Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Успехи, достигнутые в области разработки ВТСП фильтров, преселекторов и антенн, и возможности их применения для совершенствования характеристик приемных систем ВЧ диапазона 15
1.1 ВТСП фильтры и преселекторы 20
1.2 Антенные устройства 35
Глава 2 Основы теории ВТСП преселектора 38
2 .1 Вывод основных соотношений 38
2.2 Оптимизация параметров преселектора 4 6
2.2.1 Максимизация мощности, выделяемой в нагрузке 4 6
2.2.2 Максимизация коэффициента передачи по напряжению 57
2.3 Управление параметрами преселектора 71
2.3.1 Добротность преселектора 71
2.3.2 Резонансная частота преселектора 85
2.3.2.1 Параметры входного и выходного контуров одинаковы 86
2.3.2.2 Реактивность во внешних цепях отсутствует 99
2.3.2.3 Входные и выходные параметры ВТСП контура произвольные 106
Глава 3 Анализ избирательности, чувствительности и шумовых свойств приемной системы: Преселектор + Малошумящии усилитель + Приемник 112
3.1 Основные характеристики отдельных блоков, входящих в приемную систему 114
3.1.1 Характеристики преселектора 114
Избирательность преселектора 114
Динамический диапазон преселектора по нелинейным эффектам 120
3.1.2 Характеристики малошумящих усилителей 123
3.1.3 Характеристики приемников 126
3.2 Связь характеристик отдельных блоков приемной системы с характеристиками приемной системы 133
3.2.1 Избирательность приемной части приемной системы 133
3.2.2 Чувствительность и шумовые свойства приемной системы . 133
3.3 Анализ уровня внешних шумов 141
Глава 4 Динамический диапазон системы ПРЕС+МШУ+Приемник 148
4.1 Вывод основных теоретических соотношений 148
4.1.1 Динамический диапазон системы по интермодуляции 3-го порядка 148
4.1.2 Динамический диапазон системы по блокированию 163
4.2 Анализ зависимости динамического диапазона системы от параметров входящих в систему устройств 167
4.2.1 Влияние шумовых свойств устройств на динамический диапазон системы 167
4.2.2 Влияние динамического диапазона преселектора и МШУ на динамический диапазон системы по интермодуляции 3-го порядка 178
4.2.2.1 Динамический диапазон преселектора 178
4.2.2.2 Динамический диапазон по интермодуляции 3-го порядка МШУ и приемника 180
4.3 Анализ динамического диапазона системы по интермодуляции 3-го порядка 181
4.4 Сравнение результатов численного моделирования и экспериментально измеренных данных по ДДИ системы 190
Глава 5 Анализ эффективности использования ВТСП преселектора в системе антенна+ПРЕС 195
5.1 Анализ шумовых свойств некоторых типов антенно-фидерных устройств, используемых в ВЧ диапазоне 195
5.2 Исследование характеристик короткого вибратора, нагруженного на согласующий ВТСП контур 202
Заключение 223
Список используемых источников 226
Приложение А 240
- Антенные устройства
- Оптимизация параметров преселектора
- Связь характеристик отдельных блоков приемной системы с характеристиками приемной системы
- Анализ зависимости динамического диапазона системы от параметров входящих в систему устройств
Введение к работе
Диссертация посвящена исследованию параметров и характеристик перестраиваемого высокодобротного фильтра ВЧ диапазона, построенного на основе высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) материалов, включая анализ возможности управления параметрами этого фильтра, а также исследованию влияния характеристик ВТСП фильтра на параметры приемных систем ВЧ диапазона. В качестве основной области применения таких фильтров рассматривается узкополосная преселекция на входе высокочастотных (ВЧ) радиоприемных устройств (РПУ) с целью существенного улучшении их характеристик, а также возможности повышения эффективности электрически малых антенн (ЭМА), нагруженных на ВТСП преселектор.
Актуальность проблемы.
По мере резкого увеличения информационных потоков необходимо постоянно решать проблему улучшения основных параметров систем связи: дальность, число каналов и помехозащищенность. Необходимо учитывать, что с 1980г. происходит удвоение количества информации происходит ежегодно [1] . Особо актуальны в современных системах связи вопросы увеличения избирательности и создания приемных трактов с максимально низкой шумовой температурой. Параметры традиционных фильтров достигли своего предела и не позволяют увеличить число каналов и обеспечить защиту от интерференционных помех. Качественный скачок при разумной стоимости обеспечивается созданием устройств на основе ВТСП материалов [2].
