Сверхузкополосный фильтр коротковолнового диапазона с высокоточной системой настройки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат технических наук Прокопьев, Тимур Викторович

• Прокопьев, Тимур Викторович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Прокопьев, Тимур Викторович

Обозначения и сокращения.

Введение.

Глава 1 Основные параметры и область применения перестраиваемых в широкой полосе частот узкополосных ВТСП фильтров.

1.1 Параметры полосно-пропускных ВТСП фильтров.

1.2 Область применения перестраиваемых ВТСП фильтров.

1.2.1 Основные направления использования ВТСП фильтров.

1.2.2 Анализ возможности использования перестраиваемого ВТСП фильтра для настройки электрически малых антенн. 1.

1.2.2.1 Применение ВТСП структур для настройки электрически малых антенн.

1.2.2.2 Использование перестраиваемого высокодобротного ВТСП контура для настройки и перестройки электрически ( ■ малых антенн.*

Выводы по главе 1.

Глава 2 Анализ способов управления параметрами и характеристиками ВТСП фильтра и особенности конструкции ВТСП фильтра, перестраиваемого электромеханическим способом.

2.1 Управляемые фильтры на основе ферромагнитных сред.

2.2 Фильтры, управляемые с помощью приложенного электрического поля.

2.3 Фильтры, управляемые механическим (электромеханическим) способом.,

2.4 Обоснование требований, предъявляемых к системе управления частотой настройки ВТСП фильтра.

Выводы по главе 2.

Глава 3 Способы и алгоритмы настройки узкополосного ВТСП фильтра на выбранную частоту рабочего канала.

3.1 Методы определения начальной, конечной частоты и методы настройки узкополосного ВТСП фильтра.1.

3.1.1 Фазовый метод.

3.1.2 Метод, использующий генератор коротких импульсов для определения центральной частоты ВТСП фильтра.

3.1.3 Метод, использующий ВТСП фильтр в качестве частото-задающего элемента генератора.

3.1.4 Амплитудный метод.,

3.1.5 Амплитудно-разностный метод.

Выводы по главе 3.

Глава 4 Анализ точностных, временных характеристик настройки и обоснование требований, предъявляемых к отдельным блокам и узлам системы.

4.1 Анализ характеристик ВТСП фильтра.

4.2 Анализ точности настройки фильтра при использовании амплитудно-разностного метода.

4.2.1 Связь сигнала ошибки с погрешностью настройки.

4.2.2 Влияние погрешности установки частоты и амплитуды гармоник

С ' I тестового сигнала на точность настройки фильтра.86

4.2.3 Влияние ширины зоны нечувствительности приемника тестового сигнала на точность настройки фильтра.

4.2.4 Влияние блока ФЧРК на точность настройки s , !'; ¡' фильтра.

4.2.5 Влияние различного времени коммутации 1 и 2 гармоник на точность настройки фильтра.

4.2.6 Анализ точности настройки амплитудно-разностного метода точной настройки (численными методами)

4.2.7 Оценка потерь в амплитуде принимаемого сигнала ' при прохождении через фильтр.Д00,

4.2.8 Учёт случайности погрешностей.

4.2.9 Требования к блокам, входящим в состав системы точной настройки.

4.3 Анализ точности настройки амплитудного метода.

• i . i

4.4 Сравнение рассмотренных выше методов настройки, допустимая неточность настройки. i <.

4.5 Оценка времени настройки ВТСП фильтра на частоту рабочего ¡ канала.

4.6 Анализ требований, предъявляемых к точности установки напряжения на пьезодвигателе.

Выводы к главе 4.

Глава 5 Описание, структурные схемы и исследование систем управления в лабораторных условиях.

5.1 Аналоговая система управления. Амплитудно-разностный метод.

5.2 Аналоговая система управления. Амплитудный метод.

5.3 Цифровая система управления. .153 •

Выводы по главе 5 . .:.:. 162.

Глава 6 Результаты сопряжения и - испытаний' ' цифровой системы управления совместно V • с ^ ВТСП .преселектором на объекте заказчика. . . .:,-.163;

6.1 Цель и объект испытаний.1. !

6.2 Выписка из Протокола №1 проведения наладочных и экспериментальных испытаний макета холодного ■преселектора : КВ диапазона, утвержденного Председателем комиссии по проведению испытаний К.; Ртищевым. . . .;.:.-.

