На правах рукописи

БЕЛЯВСКИЙ ДЕНИС СЕР ГЕЕВИЧ

Моделирование и аппроксимация характеристик

нелинейных каскадов передатчиков систем радиосвязи

Специальность

05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор Нефедов В.И.

Москва – 2010 2

Работа выполнена на кафедре радиоприборов Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технического университета) Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Нефедов Виктор Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Новожилов О. П.

доктор технических наук, профессор Белоусов О. Б.

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие «Московский научноисследовательский радиотехнический институт», г. Москва

Защита состоится «24» июня 2010 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.133.06 в Московском государственном институте электроники и математики (техническом университете) по адресу:

109028, Москва, Б. Трехсвятительский пер., д. 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭМ (ТУ)

Автореферат разослан « » 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., профессор Н.Н. Грачев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одной из основных тенденций развития и совершенствования современных систем радиосвязи со многими несущими (систем с многостанционным доступом) является повышение объема и скорости передаваемой информации, а также дальнейшее увеличение числа абонентов. В системах подвижной связи с многостанционным доступом используются сложные по структуре сигналы, как правило, цифровые и со многими несущими (многочастотными или разночастотными групповыми сигналами). Для достижения высоких скоростей передачи и одновременно высокой спектральной эффективности применяются сложные, комплексные методы модуляции сигнала, которые характеризуются значительными изменениями уровня огибающей сигнала. В то же время необходимость обеспечения высоких энергетических характеристик и, в первую очередь, выходной мощности и КПД передатчика требует вводить нелинейные режимы работы транзисторных радиочастотных усилителей (радиоусилителей, или СВЧ-усилителей) мощности, что создает сложности в реализации их качественных характеристик.

Поэтому решение задачи совершенствования разнообразных систем связи и повышения качества их функционирования непосредственно связано с обеспечением линейных свойств передающих трактов прохождения сложного сигнала, и особенно линейности передаточных характеристик усилительных устройств радиочастотного диапазона. Нелинейные СВЧустройства, относящиеся к классу нелинейных динамических систем типа «черного ящика», применяют в системах связи с многостанционным доступом. В настоящее время в качестве усилительных элементов в передатчиках включают биполярные и полевые транзисторы, которые обладают рядом преимуществ перед другими активными элементами. Это малый коэффициент шума, работа на частотах вплоть до 50 ГГц, устойчивость в широком диапазоне частот, технологичность и простота изготовления.

Наличие нелинейных СВЧ-усилителей в передающих трактах систем связи приводит к возникновению интермодуляционных помех (ИМП; интермодуляционных искажений — ИМИ), создающих взаимные помехи во всех радиоканалах и мешающие нормальному функционированию системы радиосвязи. Для обеспечения качественной работы систем связи мощность интермодуляционных искажений в многоканальных системах связи должна быть, как правило, ниже мощности передаваемых сигналов не менее чем на 25...30 дБ. В связи с этим линейность передаточных характеристик выходных нелинейных радиоусилителей мощности являются важными показателями для работы современных систем связи.

Кроме задачи уменьшения ИМИ существуют и другие задачи. Следует выделить проблему электромагнитной совместимости. Она особенно актуальна для приемо-передающих трактов станций спутниковой связи, построенных с несколькими преобразованиями частоты. Сигналы гетеродинов могут попадать в тракт сигнала приемника, вводить его оконечные каскады в нелинейный режим. Это опасно тем, что может возникнуть эффект подавления слабого сигнала сильным, при этом ухудшается соотношение сигнал/шум, что приводит к нарушению связи. В передающем тракте наличие сигналов гетеродинов, расположенных в других стволах, будет восприниматься в соседних каналах как мешающая помеха.

Изучению нелинейных явлений в радиочастотных усилителях посвящены труды многих ученых, которыми предложен ряд методов их исследования. Вместе с тем эти методы полностью не решают всех поставленных задач. Причем с увеличением мощности передающих устройств различных систем связи со многими несущими, возрастанием потоков передаваемой информации, уплотнением каналов, а значит с ухудшением электромагнитной обстановки, проблема становится особенно важной.

Решение этой научной задачи определяет актуальность диссертации, связанной с моделированием и линеаризацией передаточных характеристик нелинейных усилительных устройств, что позволит повысить выходную мощность и КПД, улучшить ЭМС в зоне действия систем связи с многими несущими за счет уменьшения уровней интермодуляционных искажений, сузить рабочие полосы каналов и увеличить их эффективность.