По оценкам специалистов, только использование пассивных ВТСП устройств позволяет снизить шумовую температуру на два порядка, на порядок сузить рабочие полосы, в десятки раз снизить мощность передатчиков систем связи. Например, по данным фирмы Superconductor Technologies, простая замена фильтра на диэлектрических резонаторах на ВТСП-фильтр дает расширение радиуса ячейки сотовой системы связи при полосе пропускания 5 МГц до 15,4% или увеличение площади на 33,2% при лучших шумовых характеристиках, а для полосы пропускания 15 МГц — увеличение до 24,5% площади. По данным [3] при использовании в изделиях СВЧ-электроники ВТСП-материалов можно обеспечить:
• повышение на 15-20% КПД всех энергоемких приборов за счет исключения омических потерь;
• повышение быстродействия управляющих устройств до 10"11 с;
• увеличение чувствительности приемных устройств;
• повышение стабильности генераторов частоты до 10"9-10"10.
Увеличивающееся число публикаций по этой тематике, например [4, 5, б, 7], показывает, что экспоненциальная шкала прогресса в реализации устройств будет продолжаться еще много лет, прежде чем достигнет своего фундаментального предела как в использовании свойств материала, так и в области проектирования.
Важно отметить, что работ, посвященных исследованию хаарктеристик ВТСП фильтров и резонаторов в ВЧ диапазоне, мало. Одной из причин является большой динамический диапазон помех в этой области, а также необходимость приема сложных сигналов, полоса которых во многих случаях составляет несколько десятков герц.
К настоящему времени преимущества ВТСП-технологии продемонстрированы на многих устройствах вплоть до элементов антенно-фидерного тракта. Это позволяет приступить к созданию функциональных блоков, содержащих в едином охлаждаемом корпусе несколько соединенных между собой модулей как с ВТСП-элементами, так и полупроводниковыми приборами. Создание таких блоков позволит получить существенный энергетический выигрыш и уменьшить габаритные размеры, а, кроме того, должно привести к серьезным изменениям в архитектуре систем. Сегодня совершенно ясно, что качественные изменения в техническом уровне аппаратуры приема и обработки информации становятся возможными только на основе широкого комплексирования элементов ВТСП, полупроводниковых приборов и нового подхода к системной идеологии создаваемых средств связи.
Для анализа эффективности использования перестраиваемого ВТСП фильтра в антенных и приемных устройствах ВЧ диапазона необходима разработка теории, метода расчета и моделирование основных характеристик ВТСП фильтра и преселектора, построенного на его основе, обоснование методики измерений параметров этих устройств, а также разработка алгоритмов, позволяющих определить эффективность применения ВТСП фильтра и преселектора в антенно-приемных устройствах ВЧ диапазона.
Цель работы.
Целью данной работы является исследование эффективности применения высокодобротного перестраиваемого ВТСП фильтра (преселектора) в антеннах и приемных устройств ВЧ диапазона; разработка методики расчета и управление таким фильтром; исследование свойств экспериментальных образцов таких фильтров с целью определения их предельных параметров, достижимых на современном уровне развития технологии производства ВТСП структур.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие основные Задачи:
- проведен анализ предельно достижимых параметров перестраиваемых ВТСП фильтров и преселекторов ВЧ диапазона;
- развиты методы расчета и оптимизации параметров перестраиваемого ВТСП преселектора и исследованы возможности управления их параметрами и условия обеспечения согласования преселектора с входными и выходными цепями;
- проанализировано влияние ВТСП преселектора в приемных устройствах ВЧ диапазона на улучшение таких характеристик радиоприемных устройств, как избирательность, чувствительность, динамический диапазона по интермодуляции 3-го порядка (ДДИ) и по блокированию (ДДБ);
- разработана методика измерений параметров ВТСП преселектора и экспериментально исследованы эти параметры и эффективность применения ВТСП преселектора в радиоприемных устройствах ВЧ диапазона;
- предложен метод настройки и перестройки электрически малых вибраторов с помощью управляемого ВТСП преселектора и разработан алгоритм моделирования характеристик системы: электрически малый вибратор + управляемый ВТСП преселектор;
- проведено численное моделирование характеристик короткого вибратора с преселектором и установлены пределы уменьшения размеров вибраторных антенн в ВЧ диапазоне без существенного увеличения шумовых свойств приемного тракта.
Методы исследований основываются . на обоснованном представлении ВТСП фильтра и преселектора с входными и выходными цепями в виде эквивалентных схем, составлении методом контурных токов системы линейных уравнений и решении их на комплексной плоскости с определением комплексных резонансных частот и других основных параметров преселектора; на использовании математического моделирования сложной приемной системы в виде совокупности отдельных устройств и использовании классических приемов анализа характеристик сложной системы по характеристикам отдельных устройств; на применении степенных рядов при анализе нелинейных эффектов в усилительных и преобразовательных цепях; на организации физического эксперимента и экспериментальной проверке основных теоретических результатов.
Научная новизна.
Научная новизна работы состоит в оценке предельных параметров перестраиваемых ВТСП фильтров и преселекторов ВЧ диапазона, достижимых на современном уровне развития технологии; разработке методов управления параметрами перестраиваемых ВТСП фильтров и преселекторов; разработке методов расчета и анализа характеристик перестраиваемых ВТСП фильтров и преселекторов и характеристик радиотехнической системы в составе: электрически малый вибратор + ВТСП фильтр и преселектор + МШУ + приемник; получении и анализе экспериментальных данных, позволяющих практически обосновать эффективность использовании узкополосного перестраиваемого преселектора на основе ВТСП материалов в составе радиоприемных систем и устройств.