6.3- Выписка из Протокола №2 проведения наладочных .:и экспериментальных испытаний; макета холодного преселектора \КВ диапазона, утвержденного Председателем комиссии по проведению испытаний К. Ртищевым. . . . . . .166,

6.4 Выписка из Акта проведения наладочных и экспериментальных испытаний макета холодного преселектора КВ • диапазона', утвержденного ВрИО руководителя ФГУП "18 ЦНИИ" МО РФ А.

Савельевым.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Сверхузкополосный фильтр коротковолнового диапазона с высокоточной системой настройки»

Диссертация посвящена исследованию методов, схем и алгоритмов управления параметрами высокодобротного фильтра коротковолнового (КВ) диапазона, построенного на основе высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) материалов, I включая анализ точности управления параметрами этого фильтра,,а также разработке высокоточной системы настройки и перестройки ВТСП фильтра в широкой полосе частот КВ диапазона. В качестве основной области применения таких фильтров в диссертации рассматриваются узкополосная фильтрация (преселекция) на входе радиоприемных устройств (РПУ) КВ диапазона с целью существенного улучшении их характеристик, а также возможность согласования, настройки и перестройки электрически малых вибраторных антенн (ЭМВА). I

Актуальность проблемы. 1

5 ' I '

В последние годы помеховая обстановка в радиоэфире

I I ! становится все более сложной. Основная причина этого явления

I к быстрый рост количества используемых радиотехнических систем (особенно беспроводных систем связи и передачи информации). I

Также прослеживается тенденция к увеличению объема потоков I передаваемой в радиоэфире информации так, с 1980г. удво.ение 1 1 количества информации происходит ежегодно [1]. Тем самым, 1 усложняющаяся проблема электромагнитной совместимости I радиосистем предъявляет все более жесткие требования к характеристикам разрабатываемых систем связи. Особенно . это I относится к КВ диапазону, где уровень взаимных помех на порядки I I превышает уровень полезного сигнала, а возможности пространственной селекции сигнала резко ограничены из-за ограниченных размеров антенн. Кроме того, из-за нелинейных явлений во входных цепях приемных устройств в последних I возникает интермодуляционные и другие нелинейные искажений,

- ' 1 фильтрация которых на промежуточной частоте малоэффективна.

Одним ; из наиболее удачных способов решения проблемы, помехозащищенности систем связи является увеличение их частотной избирательности, что достигается с помощью: управляемых высокодобротных фильтров. Требуемая на сегодняшний день .величина добротности подобных фильтров составляет 105.106 и более [2] . Параметры традиционных фильтров не. удовлетворяют ./вышеуказанным'; требованиям.; Достижение, : столь высоких величин добротностей фильтра, само по себе является трудной -задачей, которая ещё-более; усложняется. при необходимости осуществления управления; параметрами фильтра (такими как частота настройки фильтра,' его; полоса пропускания и др.) . В настоящее- время существует несколько типов фильтров, предельно достижимые величины1 .добротности которых позволяют приблизиться. . к существующим. требованиям. В частности, достаточно большую . величину добротности можно получить у фильтров на. основе кварцевых резонаторов, но, наряду с достоинствами,, к которым относятся высокая ■ ста бильность и : относительная^ простота конструкции, фильтры на кварцевых резонаторах. обладают значительным: недостатком - управление резонансной частотой в них возможно лишь в очень ' узких пределах. Весьма перспективной " является' разработка цифровых- фильтров, : однако> на: сегодняшний";; дёнь^ реализованные ' параметры аналого-цифровых преобразователей (разрядность, и быстродействие), показывают,' что^ подобные фильтры пока проигрывают по ряду характеристик (динамический диапазон1, уровень вносимых, шумов, обработка в- реальном масштабё времени :и т.п.). По этой.причине в • дальнейшем фильтры. указанных типовне рассматриваются. .

