначения СмЧ, форму ВАХ и параметры эквивалентной схемы НЭ Д;

г

2 Алгоритм оценки технологического выхода годных СмЧ Расчет технологического выхода годных Рг = /Остат_СмЧ_НЭ«Д)

Коррекция номиналов показателей назначения СмЧ и НЭ с целью обеспечения требуемого технологического выхода годных К^снч^э.сгат« получение скорректированной выборки функциональных характеристик РТД ^стат.енч нэ.корр

Алгоритм целенаправленного выбора

параметров конструкции СмЧ и НЭ для

обеспечения заданного уровня показателей

1 назначения

Подбор номиналов параметров конструкции

■^олт снч НЭ' обеспечивающих требуемый

уровень показателей назначения У^СиЧ нэ =

/(•^огт.СнЧ.НЗ' %т)

Алгоритм оценки технологического выхода

годных СмЧ

3 Расчет скорректированного технологического ВЫХОДа ГОДНЫХ Рг корр = /(Усгат.СиЧ.НЭ.корр. Д)

Алгоритм оценки технологического выхода

годных СмЧ

2 Генерация выборки показателей назначения

Ктат.СмЧ.НЭ ~ А*оптСнЧ_ю.*Г,

Алгоритм целенаправленного выбора параметров конструкции СмЧ и НЭ для обеспечения заданного уровня показателей назначения

Подбор номиналов параметров конструкции ■^оггг снЧ нз стат' обеспечивающих требуемый уровень функциональных характеристик

*ц_СнЧ_НЭ.стат ~ /Х^огст.СмЧ.НЭ.стат- ^г)

б Алгоритм оценки технологического выхода годных СмЧ Генерация выборки показателей назначения Кгтлт.СмЧ.НЭ.овт = Д-^опт.СмЧ.НЭ.стат-^Г> <*т)

6 Алгоритм оценки технологического выхода годных Расчет оптимизированного выхода годных ^_опт=/(WCM4_H3_O.IT. й)

ЬЧ

к к

<и ЕГ (и С о (и ю о

2 л ч

(и Я"

«

К Ч (и

ч:

сп К

X

3 к ч: о

1-ч

ей «

О

х «

о

1-ч

о И о (и ЕГ

о

4 о к

X (и н ЬЧ

к «

о л

о

1-ч

о

к %

э

сп

На втором этапе посредством разработанной комплексной модели СмЧ производится оценка технологического выхода годных полученного конструкторско-технологического исполнения изделия. Исходными данными для

данного этапа являются полученные на первом этапе параметры ХСм Ч ц ,

технологические разбросы параметров конструкции а и параметры технологических режимов технологического процесса изготовления СмЧ и НЭ . С использованием приведенного на Рисунке 2.11 алгоритма проводится вероятностное моделирование показателей назначения СмЧ и оценка технологического выхода годных посредством представленного на Рисунке 2.10 высокоскоростного алгоритма. Если полученная оценка РГ превышает требуемое значение - проведение К-ТО не требуется и процесс завершается, иначе выполняется переход к этапу 3, в качестве исходных значений для которого передаются статистические распределения и номиналы показателей назначения

СмЧ >СмЧ гтя т и >СмЧ ,

На третьем этапе решается задача коррекции УСмЧном для максимизации технологического выхода годных изделий. На данном этапе принимается

допущение о неизменности форм распределений УСмЧ при варьировании

ГСмЧ . Введенное допущение позволяет решать задачу максимизации на данном

этапе без поиска параметров ХС м Ч , обеспечивающих УСм Ч т м на текущей итерации, и избежать проведения компьютерного статистического эксперимента для

получения УСмЧсттт на каждой итерации данного этапа К-ТО. Критерий оптимальности на данном этапе:

Ргворр (Усмч„„ „„„„ Д) = max (Р^Д)), С3-1)

где Яг - технологический выход годных для скорректированных номиналов

показателей назначения УСмЧ н° ° . Результатом работы данного этапа являются

скорректированные номиналы показателей назначения УСмЧ

ном

корр

обеспечивающие максимальный технологический выход годных изделий РГкорр.

На четвертом этапе выполняется проверка полученного решения путем сравнения статистической значимости различия технологического выхода годных изделий до и после коррекции номиналов показателей назначения по Z-критерию Фишера:

Ф„оррЛ)>2кР, (3.2>

Zкр — критическое значение Z-критерия. Различие считается статистически значимым при превышении критерием критического значения. Выполнение условия (5.2) является необходимым для перехода к следующему этапу К-ТО, в противном случае производится возврат к третьему этапу.

