На правах рукописи
САМОХИНА ЕЛЕНА ВИКТОРОВНА
УВЕЛИЧЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА
УСИЛИТЕЛЬНЫХ ТРАКТОВ
СПУТНИКОВЫХ РЕТРАНСЛЯТОРОВ
Специальности:
05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения 05.12.13 – Системы, сети и устройства телекоммуникаций
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва – 2009 2
Работа выполнена на кафедре радиоприборов Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технического университета) Научные руководители: доктор технических наук, профессор Нефедов Виктор Иванович кандидат технических наук, доцент Стариковский Анатолий Иванович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор ………………………….
кандидат технических наук, профессор …………………………
Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие «Московский научноисследовательский радиотехнический институт», г. Москва
Защита состоится « » 2009 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.133.06 в Московском государственном институте электроники и математики (технического университета) по адресу:
109028, Москва, Трехсвятительский пер., д. 1-3/12.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭМ (ТУ)
Автореферат разослан « 2009 г.
»
Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., профессор Н.Н. Грачев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. В настоящее время в различных областях человеческой деятельности все бльшую роль играют подвижные спутниковые системы связи (ССС). Накопленный опыт разработки и эксплуатации таких систем, а также сравнительная простота их оборудования послужили причиной того, что в большинстве действующих ССС, включая спутниковые системы связи России, в ретрансляторах используется многостанционный доступ с частотным разделением каналов (МДЧР). Поскольку при этом в мобильных спутниковых ретрансляторах применяют большое число разночастотных (часто, многочастотных, групповых) сигналов, то их рабочие полосы должны быть достаточно широки. Рост скоростей и объемов потоков информации требует повышенной пропускной способности каналов связи, что может быть достигнуто увеличением динамического диапазона (ДД) и расширением рабочей полосы пропускания усилительных трактов ретрансляторов.
Важнейшей интегральной характеристикой устройств усиления и обработки сигналов является динамический диапазон, который связан, с одной стороны, с чувствительностью, а с другой стороны, с проявлением их нелинейных свойств. Решение задачи расширения динамического диапазона спутниковых систем связи и повышения качества их функционирования непосредственно связано с обеспечением линейности усилительных трактов прохождения разночастотного сигнала. Особенно большое влияние на качество каналов передачи информации оказывает нелинейность передаточных амплитудных характеристик (АХ) и фазоамплитудных характеристик (ФАХ) транзисторных СВЧ-усилителей мощности (СВЧ-УМ), относящихся к классу нелинейных динамических систем, или устройств с комплексной нелинейностью (УКН). Нелинейность АХ СВЧ-УМ проявляется в нелинейном АМ/АМ-преобразовании разночастотного сигнала, а неравномерность ФАХ — в паразитном преобразовании амплитудной модуляции в фазовую, т. е. в возникновении амплитудно-фазовой конверсии (АФК). Все это приводит к возникновению интермодуляционных искажений (ИМИ). Проблема создания широкополосных СВЧ-устройств ретрансляторов с расширенным динамическим диапазоном традиционно является одной из основных задач радиотехники. Основной причиной, препятствующей расширению полосы принимаемых частот, являются паразитные каналы приема, образующиеся, в частности, за счет ИМИ СВЧ-УМ. Они ограничивают реальный динамический диапазон усилительных трактов ретрансляторов. На современном этапе развития техники передачи, приема и обработки информации требования к ДД возрастает с каждым годом. Это объясняется, во-первых, улучшением качественных показателей устройств, а во-вторых, существенным усложнением электромагнитной обстановки.
Последнее связано с ростом энергетического уровня всевозможных помех, а также с увеличением их числа и видов. Для многих радиосредств характерна также устойчивая тенденция к усложнению приемопередающей аппаратуры, размещение ее на ограниченных площадях (на судах, самолетах, ретрансляторах и т. д.) или работающей от общих антенных устройств.
Нижняя граница динамического диапазона определяется шумами трактов, а верхняя — уровнем нелинейных искажений, т.е. фактически уровнями возникающих в СВЧ-УМ ИМИ. Нелинейные свойства тракта могут быть оценены с помощью допустимого коэффициента гармоник огибающей группового сигнала, коэффициента сжатия амплитуды радиосигнала и т. д. Относительное изменение уровней помех и полезных разночастотных сигналов на выходе передатчика и входе приемников в обычных условиях работы, т. е. динамический диапазон входных воздействий, должен достигать 100…120 дБ. Передать сигналы с таким ДД линейно через весь приемопередающий тракт ретранслятора представляет значительные технические трудности.
Итак, динамический диапазон и линейность передаточных характеристик приемопередающих трактов систем связи неразрывно и тесно связаны с друг другом и оказывают главное влияние на параметры и характеристики ретрансляторов и в целом спутниковых систем связи (ССС).