Возможность управления центральной частотой: в сочетании с •высокой. добротностью ,. реализуется в, аналоговых фильтрах, выполненных на основе материалов; обладающих эффектом высокотемпературной сверхпроводимости.' Достижения з этой области, в ближайшее время приведут к широкому использованию ВТСП устройств (в особенности фильтров) . в: .связи,: о чем косвенно свидетельствует современной - аппаратуре увеличивающееся''; • число публикаций ' по данной тематике [3-7] . К настоящему'- времени, известны работы [8-12], в которых рассматриваются фильтры с величиной добротности не менее 105 и с возможностью электромеханической перестройки центральной частоты в пределах нескольких октав. За последние годы созданы и запатентованы »[130 î также ВТСП фильтры с электронной перестройкой частоты. Однако, практическое применение ВТСП фильтров с электронной перестройкой частоты пока весьма ограничена из-за больших потерь в устройстве управления частой и малого интервала 'перестройки. Поэтому, наиболее пригодными для практического использования в настоящее î время являются ВТСП фильтры с электромеханической перестройкой частоты в широкой полосе частот, согласованной с полосой радиоприемных устройств. ! I

Использование высокодобротного ВТСП фильтра после антенной системы (в качестве преселектора на входе РПУ) позволяет lia I«' десятки децибел увеличить отношение сигнал-помеха на входе радиоприемного устройства [14] и во многих случаях является практически единственно возможным способом дальнейшего повышения 1 эффективности радиосистем. Подобные случаи возникают, как правило, в радиоприемных системах, когда уровень непреднамеренных внешних помех очень высок, а также в случае 1 когда радиоприему препятствуют мощные, специально создаваемые помехи. Понятно, что помимо высокой добротности подобные фильтры должны обладать большим динамическим диапазоном и малыми i î потерями в полосе пропускания. Весьма важным требованием,

1 ' ! - ■ предъявляемым к ВТСП фильтрам, является возможность гибкого i î управления характеристиками фильтра для адаптации их под г меняющуюся помеховую обстановку.

Весьма интересной областью применения перестраиваемого ВТСП i фильтра является рассмотрение возможности его использования для настройки электрически малых антенн (ЭМА) КВ диапазона. Известно, что ЭМА обладают узкой рабочей полосой частот. Но для ряда узкополосных сигналов КВ диапазона, это не является ограничением, а использование для настройки ЭМА перестраиваемого

ВТСП фильтра дает возможность настраивать ЭМА на произвольную •• î частоту КВ диапазона. . . •

При разработке сверхузкополосных с полосой частот в несколько сотен герц перестраиваемых фильтров в КВ и других диапазонах серьезной проблемой является разработка системы управления характеристиками этих фильтров, в частности частотой настройки, полосой пропускания и другими параметрами. Так абсолютная точность настройки фильтра на частотах 3-30 ■ МГц 1 должна соответствовать точности настройки радиоприемного устройства, которая составляет, у современных РПУ КВ диапазона 1 Гц. При электромеханическом способе перестройки фильтра такая точность настройки, на первый взгляд кажется нереализуемой. ' К началу исследований, проведенных в данной диссертации, в литературе практически отсутствовали какие либо сведения о I практических реализациях подобных систем управления. А имеющиеся отдельные публикации [15-17] по возможностям как электрической,

1 ! так и электромеханической перестройки фильтров, не позволяют I судить о возможности практического использования этих методов Ч! 1 для высокоточной настройки ВТСГ фильтров. .! * ! I I

Цель работы.

Целью данной работы является исследование и разработка различных методов и схем управления высокодобротным м перестраиваемым ВТСП фильтром при использовании его в качестве преселектора в существующих РПУ, а также, для настройки ЭМА КВ диапазона; разработка эффективных алгоритмов управления таким I фильтром; создание и экспериментальное исследование макетов

I ( 1 систем управления перестраиваемым ВТСП фильтров и их сопряжение с ВТСП фильтром и существующими приемными системами. | I * ! 1

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие основные Задачи:

I | >

- проведен анализ параметров перестраиваемых ВТСП фильтров при использовании в качестве преселектора и для настройки I

ЭМА КВ диапазона; I

- предложены и исследованы схемы и методы управления этими параметрами;

- предложен и проанализирован метод настройки и перестройки' электрически малых вибраторов с помощью управляемого ВТСП фильтра;

- разработаны алгоритмы настройки ВТСП фильтров, включая определение их текущих параметров;

- проанализированы точностные характеристики различных методов управления перестраиваемых ВТСП фильтров и установлены требования, предъявляемые к отдельным блокам системы управления; I

- по результатам теоретического анализа предложены, I разработаны и экспериментально исследованы несколько макетов систем управления ВТСП фильтром, реализующих различные методы настройки;

- На основе проведенных исследований предложена структурная и принципиальная схема цифровой системы управления;

- Проведено сопряжение цифровой системы управления с ВТСП фильтром и приемным устройством, проведены успешные I испытания этой системы на объекте Заказчика; Методы исследований основываются на анализе принципов I ■ управления параметрами и характеристиками ВТСП фильтров;, на

I I разработке алгоритмов настройки ВТСП фильтров на частоту рабочего канала; на представлении структуры систем управления в виде структурных схем с последующим расчетом требований к отдельным блокам и определении влияния каждого из блоков на точность настройки ВТСП фильтра на частоту рабочего; на сравнении теоретически показанной точности каждого из методов настройки; на организации экспериментальной проверки макетов систем управления и сравнении результатов с теоретическими выводами. , . | 1 I' ' ! "

Научная новизна.

