Введение к работе
Актуальность работы. В последнее время системы зоновой радиосвязи (СЗРС), работающие в KB диапазоне, получили правильную оценку как резервные и дополнительные средства связи и стали интенсивно развиваться на ряду с существующими системами связи.
Системы ЗРС особенно эффективны, если они содержат наряду с прием'їо-передаюдами радиостанциями, размешенными в зоне, также вынесенный в пределах одного скачка (2500-3500 км) ретранслятор (ВР), через который корреспонденты в зоне связываются друг с другое. Однако при реализации СЗРС возникает ряд как технических, так и организационных проблем.
В связи с этим, среди технических проблем представляется актуальным исследование и улучшение характеристик и показателей как всей СЗРС в целом, так и отдельных ее звеньев. Наиболее крупные проблемы особенно при большом количестве корреспондентов в зоне (N), возникают при реализации вынесенного ретранслятора, который содержит в своем составе приемный и передающий комплексы и устройства управления и контроля.
Основываясь на работах ряда авторов, в которых показано, что СЗРС с ВР дает существенный энергетический выигрыш, по сравнению с системой прямых связей корреспондентов в зоне и что этот выигрыш можно заметно увеличить, если передающий комплекс (ЦцК) на ВР выполнить в виде фазированной антенной решетки (ФАР). В диссертации рассмотрен ряд вопросов, относящихся к внешним характеристикам ПдК, взаимному влиянию передатчиков в ФАР, методам повышения КПД передатчиков (Пд), а также влиянию разброса параметров элементов на характеристики оконечных усилительных каскадов.
Рассматриваемый ПдК, рис. 1, состоит из N возбудителей (N=10-100), где N- максимальное число одновременно работающих корреспондентов в зоне, и М ветвей ФАР, каждая из которых содержит М фазовращателей, сумматор, широкополосный Пд и широкополосную (ШП) антенну. Число М целесообразно выбирать в пределах 4-6.
В работе' принято, что первичная модуляция - однополосная
^v
. 4 -
= Si - Па і
щ*н
Пд м
Ф
\/
Рис. 1 (ОМ), как наиболее аффективная в KB диапазоне. Выходной ОМ сигнал подается с выхода каждого возбудители на вход всех Пд через группы фазовращателей. Совокупность М антенн образует ФАР. Наличие фазовращателей необходимо для формирования управляемой многоле-пестксвой диаграммы направленности (ДН) путем введения дополнительного фазового сдвига в колебание сигнала, который нужно излучать в определенном направлении, причем, как видно из рис.1 каждый сигнал проходит через все Пд и поэтому дополнительный сдвиг фаз должен быть пропорционален номеру ветви ФАР. Таким образом, многоканальные сигналы на входе всех Пд оказываются одинаковыми по спектральному составу и отличаются только фазами отдельных компонент.
В работе исследуется СЗРС, работающая в адаптивном режиме с маневром по частоте в диапазоне, например 7-18 МГц. Следовательно, устройства передающего комплекса ( фазовращатели, сумматоры, передатчики, антенны, например) должны быть широкополосными и не-перестраиваемыми. Пэредатчики системы проектируются как универсальные с возможностью передачи в пределах одной или нескольких полос тональной частоты телефонных или телеграфных сигналов В телефонных каналах в зависимости от необходимого объема передаваемой информации может использоваться вторичное уплотнение с частотным разносом каналов. Ео всех случаях сигналы дискретны, а максимальная скорость в парциальных каналах не превышает 200 Вод. Общее число дикретных телеграфных сигналов в тракте передатчика
может колебаться в широких пределах, примерно 10-200.
Цель диссерхащюнной работы заключается в исследовании характеристик и улучшении показателей передающего комплекса вынесенного ретранслятора СЗРС, построенного по методу ФАР, и работающего в адаптивном режиме при маневре по частоте, и передающего узкополосный многоканальный сигнал. Целью также является разработка методики исследования и анализа характеристик передающих устройств, учет влияния взаимной межангенной связи ФАР по выходным трактам на режим работы передатчиков-, "разработка методов повышения энергетической эффективности широкополосных усилителей с распределенным усилением (УРУ), не содержащих выходных колебательных систем; разработка методики оценки уровня внеполосных излучений ШП передатчиков; исследование влияния разброса параметров элементов УРУ на его показатели и разработка методики нормирования этого разброса.