';

Целью работы является разработка методов аппроксимации и технических устройств, обеспечивающих решение проблемы линеаризации передаточных характеристик нелинейных транзисторных усилительных устройств многоканальных систем связи со многими несущими.

В соответствии с поставленной целью при работе над диссертацией:

• рассмотрены методы анализа и компьютерного расчета выходного спектра и ИМИ радиоусилителей мощности со многими несущими (нелинейных динамических систем типа «черный ящик»);

• предложен численный метод анализа нелинейных радиоусилителей мощности со многими несущими, основанный на моделировании и аппроксимации их передаточных характеристик интерполяционными полиномами (рядами) и специальными функциями;

• предложен и экспериментально подтвержден метод и устройство линеаризации передаточных характеристик транзисторных радиоусилителей мощности радиопередающих устройств систем связи;

• разработаны широкополосные пассивные устройства и узлы управления корректоров передаточных характеристик усилительных трактов.

Методы исследования. При проведении исследований в диссертационной работе использованы: теория передачи информации, спектральный анализ нелинейных динамических систем со многими несущими, аппарат функций комплексного переменного, дифференциальные и интегральные преобразования, математическая статистика, методы компьютерного моделирования и аппроксимации передаточных характеристик.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

• рассмотрены методы анализа и расчета комбинационного спектра и ИМИ транзисторных радиоусилителей мощности со многими несущими (нелинейных динамических систем типа «черный ящик»);

• предложен метод анализа нелинейных транзисторных радиоусилителей мощности со многими несущими, основанный на моделировании и аппроксимации их передаточных характеристик интерполяционными полиномами (рядами) и специальными функциями;

• разработан метод и устройство линеаризации передаточных характеристик транзисторных радиоусилителей мощности передающих устройств систем связи;

• разработаны широкополосные пассивные устройства и электронные узлы управления для корректоров передаточных характеристик.

Практическая ценность работы заключается: в разработке линейных транзисторных радиоусилителей мощности со многими несущими;

программ по компьютерному анализу и расчету спектра и составляющих ИМИ на выходе транзисторных радиоусилителей мощности; корректоров передаточных характеристик транзисторных радиоусилителей мощности с широкополосными направленными ответвителями, электронными схемами аттенюаторов и фазовращателей; экспериментальной установки для исследования параметров и характеристик широкополосных транзисторных радиоусилителей мощности передатчиков систем связи.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

• методы анализа и расчета комбинационного спектра и ИМИ транзисторных радиоусилителей мощности со многими несущими (нелинейных динамических систем типа «черный ящик»);

• компьютерный метод анализа нелинейных транзисторных радиоусилителей мощности со многими несущими, основанный на моделировании и аппроксимации передаточных характеристик интерполяционными полиномами (рядами) и специальными функциями; метод обладает бльшим быстродействием по сравнению с существующими методами;

• метод и устройство линеаризации передаточных характеристик транзисторных радиоусилителей мощности передающих устройств систем связи со многими несущими; предложенный метод повышения линейности радиочастотного тракта позволяет снизить искажения огибающей усиливаемого многочастотного сигнала не менее чем на 25 дБ;

• метод создания широкополосных пассивных устройств и электронных узлов управления для корректоров передаточных характеристик; уровень нелинейных искажений на выходе предложенных схем аттенюаторов средней мощности - 45 дБ при глубине их регулировки не менее 40 дБ.

Основные результаты диссертационной работы внедрены на предприятиях в НИИ космических систем – филиал ГКНПЦ имени М.В.

Хруничева, в ЦНИИ «Радиосвязь», в институте общей физики им. А.М.

Прохорова Российской академии наук, применены в учебном процессе в Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались с 2004-го по 2010 год на научно-технических конференциях и семинарах в Московском институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете), на конференциях и заседаниях НТОРЭС им. А.С. Попова, на международных и Всероссийских научно-технических конференциях.

Достоверность основных теоретических положений, выводов и практических результатов подтверждена экспериментально в процессе исследований разработанных линейных транзисторных радиоусилителей мощности систем связи, точностью расчетов полученных с помощью спектрального метода анализа передаточных характеристик, совпадением результатов настоящей работы с данными, полученными другими авторами, а также актами о внедрении и использовании научных и практических результатов диссертации.