Научная новизна работы состоит в обосновании схем, алгоритмов настройки и обосновании требований, предъявляемых к отдельным блокам системы управления перестраиваемых ВТСП фильтров КВ диапазона для . достижения максимальной; точности; настройки, ; соизмеримой с точностью, установки на' рабочую частоту современных РПУ; развитии методов управления параметрами перестраиваемых . ВТСП фильтров; разработке " макетов; ;•'.' систем-, управления,: позволяющих получить недостижимую ранее точность'" настройки ВТСП фильтром КВ диапазона, порядка несколько десятков", герц в полосе перестройки несколько октав;

Практическая значимость результатов работа : состоит , в развитии методов' управления параметрами ■ высокодобротных перестраиваемых- ВТСП фильтров в КВ диапазоне- и обосновании■ эффективности применения электромеханического способа управления;-' частотой настройки ВТСП фильтра совместно с спроектированной ; и. реализованной системой управления; в' разработке высокоточной' системы управления ^ частотой настройки . сверхузкополосногб:! электромеханически перестраиваемого ВТСП■ фильтра в: полосе ; КВ диапазона, сопряжении системы управления с ВТСП фильтром и. РПУ КВ диапазона и демонстрацией ее на объекте ; -заказчика"! -Практическая ценность работы подтверждается востребованностью;ее О результатов, в ходе выполнения ряда НИР и ОКР, а также, грантов;, . Минобразования. • '■•-■; : ■ ';. •

Реализация и внедрение результатов работы.

Результаты ; диссертационной работы' : внедрены и '. нашли' практическое использование. Основные результаты реализованы ; в . ряде НИР тл ОКР: («Осман-Пр», «Круг-1МФП») . Системы управления'; прошли успешные испытания на объекте заказчика. .■■.' '•■•М; ■;:

Результаты работы также использованы при', выполнении ■ следующих ,НИР: •"■'••л

- Научные исследования высшей . школы по ■ приоритетнь1М; направлениям науки и техники «Сверхузкополосныс перестраиваемые фильтры для радиотехнических- система-связи» (шифр 406-03-06); .; ■ г

Фундаментальные научные исследования «Развитие теории и методов эффективного излучения, . приема и обработки' сложных кодированных сигналов» (шифр 1.41.03).

Достоверность полученных результатов обусловлена корректностью исходных положений,'и преобразований при разработке' физических и математических моделей- исследуемых устройству, логичным физическим представлением результатов математического моделирования;' хорошим совпадением результатов теоретического анализа с результатами натурного эксперимента.

Апробация результатов работы. ¡;

Основные 'результаты- диссертационной работы докладывались, обсуждались и' получили положительные' отзывы- на XII Военнр-• научной конференции «Развитие теории , и практики строительства и применения войсковой ПВО в системе вооруженной борьбы ВС- РФ»

Смоленск,. военный университет войсковой ПВО ВС

РФ, 22-23, 'апр.

2004) ; III Международной научно-технической' конференции «Физика и технические приложения волновых процессов». (Волгоград,: ' 6-12 сент. 2004); Всероссийской конференции «Информационно-телекоммуникационные технологии» (Сочи, 20-25 сент. ,2004); i IV Международной научно-технической- конференций: ; «Физика'.-:: |и технические приложёния волновых процессов» (Н. Новгород, 3-9;. окт .

2005); Научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, посвященной 100-летию со дня рождения'- -д. т. н'.у проф., лауреата гос. премии СССР, засл. деятеля науки и :техники РСФСР Михаила Самойловича Неймана (Москва,. МАИ, : 17-18 марта 2005); Всероссийской молодежная ' научной .конференций? ::'¡ с международным участием «VIII Королевские чтения» . (Самара, 4.-6, окт. 2005); VI Международной научно-технической- конференций «Физиками технические приложения волновых процессов» (Самара, 17-21 сент. 2007г.); XIV. Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, . навигация, связь» (Воронеж,;. 15-17 апр. 2008) ' ''■■'■■:'■■-'■;>;■='•. V-: ! : '

Публикации.