Проблемам увеличения динамического диапазона трактов и нелинейных явлений в транзисторных СВЧ-усилителях мощности систем связи посвящены труды В.И. Каганова, Б.М. Богдановича, Г.М. Крылова, Е.Д. Сунде, Р.Т. Весткотта, Е. Бедросяна и др. Данные вопросы рассмотрены в многочисленных работах О.П. Новожилова, А.А. Титова, Ю.Л. Хотунцева, Л.Я. Кантора, В.И. Нефедова, А.Ш. Касымова, М.С. Ярлыкова, Д. Меллора и других отечественных и зарубежных специалистов, которыми к настоящему времени разработано ряд методов расширения динамического диапазона и линеаризации СВЧ-УМ трактов систем подвижной связи. Однако этим методы имеют определенны недостатки, поэтому сохраняется потребность к созданию новых методов и увеличения динамического диапазона и линеаризации СВЧ-УМ систем связи.
Решение этой серьезной научной проблемы определяет актуальность диссертационной работы, направленной на увеличение динамического диапазона трактов ретрансляторов систем спутниковой связи и линеаризацию передаточных характеристик транзисторных СВЧ-усилителей мощности и компенсации ИМИ, что позволяет существенно повысить верность передачи информации, улучшить энергетические показатели, сузить рабочие полосы и увеличить надежность систем спутниковой связи различного назначения в интересах всех отраслей экономики страны.
Целью работы является создание новых методов исследования комбинационного спектра и разработка технических устройств, обеспечивающих решение проблемы увеличения динамического диапазона и линеаризации транзисторных СВЧ-УМ с повышенными энергетическими характеристиками и минимальными ИМИ при усилении групповых сигналов.
Анализ нелинейных систем с разночастотными сигналами точными методами затруднен ввиду большой сложности, а зачастую и принципиальной невозможности достижения конечного результата. В диссертации для этих целей предложен спектральный метод исследования нелинейных СВЧ-УМ с разночастотными сигналами в квазистационарном (квазистатическом) режиме. В соответствии с поставленной целью в настоящей диссертационной работе рассмотрены:
1. Методы увеличения динамического диапазона усилительных трактов ретрансляторов систем спутниковой связи.
2. Вероятностная модель нелинейных транзисторных СВЧ-УМ при усилении разночастотных сигналов, основанная на анализе амплитудной и фазоамплитудной характеристик усилительного тракта ретранслятора.
3. Спектральный метод анализа нелинейных транзисторных СВЧ-УМ с разночастотными сигналами, позволяющий рассчитывать выходной комбинационный спектр и составляющие ИМИ в устройствах ретрансляторов спутниковой связи.
4. Новые методы и технические решения построения транзисторных СВЧ-УМ с линейными передаточными амплитудными характеристиками и малыми значениями амплитудно-фазовой конверсии.
5. Способ автоматической линеаризации свойств нелинейных СВЧусилителей мощности с помощью амплитудных и фазовых корректоров с цифровым и адаптивным управлением.
6. Разработка программного обеспечения для исследования различных нелинейных СВЧ-устройств и систем связи на компьютере.
Методы исследования. В работе использованы методы спектрального анализа нелинейных динамических систем, метод функциональных рядов Вольтерр, аппарат функций комплексного переменного, дифференциальные и интегральные преобразования, теория вероятностей и математическая статистика, математическое моделирование и способы аппроксимации передаточных характеристик, теория передачи информации.
Научной новизной обладают следующие результаты работы.
1. Метод увеличения динамического диапазона сигналов приемопередающих СВЧ-трактов ретрансляторов систем спутниковой связи, основанный на линеаризации передаточных усилительных устройств.
2. Вероятностная модель транзисторных СВЧ-УМ с разночастотными сигналами, представляемые через аппроксимацию передаточных АХ и ФАХ.
3. Предложенный спектральный метод анализа нелинейных СВЧ-УМ.
4. Схема корректора характеристик СВЧ-УМ, позволяющая линеаризировать АХ и снизить АФК.
5. Новые технические решения построения СВЧ-УМ с разночастотными сигналами и автоматической цифровой коррекцией нелинейности передаточных АХ и ФАХ.
Практическая ценность заключается:
1. В исследовании и разработке усилительных трактов ретрансляторов с увеличенным динамическим диапазоном, линейными СВЧ-УМ с малыми уровнями ИМИ, что позволило повысить КПД, выходную мощность и расширить полосу рабочих частот систем спутниковой связи.
2. В создании комплексной программы по компьютерному анализу и расчету комбинационного спектра и составляющих ИМИ на выходе транзисторных СВЧ-УМ, применяемых в ретрансляторах.
3. Разработке амплитудных и фазовых корректоров и схем линеаризации передаточных характеристик транзисторных СВЧ-УМ с адаптивным управлением и обратными связями.
4. Разработке экспериментальных методик измерения односигнальных и многосигнальных передаточных АХ и ФАХ.
Основные научные положения, выносимые на защиту 1. Метод увеличения динамического диапазона трактов ретрансляторов, основанный на линеаризации передаточных характеристик СВЧ-УМ.