Практическая значимость результатов работы состоит в развитии теории методов расчета и управления параметрами высокодобротных перестраиваемых ВТСП фильтров и преселекторов в ВЧ диапазоне и обосновании эффективности применения узкополосного перестраиваемого фильтра и преселектора ВЧ диапазона в составе приемных систем, в т.ч. при работе с существующими приемными устройствами ВЧ диапазона и при использовании малогабаритных антенн. Практическая ценность работы подтверждается востребованностью ее результатов в ходе выполнения ряда НИР и НИОКР, а также грантов Минобразования.
Реализация и внедрение результатов работы.
Результаты диссертационной работы внедрены и нашли практическое использование. Основные результаты реализованы в ряде НИОКР («Разрежение-2», «Осман-Пр», «Круг-1МФП»).
Научные и практические результаты работы использованы в процессе выполнения работ по программам Минобразования РФ: Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники «Адаптивные приемные системы связи ВЧ диапазона со сверхпроводниковыми преселекторами» (шифр 406-01-02); Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники «Сверхузкополосные перестраиваемые фильтры для радиотехнических систем связи» (шифр 406-03-06); Фундаментальные научные исследования, выполняемые научно-педагогическим коллективом «Развитие теории и методов эффективного излучения, приема и обработки сложных кодированных сигналов» (шифр 1.41.03).
Достоверность полученных результатов обуславливается корректностью исходных положений и преобразований при разработке физических и математических моделей исследуемых устройств; логичным физическим представлением результатов математического моделирования; хорошим совпадением результатов теоретического анализа с результатами натурного эксперимента.
Апробация результатов работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительные отзывы на Молодежной научно-технической конференции «Радиолокация и связь на пороге третьего тысячелетия» (Москва, 27-29 окт. 2000); IV Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии (Санкт-Петербург, июнь 19-22, 2001); Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Самара, 10-16 сент. 2001); Молодежной научно-технической конференции «Радиолокация и связь - перспективные технологии» (Москва, 14-16 дек. 2001); 12-ой Международной крымской микроволновой конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, сент. 2002); Молодежной научно-технической конференции «Радиолокация и связь -перспективные технологии» (Москва, 28 февраля-2марта 2003); II Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Самара, 7-13 сент. 2003); интернет-конференции «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (дек. 2003); XII Военно-научной конференции «Развитие теории и практики строительства и применения войсковой ПВО в системе вооруженной борьбы ВС РФ» (Смоленск, военный университет войсковой ПВО ВС РФ, 22-23 апр. 2004); III Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Волгоград, 6-12 сент. 2004); Всероссийской конференции «Информационно-телекоммуникационные технологии» (Сочи, 20-25 сент. 2004); IV Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Н.Новгород, 3-9 окт. 2005); IV Молодежной научно-технической конференции «Радиолокация и связь -перспективные технологии» (Москва, 17-18 марта 2005); Научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, посвященной 100-летию со дня рождения д.т.н., проф., лауреата гос.
премии СССР, засл. деятеля науки и техники РСФСР Михаила Самойловича Неймана (Москва, МАИ, 17-18 марта 2005); V Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Самара, 11-17 сент. 2006); 1-ой Международной научной конференции «Глобальные информационные системы, проблемы и тенденции развития» (Туапсе, 3-6 окт. 2006) .
Публикации.
По основным результатам выполненных в диссертации исследований опубликовано 27 печатных работ, из них 5 научных статей, 21 тезисов докладов и один патент РФ.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
1. Методика и результаты расчета, моделирования и оптимизации основных характеристик ВТСП фильтра и преселектора, построенного на его основе.
2. Алгоритм и способ управления частотой настройки и полосой ВТСП преселектора.
3. Методика расчета параметров приемной системы в виде антенна + преселектор + МИГУ + приемник по известным характеристикам отдельных устройств, входящих в систему.
4. Методика экспериментального определения ненагруженной добротности ВТСП преселектора.
5. Теоретическое и экспериментальное обоснование выигрыша в параметрах приемной системы при использовании ВТСП преселектора.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа изложена на 277 машинописных страницах, включая 36 страницы приложения, и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и трех приложений. Иллюстративный материал представлен в виде 117 рисунков и 13 таблиц. Список использованных источников включает 144 наименование.
В первой главе проведен анализ результатов, достигнутых в области разработки ВТСП фильтров, преселекторов и антенн,
рассматриваются возможности применения этих ВТСП устройств для совершенствования характеристик существующих приемных систем. В частности, рассматривается вариант перестраиваемого по частоте ВТСП преселектора ВЧ диапазона с ненагруженной добротностью более 105, в исследовании которого автор принимал активное участие. Показано, что ВТСП фильтры уже достигли характеристик, недостижимых с использованием нормальных проводников, а также принципиальная возможность их применения в качестве согласующих устройств с ЭМА.