Публикации. Результаты проведенных в диссертации исследований опубликованы автором, более чем в 25 работах. Из них наиболее значимые: 3 статьи 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; 11 статьей в сборниках трудов международных научнотехнических конференций; 9 статьей в научно-технических сборниках издательств МИРЭА и других высших учебных заведениях и научноисследовательских институтов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, 2 приложений, списка использованных источников информации, включающего 147 наименований; содержит 156 страниц текста, 52 рисунка и 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика решаемой проблемы, обоснована актуальность темы, определена цель исследований, показаны методы исследования, отмечена научная новизна и практическая ценность р аботы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, приведены сведения по апробации работы, внедрении результатов, публикациях, структуре и объеме диссертации.

В первой главе проведен обзор научно-технической литературы за последние годы, известных разработок и исследований, дающие основные сведения о том, что необходимо выполнить для решения проблемы моделирования передаточных характеристик нелинейных радиочастотных ус илителей систем связи и линеаризации их передаточных характеристик.

Структурная схема модели системы радиосвязи со многочастотным усилительным нелинейным трактом на примере системы спутниковой связи, в котором происходит усиление N сигналов, представлена на рис.1.

Рис.1. Структурная схема системы связи со многими несущими:

Соответствующе стандарты радиосвязи Российской Федерации определяют допустимые уровни паразитных гармоник. Обычно они составляют –35 дБ для второй и – 45 дБ для третьей гармоники сигнала в канале. При прохождении N передаваемых сигналов через нелинейный приемопередающий СВЧ-тракт на его выходе, возникают составляющие ИМИ:

где несущие частоты; m, n, k = 0, 1, 2, 3, …, N; i, j, s — номера ИМИ.

Для количественной оценки влияния нелинейности тракта усиления на показатели качества системы связи необходимо исследовать его характеристики при одновременной работе со многими несущими. При этом надо одновременно учитывать совместное влияние двух нелинейных эффектов:

AM/AM- и ФM/AM-преобразования (амплитудно-фазовой конверсии — АФК). Эти нелинейные явления тесно связаны и определяют модуль и фазу комплексного коэффициента передачи усилительного тракта (устройства с комплексной нелинейностью — УКН, поскольку постоянное изменение огибающей суммарного сигнала сказывается на его начальной фазе), влияют на подавление сигналов, на формирование ИМИ. При наличии радиоэлектронных помех влияние в УКН еще более возрастает. Типовые нормированные передаточные односигнальные АХ и ФАХ нелинейных радиоусилителей показаны на рис.2.

Рис.2. Нормированные односигнальные АХ и ФАХ радиоусилителей:

Обзор методов анализа нелинейных СВЧ-устройств со многими несущими, проведенный в этой главе, позволяет разделить методы на семь групп. Разделение методов на группы условно, так как зачастую для анализа СВЧ-устройства приходится применять не один метод, а ряд методов.

Известны следующие методы анализа нелинейных динамических систем:

• метод с решением нелинейных интегро-дифференциальных уравнений, описывающих систему;

• метод аналитического анализа нелинейных динамических систем;

• численные способы решения системы тех же нелинейных уравнений с помощью компьютерных программ;

• метод гармонического баланса (ГБ), или метод гармонической линеаризации с фильтрацией высших гармоник сигнала на выходе системы;

• метод функциональных (полиномов) рядов Вольтерра;

• спектральные квазистационарные методы с моделированием и аппроксимацией передаточных характеристик, позволяющие оценивать нелинейные свойства системы по спектру выходного сигнала; выбор оптимальной аппроксимации зависит от вида нелинейной характеристики и от режима работы усилительного элемента.

Из обзора методов анализа нелинейных СВЧ-устройств сделаны следующие выводы. Метод с решением нелинейных интегродифференциальных уравнений является громоздким и не универсальным для различных типов нелинейных СВЧ-устройств, особенно при существенной их нелинейности и повышении входной мощности. Так, например, при числе сигналов больше пяти, резко возрастает громоздкость предварительных преобразований и вычислений, которые нужно провести перед вводом в компьютер.

Свободными от перечисленных ограничений методов аналитического анализа нелинейных динамических систем являются численные методы решения системы нелинейных дифференциальных уравнений. Общим правилом для различных методов численного решения нелинейных уравнений является разбиение непрерывной функции на интервалы (шаги) и определение решения в конце каждого шага, т. е. в дискретные отсчеты времени, путем некоторой итерационной процедуры. Однако подобные вычислительные процедуры сложны и громоздки.