2. Вероятностная модель транзисторных СВЧ-УМ, представляемые через аппроксимацию АХ и ФАХ.
3. Предложенный спектральный метод анализа нелинейных СВЧ-УМ с разночастотными сигналами с использованием аппроксимации АХ и ФАХ функциями Бесселя и численными исследованиями на компьютере.
4. Новые технические решения построения СВЧ-УМ с разночастотными сигналами и автоматической коррекцией нелинейности АХ и ФАХ.
Основные результаты диссертационной автора работы внедрены на предприятиях ОАО «Концерн радиостроения «ВЕГА», ЦНИИ «Радиосвязь», в НИИ космических систем – филиал ГКНПЦ имени М.В. Хруничева, в институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН, применены в учебном процессе в Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете) и Московском государственном институте электроники и математики (техническом университете). Результаты работы отражены в 4 учебниках с грифом Министерства образования и науки РФ “Допущено” в качестве учебника для студентов учреждений среднего профессионального образования и учебном пособии с грифом УМО «Допущено» в качестве учебного пособия для студентов специальности “Радиотехника”.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались с 2001-го по 2009 год на научно-технических конференциях и семинарах в Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете), Московском энергетическом институте (техническом университете), на конференциях и заседаниях НТОРЭС им. А.С. Попова, на международных и Всероссийских научно-технических конференциях.
Достоверность основных теоретических положений подтверждена:
– созданием широкого класса СВЧ-УМ, внедренных в состав радиотехнических систем различного назначения;
– экспериментально в процессе исследований разработанных линейных транзисторных СВЧ-УМ;
– точностью расчетов параметров с помощью спектрального метода (0,15…0,25 дБ), что соизмеримо с погрешностью измерительных приборов;
– расчетными оценками границ применения алгоритмов и методик;
– актами о внедрении и использовании научных и практических результатов диссертации;
– совпадением результатов настоящей работы с данными, полученными другими авторами.
Публикации. Результаты проведенных в диссертации исследований опубликованы автором более чем в 35: 4 статьях в ведущих научных журналах и изданиях, выпускаемых в Российской Федерации и рекомендуемых ВАК для публикация основных материалов диссертаций, представляемых на соискание ученой степени кандидата наук; 19 статьях в сборниках трудов международных научно-технических конференций; 7 статьях в научно-технических сборниках издательств МИРЭА и других высших учебных заведениях и научно-исследовательских институтов; в 4 учебниках с грифом Министерства образования и науки РФ «Допущено» в качестве учебника для студентов учреждений среднего профессионального образования и учебном пособии с грифом УМО «Допущено» в качестве учебного пособия для студентов специальности “Радиотехника”.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, 3 приложений, списка источников информации, включающего 189 наименований; содержит 158 страниц текста, 36 рисунков и 9 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность, сформулированы цель, задачи и методы исследования, представлены новизна, научная и практическая ценность, кратко излагается содержание и основные результаты работы.
Первый раздел содержит обзор научно-технической литературы за последние годы, известных исследований, и разнообразные материалы, дающие основные сведения о том, что необходимо выполнить для решения проблемы расширения динамического диапазона и линеаризации передаточных характеристик транзисторных СВЧ-усилителей мощности ретрансляторов систем персональной спутниковой связи.
Рассмотрены ретрансляторы спутниковых систем связи с многостанционным доступом (рис. 1), имеющие различные нелинейные СВЧустройства, и прежде всего, нелинейные транзисторные СВЧ-УМ.
Рис. 1. Структурная схема модели ретранслятора подвижной системы спутниковой связи с групповым нелинейным трактом Проблема создания широкополосных устройств с расширенным динамическим диапазоном является одной из основных задач радиотехники.
Главной причиной, препятствующей расширению полосы частот, являются ИМИ, образующиеся из-за нелинейности усилительных трактов. Существуют несколько путей решения указанной проблемы. Все они имеют свои достоинства и недостатки, связанные со схемотехническими и конструктивными особенностями конкретных устройств. Исследованиями установлено, как при усилении разночастотного сигнала на выходе УКН возникают следующие виды нелинейных эффектов: подавление сильными сигналами слабых до 3… 6 дБ; снижение выходной мощности на 1,5…2,0 дБ и появление ИМИ. Из них наиболее мощные и влияющие на качество связи — ИМИ 3-го и 5-го порядков. Анализ современных транзисторных СВЧУМ и усилительных модулей выявил, что при уровне ИМИ в 25…30 дБ, КПД снижается до 25…30 %. При этом расчеты показывают, что снижение уровня ИМИ в групповом сигнале выходного СВЧ-УМ передатчика на 3дБ эквивалентно увеличению его КПД и выходной мощности на 4…5 %.