По основным результатам выполненных в диссертации исследований опубликовано 15 печатных работ, из них 3 научных статьи, 11 тезисов докладов, 1 патент РФ и 1 заявка на патент находится на рассмотрении.

Основные результаты заключаются в следующем:

1. Обоснованы требования к параметрам перестройки сверхузкополосного ВТСП фильтра КВ диапазона при использовании,в качестве преселектора в существующих РПУ и для настройки ЭМА, I

2. Проанализированы методы и алгоритмы управления основными параметрами ВТСП фильтров.

3. Предложены и обоснованы структурные и принципиальные схемы построения систем управления частотой настройки ВТСП I фильтров.

4. Выполнен анализ требований предъявляемых к отдельным блокам, входящим в состав высокоточной системы управления частотой настройки ВТСП фильтра для обеспечения заданной точности настройки.

5. Разработаны и экспериментально исследованы аналоговые системы управления, построенные с использованием двух методов настройки: амплитудного метода и амплитудно-разностного метода.

6. Разработана и исследована цифровая система управления.

7. Произведено сопряжение цифровой системы управления ' с ВТСП фильтром и РПУ КВ диапазона, проведение демонстрационных испытаний на объекте Заказчика. I

Эти результаты позволили сформулировать следующие 1 положения, выносимые на защиту. I !

Основные положения, выносимые на защиту: ^ | <

1. Для реального совершенствования характеристик существующих приемных устройств КВ диапазона и настройки электрически малых антенн могут использоваться сверхузкополосные

ВТСП фильтры и преселекторы только с электромеханической: перестройкой частоты во всем КВ диапазоне! ,

2. Высокоточная настройка таких.фильтров с ошибкой порядка нескольких десятков герц и временем настройки порядка нескольких': десятков секунд, может быть реализована- только в системе' управления 'с обратной связью.'.

3. Предложенные и обоснованные методы и структурные схемы.:, систем управления позволили установить, ! . ;'что наиболее/ целесообразные методы управления ВТСП иреселектором с точки зрения обеспечения требуемой точности и. времени , настройки.: является совокупность методов - амплитудного метода на. этапе грубой .настройки и амплитудно-разностного метода на этапе.точной; настройки. Г

• ' : М; I ;

4. Для обеспечения : требуемой точности и скорости• настройки . определены требования к точности параметров отдельных ', узлов и блоков системы настройки при использовании:: амплутудного5• метода, амплитудно-разностного метода, и объединении методов. :

5. Спроектированные ; и разработанные с ^ использованием., результатов теоретического и экспериментального: исследов*ания; макеты аналоговой : и цифровой системы управления позволили •'.'осуществить точность настройки ВТСП фильтра в несколько • десяткс>в<; герц на произвольную частоту КВ диапазона, с ,' максимальным-' временем перестройки 40 - 100 сек. . . ;

6. Разработанный макет -цифровой-, системы' управления, ' сопряженный с ВТСП преселектором и радиоприемным- устройством■

•прошел испытания на объекте Заказчика и подтвердил возможность-точной настройки ВТСП преселектора- на частоту приемника, . что:' позволило в конечном : итоге улучшить характеристики • радиоприемного устройства по чувствительности на 3 • д.Ч, • по избирательности не менее 20 дБ при- отстройке, на 10 кГц от^ частоты настройки, по динамическому диапазону 3-го порядка на. 1-7 дБ при отстройке ближайшей помехи на 30 кГц. .'"> . :• ; . ' ' ' : .•■■ : - '' ■ :: ■■■:;'!■ I ■ ' . ■ - " . : • ., "■'.-. •¡.'- ' ■ ' ■ - ' ' . . : . . . 1 I ■' !. . - . ;< ■ I - ;. м.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа изложена на 202 машинописных страницах, включая 20 страниц приложения, и состоит из введения,

Заключение диссертации по теме «Антенны, СВЧ устройства и их технологии», Прокопьев, Тимур Викторович

Основные результаты диссертации опубликованы в 3 статьях и1 I доложены на 5 научно-технических конференциях, оригинальные идеи I изложены в 1 патенте и 1 заявке на изобретение.