Также известные методы имеют недостатки и ограничения:

• в большинстве случаев учитывается не совместное, а раздельное влияние нелинейных АМ/АМ-, АМ/ФМ-преобразований;

• в известных работах исследования проведены при малом количестве сигналов (менее 5) на входе нелинейного многочастотного тракта при незначительном уровне огибающей входного сигнала (менее 0,2…0,5 от Рвх.нас.), слабо выраженной нелинейности передаточных амплитудных (АХ) и фазо-амплитудных (ФАХ) характеристик;

• известные спектральные методы (например, квазистационарной амплитуды группового сигнала) имеют ограниченную область их практического использования. Применимы они в основном для исследования маломощных устройств в режиме слабых входных сигналов и малого их числа.

При оценке отмеченных методов исследования, вопрос сводится к следующему: допустимо ли распространить эти методы на сигналы со многими несущими, представляемых в виде колебания с меняющимися по сложному закону амплитудой и фазой? Ответ на этот вопрос был найден в рамках разработанного и представленного в диссертации спектрального метода анализа нелинейных динамических систем со многими несущими с применением моделирования и аппроксимации АХ и ФАХ специальными функциями и использованием численного анализа на компьютере.

Во второй главе была определена математическая модель радиочастотного усилителя мощности при усилении многих несущих, которая в дальнейшем использовалась для определения спектра с помощью предложенного метода аппроксимации передаточных характеристик.

Математическая модель УКН определяется выражением:

где g() g 2Рвых — амплитудная характеристика; () 2Рвх — фазоамплитудная характеристика; Pвых — мощность многочастотного сигнала на выходе транзисторного радиочастотных усилителя мощности.

На практике вместо передаточных многосигнальных характеристик g() и () часто экспериментально определяются односигнальные передаточные характеристики исследуемого нелинейного устройства Pвых = g(Pвх) и = (Pвх), где — разность фаз сигнала на входе и выходе нелинейного устройства в зависимости от входной мощности Pвх.

В этой главе также показана более общая реализация анализа нелинейных динамических систем на основе рядов (полиномов) Вольтерр.

Предполагается, что набор ядер (импульсных характеристик) ряда Вольтерра является основной и наиболее обобщенной характеристикой (весовой функцией), определяющей текущее состояние нелинейной динамической системы. Численное решение требуется при математическом моделировании нелинейных динамических систем со многими несущими типа «черного ящика» рядами Вольтерра, когда их ядра уже идентифицированы и ставится задача определения выходного состояния, которому отвечает заданное входное возмущение. При анализе на основе рядов Вольтерра моделируемая схема представляется комбинацией линейных и нелинейных элементов. Линейные элементы описываются обычным образом: резисторы, конденсаторы, линии передачи и так далее.

Метод рядов Вольтерра позволяет установить аналитическую связь между входным и выходным многочастотными сигналами, в том числе и между их спектрами. При анализе на основе рядов Вольтерра нужно учитывать мощность суммарного входного сигнала. Тем не менее, он подходит для анализа ИМИ в слаболинейных СВЧ-усилителях мощности.

Выходной сигнал ивых(t) в методе функциональных рядов Вольтерра представляется суммой откликов нелинейной динамической системы в виде бесконечного множества ее импульсных характеристик hn(1, …, i,…,n) — ядер, и входном сигнале со многими частотами ивх(t) в виде бесконечного множества импульсных сигналов. При этом используют разложение некоторой известной нелинейной функции ивых(t) = G[ивх(t)], отражающей выходной сигнал через входной в степенной ряд. Разложение выходного сигнала в ряд Вольтерр имеет вид:

где hn(1, …, i,…,n) — ядра ряда n-го порядка.

При определении ядер ряда Вольтерр малого порядка для слабонелинейных радиоусилителей мощности, применение метода дает ощутимый выигрыш по сравнению, например, с методом прямого разложения выходного сигнала на составляющие. При исследовании же нелинейных СВЧустройств высокого порядка целесообразно применять так называемое их каноническое моделирование. Известная каноническая модель нелинейной динамической системы на основе степеннго ряда использует разложение ядер Вольтерр в ряд Тейлора по суммарному 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.

Основным вопросом, возникающими при анализе нелинейных транзисторных радиоусилителей мощности методом ряда Вольтерра, являются способы определения его ядер. Наиболее известными среди них являются методы прямого разложения испытательных сигналов и их модификации.

Однако методы напрямую неприменимы к многовходовым транзисторным радиочастотным усилителям мощности 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.