Для количественной оценки влияния нелинейности СВЧ-УМ на показатели качества систем связи необходимо исследовать их характеристики в многосигнальном режиме. Это трудная задача, так как надо одновременно учитывать совместное влияние двух эффектов: AM/AM-преобразования и АФК. Эти два явления, имеющих место в нелинейных СВЧ-УМ, тесно взаимосвязаны, определяют модуль и фазу комплексного коэффициента передачи, и влияют и на подавление полезных сигналов, и на генерацию ИМИ, поэтому их действие следует учитывать совместно.
Выходные каскады приемопередающих устройств современных и перспективных ССС в своем составе содержат в основном мощные биполярные и полевые транзисторы и микросхемы. Из-за необходимости передачи больших мощностей и обеспечения высокого КПД активные элеменРис. 2. Передаточные АХ и ФАХ СВЧ-УМ:
а — линейные; б – в — нелинейные; г — реального усилителя ты СВЧ-трактов работают, как правило, в режимах, близких к насыщению, вследствие чего их передаточные характеристики могут иметь различный характер. Типовые нормированные передаточные характеристики АХ и ФАХ реальных транзисторных СВЧ-УМ показаны на рис. 2.
Исследование нелинейности АХ и неравномерности ФАХ транзисторных СВЧ-УМ в настоящее время ведется различными методами. В диссертации проведен сравнительный анализ известных методов исследования УКН. Нелинейные динамические системы описываются нелинейными дифференциальными уравнениями. Анализ таких систем аналитическими и численными методами (как для линейных систем) затруднен ввиду большой сложности. Поэтому большое распространение получили приближенные методы анализа и в первую очередь те, которые позволяют распространить на нелинейные системы методы анализа линейных систем.
Среди них наиболее известны:
– метод интегро-дифференциальных уравнений;
– метод с использованием многомерных рядов Винера-Вольтерр;
– метод квазистационарной амплитуды.
Основной проблемой при решении задачи линеаризации оставалось нахождение наиболее эффективных методов математического моделирования транзисторных СВЧ-УМ. Ранее была решена частная задача по оценке мощности ИМИ на выходе нелинейных усилителей. При этом учитывалось влияние только нелинейности АХ. Влияние АФК в расчетах исключалось. Лет 15 20 назад появились работы по спектральным методам исследований СВЧ-УМ, учитывающим совместное влияние нелинейности АХ и ФАХ. Было предложено определять мощности ИМИ, учитывая при раздельно влияние нелинейности АХ и неравномерности ФАХ лишь при двухчастотном сигнале на границах рабочего диапазона. Полученные результаты расчета рекомендовалось затем складывать по мощности. При оценке отмеченных методов вопрос сводится к следующему: допустимо ли распространить их на множество усиливаемых сигналов, представляемых в виде суммарного колебания с меняющимся по сложному закону амплитудой и фазой? Ответ на этот вопрос неоднозначен, поэтому в работе был применен усовершенствованный спектральный метод анализа нелинейных транзисторных СВЧ-УМ с большим числом разночастотных сигналов. Этот метод назван квазистационарным. Его суть заключается в вероятностном представлении нелинейного СВЧ-УМ в виде эквивалентной схемы с передаточными АХ и ФАХ, полученными в односигнальном или многосигнальном режиме при реальных изменениях амплитуды и фазы суммарного разночастотного сигнала с использованием аппроксимации АХ и ФАХ и численными исследованиями на компьютере. При анализе АХ и ФАХ можно определить теоретически или экспериментально практически по любому числу передаваемых сигналов.
Во втором разделе дан анализ известных методов исследования нелинейных динамических систем и предложен новый метод исследования СВЧ-УМ при разночастотном входном сигнале.
Метод функциональных рядов Вольтерр широко используется при исследованиях характеристик и параметров различных динамических систем и позволяет установить аналитическую связь между входным и выходным сигналами, в том числе и между их спектрами.
Выходной сигнал ивых(t) представляется суммой откликов нелинейной системы в виде бесконечного множества импульсных характеристик hn(1, …, i,…,n) и входном разночастотном сигнале ивх(t) в виде бесконечного множества импульсных сигналов. При этом используют разложение некоторой известной нелинейной функции, отражающей групповой входной сигнал G[ивх(t)] в степеннй ряд. Разложение выходного группового сигнала в ряд Вольтерр имеет вид:
где hn(1, …, i,…,n) — ядра ряда n-го порядка (импульсные характеристики многовходовой цепи).
При определении ядер ряда Вольтерр малого порядка для простых нелинейных СВЧ-УМ применение метода дает ощутимый выигрыш по сравнению, например, с методом прямого разложения выходного сигнала на составляющие. При исследовании же нелинейных СВЧ-устройств высокого порядка целесообразно применять так называемое их каноническое моделирование. Известная каноническая модель нелинейной динамической системы на основе частотного степеннго ряда использует разложение ядер Вольтерр в ряд Тейлора по спектру в окрестности центральной рабочей частоты, на которой производится усиление, т. е.