Основные задачи исследования:
-
Анализ влияния, взаимной межантенной связи с ФАР на работу передатчиков.
-
Сравнение методов компенсации расхождения АЧХ и ФЧХ передающих трактов ФАР.
-
Разработка и исследование УРУ с авгсмагическиы регулированием режима (АРР) для повышения их КПД.
-
Разработка алгоритмов построения УРУ по принципу Кана. Оценка эффективности УРУ при работе электронных приборов (ЭП) в граничном режиме класса А с автоматическим смещением.
-
Разработка упрощенного метода оценки уровня внеполосных излучений ШП передатчиков от выходной мощности, числа каналов и нелинейности амплитудной характеристики Лд.
-
, Исследование, распределения (в пространстве) внеполосных излучений в системе. ФАР.
-
Исследование влияния разброса параметров элементов УРУ на его показатели и разработка методики нормирования разбросов.
Методы исследований. Для решения поставленных задач используются методы: математического моделирования, квазистатический, ве-
- б -
рояткостный и машинные методы исследования линейных и нелинейных цепей и спектрального анализа
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Приводится логическое обоснование применения компараторного метода (для выравнивания расхождения АЧХ и ФЧХ передающих трактов ветвей ФАР в СЭР. Реализация метода требует включения компараторов, -сравнивающюг выходы каждой пари передатчиков и фазовращателей и аттенюаторов в тракте каждой ветви.
-
Показано, что автоматическое регулирование режима позволяет не только повысить КПД усилителей с распределенным усилением, но и может ослабить неравномерность использования электронных приборов по мощности.
3. Установлено, что применение екстраполятора на основе
микропроцессорной техники в цепи огибавдэй УЖ с АРР является
эффективным способом выравнивания задержек в трактах ВЧ и
огибающей.
4. Показано, что комбинационные составляющие НИ широкополосных
передатчиков в системе ФАР излучаются в направлениях, отличающихся
от исходных, тем самым улучшается электромагнитная обстановка.
5. Разработана методика построения компьютерной модели
многозвенного УРУ, позволяешэя оценивать влияние разброса
широкополосных Цд в системе ФАР. и оценка его уровня.
Основные положения, ныностые на защиту:
-
В передающем комплексе, построенном по методу ФАР, можно пренебречь влиянием взаимных антенных связей на входное сопротивление элементов ФАР и на работу передающих устройств, если они не превышают -80 дБ.
-
Одним из эффективных методов повышения КПД УРУ является применение АРР, как в УРУ с однородными, так и в УРУ с неоднородными линиями.
-
Включение екстраполятора в тракт огибающей АРР для компенсации небольших задержек этого тракта снимает необходимость включения в тракт ВЧ диапазонной линии задержки.
4. Разработанная методика оценки уровня внеполосных излуче-
JtSf
- 7 -кий ШП усилителей позволяет легко установить связь между вида, от выходной мощности, и числа каналов.
-
Комбинационные составляющие передагарго комплекса, рзОотапаего по методу ФАР излучается в различных направлениях, и в том числе в отличающихся от направления корреспондентов, и оказываются разбросанными по всея зоне видимости SAP, что улучшает электромагнитную обстановку в обслуживаемой зоне.
-
Установлены связи между разбросом параметров элементов УРУ и его показателями и разработан алгоритм нормирования разбросов.
Личный вюіад. Все основные научные результаты, излолкнные в диссертации, получены автором лично.
Практическая ценность:
-
Разработана методика и показана необходимость учета межаятен-ных связей при проектировании передающего комплекса СЗРС, работающей в KB диапазоне по принципу Ф&Р.
-
Показана целесообразность применения экстраполяции для компенсации задержки в тракте огибающей в усилителях с АРР.
-
Показано, что применение УРУ по схеме с АРР позволяет увеличивать его КПД в 2-3 раза.
-
Разработанная мэтодика нормирования разброса параметров элементов УРУ, влияющего на его показатели может быть применена при проектировании УРУ.