Для исследований нелинейных транзисторных радиоусилителей мощности со многими несущими и существенной нелинейностью АХ и значительной неравномерностью ФАХ предложен метод анализа, основанный на моделировании и аппроксимации передаточных характеристик специальными функциями, среди которых наиболее оптимальными оказались бесселевы функции с целочисленным порядком. В рассматриваемом случае метод аппроксимации передаточных характеристик — это условное определение совокупности отсчетов односигнальных (частная гипотеза для одной несущей) или многосигнальных (обобщенная гипотеза для N несущих) входных АХ и ФАХ, полностью определяющих нелинейную динамическую систему для дальнейшего его исследования и практического применения. В данном методе колебание на выходе исследуемого нелинейного транзисторного радиочастотного усилителя мощности со многими несущими можно представить в виде:

uвых (t ) Re exp( j0t ) где Ki — номер гармоники i-го сигнала; М(K1, K2,..., KN) — комплексные амплитуды усиливаемых сигналов и составляющих ИМИ на угловой частоте на выходе исследуемого СВЧ-устройства 0 + K1 1+ K2 2 +…+ KN N.

При реальном усилении нелинейного СВЧ-усилителя мощности со многими несущими и напряжением смещения рабочей точки U где — функций Бесселя 1-го рода целого p-го порядка.

В результате проведенных в диссертации исследований и расчетов, была получена простая формула:

где bs = bgs + jbms — комплексные коэффициенты, в которых bgs — вещественная, а bms — мнимая часть модели УКН; J K L (su вхL ) — функция Бесселя 1-го рода KL-го порядка; L = 1, 2,…, s; — параметр (0,50 < 0,75).

В разделе предложен метод линеаризации передаточной АХ радиоусилителя мощности на основе их нелинейных обратимых моделей:

где fk (x) — базовые функции, определенные видом аппроксимации нелинейной модели СВЧ-устройства из выбранного пространства функций (сигналов) r(xn, yn r); z–1 — общепринятый символ элемента задержки входной цифровой последовательности сигналов на интервал дискретизации t. Модель описывается следующим уравнением обратимой системы:

Для предложенного метода анализа нелинейных динамических систем разработано математическое и программное обеспечение компьютерного расчета мощности сигналов со многими несущими и ИМИ на выходе транзисторных радиоусилителей мощности. Критерием оценки мощности ИМИ было принято считать отношение мощности ИМИ-31 Р31 к мощности полезного сигнала Рс на выходе исследуемого нелинейного устройства.

Для этого использовалась обобщенная формула (8):

В результате исследований установлено, что в спектральном методе анализа на основе аппроксимации АХ и ФАХ с помощью бесселевых функций получаются формулы, удобные для расчетов на компьютере, не требующие сложных математических преобразований, расчеты производятся практически в реальном масштабе времени и не возрастает громоздкость вычислений с увеличением числа несущих на входе исследуемого транзисторного радиочастотного усилителя мощности.

Во второй главе также исследовано влияние числа n усиливаемых сигналов из N возможных на вероятность P(n) их одновременного подключения ко входу радиочастотного усилителя. Вероятность P(n) одновременно усиливаемых n сигналов из N возможных находящиеся внутри интермодуляционного защитного диапазона, может быть вычислена при помощи следующей формулы Результаты вычисления P(n) для разного числа усиливаемых сигналов представлены на рис.3.

В третьей главе представлены разработанные методы и устройство линеаризации характеристик нелинейных транзисторных радиоусилителей мощности (корректора типа «связь вперед») со многими несущими. ОсРис.3. Вероятность одновременно подключенных к усилителю n сигналов новной проблемой при разработке схем корректоров с прямой связью является минимизация амплитудных и фазовых ошибок на их выходе.

Рис. 4. Структурная схема корректора искажений типа «связь вперед»

Разработанная в диссертации схема корректора передаточных характеристик нелинейных транзисторных радиоусилителей показа на рис.4.