где s1, s2,…, sn — номера ядер Вольтерр; 1, 2, …,n — набор рабочих частот передаваемого сложного сигнала системы радиосвязи.
Важнейшими вопросами, возникающими при анализе нелинейных СВЧ-УМ методами рядов Вольтерра, являются способы определения ядер ряда или нелинейных импульсных функций. Наиболее известными среди них являются методы прямого разложения испытательных сигналов и их модификации. Однако методы напрямую неприменимы к многовходовым СВЧ-УМ с разночастотными сигналами, не позволяют описывать в моделях их характеристики произвольной аналитической функцией и требуют значительных вычислительных затрат при расчете импульсных функций высоких порядков. Представляет проблему слабая сходимость методов на основе рядов Вольтерра при увеличении амплитуд входных сигналов и отсутствие надежных алгоритмов оценки сходимости. Итак, методы на основе рядов Вольтерра не удовлетворяют ряду требований.
В разработанном в диссертации квазистационарном методе представления вероятностной модели СВЧ-УМ с аппроксимацией передаточных характеристик состоит в условном определении совокупности отсчетов входных АХ и ФАХ, полностью определяющих анализируемое устройство для дальнейшего его исследования. Поэтому метод анализа и расчета комбинационного спектра на выходе нелинейных транзисторных СВЧ-УМ с разночастотными сигналами назван квазистационарным методом с аппроксимацией передаточных характеристик. Групповое усиленное колебание на выходе нелинейного транзисторного СВЧ-УМ можно представить так:
где М(K1, K2,..., KN) — комплексная амплитуда полезных сигналов и продуктов ИМИ на угловой частоте = K11 + K22 +…+ KNN + … + 0 на выходе нелинейного СВЧ-устройства; Ki — номер гармоники i-го сигнала.
Разночастотные сигналы поступают на вход усилительного тракта со случайной фазой, значение которой считаем равномерно распределенной на интервале 0…2. Поэтому выражение комплексных амплитуд сигналов и ИМИ на выходе нелинейного устройства можно записать где JK — функции Бесселя первого рода K-го порядка; r — аналог времени;
функция (t) — суммарная огибающая разночастотного сигнала на входе, g() и () — передаточные АХ и ФАХ нелинейного транзисторного СВЧУМ. Каждый тип и номер ИМИ разночастотного усиленного сигнала на выходе СВЧ-УМ характеризуется набором целочисленных коэффициентов K1, K2,..., KN, которые могут принимать любое значение.
В предложенном методе вероятностная математическая модель нелинейного транзисторного СВЧ-УМ определяется выражением где g() — амплитудная характеристика; () — фазоамплитудная характеристика; Pвх — мощность группового (группового) сигнала на входе транзисторного СВЧ-УМ; параметр = 2Рвх.
При этом групповое усиленное колебание на выходе исследуемого нелинейного СВЧ-УМ можно представить следующем образом:
где М(K1, K2,..., KN) — комплексная амплитуда полезных сигналов и продуктов интермодуляционных искажений на угловой частоте на выходе исследуемого СВЧ-УМ; Ki — номер гармоники i-го сигнала.
Каждый тип ИМИ набором произвольных целочисленных коэффициентов K1, K2,..., KN. Общее выражение комплексных амплитуд полезных сигналов и составляющих ИМИ в разночастотном режиме:
где JK — функции Бесселя первого рода K-го порядка; r — переменная, являющаяся аналогом времени; функция (t) — огибающая группового сигнала на входе, g() и () — АХ и ФАХ нелинейного СВЧ-УМ.
При использовании для аппроксимация АХ и ФАХ СВЧ-УМ функций Бесселя, выражение (5) запишется в следующем виде:
где bs = bgs + jbms — комплексные коэффициенты; bgs — вещественная часть; bms — мнимая часть модели УКН; JL — функция Бесселя 1-го рода L-го порядка (L = 1, 2,…, s); — константа (0,4 < 1,0).
Аппроксимация характеристик производится раздельно для действительных и мнимых частей комплексной нелинейности:
Аппроксимацию выполняем по методу наименьших квадратов:
Здесь z — число снимаемых точек передаточных АХ и ФАХ транзисторных СВЧ-УМ (число точек аппроксимации характеристик, вводимых в компьютер); gk — значения выходной мощности на кривой АХ и k — значения фазы на кривой ФАХ в точках, число которых z = kmax.
В результате проведенных исследований установлено, что выражения (8), (12), (13) приводят к достаточно простой формуле для вычисления комплексных амплитуд полезных сигналов и составляющих ИМИ:
где J K L (su вхL ) — функция Бесселя 1-го рода порядка KL.
Для предложенного метода разработано математическое и программное обеспечение расчета мощности сигналов и ИМИ на выходе транзисторных СВЧ-УМв многосигнальном режиме.
