РАДИОЭЛЕКТРОНИКА НЕКОТОРЫЕ ПРОБЛЕМЫ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ – ЧАСТЬ 3

November 8, 2011 by admin Комментировать »

Пьезоэлектрические преобразователи звуковых сигналов, хотя и не относятся непосредственно к радиоэлектронике, с давних пор используются в близких к радиотехнике областях — телефонии, записи и воспроизведении звуковых программ, телеметрии и др. Многие ультразвуковые приборы (дефектоскопы, звуколокаторы и др.) строятся на принципах, очень близких или совершенно аналогичных принципам работы радиотехнических устройств. Опорные кварцевые резонаторы и пьезокерамические фильтры давно уже стали в радиотехнике вплоть до аппаратуры массового применения традиционными, хорошо освоенными компонентами, возможности их совершенствования почти исчерпаны. Этого нельзя сказать о цепях и устройствах с поверхностными акустическими волнами (ПАВ), которые только вступают в период интенсивного развития и освоения.

Важная особенность акустических волн, предопределившая их применение, — скорость распространения, которая примерно в 100 тыс. раз меньше скорости электромагнитных волн. При тех же частотах, что и применяемые ь радиотехнике, длины волн получаются короче во столько же раз, что и создает возможности для миниатюризации. В то же время появляются условия для производства электроакустических устройств средствами и методами микроэлектронной технологии.

Уже сложившиеся области применения ПАВ, которые, возможно, и останутся основными — высокоселективные фильтры с широким диапазоном параметров: частоты от единиц мегагерц до гигагерц, диапазон полос пропускания от сотых долей процента от средней частоты до десятков процентов при неравномерности передаточной функции в полосе пропускания в сотые доли децибела, при отличной прямоугольной амплитудно-частотной характеристике и малых фазовых искажениях. Добавление электронной коммутации электродов в фильтрах на ПАВ открывает широкие возможности управления их свойствами, что требуется, например, для синтеза согласованных фильтров, фильтров с программным управлением и адаптивных радиосистем. Используя в фильтрах ПАВ гребенчатые структуры электродов различной формы, можно осуществлять различные функциональные преобразования сигналов.

Фильтры на ПАВ со специально рассчитанными формой и расположением электродов позволяют осуществлять сложную обработку сигналов, например сжатие импульсов в радиолокаторе с внутриимпульсной линейной частотной модуляцией.

Включая фильтр на ПАВ в цепь обратной связи транзисторного усилителя, можно построить генератор с хорошей стабильностью частоты (порядка Ю-6), с управлением частотой и частотной модуляцией; генераторы этого типа могут работать в том же диапазоне частот, что и фильтры.

В радиотехнике кроме фильтров широко применяют миниатюрные линии задержки на ПАВ, которые обладают широкой полосой пропускания и могут работать на частотах до нескольких гигагерц.

Важно отметить, что в радиоэлектронике добавление каждого нового средства, будь то транзисторный интегральный микромодуль, оптоэлектронное или ультразвуковое пьезоэлектрическое устройство, не просто увеличивает сумму ресурсов. Только на начальном этапе развития радиотехники физические эффекты не переплетались: микрофон служил в радиопередающем устройстве электроакустическим преобразователем, электронные блоки — ламповый генератор и усилитель — создавали мощные модулированные колебания, электродинамическое устройство — антенна — излучало электромагнитные волны в пространство; в обратном порядке шло преобразование колебаний в приемнике. На этапе интегральной радиоэлектроники к классическим однофункциальным устройствам прибавились многофункциональные (и их число растет), в которых различные эффекты одновременно используются в комплексах процессов.

Подобно тому, как при двоичном кодировании сообщений увеличение числа элементарных посылок в кодовой комбинации всего лишь на единицу удваивает число возможных кодовых комбинаций, введение каждого нового физического эффекта в арсенал средств радиоэлектроники значительно расширяет перспективы ее развития. И в «чистой» микроэлектронике далеко не исчерпаны возможности расширения ресурсов.