Часть мощности тестовых 2-частотных сигналов, поступающих через электронно-управляемые аттенюатор (ЭА1) и фазовращатель (ФВ1) на вход нелинейного СВЧ-усилителя, с направленного ответвителя НО1 подается на вход преобразователя частоты. На второй вход преобразователя частоты через направленный ответвитель НО2 поступает усиленный тестовый сигнал с выхода СВЧ-усилителя. В результате нелинейности АХ и неравномерности ФАХ СВЧ-усилителя, в выходном спектре будут иметь место ИМИ. Для выделения ИМИ, необходимо, чтобы искаженный и неискаженный полезные сигналы подавались на входы смесителя в противофазе (сдвинуты относительно друг друга на 180°). Для обеспечения этого сдвига в схему и включены линии задержки (сдвиг 180°). Таким образом, в первой петле происходит подавление полезных сигналов (несущих) и выделение ИМИ. Вторая петля предназначена для подавления ИМИ в спектре выходного тестового сигнала. Составляющие ИМИ, инвертированный по фазе, с выхода преобразователя через электронно-управляемые аттенюатор (ЭА2) и фазовращатель (ФВ2) поступает на вход линейного усилителя ИМИ и далее на сумматор передатчика. Искаженный двухчастотной тестовый сигнал с ИМИ с выхода СВЧ-усилителя, пройдя линию задержки, также поступает на сумматор, где происходит сложение тестового сигнала с ИМИ и ИМИ, инвертированными по фазе. В результате на выходе корректора имеем выходной усиленный тестовый сигнал, в котором подавлены ИМИ. Для настройки элементов линеаризации АХ в корректоре установлен электронно-управляемый аттенюатор, а для коррекции ФАХ — электронно-управляемый фазовращатель. Данная схема имеет преимущество перед другими схемами корректоров вследствие того, что она лишена нелинейного смесителя в цепи коррекции фазы.

Для подавления ИМИ на выходе сумматора, на один вход которого подается неискаженный сигнал, а на второй вход — 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.

Подавление ИМИ на выходе первой петли корректора в зависимости от порогов ограничения равно:

Величину Y=X вносит несимметричный направленный ответвитель НО1.

В связи с наличием определенных порогов напряжения срабатывания элементов схемы корректора, в его структуру введена автоматическая схема управления, которая отслеживает изменения амплитуды и фазы.

В качестве электронно-управляемого аттенюатора А1 корректора была смоделирована и разработана специализированная электрическая схема.

Параметры разработанного аттенюатора приведены в табл. 1.

Эффект от введения в схему нелинейного радиочастотного усилителя мощности корректора типа «связь вперед» можно оценить по уменьТаблица 1. Параметры аттенюатора А Рабочая температура, С шению уровней ИМИ в спектре выходного колебания. Для минимизации влияния нелинейностей характеристик в транзисторных радиочастотных усилителях мощности необходимо обеспечить минимальную зависимость параметров и характеристик линеаризируемого устройства от проявления нелинейных процессов; сохранить эффективность воздействия на характеристики линеаризируемых устройств во всем интервале изменения мощности входного сигнала в пределах полосы пропускания.

В четвертой главе приведены результаты математического моделирования, компьютерных расчетов, проведены экспериментальные исследования и анализ надежности нелинейных транзисторных радиоусилителей мощности со многими несущими. В главе представлен и использован разработанный пакет программ (ПП) для персонального компьютера, предназначенный для исследования многосигнальных СВЧ-устройств с комплексной нелинейностью на базе биполярных и полевых транзисторов.

Структурная схема программы исследований представлена на рис.5. Пакет программ позволяет производить экспериментальную и сервисную обработку данных, автоматическое планирование и обработку разовых и последовательных экспериментов, а также ввод исходных данных параметров АХ и ФАХ исследуемых нелинейных транзисторных радиоусилителей мощности со многими несущими в базу данных.

В этой главе представлены материалы по разработанной экспериментальной СВЧ-установке. Предложены для практического использования электрические схемы ряда установок, которые позволяют одновременно измерять односигнальные и многосигнальные передаточные АХ и ФАХ, а также параметры составляющих спектров групповых сигналов и ИМИ.

Проведено исследование передаточных АХ и ФАХ линеаризированных транзисторных радиоусилителей при суммарной мощности входного группового сигнала, на 12…15 дБ превышающих режим насыщения нелинеаризированных усилительных устройств. Исследованы различные по выходной мощности и диапазону рабочих частот СВЧ-усилители мощноРис.5. Структурная схема программы исследований сти, выполненные на транзисторах типа 2T942A, KT610, KT934, 2П913, 2П909, 2П908, MRF392, MRF891, MRF275G.

Были проанализированы параметры выходных усилительных модулей. Основной параметр, характеризующий качество работы транзисторного усилителя в выходных усилительных модулях — это коэффициент усиления по мощности. Допустим, что возникшие неисправности привели к падению коэффициента усиления в М из N каскадов в многокаскадном усилительном модуле. Следовательно, коэффициент усиления мощного усилительного модуля будет равен:

ние коэффициента усиления усилительного модуля; причем K * K j.

Однако, в силу того, что изменение коэффициента усиления и фазы можно скорректировать с помощью схемы корректора, наибольшее значение для многочастотных систем связи имеет обеспечение равномерность ФАХ на всем диапазоне рабочих частот. Неравномерность ФАХ (большая величина АФК) может привести к тому, что разные несущие будут иметь различный фазовый набег и, следовательно, информация, передаваемая в одном пакете по различным каналам связи, может быть искажена.