В качестве критерия оценки интенсивности составляющих ИМИ было принято считать отношение мощности наиболее интенсивного продукта интермодуляционных искажений ИМИ-32 Р32 к мощности полезного сигнала Рс на выходе исследуемого нелинейного устройства:
В работе установлено, что в спектральном методе анализа УКН на основе аппроксимации АХ и ФАХ с помощью функций Бесселя получаются выражения, удобные для расчетов на компьютере, не требуются сложные математические преобразования, большие затраты машинного времени, не возрастает громоздкость вычислений с увеличением количества сигналов на входе исследуемого СВЧ-УМ.
В третьем разделе представлены методы расширения динамического диапазона и линеаризации усилительных трактов с разночастотыми сигналами. Разработанная в диссертации структурная схема корректора с прямой связью представлена на рис. 3. Данная схема имеет огромное преимущество перед другими схемами корректоров вследствие того, что она лишена нелинейного смесителя в цепи коррекции фазы.
Основной проблемой при разработке подобных схем корректоров является минимизация амплитудных и фазовых ошибок. Для подавления ИМИ на выходе сумматора, на один вход которого подается неискаженный входной сигнал, а на второй вход — выходной усиленный сигнал с ИМИ, необходимо, чтобы амплитуды несущих были бы одинаковы, а сдвиг фаз равен 180°. В результате того, что амплитуды и фазы сигналов не одинаковы, существует определенный порог ограничения несущих.
Рис. 3. Структурная схема корректора с прямой связью В связи с наличием определенных порогов напряжения срабатывания элементов схемы корректора, в его структуру введена автоматическая схема управления, которая отслеживает изменения амплитуды и фазы.
При возникновении в цепи коррекции фазы ошибки, фазовая ошибка, которая пройдет на выход петли подавления ИМИ, будет определятся:
В качестве электронно-управляемого аттенюатора А1 корректора была смоделирована и разработана специализированная схема. В результате выполненного моделирования получено, что при включении корректора ИМИ подавляются на 22 дБ в полосе 15 МГц. На основе расчетов были сделаны выводы о том, что амплитудная ошибка в петле подавления составила не более 0,2 дБ. Для выходного сумматора при амплитудной ошибке в 0,2 дБ и при X = 0,52 дБ подобная степень подавления ИМИ возможна при максимальной фазовой ошибке 0,4…0,5°. Полученные в ходе моделирования результаты подтверждают достоверность выполненных расчетов.
В разделе предложен метод линеаризации характеристик СВЧ-УМ на основе их обратимых функциональных моделей. Для создания схем корректоров в качестве аналитической модели нелинейного СВЧ-УМ выбран аналог обратимой модели на основе нелинейного уравнения Урысона где fk(x) — базовые функции, определенные типом аппроксимации нелинейных моделей из пространства функций (сигналов) R (xn, yn R); z–1 — общепринятый символ элемента задержки входной цифровой последовательности сигналов на интервал дискретизации t = Т. Модель описывается следующим уравнением обратимой системы Проведенные исследованиями подтвердили, что с помощью разработанной схемы управления корректор передаточных характеристик позволяет подавить ИМИ в выходном спектре группового цифрового сигнала на 25 дБ в полосе в полосе рабочих частот.
В четвертом разделе приведены результаты математического моделирования и экспериментальные исследования нелинейных транзисторных СВЧ-УМ в многосигнальном режиме. В разделе представлен и использован разработанный специализированный пакет прикладных программ для персонального компьютера, предназначенный для исследования маломощных (до 1 Вт), средней мощности (до 10 Вт) и мощных (до 100 Вт и более) многосигнальных СВЧ-устройств с комплексной нелинейностью.
Пакет прикладных программ позволяет производить все виды математической обработки данных, предусмотрено автоматическое планирование и обработка пробных и последовательных экспериментов, а также ввод исходных данных параметров АХ и ФАХ исследуемых СВЧ-устройств из базы данных в автоматическом режиме. Практически все расчеты параметров передаточных АХ и ФАХ нелинейных транзисторных СВЧ-УМ выполнены на компьютере с использованием квазистационарного спектрального метода анализа нелинейных динамических систем.
Проведен анализ передаточных АХ и ФАХ линеаризированных транзисторных СВЧ-УМ при суммарной мощности входного группового сигнала на 10 … 12 дБ превышающих режим насыщения нелинеаризированных усилительных устройств. В результате установлено, что:
– абсолютная точность расчетов отношения Pс/PИМИ на выходе линеаризированных транзисторных СВЧ-УМ, выполненных спектральным методом характеристических функций соизмерима с погрешностью измерительных приборов и составляет величину (0,10 – 0,25) %;
– точность компьютерных расчетов отношения Pс/PИМИ = f(Pвх) в зависимости от мощности входного сигнала для наиболее интенсивных продуктов ИМИ-31, ИМИ-32 составляет 2,5 – 5,0 %.
По результатам расчетов продуктов ИМИ можно сделать вывод, что отношение мощности полезного группового сигнала к мощности ИМИ для полевых транзисторов больше на 1,5 – 3 дБ аналогичного отношения для биполярных транзисторов.