Вторая глава посвящена рассмотрению основ теории перестраиваемого по частоте ВТСП фильтра и преселектора, выведены основные соотношения, позволяющие проектировать ВТСП фильтр (преселектор) под заданные параметры приемной системы. Основное внимание уделено рассмотрению и оптимизации параметров преселектора с точки зрения максимизации мощности, выделяемой в нагрузке, максимизации коэффициента передачи по напряжению, добротности и ДДИ преселектора. Установлены основные соотношения для выбора входных и выходных связей для обеспечения преселектора при заданной полосе (нагруженной добротности) оптимальных параметров.
Значительное внимание во втором разделе уделено такому вопросу, как анализ возможности управления параметрами преселектора, рассмотрены зависимости основных параметров преселектора в полосе перестройки.
Полученные во второй главе результаты позволяют:
- рассчитывать основные характеристики преселектора по известным номиналам схемы;
- оптимизировать эти характеристики при определенных заданных условиях и определять входные и выходные параметры, обеспечивающие реализацию оптимальных характеристик преселектора;
- определить алгоритм и способы управления резонансной частотой и нагруженной добротностью (рабочей полосой частот) преселектора;
по измеренной нагруженной добротности преселектора определять его ненагруженную добротность.
В третьей главе проводится анализ таких параметров приемной системы в виде преселектор + МШУ + приемник, как избирательность, чувствительность, шумовые свойства и динамический диапазон. Полученные соотношения позволяют рассчитать избирательность и чувствительность приемной системы ПРЕС+МШУ+Приемник в зависимости от соответствующих характеристик отдельных устройств, входящих в приемную систему. Приведенный в главе 3 аналитический обзор предельно достигнутых характеристик отдельных блоков приемной системы позволил определить предельно достижимые характеристики приемной системы по чувствительности и избирательности. В частности, установлено, что чувствительность современных приемных систем вплотную приблизилась к уровню внешних шумов. В главе также приведены результаты анализа динамического диапазона отдельных устройств по нелинейным эффектам, позволяющие перейти к исследованию динамического диапазона всей приемной системы.
Четвертая глава посвящена исследованию динамического диапазона приемной системы, состоящей из ВТСП преселектора, малошумящего усилителя (МШУ) и приемника, по нелинейным эффектам. В частности, рассмотривались динамический диапазон по интермодуляции 3-го порядка и динамический диапазон по блокированию. Полученные соотношения позволяют рассчитать динамический диапазон по нелинейным эффектам по известным соответствующим характеристикам отдельных устройств, входящих в систему. В ходе исследований показано, что динамический диапазон в приемной системе определяется суммой минимального динамического диапазона устройства в системе и выигрыша за счет прироста динамического диапазона от фильтрующих свойств преселектора.
Таким образом, показано, что установка на входе приемной системы узкополосного перестраиваемого преселектора позволяет существенно повысить динамический диапазон приемной системы по сравнению с используемыми приемными системами. В главе приведены результаты экспериментальных исследований системы преселектор + МШУ + приемник при использовании существующего приемного устройства «Катран» и «Ольхон-Гелиос» и показано, что результаты экспериментальных измерений основных характеристик приемной системы хорошо совпадают с результатами численного моделирования по алгоритмам, приведенным в теоретической части главы 4.
Проведенные сравнения результатов численного моделирования и экспериментальных измерений дают хорошее сходство результатов.
Пятая глава посвящена анализу эффективности использования ВТСП преселектора в составе антенна + ВТСП преселектор. Исследования показали, что управляемый высокодобротный ВТСП преселектор можно с успехом использовать для настройки и перестройки электрически малых антенн. В ходе численного моделирования установлены количественные соотношения между ненагруженнои добротностью ВТСП преселектора, размером ЭМА, КПД входной цепи, состоящей из антенны и ВТСП преселектора, рабочей полосой частот и диапазоном перестройки. Использование этих соотношений позволило при заданных размерах ЭМА (вибратора) определить параметры преселектора (его частоту настройки, ненагруженную добротность и коэффициент связи входной и выходной цепей), обеспечивающие требуемые характеристики антенны.
Полученные в данной главе результаты позволили установить возможность повышения КПД ЭМА при использовании в качестве согласующего и настраивающего устройства ВТСП преселектора.