Одно из новых направлений, позиции которого в радиоэлектронике быстро крепнут в последние годы, — использование приборов с зарядовой связью — ПЗС. Если до последнего времени основным процессом в функционировании интегральных модулей оставалось управляемое изменение тока, то теперь к нему добавляется использование управляемых электрических зарядов. Это новое направление значительно расширяет функциональные возможности микроэлектроники в радиотехнических устройствах.

Первое естественное применение цепочек с передачей зарядов — задержка дискретизированных сигналов во времени. Решение этой задачи, в свою очередь, раскрывает путь для построения эффективных и очень экономичных частотных фильтров, монолитных и пригодных для производства средствами полупроводниковой интегральной технологии. Сигналы от разных участков линии задержки суммируются в общей цепи после перемножителей, в которых они умножаются на весовые коэффициенты. Зависимость выходного напряжения от частоты в таком фильтре, принадлежащем, как и фильтры на ПАВ, к группе активных, определяется установленными весовыми коэффициентами и может регулироваться. Программное (или адаптивное) автоматическое регулирование могут

осуществлять микропроцессорные устройства. Дополнительные возможности синтеза подобных фильтров открывает применение в них обратной связи; такие фильтры называются рекурсивными. Во многих случаях управляемость фильтров ведет к сильному упрощению конструкции радиоаппаратуры, так как позволяет иметь вместо многих сменных фильтров один перестраиваемый.

Фильтры этого класса не используются для аналоговой (резонансной) фильтрации сигналов в радиочастотных линейных трактах аппаратуры, хотя частотная область их применения доходит до 1 Ггц. Но они уже встречаются в устройствах для специальной обработки сигналов. Они быстро совершенствуются, и области их распространения пока трудно предсказать.

В ближайшем будущем совместное развитие полупроводниковой микроэлектроники (включая ПЗС), акустоэлектроники и оптоэлек- троники несомненно займет ведущие позиции. Сосуществование их принципов в единых радиотехнических устройствах позволит создавать на основе единой технологии аппаратуру с высокими техническими, эксплуатационными и экономическими показателями. Это неизбежно должно усиливать и их более глубокое взаимопроникновение.

Основные процессы в радиотехнике: генерирование, усиление, преобразование модуляции и т. п. — могут быть осуществлены с помощью традиционных средств — электрических цепей и электронных приборов.

Система управления радиотехническими устройствами и процессами в них, сложившаяся в прошлом, была рассчитана на участие эксплуатационного персонала, и при еще недавнем состоянии техники не возникал вопрос о существенном усложнении радиосредств. Но научно-техническая революция и переход от экстенсивного к интенсивному развитию производства потребовали, с одной стороны, значительного ускорения количественного роста и качественного- совершенствования всех средств связи и, с другой стороны, технического перевооружения вплоть до полной автоматизации этих средств с расчетом на эффективную работу в условиях непрерывно усложняющейся электромагнитной обстановки.

Таким образом, использование нынешних достижений микроэлектроники не только облегчило решение основных задач радиотехники, но и стало необходимым условием их успешного решения. Минувшее десятилетие в радиоэлектронике отмечено широким внедрением интегральных модулей, причем схемотехническая сложность их и степень интеграции непрерывно возрастают. При прежних методах проектирования синтез столь сложных устройств потребовал бы непомерно больших затрат труда и времени, но на помощь пришла вычислительная техника, позволившая автоматизировать наиболее трудоемкие процессы проектирования.

Однако для дальнейшего развития радиоэлектроники необходимо новое расширение элементной базы. Наметившийся в данное время путь в этом направлении можно определить как создание комплексных опто-акусто-электронных устройств. Как ни велики

уже выявленные возможности этого пути, в полной мере представить их пока трудно. Не вызывает сомнений то, что сочетание разных принципов и физических процессов, подобно уже упомянутому выше увеличению числа разрядов в коде, ведет не к простому утроению, а к многократному расширению пространства для творческой деятельности изобретателей и конструкторов.