Для транзисторных СВЧ-усилителей мощности режим максимальной помехоустойчивости (максимального отношения Рс/РИМИ) наблюдается в трех рабочих точках работы УКН, соответственно (-14; -3,8; 0) дБ. В диапазоне же мощностей -3,8 – 0 дБ отношение Рс/РИМИ — достаточно стабильное и составляет величину 23 – 24 дБ. Аналогичные результаты получены и для разработанных в диссертации нелинейных СВЧ-устройств: отношение Рс/РИМИ составляет величину (21 – 21,5) дБ в диапазоне входных мощностей - 4 – 0 дБ. Следовательно, выбор режима работы транзисторного усилителя мощности в области, близкой к режиму насыщения, не критичен с точки зрения отношения мощностей Рс/РИМИ.
Также было исследовано два специфичных режима работы транзисторного усилителя мощности: режим повышенной входной мощности и номинальной. В первом случае интенсивность продуктов ИМИ в диапазоне входных мощностей - 8, -6, -4, -2 и 0 дБ соответственно на 5, 6, 10, 8 и 9,5 дБ выше, чем при режиме номинальной мощности.
В разделе также приведены экспериментальные данные, на основе которых изучено изменение характеристик усилителя в зависимости от ухода параметров и изменения условий эксплуатации модулей. На основе анализа статистики и большого количества практических измерений АХ и ФАХ транзисторных СВЧ-усилителей при изменяющихся внешних дестабилизирующих факторах, сформулированы требования, как к отдельным блокам корректоров с прямой связью, так и к характеристикам входных сигналов. Стабильность ФАХ входного сигнала является наиболее важным показателем при работе широкополосных корректоров с прямой связью.
Для обеспечения стабильности характеристик в полосе частот 15 МГц необходимо контролировать стабильность АХ в пределах ± 0,2 дБ и стабильность ФЧХ в пределах ± 0,5°. Для этого необходимо стабилизировать источники питания, а также источники напряжений смещения на уровне ±1,5% от номинального значения напряжения при работе в установившемся режиме. Также необходимо обеспечивать контроль температуры корпусов транзисторов в пределах ± 2 °С.
В приложениях приведены электрическая принципиальная схема предложенной схемы корректора, программы расчета комбинационного выходного спектра, анализ последовательного соединения двух УКН, конструкции разработанных СВЧ-усилителей мощности и сумматоров.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные результаты, представленные в диссертации, отражены в следующих положениях.1. Разработаны методы увеличения динамического диапазона усилительных трактов ретрансляторов систем спутниковой связи.
2. Создана вероятностная модель нелинейных транзисторных СВЧ-УМ с разночастотными сигналами, основанная на аппроксимации АХ и ФАХ.
3. Предложен квазистационарный метод анализа нелинейных транзисторных СВЧ-УМ с разночастотными сигналами, позволяющий рассчитывать выходной комбинационный спектр и составляющие ИМИ. Показано, что метод обладает высокой точностью (0,1…0,2) дБ и перспективностью.
4. Предложены новые методы и технические решения построения транзисторных СВЧ-УМ с линейными передаточными АХ и малыми значениями АФК, что значительно расширило область их применения. Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод, что при применении разработанных корректоров и сумматора, степень ослабления несущих составит не 2,5 дБ, а всего 0,5 дБ, что представляет значительный выигрыш.
5. Разработан пакет прикладных программ, предназначенный для исследования УКН в многосигнальном режиме. При этом исследуемые устройства могут иметь значительную величину АФК (К > 4 – 5 град/дБ).
Таким образом, в результате теоретических и экспериментальных исследований, а также компьютерного моделирования, решена важная проблема построения линейных схем транзисторных СВЧ-УМ. Проведена разработка новых положений теории нелинейных систем с разночастотными входными сигналами, совокупность которых позволила решить научно-техническую проблему, имеющую важное хозяйственное значение по развитию основ построения, разработки, созданию и внедрению СВЧ-УМ с повышенными энергетическими характеристиками в системы различного назначения. Это должно повысить их КПД, выходную мощность, надежность, уменьшить уровень ИМИ, расширить полосу рабочих частот, снизить стоимость и массогабаритные показатели, а в итоге приведет к увеличению числа пользователей и повышение объема и скорости передаваемой информации систем спутниковой связи.
Основные результаты диссертации изложены более чем в 35 работах 1. Самохина Е. В., Стариковский А.И. Спектральные методы исследования нелинейных СВЧ-устройств. Наукоемкие технологии, 2008, т. 6, №12, с. 27-29.
2. Самохина Е.В., Нефедов В.И., Власюк Ю.А. Исследование характеристик нелинейных СВЧ-усилителей. Наукоемкие технологии, 2005, т.6, №10, с. 21-23.