Антенные устройства
Использование ВТСП-материалов в антенной части позволяет создавать миниатюризированные антенные устройства, в частности создавать эффективные антенны малых электрических размеров [86,87,88,89,90,91,92,93,94,95,96]. Преимущество сверхпроводящей антенны по сравнению с обычной медной продемонстрировано в [40] . Следует отметить, что габариты приемопередающих устройств зачастую определяются именно размерами антенн, особенно в ВЧ диапазоне. Поэтому анализ возможности миниатюризации антенн ВЧ диапазона является актуальной задачей, особенно для бортовых систем. Проблемы разработки электрически малых антенн (ЭМА) обсуждались в работах [4, 88, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 97, 98, 99, 100, 101, 102, 103] . Известно, что при миниатюризации антенн необходимо обеспечить согласование комплексного импеданса нагрузки, имеющей большой реактанс и малое сопротивление, с линией питания. Эта проблема решается за счет использования согласующих реактивных устройств. Однако из-за диссипации в согласующих устройствах, обусловленной конечной проводимостью нормальных проводников и потерях в самих антеннах, ЭМА имеют низкий КПД. Замена нормальных проводников на ВТСП позволяет повысить КПД антенны на частотах, где потери в ВТСП меньше, чем в нормальных металлах. Как правило, все исследования по ЭМА проводились в более высокочастотных, чем ВЧ, диапазонах. В ВЧ диапазоне укорочение антенны требовало разработки высокодобротных согласующих устройств и уменьшение потерь в самих антеннах. Технические возможности не позволяли это сделать.
Перестраиваемый ВТСП контур (рисунок 1.6) может быть использован для настройки и перестройки ЭМА ВЧ диапазона, причем сама ЭМА ВЧ диапазона может быть выполнена как на основе обычных, так и ВТСП материалов. Для проведения подробного анализа эффективности использования перестраиваемого ВТСП преселектора в укороченных антеннах ВЧ диапазона также необходимо детальное развитие теории изображенного на рисунке 1.6 контура.
Таким образом, подводя итоги обзору по результатам, достигнутым в области исследования ВТСП фильтров, преселекторов и антенн, можно утверждать, что к настоящему моменту разработан ряд ВТСП фильтров с характеристиками, которые были недостижимы при использовании нормальных проводников.
Подобные фильтры могут найти, и уже нашли широкое применение в различных частотных диапазонах как при построении узкополосных преселекторов с целью существенного повышения избирательности приемных устройств, так и в качестве согласующих устройств при конструировании электрически малых антенн.
Для использования в приемных связных системах ВЧ диапазона требуются перестраиваемые в широкой полосе частот (несколько октав) ВТСП фильтры. Единственным вариантом такого фильтра с приемлемыми характеристиками на настоящий момент является фильтр, изображенный на рисунке 1.6. предварительные исследования подобного фильтра показали чрезвычайно высокие его характеристики как по достигнутой добротности ( 105) , так и по полосе перестройки (более 2-х октав).
Однако для эффективного использования такого фильтра в качестве преселектора в приемных устройствах, согласующего и настраивающего устройства в ЭМА требуется подробное теоретическое исследование его характеристик и возможностей проектирования, настройки и перестройки такого фильтра, а также обоснование методики измерения его параметров. основе перестраиваемого ВТСП контура (рисунок 1.6), требуется знание основных уравнений и соотношений, моделирующих зависимость его параметров в процессе настройки и перестройки. С этой целью проведем анализ схемы преселектора и выведем основные соотношения, необходимые для оптимальной настройки преселектора.
Схемы ВТСП преселекторов, построенных по типу (рисунок 1.6), в простейшем случае представляют собой одноконтурный или двухконтурный высокодобротный резонатор, по магнитному потоку связанный через индуктивные петли Li и L3 со входными и выходными цепями. Эквивалентная схема для одноконтурного преселектора приведена на рисунке 2.1. При этом предполагается, что непосредственная связь между входной и выходной цепями отсутствует (М13=0) .
В схеме на рисунке 2.1 введены обозначения: Е10 и Z]0 - ЭДС ивнутреннее сопротивление генератора; Х 10,Х"0,Х 20,Х"0 - возможныереактивные сопротивления, служащие для настройки и управления рабочей полосой часот контура 2Af (нагруженной добротностьюконтура QH); ZH0 - сопротивление нагрузки; Tpl, Тр2 - согласующие и преобразующие трансформаторы.
С учетом свойств трансформаторов (предполагается, что трансформаторы имеют пренебрежимо малые потери) всегда можно преобразовать схему, изображенную на рисунке 2.1, в схему,изображенную на рисунке 2.2а, где величины Ех, Z, и Х] зависят от номиналов ЭДС и сопротивлений первого контура {Ею, Z]0, X w, Х"0 ),свойств трансформатора Tpl и частоты и) ; величины Х30, 2Н - отноминалов сопротивлений третьего контура, свойств трансформатора Тр2 и частоты и) .Mi 2 М23Так, обратимся к конструкции перестраиваемого преселектора, приведенной в [64]. В этом случае ВТСП контур R2, L2, С2, изображенный на рисунке 2.2а, представляет из себя систему двух связанных ВТСП катушек с емкостными площадками на концах и межвитковои емкостью. Эквивалентная схема такого контура приведена на рисунке 2.26.