Общее положение об эффективности комплексирования технических средств подтверждено в радиотехнике уже многими реализациями этого принципа. Достаточно указать на такое достижение радиоэлектроники, как создание фазированных антенных решеток (ФАР). Интегрирование в едином устройстве множества миниатюрных антенных элементов (электродинамических устройств), усилителей и фазовращателей (электронных устройств), а также программно управляющих и решающих цифровых электронных устройств открыло путь для существенного повышения пропускной способности, оперативности и надежности спутниковой связи с помощью частотно-пространственно-временного разделения сигналов. Фазированная антенная решетка позволяет получить пространственную диаграмму излучения или приема с несколькими независимыми узкими лучами, с возможностью переключения направления лучей за время порядка микросекунды. Одна ФАР заменяет в сущности несколько независимых антенн. Подобные системы были немыслимы при механическом (а не электронном) управлении антеннами.

Другим примером эффективности комплексирования может служить введение в радиоприемное устройство микропроцессора, управляющего по программе синтезаторами частот и напряжений для варакторной электронной настройки, обеспечивающего оперативную оптимальную регулировку основных цепей радиоприемника и наглядную буквенно-цифровую электронную индикацию его режимов.

В условиях радиоприема при множественности и неопределенности радиопомех возможна одновременная обработка принятого сигнала в нескольких параллельных каналах по разным алгоритмам; при этом решающее микропроцессорное устройство автоматически по заданной программе анализирует сигналы, получаемые на выходах каналов, обеспечивает выбор наименее искаженного сигнала и передает его потребителю.

Более глубокое конструктивно-технологическое слияние в единых устройствах различных принципов и функциональных узлов Делает эти устройства более компактными, надежными, дешевыми и экономичными в эксплуатации.

Интересно вновь отметить, что на путях к комплексному использованию различных эффектов радиоэлектроника в некоторых случаях использует на новом, более высоком уровне идеи и процессы, уже намечавшиеся или даже в той или иной мере реализованные в прошлом. Например, передающая телевизионная трубка— иконоскоп, изобретенная в 1923 г. и осуществленная в начале 30-х гг., содержала, как известно, мозаику из емкостных элементов, в которых накапливались энергетические заряды от элементарных фототоков, создаваемых проецируемым на экран трубки изображением. Записанное таким образом изображение учитывалось» электронным лучом. Новая реализация того же в сущности принципа — ПЗС, в ячейках которого заряды также создаются светом. Так использование оптоэлектроники и новой элементной базы ПЗС позволило создать миниатюрные безвакуумные телевизионные камеры.

Новые широкие возможности предоставляет также интегральное совмещение ПАВ с другими эффектами. В итоге могу! быть реализованы акусторезистивные, акустооптические и другие устройства для обработки радиосигналов.

Акусторезистивный эффект реализован в акустоэлектронном усилителе, предназначенном для работы в диапазонах от дециметрового до децимиллиметрового. Пластинка из пьезоэлектрика покрывается полупроводниковой пленкой. В пластинке возбуждаются поверхностные акустические волны, а в пленке под действием приложенного напряжения происходит движение в том же направлении носителей зарядов. Перемещающиеся в поверхностном слое пьезоэлектрика электрические потенциалы взаимодействуют с зарядами в полупроводниковой пленке, и в конечном счете в ней образуется бегущая нарастающая электрическая волна. Как нетрудно видеть, идея этого метода усиления радиосигналов очень близка к принципу действия ЛБВ: там используется взаимодействие электронного потока с распространяющейся в том же направлении электромагнитной волной, замедленной в спиральной линии.