3. Нефедов В.И., Барский Д.Р., Белявский Д.С., Самохина Е.В. Ошибки передачи битовых потоков в цифровых системах подвижной связи. Наукоемкие технологии, 2005, т. 6, № 10, с. 24-26.
4. Самохина Е.В., Битюков В.К., Гуров П.А., Нефедов В.И., Барский Д.Р.
Повышение эффективности СВЧ-усилителей систем связи. Наукоемкие технологии, 2005, т. 6, № 10, с. 27-29.
Публикации в журналах, учебники и учебные пособия и материалы научно-технических конференций 1. Самохина Е.В., Стукас А.В., Зубков А.П., Базитов А.В., Оганян А.Б.
Увеличение динамического диапазона и линеаризация усилительных трактов систем передачи информации. 64-я научная сессия, посвященная Дню радио. 13-14 мая 2009 г., Москва, Россия.
2. Самохина Е.В., Белявский Д.С., Нефедов В.И., Барский Д.Р. Исследование нелинейных СВЧ-усилителей с использованием рядов Вольтерр.
НТОРЭС им. А.С. Попова. 63-я научная сессия, посвященная Дню радио.
17-19 мая 2008 г., Москва, Россия.
3. Самохина Е.В. Повышение эффективности СВЧ-трактов спутниковых систем связи. 4-я Международная научно-техническая конференция “Фундаментальные и прикладные проблемы физики”, с. 121-123. Саранск, 2006 г.
4. Нефедов В.И., Битюков В.К., Самохина Е.В., Стариковский А.И., Белоусов О.Б., Грязных И.В. Основы радиоэлектроники и связи. /Под ред.
Нефедова В.И. (рекомендовано УМО Минвуза России в качестве учебного пособия). Часть 2. /Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет). – М.: 2008. – 148 с.
5. Самохина Е.В. Квазистатические методы исследования нелинейных СВЧустройств с использованием функций Бесселя. Материалы международной научно-практической конференции “Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения”. INTERMATIC. – М.: МИРЭА, 2003. С. 176-178.
6. Nefedov V., Samokhina Е.V. Consideration of amplitude and phase errors in the power amplifier linearization circuits. DSPA’2001, 3-th International Conference: Digital Signal Processing And Its Applications. Moscow. Russia.
2002. Proceedings – 2, p. 349.
7. Самохина Е.В., Барский Д.Р., Матюхин А.А., Гуров П.Н., Нефедов В.И., Белявский Д.С. Линеаризация характеристик СВЧ-усилителей мощности на основе обратимых моделей. Москва, МИРЭА. Сб. трудов 57-й научно-технической конференции. Часть 2. Технические науки. 2006 г. С. 58-63.
8. Нефедов В.И., Сигов А.С., Битюков В.К. Самохина Е.В. Метрология, стандартизация и сертификация. / Под ред. профессора Нефедова В.И.
Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования. – М.: Форум-Инфра-М, 2009 г. 416 с.
9. Самохина Е.В., Барский Д.Р., Матюхин А.А., Нефедов В.И.. Линеаризация усилителей мощности на основе уравнений Урысона. Москва, МИРЭА. Сборник трудов 57-ой научно-технической конференции. Часть 2.
Физико-математические науки. Технические науки. 2006. С. 35-38.
10.Самохина Е.В. Усилители мощности для базовых станций сотовой связи стандарта CDMA. Сб. научных трудов “Радиоэлектроника и связь”, МИРЭА. М.: 2001. /Под ред. В.И. Нефедова. С. 41-47.
11. Нефедов В.И., Барский Д.Р., Самохина Е.В., Белявский Д.С. Спектральный метод анализа нелинейных динамических систем с многочастотными сигналами. Сб. трудов 55-ой научно-технической конференции. Часть 2. Физико-математические науки. Технические науки. 2006 г. С. 64-67.
12.Самохина Е.В. Линейные транзисторные СВЧ-усилители мощности для систем подвижной связи. Труды VIII Международной научнопрактической конференции “Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики”. Москва 2005 г. С. 23-26.
13. Самохина Е.В. Исследование нелинейных усилителей с использованием рядов Вольтерра. Доклады научной конференции Инфо-2008. Сочи. С. 151-156.
14. Samokhina Е.V., Nefedov V.I., Barskij D.R., Gurov P.A. Distortions of signals in powerful the microwave-amplifier. DSPA’ 2005, 7-th International Conference: Digital Signal Processing And Its Applications. Moscow. Russia. v.
II. 2005. Proceedings – 2, p. 250 – 252.
15.Сигов А.С., Нефедов В.И., Самохина Е.В. и др. Электрорадиоизмерения. (3-е изд.). Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования. – М.: Форум-Инфра-М, 2009 г. 384 с.
16. Belyavsky D.S., Matjuhin A.A., Samokhina E.V., Solomatin N.S., Gurov P.A., Nefedov V.I., Buzylyov F.N. Increase of the linearity of communication system microwaves-amplifiers. DSPA-07. Moscow, Russia. Р. 598-599.