В приложениях приведены электрическая принципиальная корректора, программы расчета комбинационного выходного спектра, анализ последовательного соединения двух УКН, расчет надежности работы СВЧусилителей мощности и сумматоров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты, представленные в диссертации, отражены в следующих положениях.

1. Показана возможность создания транзисторных СВЧ-усилителей мощности с линейными амплитудными характеристиками и малыми величинами АФК, работающих в групповых режимах, разработаны теоретические и практические основы построения таких усилителей.

2. Разработан эффективный спектральный метод анализа нелинейных радиоусилителей мощности со многими несущими, основанный на моделировании и аппроксимации их передаточных характеристик интерполяционными полиномами (рядами) и специальными функциями. Показано, что метод: обладает высокой точностью (0,1…0,2) дБ, перспективностью и в наибольшей степени подходит для исследования влияния комплексной нелинейности СВЧ-устройств на показатели качества систем связи; универсален и применим для исследований различных передающих устройств с существенной нелинейностью АХ и неравномерностью ФАХ.

3. Разработаны способы уменьшения ИМИ, основанные на введении корректоров линеаризации характеристик СВЧ-устройств. Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод, что при применении разработанного корректора и сумматора, степень ослабления несущих составит не 3 дБ, а всего 0,50 дБ, что представляет значительный выигрыш.

4. Доказано теоретически и подтверждено экспериментально, что для реализации раздельного усиления радиосигналов могут быть использованы малогабаритные направленные ответвители, выполненные на полосковых линиях, что позволяет в два-три раза повысить выходную мощность.

5. Разработан пакет программ, предназначенный для исследования СВЧустройств с комплексной нелинейностью в многосигнальном режиме. При этом исследуемые устройства могут иметь значительную величину АФК (К > 4…5 град/дБ). Пакет программ позволяет производить все виды экспериментальной и сервисной обработки данных.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах 1. Белявский Д.С., Барский Д.Р. Повышение эффективности систем связи. Наукоемкие технологии, 12, 2008. С. 25-29.

2. Белявский Д.С., Барский Д.Р., Нефедов В.И., Самохина Е.В. Ошибки передачи битовых потоков в цифровых системах подвижной связи. – Наукоемкие технологии, 2005, т. 6, № 10. С. 24-26.

3. Нефедов В.И. Белявский Д.С., Барский Д.Р., Исследование характеристик нелинейных радиоусилителей. Наукоемкие технологии, 2005, т. 6, №10. С. 21-23.

Публикации в журналах и материалы научно-технических конференций 1. Белявский Д.С., Барский Д.Р., Нефедов В.И. Линейные транзисторные усилители. 61-я научная сессия, посвященная Дню радио. 17-18 мая 2006 г., Москва, Россия. С. 48-53.

2. Белявский Д.С. СВЧ-усилители для систем подвижной связи. 61-я научная сессия, посвященная Дню радио. 17-18 мая 2006 г., Москва С. 54 - 58.

3. Барский Д.Р., Нефедов В.И., Белявский Д.С. Исследование нелинейных СВЧ-усилителей с использованием рядов Вольтерр. НТОРЭС им.

А.С. Попова. 63-я научная сессия, посвященная Дню радио. 17-19 мая г., Москва, Россия. С. 41-45.

4. Белявский Д.С. Линеаризация усилителей мощности на основе уравнений Урысона. Москва, МИРЭА. Сб. трудов 55-ой научно-технической конференции. Часть 2. Физ.-мат. науки. Технические науки. 2006. С. 35-38.

5. Нефедов В.И., Самохина Е.В., Барский Д.Р., Белявский Д.С. Исследование нелинейных усилителей с использованием рядов Вольтерр. Доклады научно-практической конференции Инфо-2008. Сочи. С.151-156.

6. Белявский Д.С. Барский Д.Р., Попов Е.А., Захаров Ю.О., Дрижанов А.В., Пугачев О.И., Железнова С.Е., Представление нелинейных усилительных трактов с помощью функциональных рядов. Материалы VII Международной научно-технической конференции, Intermatic – 2009. 7 – 11 декабря 2009 г. С. 112–117.

7. Барский Д.Р., Белявский Д.С., Нефедов В.И., Карпов М.А. Анализ комбинационного спектра на выходе нелинейных динамических систем.