Акустоэлектронное усиление рассматривается как возможный путь к созданию эффективных звукопроводов: стеклянное волокно, подобное применяемому в волоконно-оптических линиях, может служить для передачи звука, а поверхностное полупроводниковое покрытие позволит компенсировать затухание звука на пути распространения и тем самым повысить дальность передачи.

В этой же области ведется поиск возможности создания акусто- электронно-оптических устройств. Полупроводниковый слой в этом случае предполагается делать фоточувствительным и проецировать на него изображение. Взаимодействие акустической волны с носителями заряда в слое в принципе создает возможность «считывания» изображения, т. е. преобразования его в телевизионный сигнал.

Достижения радиоэлектроники уже позволили значительно расширить области применения радиотехнических средств. Наряду с новыми высокоэффективными глобальными системами радиосвязи, спутниковыми системами в метеослужбе, разведке ресурсов Земли, навигации, геодезии и др. появились, например, новые чисто радиотехнические системы в медицине, дающие значительный эффект в исследовании пациентов, повышении точности диагностики и в терапии тяжелых заболеваний.

Однако наибольшее социальное значение сохраняет радиосвязь, требования к которой непрерывно растут, обусловливая необходимость дальнейшего расширения используемых частотных диапазонов и соответственно ставя новые задачи перед радиоэлектроникой. Во всех системах радиосвязи от космической до производственной, в которой решаются задачи получения, преобразования, хранения, передачи, приема, обработки и воспроизведения информации, интенсивно создаются новые радиоэлектронные устройства со все большими техническими возможностями и соответственно все более сложные. В качестве примера можно указать на новую область электронной обработки речевых сигналов, рождающуюся на стыке акустоэлектроники и цифровой информационно-вычислительной техники. Две главные ветви этого направления — электронные анализаторы и синтезаторы, первые из которых выполняют и расширяют функции человеческого слуха, а вторые — функции речи и голоса. Устройства обоих видов, присутствующие в радиосистемах разного назначения совместно или порознь, стали реально осуществимыми лишь в последнее время благодаря микроэлектронике и уже реализуются в виде интегральных микросхем с высокой степенью интеграции. Такие устройства содержат анализаторы и синтезаторы речи, запоминающие устройства и микропроцессоры; в конечном счете они позволяют человеку не только значительно облегчить управление техническими средствами, но и решить целый ряд других задач вплоть до задач бытового характера.

В системах связи и вещания подобные устройства позволяют:

через микрофон голосом вводить передаваемую информацию и на слух принимать речевые сообщения, передаваемые в форме кодированных (цифровых) сигналов;

осуществлять при помощи вокодерных устройств кодирование информации и сжатие спектров речевых сигналов с целью увеличения пропускной способности и повышения помехозащищенности каналов связи;

создавать диалоговые системы в виде автоматических ответчиков и информаторов; подавать голосом команды для управления различными устройствами, например радиоприемниками звукового и телевизионного вещания, и получать в речевой форме на нужном языке подтверждение приема и исполнения этих команд и т. п.

Современные спутниковые радиосистемы большой емкости в сочетании с густой сетью волоконно-оптических линий и другими системами позволяют образовать в недалекой перспективе стационарную общегосударственную систему средств связи, в полной мере отвечающую растущим потребностям народного хозяйства и населения. Прогнозируя рубежи, к которым следует стремиться, специалисты приходят к идее всеобщей персональной телефонной связи.

Персональная служебная радиосвязь на метровых и дециметровых волнах уже в течение нескольких десятилетий используется для нужд пожарной охраны, скорой медицинской помощи, регулирования уличного движения и других специальных служб. Со временем каждый человек, где бы он ни находился, сможет в любой момент иметь телефонную связь с любым другим человеком. Предполагается, что его система будет опираться на стационарную сеть, делящую всю обслуживаемую территорию на зоны радиообслуживания. Естественно, что при создании такой системы важнейшую роль будет играть проблема поиска абонента, вызова и коммутации, решаемая радиоэлектронными средствами.

