Введение к работе
Актуальность исследуемой проблемы.
В современных радиофизических исследованиях важное место занимает анализ многочастотных процессов в нелинейных системах. К ним, в частности, относятся транзисторные усилители СВЧ диапазона, наиболее часто применяемые в настоящее время в современной аппаратуре радиосвязи, радиолокации, радионавигации и др. Поэтому, возникающие в этой области исследования задачи довольно разнообразны, содержательны и имеют чёткую практическую направленность - сведение к минимуму нежелательных последствий нелинейных эффектов. Интенсивная деятельность в этих направлениях стимулируется постоянно возрастающими требованиями к показателям качества передачи, приёма и обработки информации в современных радиокомплексах. Интерес к многочастотным явлениям возрос ещё и потому, что резкое увеличение количества радиосредств обострило проблему электромагнитной совместимости (ЭМС). Решение этой важной проблемы может быть осуществлено с одной стороны уменьшением побочных излучений передающих устройств, с другой стороны - снижением восприимчивости к радиопомехам приёмно-усилительных трактов. В последнем случае решающую роль призвано сыграть совершенствование входных цепей приёмника. В диапазоне СВЧ на входе приёмников в настоящее время наиболее часто применяются мало-шумящие транзисторные усилители (МШУ). Преимуществом этих приборов является одновременное сочетание достаточно большого коэффициента усиления и довольно низкого коэффициента шума не только в сантиметровом, но и в миллиметровом диапазоне. Большое число публикаций, вышедших до настоящего времени и то видное место, которое занимают вопросы анализа и изучения исследования транзисторных усилителен (ТРУ) в научных программах, подтверждает незавершённость существующих исследований. В особенности это
относится к различного рода задачам нелинейного взаимодействия многочастотных и шумовых сигналов.
Усгоігчттяя тенденция—к—ктггтетсситкпгатио—радист средств, размещаемых на ограниченных площадях (корабль, самолёт, ракета и т.д.) требует поиска конкретных путей значительного увеличения динамического диапазона радиопри- ёмной техники. В виду того, что конструктивные и технпттп-гические возможности в этом направлении в настоящее время ограничены, то актуальной задачей стала разработка способов адаптации малошумящих усилителей, позволяющих реализовать возможность совместной работы радиосредств в экстремальной электромагнитной обстановке (ЭМО).
Повышенное внимание при проектировании и эксплуатации транзисторного усилителя уделяется обеспечению его устойчивой работы в рабочем диапазоне частот. Однако при работе в нелинейном режиме условия обеспечения его устойчивости в рабочем диапазоне изменяются. Появление гармонических и интермодуляционных продуктов вне полосы усиления может приводить к нарушению условий устойчивости устройства, как в рабочей полосе частот, так и вне её, и, как следствие, к возбуждению усилителя. Отсюда возникает задача анализа изменения устойчивости ТРУ в нелинейном многочастотном режиме.
Разработанные в диссертации методики анализа будут способствовать выявлению общих закономерностей многочастотных процессов в нелинейных твердотельных устройствах и улучшению выходных характеристик конкретных приборов.
Целью работы является:
1. Развитие методов анализа нелинейных явлений, возни
кающих при взаимодействии многочастотных и шумовых
сигналов различной интенсивности в твердотельных устрой
ствах.
2. Приложение разработанных методик к исследованию уси-
ления гармонических сигналов на фоне собственных и внешних шумов в транзисторных усилителях.
-
Исследование и определение путей повышения значений верхней границы динамического диапазона ТРУ по различным нелинейным эффектам.
-
Развитие методов анализа нелинейных явлений в твердотельных устройствах для исследования устойчивости транзисторных усилителей.
Основные задачи диссертации вытекают непосредственно из цели:
проанализировать влияние интенсивности усиливаемого сигнала на величину спектральной плотности собственного шума твердотельного устройства при нелинейном взаимодействии;
рассмотреть совместное нелинейное усиление гармонических сигналов и шума;
на основании теоретических и экспериментальных исследований обосновать возможность оптимизации электрического режима работы МШУ при многосигнальном воздействии;
проанализировать изменение условий устойчивости ТРУ при работе его в нелинейном многочастотном режиме, а также при оптимизации его электрического режима.
Научная новизна. В диссертационной работе разработана методика анализа нелинейного взаимодействия многочастотных и шумовых сигналов в твердотельных СВЧ усилителях на основе функциональных рядов Вольтерра. На основании этой методики удалось с единых позиций изучить влияние нелинейности на выходные уровни сигнала, собственного и внешнего шумов в транзисторном усилителе. Теоретически установлен вклад в изменение выходного отношения сигнал/шум комбинационных составляющих различного вида, образующихся в результате нелинейного преобразования спектра. Выбранный подход позволил определить зависимости изменения коэффициента шума ТРУ при многосиг-
нальном воздействии.в различных режимах работы. Также на основе рядов Вольтерра создана методика анализа устойчивости транзисторного ус.иттителя как в рабочей полосе час-тот, так и вне неё в нелинейном режиме. И, наконец, выявлены режимы, позволяющие увеличить значение верхней границы динамического диапазона ТРУ.
Практическая ценность. В работе показано, что для получения более достоверной оценки входного усилителя с точки зрения его работоспособности в присутствии помех большого уровня необходимо учитывать изменение его собственных шумов.
Предложенные методики и, разработанные на их основе программы, могут найти применение при расчёте характеристик электромагнитной совместимости входных усилителей на полевых транзисторах.
Решённые на основе разработанного метода прикладные задачи представляют самостоятельный научный и практический интерес с точки зрения совершенствования приборов и условий эксплуатации при использовании их в насыщенной электромагнитными помехами обстановке.
Полученные результаты используются в учебном процессе кафедры электроники ВГУ.
Основными положениями, выносимыми на защиту, являются:
методика анализа нелинейного взаимодействия интенсивной помехи и собственного шума в твердотельном устройстве;
особенности нелинейного анализа взаимодействия интенсивной помехи и слабого сигнала в присутствии шумовых сигналов, создаваемых внешними источниками;
результаты анализа энергетических соотношений на выходе ТРУ в присутствии собственного и внешнего шумов с учётом его частотных свойств;
рекомендации по определению линейных и нелинейных параметров модели ПТШ на основе теоретических соотношений и экспериментальных данных;
методика анализа устойчивости усилителя в нелинейном режиме;
рекомендации по расширению динамического диапазона усилителя в зависимости от его электрического режима.
Апробация работы. Основные материалы по всем разде
лам диссертационной работы докладывались на следующих
конференциях и совещаниях: Всесоюзной научно-технической
конференции «Развитие и внедрение новой техники радио
приёмных устройств и обработки сигналов» (г.Горький,
1989); научно-техническом семинаре «Обеспечение электро
магнитной совместимости технических средств» (г.Москва,
1991); научно-технической конференции «Методы и средства
измерений в области электромагнитной совместимости»
(г.Винница, 1991); Всесоюзном симпозиуме «Проблемы элек
тромагнитной совместимости технических средств»
(г.Суздаль, 1991); Всероссийской научно-технической конфе
ренции с международным участием «Актуальные проблемы
твердотельной . электроники и микроэлектроники»
(г.Таганрог, 1995, 1996, 1997); научно-технической конфе
ренции «Информационные технологии и системы»
(г.Воронеж, 1995); научно-технической конференции «На
правления развития систем и средств радиосвязи»
(г.Воронеж, 1996); Международной научно-технической кон
ференции «АнтеннО'фидерные устройства, системы и средст
ва радиосвязи» (г.Воронеж, 1996); Международном симпо
зиуме по электромагнитной совместимости и
электромагнитной экологии (г.Санкт-Петербург, 1997); Все
российской научно-технической конференции с международ
ным участием «Электроника и информатика» (г.Зеленоград,
1997); научно-технической конференции «Радиолокация, на
вигация и связь» (г.Воронеж, 1998).
Структура и объём работы. Диссертация состоит из вве-
-^тга—че^урёх^аадеж^в—и заключения, изложенных на 98
страницах машинописного текста, таблицы и 41 иллюстраций
на 27 листах, списка литературы из 136 наименований на 16
листах.
