Основные типы задач в радиотехнике

Несмотря на большое разнообразие задач, решаемых в рамках дисциплин, объединяемых понятием «радиотехника», формально их можно свести к пяти основным типам:

· моделированию;

· расчету;

· анализу;

· оптимизации;

· синтезу.

Рассмотрим содержание перечисленных задач.

Моделированиена нижних уровнях представленной выше «пирамиды», включающих полупроводниковые приборы, звенья, каскады сводится к описанию их работы с помощью формулы, уравнения, матрицы, графика или таблицы.

Требования к такой математической модели:

· должна с требуемой точностью отражать физические процессы в исследуемом объекте;

· должна быть пригодной для использования в компьютере.

Пример. Есть усилительный тракт – нелинейная динамическая система. Входной сигнал – многочастотный. Определить спектр на выходе. Необходимо знание амплитудной и фазочастотной характеристик в одночастотном режиме работы. Совокупность этих характеристик в виде степенного ряда или в табличной форме и есть модель объекта.

Расчет. Он заключается в определении параметров или характеристик звена, каскада, группы каскадов или всего устройства с использованием их математических моделей.

Составляется алгоритм, позволяющий найти отклик объекта при его неизменной структуре и фиксированных внутренних параметрах на внешние воздействия.

(Пример: расчет АЧХ и ФЧХ фильтров при их известной структуре и параметрах).

Анализ. Анализ заключается:

· в определении отклика объекта на изменение его внутренних параметров или внешнего воздействия;

· в исследовании переходного процесса и установившегося режима работы;

· в исследовании условий устойчивости;

· в исследовании прохождения сложных сигналов;

· в исследовании помехоустойчивости.

Возможны следующие виды анализа:

· в частотной области с помощью АЧХ и ФЧХ;

· во временной области с помощью переходной или импульсной характеристик (при первой U_вх – единичная функция, вторая U_вх – единичный импульс);

· электрической устойчивости (либо самостоятельно или в рамках двух первых видов анализа);

· допусковый, устанавливающий зависимость выходных параметров схемы от изменения параметров ее элементов (при детерминированном характере допусковый анализ называется чувствительностью, при случайном характере – статистическим);

· температурный – устанавливающий зависимость выходных параметров схемы от изменения температуры окружающей среды.

При первых двух видах (т.е. в частотной и временной областях) анализа электронных схем возможны два метода:

Первый – основан на использовании некоторого обобщенного параметра (например, для линейных схем передаточная функция, полученная в результате преобразования Лапласа).

Такой путь позволяет найти временные и частотные характеристики объекта для линейных схем с помощью операционного метода или интеграла Фурье, а для нелинейных – путем решения дифференциального уравнения или гармонической линеаризации. Роль компьютера сводится к проведению трудоемких рутинных расчетов с помощью универсального математического пакета программ «MathCAD» или иной специализированной программы.

По результатам расчета на экран дисплея выводятся таблицы и графики. Однако по мере возрастания сложности схем реализация такого пути становится весьма затруднительной из-за большой трудоемкости (составление уравнений, схемы и их решения).

Второй путь более продуктивен при сложной схеме (много элементов и соединений). Он основан на использовании матрично-топологических методов анализа электронных схем с помощью теории графов и матричной алгебры.

Наиболее распространены из них методы узловых потенциалов, контурных токов и переменных состояния, положенные в основу универсальных программ анализа электронных схем. Например, «Electronics Workbench» (Электроникс Воркбенч) – позволяет с помощью графического интерфейса воспроизвести на экране дисплея электронную схему и подвергнуть ее всестороннему анализу.

Оптимизация. Она состоит в определении такой оптимальной комбинации значений внутренних параметров устройства, при которой одна или несколько внешних характеристик или параметров объекта имеют наилучшее значение согласно выбранному критерию.

При этом составляется функция цели, в концентрированной форме отражающая конечный смысл решаемой задачи: поиск оптимальной характеристики объекта с учетом определенных ограничений.

Поиск глобального минимума или максимума функции цели, в зависимости от характера решаемой задачи, осуществляется несколькими методами, составляющими предмет нелинейного программирования.

Реализация этого пути, требующая огромного объема вычислений, возможна только с применением компьютера.

Синтез. Состоит в определении структуры проектируемого объекта и значений параметров его элементов, при которых устройства наилучшим образом согласно выбранному критерию отвечает необходимым требованиям (оптимизация – частный случай синтеза).

Оптимизация – это параметрический синтез (перебор подходящих структур объекта).

Развитие понятия модели

Моделирование – форма человеческой деятельности, в основе которой лежит построение, использование и совершенствование моделей. Первоначально моделью называли некое вспомогательное устройство (объект), который в определенной ситуации заменял другое устройство (объект). Толкование понятия модели отражало развитие познания окружающего мира. Например, древнегреческие философы считали невозможным моделирование естественных процессов, т.к. по их представлениям природа и ее искусственное описание подчинялись различным закономерностям. Единственным способом отображения действительности они признавали логику, т.е. так называемые языковые модели по современной терминологии. Через несколько столетий Королевское Научное Общество провозгласило девиз «Ничего словами». Т.е. признавались выводы подкрепленные только экспериментом или математическими выкладками. В результате понятие «модель» относилось только к материальным объектам специального типа:

· манекен – модель человека;

· уменьшенные копии судов и самолетов в качестве прототипов;