Введение к работе
Актуальность темы
Актуальность разработки новых методов анализа, синтеза и проектирования телекоммуникационных передающих устройств определяется, прежде всего, возросшими требованиями к качеству и надежности разрабатываемых устройств, сокращению временных и финансовых ресурсов на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы.
Методики исследования и проектирования радиопередатчиков на отечественной элементной базе наиболее полно изложены в книгах Г.М. Уткина, В.Н. Кулешова, М.В. Благовещенского, В.В. Шахгильдяна, О.А. Челнокова, М.А. Сиверса, Г.А. Зейтленка, Ю.Б. Несвижского и др. авторов. В этих работах методики исследования и проектирования усилителей мощности радиопередающих устройств, работающих в нелинейных режимах, разработаны на основе кусочно-линейной высокочастотной модели транзисторов для областей активной и отсечки; нелинейные емкости заменены постоянными, равными средним для рабочих интервалов напряжения значениям.
В настоящее время значительные результаты достигнуты в области разработки мощных высокочастотных и сверхвысокочастотных транзисторов передатчиков, а также их нелинейных математических моделей.
Компании разработчики элементной базы Excelics Semiconuctor, NEC, Philips, Motorola свою продукцию сопровождают математическими моделями, которые по результатам экспериментов, проводимых этими компаниями, адекватно описывают работу реальных активных и пассивных элементов, в частности полевых и биполярных транзисторов.
В последнее время разработаны и продолжают совершенствоваться информационные технологии исследования и автоматизированного проектирования телекоммуникационных устройств. Представляет интерес инструментальная среда AWR Microwave Office (AWR MWO), позволяющая использовать метод визуального моделирования для решения сложных схемотехнических, электродинамических и системных задач исследования и проектирования телекоммуникационных передающих устройств ВЧ и СВЧ диапазонов, а также возможностью использования моделей элементной базы ведущих разработчиков.
Актуальность развития этого направления работ подтверждается организацией постоянно действующего научного ONLINE семинара в рамках журнала «Microwave Journal» (USA), организацией научных семинаров, проводимых Московским государственным университетом с приглашением ведущих специалистов компании AWR, а также результатами научно-исследовательских работ, проводимых в Университетах Москвы, Омска, Нижнего Новгорода, Самары с использованием пакета AWR MWO.
Основными качественными показателями телекоммуникационных передающих устройств являются спектральные и динамические
характеристики выходного сигнала, коэффициент полезного действия, выходная мощность.
Спектральные и динамические характеристики выходного сигнала во многом определяются характеристиками автогенераторов возбудителей передатчиков.
Выходная мощность и коэффициент полезного действия передатчиков зависят от выбранных нелинейных режимов усилителей. Ограничение по мощности высокочастотных транзисторов в ряде случаев приводит к необходимости применения систем сложения мощности.
Решение инженерных задач разработки телекоммуникационных передающих устройств и систем, удовлетворяющих современным техническим требованиям, невозможно без их всестороннего научного исследования.
Цель и задачи диссертационной работы.
Целью диссертации является исследование и разработка методов анализа, синтеза телекоммуникационных передающих устройств с использованием инструментальной среды визуального моделирования, позволяющей повысить точность результатов исследования по сравнению с известными методами.
Для достижения цели диссертационной работы необходимо решить следующие задачи:
Разработать методику анализа, синтеза высокоэффективных по энергетическим показателям нелинейных усилителей мощности радиопередатчиков.
Рассмотреть вопросы устойчивости работы усилителей мощности.
Исследовать системы сложения мощности.
Разработать методику анализа, синтеза автогенераторов возбудителей передатчиков.
Рассмотреть вопросы автоматизации исследования и проектирования радиопередающих устройств.
Методы исследования
В данной работе использованы компьютерные методы инструментальной среды визуального моделирования AWR MWO, в которой используются: метод гармонического баланса; ряды Вольтерра; высокоскоростной метод линейного анализа; высокоскоростной метод шумового анализа; интегрированная система ввода схем со встроенной поддержкой файлов описания схем.
Пакет AWR MWO содержит четырнадцать методов оптимизации, в которых можно выделить три группы: детерминированные, случайные и комбинированные. В данной работе используется детерминированный подход к решению задач оптимизации схем, в частности, симплекс-метод, метод градиентного спуска.
Научная новизна диссертации
1. Разработана методика анализа и синтеза нелинейных усилителей
мощности телекоммуникационных передающих устройств с использованием
технологий визуального моделирования.
Предлагаемая методика обеспечивает по сравнению с известными методами более высокую точность оценки выходной мощности, КПД, а также значительно сокращает время на проведение научно-исследовательских работ. Более высокая точность оценки достигается благодаря применению математических моделей элементной базы, учитывающих нелинейные свойства кристаллов транзисторов в различных режимах работы, их инерционность, влияние корпусов элементов и других факторов на динамические и энергетические характеристики.
Проведена оптимизация схем усилителей мощности по выбранным критериям оптимальности (выходная мощность, КПД), получены результаты оценки устойчивости усилителей мощности на основе предлагаемой методики.
Проведена оптимизация систем сложения мощности по выбранным критериям оптимальности (АЧХ, коэффициент передачи).
Разработана методика анализа и синтеза автогенераторов возбудителей передатчиков с использованием технологий визуального моделирования, которая обеспечивает более высокую точность оценки спектральных характеристик, фазовых шумов, динамики работы и устойчивости самовозбуждения.
Проведена оптимизация схем автогенераторов возбудителей передатчиков по выбранным критериям оптимальности (частота колебаний, подавление гармонических составляющих, уровень фазовых шумов, уровень выходного напряжения и тока) на основе предлагаемой методики.
Обоснованность и достоверность результатов работы
Обоснованность и достоверность научных результатов, полученных в диссертации, подтверждается корректностью используемых и опубликованных математических моделей исследуемых устройств; согласованностью ряда полученных результатов с опубликованными в отечественной и зарубежной печати; результатами визуального компьютерного моделирования, экспериментальных исследований и внедрением разработанных телекоммуникационных устройств в производство.
Личный вклад.
Все результаты, составляющие содержание данной работы, получены автором самостоятельно.
Практическая ценность работы
Разработанные в диссертации методы анализа и синтеза телекоммуникационных передающих устройств реализованы в системе автоматизированного проектирования "Telecom-MWO" и внедрены в разработки компании "РТСофт" (г. Москва) и в учебный процесс ПГУТИ.
В настоящее время программный комплекс системы "Telecom-MWO" позволяет исследовать и проектировать телекоммуникационные радиопередающие устройства ВЧ и СВЧ диапазонов на биполярных и полевых транзисторах. Благодаря возможности постоянного совершенствования программного комплекса расширяется круг прикладных задач исследования и проектирования в области телекоммуникационных систем и устройств.
Результаты разработки и внедрения программного комплекса системы
"Telecom-MWO" имеют существенное значение для отрасли
телекоммуникаций, заключающееся в повышении качества и надежности
разрабатываемых устройств, сокращения сроков создания
телекоммуникационных устройств и систем, которое достигается благодаря сокращению трудоемкости научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.
Положения, выносимые на защиту
-Методика анализа и синтеза нелинейных усилителей мощности телекоммуникационных передающих устройств.
-Результаты исследования и оптимизации, оценки устойчивости усилителей мощности на основе предлагаемой методики.
Результаты исследования систем сложения мощности.
Методика анализа и синтеза автогенераторов возбудителей передатчиков. -Результаты исследования и оптимизации автогенераторов возбудителей
передатчиков на основе предлагаемой методики.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались в 2007 - 2009 гг. на следующих конференциях:
S международная научно-практическая конференция «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития '2007». Одесса: Черноморье, 2007, 2008, 2009;
S международная научно-практическая конференция «Телеком-2007»./Ростов на Дону: СКФ МТУСИ, 2007;
S международные конференции в СПбГПУ 2007, 2008 г;
S международная научно-техническая конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций». Уфа: УГАТУ, 2007, Казань: КГТУ, 2008;
S Российские научные конференции в ПГУТИ 2008, 2009
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 25 работ, в том числе 3 статьи в журналах из перечня ВАК, 13 докладов в материалах международных конференций, четыре параграфа в учебнике для ВУЗов, 5 тезисов в материалах Российских конференций, 3 работы зарегистрированы в Отраслевом фонде алгоритмов и программ Федерального агентства по образованию.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и четырех приложений на 175 страницах. Основная часть
работы содержит 151 страницу машинописного текста, иллюстрированного 127 рисунками. Список литературы включает 79 наименований.