Intermatic – 2009. Материалы VII Международной научно-технической конференции, 7 – 11 декабря 2009 г. С. 128 – 132.

8. Белявский Д.С., Барский Д.Р. Повышение эффективности систем связи Материалы VII Международной научно-технической конференции, Intermatic – 2009. 7 – 11 декабря 2009 г. С. 277–279.

9. Белявский Д.С., Нефедов В.И., Бузылев Ф.Н., Железнова С.Е. Ослабление интермодуляционных искажений в нелинейных СВЧ-усилителях.

Научные труды. VIII Международной научно-практической конференции Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики. Доп. Сб. Москва 2005 г. С. 5-7.

10.Барский Д.Р., Белявский Д.С., Гуров П.Н., Матюхин А.А., Нефедов В.И., Самохина Е.В. Линеаризация характеристик СВЧ-усилителей мощности на основе обратимых моделей. Москва, МИРЭА. Сборник трудов 55ой научно-технической конференции. Часть 2. Физико-математические науки. Технические науки. 2006 г. С. 58-63.

11. Нефедов В.И., Барский Д.Р., Белявский Д.С., Бузылев Ф.Н. Сложение мощностей в усилительных СВЧ-модулях. 7-я Международная научнотехническая конференция и выставка Цифровая обработка сигналов и ее применение. 16 – 18 марта 2005 г., Москва, Россия. Т. 2, с. 157-161.

12. Нефедов В.И., Барский Д.Р., Белявский Д.С., Бузылев Ф.Н. Сложение мощностей в усилительных СВЧ-модулях. 7-я Международная научнотехническая конференция и выставка Цифровая обработка сигналов и ее применение. 16 – 18 марта 2005 г., Москва, Россия. Т. 2, с. 157-161.

13. Kozlov E., Nefedov V., Barskij D., Belyavsky D. Consideration of amplitude and phase errors in the power amplifier linearization circuits.

DSPA’2002, 4-th International Conference: Digital Signal Processing And Its Applications. Moscow. Russia. 2002. Proceedings – 2, p. 349.

14.Nefedov V.I., Barskij D.R., Belyavsky D.S., Buzylyov F.N. Addition of capacities in intensifyng microwafes-modules. DSPA’ 2005, 7-th International Conference: Digital Signal Processing And Its Applications. Moscow. Russia. v.

II. 2005. Proceedings – 2, p. 253 – 255.

15. Нефедов В.И., Барский Д.Р., Балагур А.А., Захаров С.А, Самохина Е.В., Белявский Д.С. Нелинейные искажения в СВЧ-усилителях. Москва.

2006 г. Труды 14-ой международной конференции по спиновой электронике и гировекторной электродинамике. С. 261-263.

16. Барский Д.Р., Белявский Д.С., Козлов Е.Ю., Нефедов В.И. Учет амплитудных и фазовых ошибок в схемах линеаризации характеристик усилителей для передатчиков систем сотовой связи. DSPA '2002. Цифровая обработка сигналов и ее применение. – М.: 2002. Доклады – 2, с. 346 – 349.

17. Нефедов В.И., Барский Д.Р., Самохина Е.В., Белявский Д.С. Спектральный метод анализа нелинейных динамических систем с многочасто тными сигналами. Сб. трудов 57-ой научно-технической конференции.

Часть 2. Физ.-мат. науки. Технические науки. 2006 г. С. 64-67.

18. Белявский Д.С., Матюхин А.А., Семенов Е.О., Соломатин Н.С., Гуров П.А., Нефедов В.И. Бузылев Ф.Н.. Повышение линейности СВЧ-усилителей систем связи. Труды РНТОРЭС им. А.С. Попова. Серия: цифровая обработка сигналов и ее применение. Выпуск: IX – 2, Москва 2007 г, с. 597-598.

19. Белявский Д.С, Барский Д.Р., Нефедов В.И., Самохина Е.В. 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. С. 41-45.

20.Белявский Д.С., Барский Д.Р., Пластовский И.И., Стукас А.В., Оганян А.Б.. Сложение мощностей в передатчиках систем связи. Молодые ученые – 2008, часть 4. Материалы V Международной научно-технической школы-конференции, 10-13 ноября 2008 г, Москва, с. 124-126.

21.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.

22.Белявский Д.С., Барский Д.С.. Повышение эффективности систем связи.

INTERMATIC – 2009, часть 4. Материалы VII Международной научнотехнической конференции, 7 – 11 декабря 2009 г. Москва, Россия, с. 277 - 279.