На пятом этапе выполняется поиск параметров конструкторско-технологического исполнения изделия, обеспечивающих скорректированные

показатели назначения изделия УС м Ч н(° ° °° н н . Данная задача подразделяется на три последовательно решаемых подзадачи:

1. Поиск параметров конструкторско-технологического исполнения

оптимизируемого СмЧ, обеспечивающих максимально близкие к УСмЧ

^корр

показатели назначения. Производится аналогично первому этапу К-Т оптимизации, НЭ представлен в виде параметров эквивалентной схемы. Результат - скорректированный вектор параметров конструкторско-

технологического исполнения ХСмЧ ° , в состав которого входят целевые

Цкорр

параметры эквивалентной схемы НЭ УН Э . . ;

2. Поиск параметров конструкторско-технологического исполнения НЭ ХН Э ,

обеспечивающих максимально близкие к УН Э . . параметры эквивалентной схемы

К

НЭ

опт -

3. Проверка полученного решения — подстановка УН° в конструкторско-

технологическое исполнение СмЧ ХСмЧ ° и сравнение показателей

Цкорр

назначения для изделия с синтезированным НЭ с УСмЧ ^ . Отклонение

любого из показателей назначения изделия от целевого не должно превышать 10%, в противном случае — повторение всего этапа.

Результатом выполнения пятого этапа являются параметры оптимизированные параметры конструкторско-технологического исполнения СмЧ ХС м Чоно , номиналы показателей назначения изделия УС м Ч° , обеспечиваемые данным исполнением.

Завершающим этапом цикла К-Т оптимизации является проверка полученного решения, для чего посредством компьютерного статистического эксперимента, проводимого с помощью модуля оценки технологического выхода годных изделий (Рисунок 2.11), выполняется оценка РГ для полученного конструкторско-технологического исполнения изделия ХСмЧ ^ и проверяется статистическая значимость различия целевого технологического выхода годных Рг определенного на третьем этапе К-Т оптимизации, и технологического

выхода годных изделий, обеспечиваемого найденным конструкторско -технологическим исполнением СмЧ Рг Проверка считается пройденной при выполнении условия (3.3), иначе происходит возврат к третьему этапу К-Т оптимизации и повторение описанного процесса:

7(рг ,РГ ) < 7кр, (3.3)

опт корр

Описанный подход минимизирует использование методов вероятностного моделирования в процессе поиска конструкторско-технологического исполнения изделия, отвечающего заданным требованиям, тем самым повышая эффективность процедуры оптимизации и снижая трудоемкость отработки конструкции НЭ и СмЧ на их основе на технологичность в процессе подготовки производства.

Однако, ввиду отсутствия в современных САПР моделей РТД, связывающих параметры конструкции НЭ с параметрами его эквивалентной схемы, использование встроенных в САПР РЭА модулей оптимизации для отыскания параметров конструкторско-технологического исполнения НЭ, обеспечивающих требуемые параметры эквивалентной схемы элемента, невозможно, следовательно, необходимо разработать модуль, решающий задачу обеспечения требуемых параметров эквивалентной схемы НЭ.

3.2. Разработка модуля обеспечения требуемых параметров эквивалентной схемы нелинейного элемента

Решается задача обеспечения требуемых параметров эквивалентной схемы НЭ. Для этого на основе описанной в главе 2 детерминированной модели НЭ разработан алгоритм оптимизации параметров конструкции НЭ. Целевой функцией является степень отклонения формы ВАХ НЭ от требуемой, выраженная в виде нормированной площади между требуемой ВАХ и полученной на текущей итерации (Рисунок 3.2):

1__

т(кицц(и))= 1=1 К1ц(и°, (3.4)

где 1(Ц) - ВАХ НЭ на текущей итерации процесса оптимизации; 1ц(Ц) - целевая ВАХ НЭ; К - количество разбиений вектора напряжения смещения.

Рисунок 3.2.

Графическое представление целевой функции алгоритма оптимизации параметров конструкции НЭ с целью обеспечения требуемых параметров эквивалентной

схемы нелинейного элемента

Управляемыми параметрами оптимизации являются номинальные значения параметров конструкции НЭ, ограничениями - попадание параметров эквивалентной схемы НЭ в заданные допуски ¿1НЭ и доминирующая степень полинома, описывающего начальный участок целевой ВАХ. Последняя

определяется по максимальному значению коэффициента при j-ом члене полинома, описывающего начальный участок ВАХ НЭ (2.65):

jmax = j, Aj = max (A), (3.5)

Где A - вектор коэффициентов при членах полинома, описывающего ВАХ НЭ.

Критерий оптимальности - попадание целевой функции в допуск - помимо целевой формы начального участка ВАХ НЭ задаются предельно допустимые отклонения в большую и меньшую стороны (Рисунок 3.3) Imax и Imin соответственно, для обоих отклонений вычисляется степень отклонения от целевой формы ВАХ

Ттах = Т(1тах(Ю,1ц(и)) и Tmin = T(Imin(Ю, k(U)). Тогда критерий оптимальности выглядит следующим образом:

'I(U)>In(U)j[l(U),In(U))

— Ттах,