Цифровые и аналоговые быстродействующие устройства

3

6.5Повышение выходного напряжения в быстродействующих усилителях

68

7.8Формирователи и генераторы импульсов с пикосекундными

4

проектирования и моделирования радиоэлектронных устройств»; «Устройства генерирования и формирования сигналов»; «Электродинамика и распространение радиоволн».

В результате изучения дисциплины студент должен знать:

-основы моделирования быстродействующих процессов;

-формы оптимальных характеристик быстродействующих устройств и связи между ними;

-способы коррекции частотных и переходных характеристик;

-основные структуры корректирующих цепей, условия их физической реализуемости;

-методы определения основных характеристик объектов, исследуемых с помощью коротких импульсных сигналов;

-области применения пикосекундных сигналов, устройств и систем с их использованием.

Студент должен уметь:

-определять характеристики необходимых корректирующих и формирующих цепей;

-проводить расчет и реализовывать корректирующие и формирующие цепи на основе неоднородных линий передачи и неминимально-фазовых структур.

-использовать при проектировании новых систем и устройств методы моделирования характеристик, определять рациональные структуры построения устройств и систем пикосекундного диапазона.

Итогом практических занятий должно быть умение студентов оценивать потенциальные возможности высокоскоростных скоростных устройств и систем, определять пути повыше

6

Введение

История радиотехники начинается с опытов Максвелла, Герца и Попова. Используя метод проб и ошибок, они проводили опыты с электрическими импульсами. Практическое применение электрических импульсов как сигналов, используемых для связи, началось после изобретения антенн и опытов А.С.Попова. Посылаемые сигналы представляли собой импульсы длительностью от единиц миллисекунд до единиц микросекунд.

Широкое применение радиосигналов для связи началось с появлением резонансного колебательного контура, впервые исследованного Максвеллом, и избирательных резонансных систем его на основе, запатентованных Маркони. Использование явления резонанса позволило осуществить одновременную работу нескольких независимых передатчиков и произвести селективный прием нужного сигнала, что обеспечило в дальнейшем приоритетное использование в радиотехнике гармонических сигналов, надолго определивших направление развития радиотехники. В результате развития этого направления весь спектр частот оказался распределенным на диапазоны для различных применений, и наиболее удобные диапазоны быстро оказались переполненными.

Однако оказалось, что резонанс существует не только для синусоидальных сигналов, а синусоидальные сигналы имеют ряд существенных недостатков. Многие устройства, использующие дискретные или цифровые сигналы для решения различных радиотехнических задач, оказываются существенно проще в реализации и совершеннее в работе, чем использующие гармонические сигналы.

Формально существует связь между гармоническими и импульсными сигналами через преобразования Лапласа и Фурье, которые позволяют использовать общую теорию при анализе сигналов, поиске путей улучшения системы или устройства. Но при таком подходе исследование многих процессов, например нелинейных, нестационарных значительно усложняется

простирающийся от постоянного тока или единиц - десятков килогерц до единиц и десятков гигагерц. Элементная база используется на предельных по частотным свойствам возможностях, поэтому для проведения анализа работы устройств требуются достаточно точные эквивалентные схемы всех используемых на предельных возможностях элементов с учетом их геометрических размеров и паразитных связей. Для описания характеристик устройств пикосекундного диапазона используются дробно-рациональные передаточные функции. Порядок этих функций из-за сложности эквивалентных схем и сверхширокого диапазона частот достигает значения нескольких десятков – сотен единиц даже при описании характеристик сравнительно несложных устройств. По этой причине существенно возрастает

7

сложность анализа и тем более синтеза функциональных звеньев и систем, для оптимизации и исследования характеристик устройств используются численные методы. Подход, основанный на дробно-рациональных передаточных функциях, хотя и используется в пикосекундной технике, не является эффективным при разработке и исследовании.

Качественные особенности сигналов подобных длительностей связаны со следующими их свойствами.

1.Время задержки сигнала в пассивных и активных элементах устройств становится соизмеримым с длительностями сигналов, что создает предпосылки к разработке новых способов обработки сигналов.

2.Спектр пикосекундных сигналов (единицы – десятки гигагерц) наилучшим образом подходит для использования в радиолокаторах, в том числе подповерхностных, и в связи. Эти частоты в наименьшей мере ослабляются различными средами, расположены ниже частоты резонанса молекул воды, что позволяет избежать ослабления сигналов дождем и туманом.

3.Малая протяженность сигналов в пространстве (сигнал можно представить в виде сгустка энергии длиной 0,3-30 мм, распространяющегося со скоростью света и взаимодействующего со всеми встречающимися объектами) позволяет получить высокое разрешение по размерам при локации, определять форму и внутреннюю структуру объектов.

Глава 1. Свойства и области применения сигналов субнаносекундных и пикосекундных длительностей

1.1 Основные свойства предельно коротких сигналов

Основные свойства предельно коротких сигналов рассмотрим на основе свойств δ-функции:

Вид δ-функции приведен на рисунке 1а

8

сигналы невозможно обнаружить даже с помощью специальной аппаратуры, если неизвестны интервалы между импульсами.

Пикосекундные сигналы не являются в полном смысле δ-функциями, хотя по свойствам для большинства применений близки к ним. Например, ширина спектра сигнала длительностью 100 пикосекунд простирается до 10 ГГц, и при исследовании объектов с размерами в десятки сантиметров и более такой сигнал с малой погрешностью можно считать δ-функцией.

1.2 Применение пикосекундных сигналов

Пикосекундные сигналы используются тогда, когда их применение дает преимущества по сравнению с гармоническими сигналами. Основные области их применения вытекают из рассмотренных выше свойств.

Применение сигналов пикосекундной длительности для решения различных задач радиотехники сложились в новое научное направление, интенсивно развивающееся в последние годы. Краткие сведения, приведенные в этом разделе, отражают лишь небольшую часть примеров использования пикосекундной импульсной техники, ее применение непрерывно расширяется.

1.2.1 Исследование объектов с помощью пикосекундных импульсов

В основу импульсного метода исследования объектов положен анализ реакции исследуемого объекта на зондирующий импульс. Такой объект может быть стационарным, нестационарным и нелинейным. Применение импульсов пикосекундной длительности в качестве зондирующих позволяет существенно повысить разрешающую способность метода и исследовать не только объект в целом, но и его внутреннюю структуру.

При зондировании объекта гармоническим сигналом весь объем объекта заполняется электромагнитным полем, изменяющимся в каждой точке непрерывно, по гармоническому закону, а отраженный сигнал можно рассматривать как сумму векторов сигналов, отраженных от каждой неоднородности. Отраженный сигнал характеризует объект в целом.

Малая протяженность сигналов в пространстве (сигнал можно представить в виде сгустка энергии длиной 0,3-30 мм, распространяющегося со скоростью света и взаимодействующего со всеми встречающимися объектами, рисунок 2), позволяет получить высокое разрешение по размерам при локации, определять форму и внутреннюю структуру объектов. Короткий зондирующий импульс локализуется на малом участке объекта, после взаимодействия с этим участком отраженный сигнал характеризует отражающие свойства объекта во времени, определяет его внутреннюю структуру.

10