Введение к работе
Актуальность темы. Начавшаяся в середине 80-х годов комплексная миниатюризация и унификация радиоэлектронной аппаратуры и её элементной базы потребовала создания как универсальных интегральных микросхем (ИМС) с повышенными функциональными возможностями, так и специализированных ИМС с высокими электрическими характеристиками. Естественно, процессы миниатюризации и унификации коснулись и основной составляющей практически любой радиоэлектронной системы - приёмно-передагошего тракта.
Главными характеристиками приёмно-передающих трактов являются чувствительность, широкополосность, энергоемкость, массогабаритные параметры. Как правило, в состав приёмно-передающих трактов входят:
широкополосные усилители с верхней граничной частотой в несколько сотен мегагерц с высокой равномерностью амплитудно-частотной характеристики и малошумящие широкополосные усилители с коэффициентом шума не более 3 дБ и расширенным динамическим диапазоном для аппаратуры средств связи;
фазостабильные широкополосные усилители (усилители-ограничители) для радиолокационных приёмников;
сверхширокополосные усилители с верхней граничной частотой в единицы гигагерц для спутникового телевидения и телефонии;
широкополосные усилители с повышенным уровнем выходного напряжения для аку сто оптических модуляторов, кабельных и оконечных каскадов;
быстродействующие высокочувствительные фотоприемные модули, основу которых также составляют широкополосные усилители для магистральных зоновых и внутриобъектовых волоконно-оптических систем передачи цифровых и аналоговых сигналов, в том числе телевизионных сигналов.
Таким образом, одним из ключевых элементов приёмно-передающих трактов является широкополосный усилитель. Требования к его характеристикам определяются назначением тракта, в составе которого усилитель планируют использовать.
Как показывает отечественная и зарубежная практика, наиболее широкополосные высокочастотные усилители изготовлены средствами гибридно-плёночной технологии. Необходимость использования последней диктует специфика приёмных трактов больших радиотехнических систем: высокий уровень мощности (не менее 0,25-=-0,50 Вт) в низкоомной нагрузке в широкой полосе частот, высокая идентичность и стабильность каналов (при многоканальной структуре), электронная регулировка усиления и фазы при большом уровне сигнала.
Определённая сложность и специфика проектирования гибридных интегральных микросхем широкополосных усилителей для приёмно-передающих трактов заключается в выборе физико-математического аппарата. Получение
предельно высоких характеристик интегральных гибридно-пленочных микросхем невозможно без учёта паразитных связей и реактивностей, обусловленных конструкцией микросборки. Однако, с одной стороны, оказывается излишне сложным и неэффективным использование для расчётов физических моделей и математических методов СВЧ-диапазона. С другой стороны, физические модели и математические методы классической теории цепей недостаточны для решения задач проектирования микросборок такого уровня. Следовательно, разработка физико-математического аппарата исследования с целью разработки методики проектирования гибридно-плёночных высокочастотных микросхем с предельно достижимыми характеристиками представляет собой актуальную научно-техническую задачу.
Повышенные требования к тактико-техническим характеристикам аппаратуры специального назначения (в частности, аппаратуры приёмных трактов радиолокационных станций) потребовали создания нового ряда специализированных микросхем линейных широкополосных усилителей в гибридно-плёночном исполнении, не имеющих отечественных аналогов: верхняя частота полосы пропускания выше 150 МГц при усилении до 60 дБ и максимально плоской АЧХ. Дополнительным требованием являлась возможность каскадного соединения микросхем без внешних согласующих элементов и с минимальным числом выносных элементов для обеспечения работоспособности микросхем в типовом рабочем режиме. Наконец, стояла также задача снижения массогаба-ритных характеристик микросхем с целью организации массового производства для их использования не только в специальной аппаратуре, но и в аппаратуре широкого применения. Разработка микросхем с перечисленными характеристиками явилась сложной инженерной задачей: требовались новые методики расчёта оригинальных схемных и конструктивных решений и новые технологии.
В последние годы можно наблюдать большой интерес к цифровым и аналоговым волоконно-оптическим линиям связи, имеющим широкий спектр возможных применений, особенно для специализированных локальных линий связи (управление подвижными объектами, линии обмена информацией между центром и потребителями различных уровней, телевидение и телефония и т.д.). Актуальной стала задача создания особо точных систем управления оружием по волоконно-оптическому кабелю. Интерес к таким системам обусловлен рядом преимуществ волоконно-оптического микрокабеля управления (ВОМКУ) как физической среды для информационного обмена между оператором и подвижной частью комплекса: высокая устойчивость к внешним электромагнитным помехам, большая полоса пропускания, скрытность передачи, малый вес и габариты, низкие потери, позволяющие обеспечить значительную дальность передачи данных.
Создание приёмно-передающих устройств для систем бортовой радиоэлектронной аппаратуры (авиация, ракетная техника, подводные лодки) связано с
необходимостью учёта того факта, что переключаемые токи приводов исполнительных механизмов объектов достигают сотен ампер, вызывая сильное электромагнитное излучение при коммутации. Ограниченный объём указанных объектов, корпуса которых построены из хорошо проводящих металлических материалов, сопоставимая с размерами самих объектов протяжённость силовых трасс от источников энергии к приводам исполнительных механизмов делают задачу исключения воздействия на радиоканалы передачи команд трудноразрешимой. Полностью исключить это воздействие теоретически возможно лишь при переходе на иной физический носитель информации. В этом отношении практически наиболее удобными и надёжными в эксплуатации являются волоконно-оптические линии связи.
Всё вышесказанное, а также опыт внедрения достижений в области цифровой и аналоговой волоконно-оптической связи показывает, что в ближайшее время для массового применения в локальных компьютерных сетях, бортовых системах управления и контроля, аппаратуре телевидения и телефонии следует ориентироваться на создание недорогих волоконных приёмных и передающих модулей. Рынок таких изделий в России и в странах СНГ в настоящее время крайне ограничен.
Волоконно-оптические системы передачи телевизионного сигнала находят применение в сетях кабельного телевидения, в системах обеспечения безопасности объектов, управления технологическими процессами, для демонстрации операций в медицинских центрах. Разработка и внедрение миниатюрных воло-кошго-оптических модемов для передачи высококачественного телевизионного сигнала является актуальной научно-технической задачей.
Увеличение количества телесигналов, одновременно передаваемых по одному волокну, достигается путём уплотнения радиочастотных и оптических поднесущих. В радиочастотном диапазоне наиболее эффективным средством фильтрации являются фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Поскольку последние вносят заметные потери, актуальной становится задача оптимизации динамического диапазона радиоэлектронного приёмно-усилительпого тракта с использованием акустоэлектрошшх приборов на ПАВ.
Спектральное уплотнение оптических поднесущих увеличивает количество передаваемых каналов. Одним из технических направлений, позволяющих управлять спектрально уплотнёнными оптическими потоками, является применение акустооптических компонентов, таких как управляемый ответвитель и спектрально-селективный переключатель. Создание малогабаритных микросборок управления акустооптическими приборами также является актуальной научно-технической задачей. Её решение включает вопросы разработки эффективных формирователей и широкополосных усилителей с повышенным уровнем выходного напряжения, пригодных для гибридно-плёночного интегрального исполнения.
Всё вышесказанное даёт основания утверждать, что исследование и разработка гибридно-плёночных микросхем для миниатюризации приёмно-передающих трактов радиотехнических систем широкого и специализированного применения является актуальной комплексной задачей. Её решение способствует развитию отечественной элементной и технологической базы, разработке и выпуску конкурентоспособных приёмно-передающих гибридно-плёночных трактов, расширению номенклатуры изделий.
Целью работы является решение актуальной научно-технической проблемы - разработка принципов построения, основ теории и проектирования микроэлектронных приёмно-передающих трактов радиотехнических систем широкого и специального назначения, имеющих улучшенные характеристики и расширенные функциональные возможности.
Для достижения цели был использован комплексный подход, включающий решение следующих взаимосвязанных теоретических, экспериментальных и прикладных задач:
теоретическое исследование базовой секции линейного широкополосного усилителя с комбинированными обратными связями (обоснование выбора принципиальной схемы, малосигнальные параметры, широкополосность, устойчивость, входное и выходное сопротивление, коэффициент шума, динамический диапазон, фазовая стабильность);
теоретические и экспериментальные исследования характеристик практических схем линейных широкополосных усилителей широкого назначения;
разработка физической модели для расчёта устойчивости и шумовых характеристик ЛШУ с автокоррекцией при гибридно-пленочном исполнении с общими отрицательными обратными связями и с приборами на поверхностных акустических волнах;
разработка новых схемотехнических и конструктивных решений широкополосных усилителей широкого назначения, соответствующих по совокупности характеристик лучшим отечественным и зарубежным аналогам;
исследование и разработка оригинальных схемотехнических решений построения фотоприёмных устройств и рекомендаций по созданию волоконно-оптических телевизионных модемов;
внедрение разработанных микросборок широкополосных усилителей широкого назначения, фотоприёмных модулей, волоконно-оптических телевизионных модемов в приёмно-передающие тракты промышленно-эксплуатируемых систем.
Научная новизна работы состоите следующем:
- на основе комплексного подхода рассмотрены модели и характеристи
ки новых линейных широкополосных усилителей с автокоррекцией, сформули
рованы и обоснованы конструктивно-технологические требования к их тополо-
гии, предложены эффективные способы повышения устойчивости, коррекции частотных, фазовых и амплитудных характеристик;
сформулирована и решена задача определения шумовых характеристик усилителей с общими отрицательными обратными связями; разработана методика комплексной оптимизации радиоэлектронного приёмно-усилительного тракта с использованием приборов на ПАВ с целью достижения высокой чувствительности и максимального динамического диапазона при минимальных нелинейных искажениях;
разработана и экспериментально проверена методика расчёта чувствительности фотоприёмных устройств с использованием канонических шумовых эквивалентных схем; данная методика распространена практически на все виды ФПУ (на биполярных и полевых транзисторах, на биполярных транзисторах с гетеропереходом и на транзисторах с высокой подвижностью электронов);
на основе оригинальных схемотехнических решений разработан ряд серийноспособных специализированных гибридно-плёночных микросборок с широкими функциональными возможностями, имеющих (без усложнения технологии и без увеличения габаритов) верхнюю граничную частоту усиления в 2-гЗ раза больше по сравнению с прототипами;
разработаны новые схемотехнические и конструктивные решения широкополосных и сверхширокополосных усилителей, на основе которых выпускаются серийные всеволновые телевизионные антенные усилители, усилители для спутникового телевидения и телефонии с расширенным частотным диапазоном (без усложнения технологии) до 862 и 2050 МГц;
на основании разработанной методики комплексной оптимизации приёмно-усилительного радиоэлектронного тракта предложена схема многоканальной волоконно-оптической системы передачи высококачественного изображения с применением фильтров на ПАВ;
Практическая ценность работы состоит:
в создании теоретических основ проектирования и разработки новых схемотехнических решений микросборок широкополосных и сверхширокополосных усилителей с заданными частотными и амплитудными характеристиками и широкими функциональными возможностями;
в разработке серийноспособных специализированных гибридно-плёночных микросборок и оптимизированных по динамическому диапазону фильтров на ПАВ, которые внедрены в производство на заводах АО «Авангард» (Санкт-Петербург), и используются в 30 видах изделий специального назначения (аппаратура радиолокационных комплексов, радиорелейные линии, приёмно-передающие тракты радиотехнических систем);
в разработке серийноспособных гибридно-плёночных микросборок широкополосных и сверхширокополосных усилителей для всеволновых теле-
визионных антенных усилителей, систем спутникового телевидения и телефонии, внедренных на ОКБ ЭП ЛОЭП «Светлана» и ООО «РАДЭЛ» (Санкт-Петербург);
в разработке и внедрении в промышленно эксплуатируемые системы действующих образцов и опытных партий фотоприёмных устройств, волоконно-оптических модемов;
в использовании результатов научных работ автора, вошедших в диссертацию, в учебном процессе при чтении лекций, постановке лабораторных работ, руководстве бакалаврскими работами и магистерскими дисертациями, научно-исследовательской работой студентов.
Положения, выносимые на защиту.
-
Построение гибридных интегральных схем широкополосных усилителей по принципу автокоррекции обеспечивает существенное расширение полосы усиливаемых частот, воспроизводимость характеристик и уменьшение чувствительности к дестабилизирующим факторам. При этом коррекция частотных, фазовых, амплитудных характеристик и повышение устойчивости достигается при размещении микросборок в стандартных корпусах.
-
Для расчёта коэффициента шума шумящего четырёхполюсника, охваченного общей шумящей отрицательной обратной связью произвольного вида, и построения обобщённой эквивалентной шумовой схемы усилителя с общими обратными связями можно использовать метод, основанный на эквивалентности по величине коэффициента шума четырёхполюсников с замкнутой и разомкнутой цепью обратной связи,
-
Получить высокую чувствительность и максимальный динамический диапазон приёмно-усилительного тракта с использованием фильтров на ПАВ при минимальных искажениях возможно при комплексной оптимизации параметров пьезоплаты и усилителя как системы.
-
Для расчёта чувствительности фотоприёмных устройств можно использовать метод, основанный на эквивалентных канонических шумовых схемах усилителей и выражениях для коэффициента шума предусилителя.
5. 18 новых серийных микросборок усилителей с автокоррекцией АЧХ
(усилители радиочастоты, малошумящие, с расширенным динамическим диа
пазоном, с высоким уровнем выходного напряжения, сверхширокополосные),
перекрывающих частотный диапазон от 100 до 2050 МГц, с коэффициентом
усиления в 20, 40, 60 дБ в одном корпусе, с уровнем выходного напряжения от
долей до десятков вольт, суммарный выпуск которых в масштабах отрасли
промышленности составил несколько сотен тысяч штук.
6. Практические оригинальные схемы высокочувствительных быстродей
ствующих фотоприёмных устройств, малогабаритный волоконно-оптический
телевизионный модем, малогабаритный аэрозольный фотометр для детектора
МоЯК газоанализаторов. Волоконно-оптические сети передачи изображений в
системах управления технологическими процессами, видеонаблюдеїшя, трансляции сложных медицинских операций. Приёмные тракты радиотехнических систем.
Личный вклад соискателя. Исследования, результаты которых составили основу диссертационной работы, являются частью ЫИОКР, в течение многих лет проводившихся на кафедре радиофизики Санкт-Петербургского государственного технического университета по договорам с предприятиями под руководством и при непосредственном участии автора. Работы выполнялись по постановлениям директивных органов, в том числе по постановлениям правительства в соответствии с планами НИР и ОКР министерств и ведомств. Среди них наиболее значимые работы:
по хоздоговорам с НПО «Авангард» (Санкт-Петербург) под шифром «Функция-IV», «Функция-V», «Акустика-2», «Акустика-3», «Фундамент-2», «Радуга-1», «Заря», «Ангара»;
по хоздоговорам с НПО «Красная заря» (Санкт-Петербург) под шифром «Сопряжение-1» и «Ответвитель»;
по хоздоговорам с ИРЭ АН УССР под шифром «Чукотка», «Подстанция» и «Терраса-1»;
НИОКР «Оха», «Озноб», «Опава» с ОКБ ЭП ЛОЭП «Светлана» и ООО «РАДЭЛ» (Санкт-Петербург);
с НПО «Волна» и МГП «РОТЕК» (Москва) по темам «Изделие-181» и «Роботизация»;
с ЗАО «Фобос-3» (Москва) по темам «Стропа-ВОС», «Тайга-МС», «Элара-ЛФ»;
по теме «Клотик-П» по договору с АОЗТ «Интеллект-технология».
В диссертацию включены также результаты работ по созданию малогабаритного аэрозольного фотометра для газоанализаторов на люизит и иприт, выполненных под руководством автора по темам «Каскад-Г» и «Каскад-П».
С 1992 г. по настоящее время ведутся работы по научно-техническим программам Минобразования России:
«Конверсия-СЗ» (1992 - 1993 гг.) - НИР №2991397 «Гибридные фотоприёмные модули (ФПМ) для волоконно-оптических систем передачи информации»;
«Конверсия. Высокие технологии. 1994 - 1996 гг.» «Конверсия. Высокие технологии. 1996 - 1999 гг.» - НИР и ОКР № 82-1-6 «Разработка миниатюрных гибридно-плёночных приёмно-передающих трактов волоконно-оптических систем передачи информации»;
ИНТП «Прецизионные технологии и системы» (1999 г.) - НИР № 1107-99 «Разработка и выпуск опытной партии сверхчувствительных приборов для
обнаружения и определения концентрации высокотоксичных химических и взрывчатых веществ в окружающей среде»;
- ИНТП «Трансферные технологии, комплексы и оборудование» (1997 -1998 гг.) - НИР «Разработка и выпуск опытной партии миниатюрных телевизионных волоконно-оптических модемов для дуплексной высококачественной передачи полного цветового сигнала со звуковым сопровождением для видео-конференцсвязи» под шифром «Модем-2».
Внедрение в производство и в аппаратуру различных типов специализированных микросборок осуществлено во многом благодаря активной помощи сотрудников НПО «Авангард» О.А. Нестерова, М.И. Пыхтина, А.П. Карижского, В.В. Новикова. В разработке широкополосных усилителей с автокоррекцией принимали участие сотрудники МИФИ Ю.А. Волков, Ю.Б. Рогаткин и сотрудник МИРЭА В.Н. Серов. Решение задачи о шумах усилителей с общими отрицательными обратными связями было выполнено совместно с А.И. Сурыгиным. Разработка широкополосных усилителей была осуществлена совместно с сотрудниками ОКБ ЭП ЛОЭП «Светлана» и ООО «РАДЭЛ» В.В. Лупуляком и А.Ю. Огахненко. Решение проблем, связанных с оптимизацией радиоэлектронного тракта с приборами на ПАВ и возбудителями АОМ, разработкой оптических устройств, было выполнено в сотрудничестве с В.Д. Купцовым. Малогабаритный аэрозольный фотометр для детектора МоЯК был разработан совместно с В.Я. Кателевским, В.Л. Сухановым и СВ. Дёминым. Всем им автор выражает свою благодарность и признательность.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
X всесоюзная научно-техническая конференция по усилительной технике (Ленинград, 1974); научная сессия ЛПИ им. М.И. Калинина (Ленинград, 1976); XI всесоюзная научно-техническая конференция по усилительной технике (Ленинград, 1976); XII, XIII и XIV всесоюзные научно-технические конференции по усилительной технике (Ленинград, 1978, 1981, 1983); всесоюзная научно-техническая конференция «Волоконно-оптические системы связи» (Киев, 1983); XIV межотраслевая конференция (Ленинград, 1983); всесоюзный научно-технический семинар «Проектирование и изготовление МЭА: проблемы и перспективы» (Москва, 1986); XII всесоюзная конференция по микроэлектронике (Тбилиси. 1987); школа-семинар «Устройства акустоэлектроники» (ВДНХ СССР, Москва, 1988); всесоюзная научно-техническая школа «Радиоприёмные устройства» (Москва, 1988); XLII и XLIII областные научно-технические конференции по узловым проблемам радиотехники, электроники и связи ВНТО-РЭС им. А.С. Попова (Ленинград, 1987, 1988); XX отраслевая (МПСС) научно-техническая конференция «Интегральные оптические сети связи» (Ленинград, 1989); научно-техническая конференция «Акустоэлектронные устройства обработки информации на ПАВ» (Черкассы, 1990); межрегиональная научно-
техническая конференция «Элементы и узлы современной приемной и усилительной техники» (Ужгород, 1991); II международная конференция «ISFOC92» (Санкт-Петербург, 1992); Российская научно-техническая конференция «Инновационные наукоёмкие технологии для России» (Москва, 1995); II всероссийская научно-практическая конференция «Высшая школа России: конверсия и приоритетные технологии» (Москва, 1996); 111 межведомственная научно-техническая конференция «Проблемные вопросы сбора, обработки и передачи информации в сложных радиотехнических системах» (Пушкин, 1997); международная научно-техническая конференция «Лазеры в медицине» (Санкт-Петербург, 1998); 3rd International Youth Environmental Forum of Baltic Countries "EcoBaltica-2000" (Санкт-Петербург, 2000).
Разработанные и освоенные в серийном производстве микросхемы приём-но-передающих трактов 848УР1 (248УР1), С1.153.УП1, С1.153.УП2(2А), С1.155.УП1(1А), С1.157.УП1, 290УР1, ФПМ-НЧ(М), ФПМ-ВЧ(М), ФПМ-АРУ, ФПМ-СМ(СМО), ВК-ОІ(ОЮ), ФПМ-32, ЛШУ типа «Фокус», «Фотон», «Филин», акустооптическии управляемый огветвитель, спектрально-селективный переключатель, волоконно-оптический телевизионный модем ОМД-1, лабораторная работа «Телевизионный волоконно-оптический канал связи» демонстрировались на международных, всесоюзных, всероссийских, республиканских и отраслевых выставках, в частности: на постоянно действующей выставке Министерства средств связи (Москва, 1989); на выставке I всесоюзной конференции «Оптическая обработка информации» (Ленинград, 1988); на международной выставке «Телеком-91» (Женева, 1991); на международной выставке «Всё лучшее из СССР» (Хельсинки, 1990); на международной выставке «К играм доброй воли» (Сиэтл, 1990); на международных выставках «Экспоком-91» и «Экспоком-92» (Москва, 1991, 1992); на выставке «Конверсия-93» (Москва, 1993); на выставке «Конверсия и высокие технологии-96» (Москва); на международных выставках «EDUCOM-96» и «EDUCOM-97» (Санкт-Петербург); на выставке-совещании «Вузы России - оборонно-промышленному комплексу» (Москва, 2000); на международной выставке-конгрессе «Hi-Tech-2000» «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» (Санкт-Петербург, 2000); на выставке-презентации «Золотые инновации России» (Москва, 2000); на VIII международной выставке систем связи и телекоммуникаций «Норвеком-2001» (Санкт-Петербург, 2001).
На 2-й международной выставке «EDUCOM-96» экспонат «Учебная установка «Волоконно-оптическая линия связи» награждён дипломом за высокий уровень экспозиции.
По теме диссертации опубликовано 59 работ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из семи глав, введения и заключения, изложена на 262 страницах. Список литературы насчитывает 153 наименования. Имеется также семь приложений, Общий объём - 320 стр.