Оптимизация параметров преселектора
Установим условия на выбор RH , при которой в нагрузке выделяется максимальная мощность. Условие максимума имеет вид
Подставляя соотношение (25) в (22), найдем выражение для максимальной мощности Р выделяемой в нагрузке, при заданных значениях входной и выходной связизависит от величины выходной связи. Но это не так, т.к. выходная связь (0оМ23) связана со входной связью (coJ iX7) соотношением (25) . С учетом этого
Установим величину входной и выходной связей, при которыхдостигается абсолютная максимизация мощности / axmax f выделяемой внагрузке. Из соотношения (26) получаем условие абсолютногомаксимума
Следовательно Рк монотонно зависит от величины входной связи,возрастая с увеличением (UJQM ) . График зависимости Рх от {coJA для ряда значений Ri, R2 представлен на рисунке 2.3.
Рисунок 2.3 - Зависимость максимальной мощности, выделяемой в нагрузке, от связи между 1-м и 2-м контурами.
Как видно из графиков на рисунке 2.3, при увеличении связи между 1-м и 2-м контуром (увеличении взаимоиндукции М12 междуконтурами) при неизменной частоте со0 мощность, выделяемая в нагрузке, возрастает. Максимальная мощность, передаваемая во 2-ойркз /контур, достигает значения ист/л Подставляя соотношение (25) в выражение (21) и (23), получаем выражение для оптимального коэффициента передачи Kfl и КПД rfpt в этом режиме:на рисунке 2.4.Как следует из графиков на рисунке 2.4, значение оптимального КПД преселектора стремится к значению 0.5, причем максимальновозможное значение т]ор1 при фиксированном значении (Й)0М12) достигается быстрее при наименьшем произведении R R,.
Сравним полученные соотношения для КЦ,РН и ц преселектора с соответствующими соотношениями при непосредственном включении нагрузки к источнику ЭДС (рисунок 2.5). В частности, при RX-RH получаем
Поведение кривых, определяемых соотношениями (31), существенно отличается от кривых, построенных по соотношениям (2 6) , (29), (30). В частном случае преселектора без потерь (R, = 0) при оптимальном выборе нагрузки из (26), (29), (30) получаем
Сравнение соотношений (33) с (32) показывает, что в оптимальном режиме величина мощности, передаваемая в нагрузку, и КПД совпадает с соответствующими значениями (32) при непосредственном включении нагрузки к источнику. Однако коэффициент передачи К$" существенно зависит от соотношения входной и выходной связей, и лишь при одинаковых связях (что в соответствии с выражением (34) эквивалентно условию Л,=/?н)совпадает со значением К$". При (а0Ми) 2(tf „M23) величинакоэффициента передачи в нагрузку Гг/ может быть больше единицы.
Сравнение выражений (29) и (30) для преселектора показывает, что зависимости оптимального (с точки зрения максимума мощности в нагрузке) модуля коэффициента передачи и оптимального КПД от входной связи (при заданной выходной) имеют различный характер. Эти зависимости приведены на рисунке 2. б для ряда значений Rf .
На рисунке 2. ба изображен график зависимости коэффициента передачи преселектора, оптимального с точки зрения передачи мощности, выделяемой в нагрузке, от входной связи. При увеличении активного сопротивления в нагрузке по сравнению с активными потерями в источнике оптимальный коэффициент передачи возрастает, и при некоторых значениях превышает 1. Данный эффект возможен из за «трансформаторных» свойств схемы. При неизменном отношениивходных и выходных активных сопротивлениях схемы я с увеличением связи между 1-м и 2-м контурами коэффициента связи становится больше.
На рисунке 2.66 изображен график зависимости оптимального КПД с точки зрения максимальной мощности, выделяемой в нагрузке, в зависимости от связи между 1-м и 2-м контурами. Максимальный КПД стремится к 0.5 с увеличением связи между контурами. При прочих равных условиях с увеличением произведения активных сопротивлений R увеличиваются потери в ВТСП контуре, и значение максимального
КПД достигается при более сильных связях, как и в случае с оптимальным коэффициентом передачи. При одной и той же связи с увеличением потерь (рост произведения RlR2 ) происходит уменьшениякпд.
Оценим различия в выборе входной и выходной связей, исходя из (34). На рисунке 2.бв приведена зависимость оптимальной выходной взаимосвязи ВТСП контура от входной для случая RI=RH. Величина R2 выбиралась в зависимости от ненагруженнои добротности ВТСП контура Qo (для катушки, изображенной на рисунке 1.56).В частном случае одинаковых связей
Связь характеристик отдельных блоков приемной системы с характеристиками приемной системы
В предыдущем разделе мы рассмотрели основные характеристики отдельных блоков, входящих в приемную систему. В этом разделе найдем зависимость характеристик приемной системы от характеристик отдельных блоков, входящих в нее.
Односигнальная избирательность системы / (/), изображенной нарисунке 3.3, определяется односигнальнои избирательностью каждого из устройств, входящих в системугде LnpEC(f) " избирательность преселектора; МИУ(/) избирательность МШУ; LnpM(f) - избирательность приемника.
С учетом рассмотренных выше избирательностей преселектора, МШУ и приемника можно утверждать, что избирательность системы будет пропорциональна избирательности ВТСП контура и избирательности приемника
Коэффициент шума каскадно включенных четырехполюсников при отсутствии переотражений сигнала внутри ее определяется по формуле Фрииса [128]где Кші, Кш2, ... Кшп и Крі, Кр2, ... Kpn-i - коэффициенты шума и номинальные (а не фактические!) коэффициенты передачи мощности соответствующих четырехполюсников.
Применительно к нашей приемной системе, изображенной на рисунке 3.3с учетомформула для коэффициента шума приемной системы примет вид
Учитывая полученные выше соотношения, из (148) получаемкоэффициентом шума приемника:ИЛИГрафически неравенство (151) представлено на рисунке 3.8 и представляет из себя область под кривой. В большинстве случаев параметры МШУ позволяют удовлетворить требование неравенства при
Из выражения (149) видно, что для оптимального построения приемной системы необходимо не только увеличивать КПД преселектора и коэффициент передачи МШУ, но и минимизировать коэффициент шума МШУ и приемника.
Найдем выигрыш по коэффициенту шума приемной системы взависимости от K2[f). В качестве выигрыша введем параметр А,равный отношению шума приемника к шуму системы с установленным МШУ (ПРЕС+МШУ+ПРМ). Графики зависимости выигрыша системы от коэффициента передачиусилителя К2 (/) для различных значений Кх (/) приведены на рисунке3.9.
Из графиков, приведенных на рисунке 3.9, следует, что при увеличении коэффициента передачи преселектора выигрыш возрастает,и достигает 24 раз при коэффициенте шума МШУ А 2ш=1дБ=1.26. Изанализа (152) видно, что увеличивать коэффициент усиления МШУцелесообразно до тех пор, пока вклад отношения — не будетК2\Лмного меньше вклада коэффициента шума МШУ (который для современныхусилителей составляет 1-=-2 дБ) или K -K f) (достигает 8). Дляприемника «Катран» целесообразно иметь (/), не превышающий 1000
Из (142) можно получить, что в первом приближенииТаким образом, чувствительность устройства прямопропорциональна квадратному корню из его коэффициента шума. Определим связь между чувствительностью приемника, чувствительностью системы и их полосами пропускания. Из выражения (142) находимгде 2A/j. - полоса пропускания приемной системы. Подставляя в (155) соотношение (148), получаем
Соотношение (156) позволяет оценить требования к параметрам МШУ, обеспечивающие сохранение и даже улучшение чувствительности системы по сравнению с чувствительностью приемника. Соответствующие количественные данные представлены на рисунке 3.10 для случая 2А/"/7Ш = 24/Ё , К1" =10 и 16 дБ для приемников типа «Ольхон-Гелиос» и «Катран». Соответственно коэффициент передачи преселектора выбирался равным ,(/0) = 0.7 и 0.99.
Как следует из графиков, при прочих равных условиях повышение коэффициента передачи преселектора снижает шум системы.
Проведем численный расчет коэффициента шума приемной системы, подставив в соотношение (149) достигнутые значения параметров устройств, входящих в систему. Так для преселектора,расположенного в сосуде с жидким азотом (TPEC =77К) КПД можетдостигать 70% и более. Возьмем т]ПРЕС-0.7. По имеющейся информациипараметры МШУ могут иметь значения Kf не более 1дБ=1.2б при K](f} не менее 30дБ=1000. В качестве приемника возьмем «Катран» с К-Т = К47ЇМЯ=16ДБ. Подставляя численные значения в (149), найдем 1-0.7 1.26-1 39.8-1Сравнивая полученный результат с коэффициентом шума39 8«Катрана», имеем выигрыш в коэффициенте шума —— = 25.8 раз или на1.5414дБ. /Аналогичный расчет для приемника «Ольхон-Гелиос» с коэффициентом шума с К льхон_ГЕШОС=10дБ позволяет получитьК рмсист =1.5 и выигрыш в коэффициенте шума на 8.2дБ.
Анализ зависимости динамического диапазона системы от параметров входящих в систему устройств
Для количественного определения ДДИ системы по соотношению (223) необходимо знать частотную зависимость коэффициента передачи ВТСП контура и чувствительность всей системы. Подробный расчет этих параметров приведен в предыдущей главе. Ниже проведем анализ влияния шумовых свойств каждого из устройств на ДДИ приемной части системы.
Рассмотрим некоторые важные на практике частные случаи. Во-первых, рассмотрим преселектор с малыми потерями (, ,(/) 1), и предположим, что в этом случае выполняется неравенство
Заметим, что при Kx(f0)x\ неравенства (236) и (237)практически эквивалентны.Проанализируем возможность выполнения неравенств (236) и (237) для типичных приемных устройств ВЧ диапазона «Катран» Р-399А и «Ольхон-Гелиос» Р-397П2-215.Паспортные данные этих приемников: АТ3ш=16дБ (39,8раз) дляприемника «Катран» Р-399А и Kf =10 дБ (Юраз) для приемника «Ольхон-Гелиос» Р-397П2-215. Предполагая, что преселектор без потерь (АГ,(/0)=1) из (236) и (237) получаем следующие требования к МШУ, обеспечивающие выполнения неравенств (236) и (237):На рисунке 4.2 показана граница выполнения неравенства (239), определяемая соотношением (240)
Области, лежащие под соответствующей кривой, соответствуют выполнению неравенства (239) для приемников «Катран» или «Ольхон-Гелиос». Учитывая, что наилучшие представители современных МШУимеют коэффициент шума К2Ш «1.2 -1.3, из графиков на рисунке 4.2 следует, что для приемников с большим коэффициентом шума (например, приемник «Катран») выполнение неравенства возможно при
Для узкополосных преселекторов с полосой 2bfK = 2bfnpM полоса системы практически совпадает с полосой преселектора. Поэтому для этого случая из (241) получаем
Еще раз оговоримся, что выражение (245), и, следовательно, выражение (246), справедливо для приемников при условии выполнения неравенств {236) и (237) .
Зависимости предельного выигрыша в ДДИ идеальной системы из за наличия узкополосного n-контурного преселектора снеограниченным ДДИ, рассчитанные по соотношению (245),представлены на рисунке 4.3. Однако необходимо учитывать, что дляодноконтурного преселектора полоса контура 2&fnm.=2AfK, для двух иболее контуров - полоса преселектора сужается (см. рисунок 3.4). 172 определяемая вторым слагаемым в выражении (223), фактически компенсируется третьим слагаемым в (223), определяющим чувствительность системы.
При учете шумовых свойств преселектора и МШУ выигрыш в ADf начинает зависеть от чувствительности системы следующим образом
Выражение (247) получено из (241) с учетом соотношения (155) и при 2AfnpM=2AfK = 2Afx. Сравнение выражений (247) и (244) показывает, что при невыполнении условий (236)-(237) выигрыш в ДДИ уменьшается на величину SD] последнего слагаемого в выражении (247), не зависящего от отстройки А/ и количества эквивалентных контуров п, из которых состоит преселектор:
Зависимость SD от коэффициента усиления МШУ К2 (/0) для рядазначений коэффициента передачи преселектора А", (/0) и шумовыхпараметров приемника и МШУ, рассчитанная по (248), показана на рисунке 4.4 (а-г). В качестве значения коэффициента шума приемника выбирались значения ЮдБ (приемник «Ольхон-Гелиос») и 1бдВ (приемник «Катран»).Графики на рисунке 4.4(а-г) показывают, что с позиции ДДИ значения максимального коэффициента усиления МШУ следует ограничивать, в частности, из условия равенства чувствительности системы ПРЕС+МШУ+ПРМ и ПРМ, т.к. дальнейшее повышение чувствительности системы за счет увеличения коэффициента усиления МШУ приводит к снижению ДДИ системы, при этом для приемников с малым коэффициентом шума (с большой чувствительностью) проигрыш при увеличении коэффициента передачи МШУ больше, чем для приемников с большим коэффициентом шума. При увеличении коэффициента передачи преселектора и при одном и том же коэффициенте передачи МШУ проигрьші в ДДИ уменьшается. Снижение коэффициента шума МШУ от 2дВ до 1дБ уменьшает проигрыш в ДДИ до 2-2.5дБ. В целом при сохранении чувствительности системы ПРЕС+МШУ+ПРМ на уровне чувствительности современных приемников проигрыш в ДДИ незначителен и не превышает 1-2дБ. При увеличениипроизведения Кх (/о)- 2(/о) проигрыш в ДДИ системы ПРЕС+МШУ+ПРМ возрастает. Так для идеального с точки зрения коэффициента передачи преселектора проигрьші в ДДИ системы ПРЕС+МШУ+ПРМ для
Аналогичным образом выведем выражение для определения ДДБ приемной системы. Подставляя соотношение (130) в (235), получаем
Для узкополосных преселекторов при равенстве полосы системы и преселектора выражение (249) приобретает вид
Видно, что выражение (252) для выигрыша системы в ДДБ совпадает с выражением (245) для выигрыша систем в ДДИ с точностью до коэффициента 2п, причем выигрыш от применения преселектора для улучшения ДДИ больше.
Зависимости предельного выигрыша в ДДБ идеальной системы из-за наличия узкополосного n-контурного преселектора с неограниченным ДДБ, рассчитанные по соотношению (252), представлены на рисунке 4.5. Однако необходимо учитывать, что для одноконтурного преселектора полоса контура 2Д/ПЖС = 2A/7, , для двух и более контуров - полоса преселектора сужается (см. рисунок 3.4).