Рассмотренный пример далеко не охватывает проблематику радиотехники, связанную с электроникой; он относится лишь к одному из направлений дальнейшего развития радиотехники; нельзя отрицать, однако, что по своему социальному значению это направление— одно из важнейших. Мы избрали его также потому, что именно идеи развития связи между людьми вдохновляли А. С. Попова, его современников и последователей.

Современная радиотехническая система — это совокупность взаимодействующих радиоэлектронных устройств, комплексно преобразующих электрические сигналы. В этих устройствах сигналы переносятся в нужные частотные полосы, фильтруются, дискрети- зируются аналого-цифровыми преобразователями, кодируются цифровыми процессорами, регенерируются цифровыми фильтрами, вносятся в запоминающие устройства, сравниваются, распознаются и декодируются, селектируются, передаются и принимаются согласно заданным программам. Эти устройства полностью автоматически, без участия операторов, адаптируют структуру и параметры радиосистем к складывающейся электромагнитной обстановке, обеспечивают электромагнитную совместимость. Они представляют собой единые конструкции, где сочетаются СВЧ, акус- то- и оптоэлектронные приборы, сложные цифровые модули с высокой степенью интеграции. Быстро развивающаяся интегральная технология и автоматизированное проектирование позволяют создавать сложнейшие устройства достаточно малогабаритными, надежными и экономичными.

В рассмотренных этапах и некоторых тенденциях развития радиоэлектроники факты отмечены такими, каковы они есть. В кратком обзоре нет возможности раскрыть глубинные процессы этой области, т. е. все противоречия, необходимость разрешения которых была и будет стимулом ее развития. Генеральной проблемой остается удовлетворение потребностей общества и государства новыми средствами радиоэлектроники. На пути к решению этой проблемы должны быть найдены ответы на много частных вопросов.

Один из немаловажных вопросов, стоящих сейчас перед радиоэлектроникой,— о соотношении между аналоговыми и цифровыми процессами и устройствами в радиосвязи. Вопрос возникает потому, что исходная информация в системах связи в значительной части поступает в аналоговой форме; таковы телефонные и телевизионные сообщения. Аналоговая форма сигналов удобна и для излучения, и для приема радиоволн. В то же время значительную часть процессов обработки сигналов целесообразно вести в дискретной форме с применением цифровых интегральных устройств в микроэлектронном исполнении. На решение подобных задач влияют и более частные противоречия: не решен, например, вопрос о предпочтительности применения тех лли иных фильтров.

К важным противоречиям развития можно отнести рост требований к конструкции системы и сложность ее оптимального синтеза и материального воплощения, рост требований к характеристикам компонентов и трудность получения необходимых материалов или их обработки.

Интересно отметить, что ряд материалов, к широкому применению которых пришла радиоэлектроника, принадлежат к числу отнюдь не дефицитных. Кремний, кварц, широко используемые в микроэлектронике, волоконно-оптических системах, фильтрах и др., имеются на нашей планете в очень большом количестве. В то же время предъявляются такие высокие требования к химической чистоте материалов, которые совсем недавно показались бы фантастическими, такие требования к формированию структур изделий из этих материалов (например, стеклянных волокон для оптоэлек- тронных систем), которые также недавно представлялись бы невероятными. Главное, что все эти задачи оказались разрешимыми и решаются.

Не подлежит сомнению, что роль радио в идеологическом воспитании, образовании, развитии культуры, бытовом обслуживании населения, совершенствовании информационных служб, учете и управлении народным хозяйством, внедрении новых технологий, метеорологической службе, охране природы и т. д., т. е. в научно- техническом прогрессе и развитии культуры в целом, не уменьшится и в новом столетии. Радиотехнические системы будут усложняться и совершенствоваться; при этом широкое использование достижений радиоэлектроники несомненно останется важным условием дальнейшего научно-технического прогресса.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты