Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Проблема повышения эффективности телекоммуникационных систем, работающих на переменные нагрузки 9
1.1. Обзор систем, работающих на переменные нагрузки 9
1.2. Эффективность энерговклада в переменные нагрузки 14
1.3. Анализ методов повышения эффективности передачи энергии переменным нагрузкам 19
1.4. Выводы 30
Глава II. Исследование методов защиты генераторов с внешним возбуждением от перегрузок из-за изменений нагрузки 31
2.1. Задача защиты генераторов с внешним возбуждением от перегрузок 31
2.2. Обзор известных методов защиты 33
2.3. Разработка метода защиты каскада за счет адаптации его параметров к изменениям нагрузки 36
2.4. Экспериментальные исследования метода, основанного на адаптации каскада к флуктуациям нагрузки 44
2.5. Выводы 50
Глава III. Разработка адаптивных методов согласования мощных радиосистем с переменными нагрузками 52
3.1. Анализ методов адаптации при трансформации сопротивлений 52
3.2. Повышение эффективности адаптивной подстройки импедансов 71
3.3. Разработка перестраиваемых цепей согласования большой мощности 84
3.4. Экспериментальные исследования мощных адаптивных цепей согласования 97
3.4.1. Описание экспериментальной установки 97
3.4.2. Результаты эксперимента для эквивалентной индуктивности 101
3.4.3. Результаты эксперимента для эквивалентной емкости 104
3.5. Разработка практических рекомендаций по адаптивному согласованию с переменными нагрузками 107
3.6. Выводы 111
Глава IV. Исследование методов передачи энергии пространственно- распределенным нагрузкам телекоммуникационных систем 113
4.1. Подвод энергии к пространственно-распределенным нагрузкам 113
4.2. Эффективность передачи энергии пространственно-распределенным нагрузкам 122
4.3. Разработка математической модели СВЧ возбуждения переменных нагрузок 128
4.4. Экспериментальные исследования и результаты модельных экспериментов 136
4.5. Выводы 139
Заключение 141
Литература
- Эффективность энерговклада в переменные нагрузки
- Разработка метода защиты каскада за счет адаптации его параметров к изменениям нагрузки
- Повышение эффективности адаптивной подстройки импедансов
- Эффективность передачи энергии пространственно-распределенным нагрузкам
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Одной из важных проблем в современной радиотехнике является повышение эффективности систем и устройств телекоммуникаций, работающих на нагрузку, импеданс которой либо неизвестен заранее, либо изменяется во времени.
Увеличение энерговклада в такие нагрузки за счет снижения коэффициента отражения полезной мощности, уменьшения потерь в цепях согласования (ЦС) и за счет правильного выбора схемы подключения нагрузки приводит к повышению КПД систем, что, в свою очередь, дает экономический выигрыш при их эксплуатации.
Проблема согласования высокочастотных генераторов с переменными нагрузками ранее исследовалась применительно к задачам высокочастотного возбуждения газоразрядных сред лазеров [1-30]. Рост скорости передачи информации и увеличение объемов транспортных информационных потоков сделали эту проблему актуальной и для телекоммуникационных систем, особенно с радиопередающими устройствами большой мощности.
Анализ работы мощных телекоммуникационных систем показал, что рассогласование негативно влияет на качество их работы, и пренебрегать этим нерационально по экономическим соображениям и опасно из-за возможных аварийных ситуаций с аппаратурой. Источником рассогласования чаще всего является изменение импеданса нагрузки, вызываемое сменой режимов работы (изменение параметров окружающей среды, аварийные ситуации, например, обрыв фидера, питающего нагрузку, или выход из строя части излучателей фазированной антенной решетки), процессами старения нагрузки при длительной эксплуатации, разбросом параметров нагрузок различных типов.
Наличие рассогласования с нагрузкой приводит к ухудшению работы систем и устройств телекоммуникаций, а именно: уменьшается значение полезной мощности, вкладываемой в нагрузку; снижается качество передаваемого сигнала, что приводит к частичной или полной потере информации; нарушается эффективная работа радиопередающего устройства, и возможны выход из строя активных элементов либо снижение генерируемой мощности. Возникла актуальная научная и техническая проблема повышения энерговклада мощных генераторов в нагрузку в условиях изменения ее импеданса. Имеющиеся на сегодняшний день решения в рамках сформулированной проблемы недостаточно эффективны, поскольку не могут обеспечить: адаптивного согласования мощных генераторов с нестационарной нагрузкой; минимума отраженной мощности во всем диапазоне изменения импедансов нагрузки; эффективной защиты активных элементов мощных генераторов в случае аварийного изменения нагрузки. Анализ проблемы показал, что наиболее целесообразный путь повышения энерговклада заключается в последовательном решении следующих задач: исследовании методов оптимальной передачи энергии в нагрузку; разработки схем адаптивной перестройки мощных цепей согласования с нагрузкой; разработки новых методов защиты генераторов. Цели работы, вытекающие из характера проблемы: исследование методов и устройств согласования мощных телекоммуникационных систем с переменными нагрузками, их реализация и апробирование.
Исходя из целей работы, задачами исследования являются:
Исследование методов защиты генераторов с внешним возбуждением (ГВВ) от перегрузок при изменениях нагрузки.
Разработка программного обеспечения, позволяющего моделировать различные алгоритмы повышения энерговклада в переменные нагрузки.
Разработка методов и устройств согласования «мощных телекоммуникационных систем с переменными нагрузками.
Исследование методов передачи энергии пространственно-распределенным нагрузкам.
Методы исследования. В работе использовались методы теории электрических цепей, электродинамики и распространения радиоволн, методы математического моделирования и методы экспериментальных исследований.
Научная новизна:
Предложен и исследован метод защиты ГВВ от перегрузок из-за изменений импеданса нагрузки, основанный на подстройке параметров каскада к импедансу нагрузки.
Разработано программное обеспечение, позволяющее рассчитывать требуемый характер подстройки параметров каскада.
Предложена схема адаптивной ЦС на реактивных лампах для согласования мощных телекоммуникационных систем с переменными нагрузками.
Экспериментально исследована мощная ЦС на реактивных лампах и определен диапазон перестройки ее элементов.
Разработана математическая модель пространственно-распределенной нагрузки телекоммуникационной системы.
Исследованы методы, позволяющие повысить энерговклад в переменную пространственно-распределенную нагрузку.
Практическая ценность работы:
Разработаны программные средства, позволяющие для конкретного ГВВ определить эффективность применения метода защиты, основанного на подстройке параметров каскада к изменению нагрузки, и оценить полученный энерговклад.
Разработана и апробирована экспериментальная установка для исследования перестраиваемых реактивностей на электронных лампах.
Определены факторы, влияющие на диапазон перестройки реактивностей на электронных лампах.
Предложены практические рекомендации по адаптивному согласованию мощных ГВВ с переменными нагрузками. Реализация и внедрение. Основные теоретические и практические результаты получены автором при выполнении хоздоговорных работ. Разработанные устройства внедрены в Научно-исследовательском центре теплофизики импульсных воздействий Объединенного института высоких температур Российской Академии Наук (г. Москва) и в Институте теплофизики экстремальных состояний Объединенного института высоких температур Российской Академии Наук (г. Москва), а теоретические результаты нашли применение в учебном процессе ВлГУ при подготовке инженеров радиотехнической и радиофизической специальностей.
Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы представлялись на:
4-й международной НТК «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» (г. Владимир, 2000 г.);
10-й межрегиональной НТК «Обработка сигналов в системах двусторонней телефонной связи» (г. Москва, 2000 г.);
Всероссийской НТК «Излучение и рассеяние ЭМВ» (г. Таганрог, ТРТУ, 2001 г.);
4-й международной НТК «Перспективные технологии в системах передачи информации» (г. Владимир - Суздаль, 2001 г.);
Всероссийской НТК «Электростимуляция -2002» (г. Москва, 27-28 марта 2002 г.);
Международной конференции SPIE "High-Power Laser Ablation IV" (22-26 April 2002. Taos, New Mexico);
5-й международной НТК «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» (г. Владимир, 2002 г.);
5-й международной НТК «Перспективные технологии в системах передачи информации» (г. Владимир - Суздаль, 2003 г.); Публикации. По материалам, изложенным в диссертации, опубликовано 9 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Объем диссертации составляет 176 стр., в том числе 141 стр. основного текста. Список литературы содержит 111 наименований.
Личный вклад автора. Основные результаты, приведенные в диссертации, получены автором лично.
На защиту выносятся:
Метод защиты ГВВ от перегрузок при изменении импеданса нагрузки.
Математическая модель пространственно-распределенной нагрузки и результаты ее исследования.
Схемная реализация мощной адаптивной ЦС на реактивных лампах.
Результаты экспериментального исследования перестраиваемых реактивностей на электронных лампах.
Эффективность энерговклада в переменные нагрузки
Как видно из рис. 1.3, в случае переменной нагрузки изменение активной либо реактивной составляющей ее импеданса вызывает значительное снижение энерговклада в нагрузку из-за больших отражений ВЧ мощности.
Радиопередатчик считается работоспособным, если требования, установленные в отношении основных параметров, выполняются. Отказом является событие, заключающееся в нарушении работоспособности, т.е. отклонении основных параметров от допустимых пределов. Несоответствие хотя бы одному из требований, установленных нормативно-технической документацией как для основных, так и для второстепенных параметров и характеристик, считается неисправностью, которая может не приводить к отказу.
В радиосвязи существуют жесткие нормы, регламентирующие работу радиопередатчиков. Так, например, для связных и радиовещательных передатчиков ВЧ диапазона «Правила технической эксплуатации» [45-47] устанавливают, что перерывы в работе
расцениваются как отказ, если имело место снижение выходной мощности на величину более, чем на 30% от номинальной. Отклонение от установленных норм классифицируется как неисправность при снижении выходной мощности более, чем на 20%. То есть небольшое снижение энерговклада в нагрузку в теле- и радиопередатчиках допустимо, но дальнейшее его уменьшение приводит к нормативным нарушениям.
Другой негативной особенностью работы генератора на переменную нагрузку является тот факт, что при достаточно больших изменениях ее импеданса и, как следствие, значительных амплитудах отраженной волны возможно превышение предельно допустимых значений рассеиваемой мощности или пикового напряжения на активном элементе выходного каскада генератора, что приведет к выходу его из строя.
Таким образом, существует проблема согласования телекоммуникационных систем с нагрузками, импеданс которых может меняться в широких пределах.
Исходя из вышеприведенных соображений, можно сделать вывод о необходимости проанализировать методы повышения эффективности передачи энергии переменным нагрузкам.
Исходя из схемы, представленной на рис. 1.2, можно наметить следующие возможные пути повышения энерговклада в переменную нагрузку: - оптимизация свойств нагрузки для более эффективного восприятия энергии; - изменение режимов работы и выходного импеданса генератора; - перестройка цепи согласования.
В случае работы с нагрузками с распределенными параметрами, к которым можно отнести, в частности газоразрядные С02 лазеры мощных ОСС, величина энерговклада зависит от способа подключения нагрузки к генератору [24, 27, 28]. При этом необходимо добиться наиболее равномерного распределения амплитуды электромагнитного поля вдоль нагрузки, что увеличит КПД системы, а в случае газового С02 лазера ОСС - мощность светового потока. Решение этой задачи подразумевает нахождение суммарной амплитуды поля вдоль нагрузки как суперпозиции падающих и отраженных волн при различных способах подвода мощности (в одной или нескольких точках).
Можно также применить СВЧ возбуждение [87, 88], когда мощность в пространственно-распределенную нагрузку подводится по всей длине. При этом значительно снижаются габариты нагрузки, а взаимодействие возбуждающего поля с плазмой происходит по всему объему, что повышает энерговклад.
При построении ВЧ и СВЧ генераторов большое внимание уделяется защите выходных каскадов от отраженной волны. Существует множество вариантов построения устройств защиты [3, 55, 109]. Один из наиболее эффективных методов защиты приведен в [74].
Разработка метода защиты каскада за счет адаптации его параметров к изменениям нагрузки
Большинство отказов транзисторов связано с работой усилителя на несогласованную нагрузку. При изменении нагрузки согласование нарушается, и появляется отраженная от нагрузки мощность Ротр, а мощность проходящей в нагрузку волны Pw уменьшается. Напряжение отраженной волны Uomp, достигая коллектора, изменяет величину пикфактора и при приближении по фазе к переменному напряжению на коллекторе (перенапряженный режим) может вызвать пробой коллекторного перехода из-за превышения предельно допустимого напряжения на коллекторе. При противофазном напряжении отраженной волны относительно напряжения на коллекторе каскад переходит в недонапряженный режим. В этом случае резко возрастает постоянная составляющая коллекторного тока из-за ослабленного влияния переменного напряжения на коллекторе на высоту импульса выходного тока, растет рассеиваемая на транзисторе мощность, и он перегревается.
Для защиты транзистора от перегрузок, вызываемых изменением импеданса нагрузки, можно предложить изменять параметры каскада (напряжение питания и напряжение смещения) в зависимости от изменения величины импеданса. Исследуем возможность защиты каскада путем изменения его параметров. Для анализа транзисторного каскада используем методику, приведенную в [49] для расчета мощных каскадов вГВВ.
Нагрузка на внешних выводах каскада в общем случае представляет собой сумму действительной и мнимой частей В граничном режиме работы транзистора должно выполняться условие 7-7 где Zeba - выходное сопротивление каскада. То есть необходимо, чтобы RH = Reblx; Хн = -Хвых.
Фазовые соотношения между проходящей и отраженной волнами ВЧ сигнала определяются величиной коэффициента отражения U 7-7 U р _ отр _ ьн 6вых _ v отр и 2 і \ U Z +7 U ипр н вых ипр где \/ - фазовый сдвиг между напряжением проходящей в нагрузку волны U,p и напряжением отраженной волны Uomp.
Напряжение и ток первой гармоники на коллекторе транзистора можно выразить как к U к пр т U к отр икПр\ї + 1), к\ к\пр к\отр к\пр\ h (2.2) где UKnp,iKlnp - напряжение и ток на коллекторе транзистора в граничном режиме при согласованной нагрузке; UKOmp,IKlomp - напряжение и ток
отраженной от нагрузки волны.
Между напряжением и током эквивалентного генератора транзистора (ЭГ) [49, 61, 62] появляется сдвиг фаз; они становятся комплексными величинами, а ЭГ нагружен на комплексное сопротивление.
При уменьшении RH каскад переходит в недонапряженный режим. На основе анализа была получена формула, связывающая напряжение и ток первой гармоники ЭГ с напряжением и током на коллекторе транзистора в недонапряженном режиме (J »
Мощность Ррасс в этом случае возрастает, что может привести к выходу транзистора из строя. При увеличении R„ каскад переходит в перенапряженный режим. Возрастает обратное напряжение на коллекторе UK пик, что также может привести к выходу транзистора из строя. Так как индуктивность вывода
Необходимо контролировать рассеиваемую на транзисторе мощность и пиковое обратное напряжение на коллекторе и при приближении какой-либо из этих величин к опасным для каскада значениям выполнять две операции - изменять входную мощность Рвх (смещением) и напряжение питания Ек (регулятором питания). При этом следут определить выходную мощность.
При RH = RH ном каскад работает в граничном режиме, и Рвых Рвых ном (КБ =1)- В случае изменения RH происходит снижение выходной мощности. Подстройка напряжений Ек и Есм осуществляется таким образом, чтобы при уменьшении сопротивления нагрузки, когда RH=RHH0MKB, а каскад находится в недонапряженном режиме, выполнялись условия
Повышение эффективности адаптивной подстройки импедансов
Одна из задач, возникающих при градиентном алгоритме юдстройки, заключается в выборе величин at. С одной стороны, необходимо увеличивать быстродействие процесса согласования, особенно з условиях, когда импеданс нагрузки изменяется с течением времени, с тругой стороны, система, изображенная на рис. 3.1, является системой с эбратной связью, поэтому увеличение а{ может ухудшить устойчивость адаптивного устройства согласования.
Другой задачей является выбор конкретной конфигурации схемы ЦС. Это обусловлено конечным диапазоном регулировки имеющейся элементной базы и возможной неоднозначностью регулировочной характеристики импеданса ЦС при управлении номиналом какого-либо из перестраиваемых элементов. Это может привести к тому, что в пространстве с координатами Хх,...,Хп у функции Uom (Хх, ... , хЛ может существовать кроме глобального минимума, соответствующего полному согласованию, несколько локальных минимумов, не соответствующих полному согласованию, либо глобальный минимум может лежать вне области регулировки. При этом градиентный алгоритм может в одних случаях привести на границу регулировки, а в других случаях в один из локальных минимумов, т.е. не обеспечить высокого качества согласования.
В зависимости от формы ЦС различают Г- , Т- и П-образные типы ЦС. Другие возможные структуры состоят из последовательного или параллельного соединения Г-, Т- и П-образных звеньев ЦС.
Как показано выше, наиболее эффективным методом согласования импедансов является метод адаптивного согласования с непрерывной адаптацией. Закон регулировки z -го ПЭ в устройстве согласования с непрерывной адаптацией записывается в виде = яДе[Г(/УЧ (3.3) at где щ - коэффициент передачи г-го интегратора, обратно пропорциональный постоянной времени интегратора т,-; щ - фазовый сдвиг і-го фазовращателя (в частности, 0 или 90); t{t) - зависимость коэффициента отражения по напряжению от времени. Так как коэффициент отражения t{t) есть функция не только времени t, но и всех перестраиваемых элементов и импеданса нагрузки r(t) = f{xx{t),...xn{t),Z ), то для нахождения величин а,- и щ необходимо решить систему п дифференциальных уравнений, где п - число перестраиваемых элементов, №о _ ReffCO 1] dt (3.4) at
Кроме того, необходимо наложить дополнительные условия при t, стремящемся к бесконечности dt dt
Строгое решение системы дифференциальных уравнений (3.4) вызывает некоторое затруднение, поэтому представляется возможным несколько упростить задачу.
Наиболее приемлемыми являются фазовые сдвиги фазовращателей 7=0 и (рг=90, позволяющие на выходах перемножителей получать сигналы, пропорциональные действительной пс и мнимой ns составляющим коэффициента отражения Ґ . В этом случае задача определения алгоритма эегулировки перестраиваемых элементов сводится к определению зеличины и знака коэффициентов передачи интеграторов aj, ... , ап, а гакже к выбору фазового сдвига фазовращателей (щ=0 или 9,=90 ). Как известно, коэффициент отражения по напряжению zex+W ex (Rex -W){Rex -W)+X2ex +J2WX, г = ex 2WX„ (Rex-W)2+X2 Rl-W2+Xi „. __. Y1 ex ex , ex ex (Rex+W)2+X2x (Rex+W)2+X2 где W - волновое сопротивление фидера, подводящего ВЧ мощность; Zex входной импеданс ЦС, изображенной на рис. 3.10; Rex и Хвх -действительная и мнимая составляющие входного импеданса ЦС соответственно.
Эффективность передачи энергии пространственно-распределенным нагрузкам
Как уже было сказано выше, примерами нестабильной іространственно - распределенной нагрузки могут служить волноводные газоразрядные пространства мощных телекоммуникационных систем штической связи. В этом случае нагрузка может быть представлена в виде цшнной линии с потерями. На рис. 4.1 изображено газоразрядное тространство длиной /, мощность к которому подводится через фидер, жлюченный в середину линии. Показана картина падающих и отраженных юлн.
Падающие волны Unadl и йпад2, распространяясь в іротивоположньїх направлениях, приобретают фазовый набег и іспьітьівают затухание. Отраженные от торцов линии волны складываются : падающими. Результирующее распределение электромагнитного поля щоль линии зависит от того, с какими амплитудами и фазами жладываются волны.
Для достижения максимального энергосъема с газоразрядного тространства необходимо, чтобы загорание плазмы произошло по всему эбъему, и энергия возбуждения плазмы распределялась равномерно по газоразрядному пространству. Для этого распределение электрического юля накачки вдоль газоразрядного пространства должно быть максимально плоским. Рассмотрим методы достижения этой цели.
При запитке газоразрядного пространства в одном сечении напряженность поля вблизи торцов линии меньше, чем в сечении подвода ющности вследствие поглощения плазмой энергии накачки. И определение поля вдоль линии неравномерно. Одним из способов юшения этой проблемы может быть увеличение числа сечений, к которым юдводится мощность, как показано на рис. 4.2.
При этом накачка газоразрядного пространства (ГП) осуществляется іесколькими генераторами с внешним возбуждением (ГВВ), апитываемыми через управляемые фазовращатели (ФВ) от общего адающего генератора (Г) через делящий мост (М). Подбирая фазовые :двиги между сигналами ГВВ, можно достичь нужной равномерности тспределения поля накачки вдоль линии. Развязку между различными "ВВ легко обеспечить установкой ферритовых циркуляторов (Ц) между ЪВ и цепями согласования (ЦС) импедансов линии и ГВВ. Исследуем аботу схемы для случая, когда ГВВ подключены симметрично в двух очках линии с поглощением длиной / методами моделирования.
При подключении мощности накачки симметрично в двух точках, сак это показано на рис. 4.3, волны с комплексными амплитудами Unpoui\ і йпрош2 движутся в разных направлениях и в точке 112 равны по імплитуде, а в случае сдвига фаз между сигналами ГВВ могут отличаться ю фазе. Следовательно, если сигнал ГВВ2 сдвинут относительно сигнала "ВВІ на величину (р, то можно считать, что волна UnpoulX отражается от шоскости 112 с фазой (р, а волна йпрош2 - с фазой -ср. Поэтому в дальнейшем будем рассматривать только половину линии длиной 112. А три расчете второй половины линии необходимо изменить знак угла сдвига фаз.
Эквивалентная схема приведена на рис. 4.4. Каждый из ГВВ работает на две комплексные пространственно - распределенные нагрузки \ и Z2, представляющие собой участки ЛИНИИ ДЛИНОЙ /; и 12 эответственно и включенные параллельно.