-
Разработана простая методика, позволяющая легко установить связь меяду числом каналов многоканального сигнала, выходной мощностью передатчика со стандартными показателями и средней модностью виеполоекых искажений.
Реализация результатов. Для исследования поставленных задач диссертации были разработаны на ЭВМ четнре программы-модели, которые могут быть использованы в учебных - целях. Ряд результатов опубликованы в статьях в дурналах "Радиотехника" и "ТУШ".
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались автором, обсуждались и получили положительную оценку на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского
-.У**
- 8 -состава, сотрудников и аепирантоь ШС (Мзсква, 1990,1991 гг.).
Публикации. Ш результатам диссертационной работы опубликовано шесть печатных работ.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав основного текста, заключения, при&и&ний и списка литературы. В библиографию включено 61 наименование литературы.
й> ввел&нт обосновывается актуальность работы, указываются цель и задачи исследования, пригодятся основные положения, выносимый на защиту, практическая ценность и структура работы с указанием рассматриваемых вопросов по главам. Приводятся сведения еб апробации и степени опублікованая основных положений работы.
8 трЕой главе исследуется взаимное влияние передатчиков в фазированной антенной реветке. Определяются характеристики антенной системы с учетом условий распространения радиоволн и отражения от ионосферы, как линейнь» размеры и соотвественко число антенн ФАР. и максимальный угол рйскрьша главного лепестка ДН ФАР. Обсуждаются разные варианты вибраторов для системы ФАР, а также разные штоды вычисления козффвдекта взаимной антенной связи КЛ, который численно совпадает с коэффициентом передачи эквивалентной ехекы системы связанных вибраторов. Отмечается трудоемкость еу-Е&етвувдих методов и формул при их применении для КА в KB диапазоне, например при использовании метода эквивалентных схем требуется знать сопротивление связи. Предлагается простой способ определения входного сопротивления антенн применительно к диапазону ЕВ. используя приведенные в литературе экспериментальные результаты измерения КА . Определяется результирующий ток в вибраторах $А? с учетом КА и далее выводятся формулы для вычисления входного сопротивления вибраторов и его неравномерности в пределах диапазона рабочих частот, а такж направления главного лепестка ДН ФАР Go. На рис.2 показан типичный пример вычисления входного сопротивления по программе для трехэлементной ФАР с Л. =43 м и Кд = —15,5 дБ, где R/Ro и ХУЕо обозначают нормированные активное и реактивное еоетаеляющке к сопротивлению согласованной антенны.
Шпутно выведены формулы для вычисления ДЯ ФАР с учетом связей и показано, как направление главного лепестка получает приращение относительно заданного значения.
а їй го а « 53 a г» зо за
Рис. 2
Рассматривается влияние антенных связей ФАР на режим работы выходного каскада с учетом неравномерности входного сопротивления вибраторов.
Обсуждаются разные методы компенсации расхождения характеристик передающих трактов ФАР. Предлагается применение авторегулировки управляемых фазоврадателей и аттенюаторов для выравнивания АЧХ и ФЧХ отдельных трактов ФАР.
Во второй главе проводится обзор методов повышения энергетической эффективности широкополосных передатчиков, неперестраивае-мых и нееодержаадх колебательных систем на выходе. Приводятся особенности работы и характеристики однотактных и двухтактных УРУ. Отмечается причина сравнительно низкого КПД УРУ - слабое и неравномерное использование ламп по мощности. Режим работы лямп при маломощном сигнале переходит от критического к недонапряжен-
- 10 -ному по мере удаления от нагрузки ко входу усилителя.
Предлагается один из методов повышения КВД УРУ. который не встречается в литературе - применение УРУ в режиме АРР. цримене-ние АРР в УРУ увеличивает коэффициент использования еєєх ламп, причем, если анодньк линии однородные, то неравномерность использования пс мощности сохраняется. Излучены формулы для вычисления выигрыша S (отношения среднего КВД усилителя с АРР и без него) от применения АРР. Выигрыш может составлять 1,5-3,5 раза, как показывает приведенный пример на рис. г, где едпііп и Eamdi( обозначают остаточное напряжение анода и максимальное напряжение питания анодной цепи.
0.1
-a max
О S 10 У » 40 ^
Рис. 3 ' Рис. 4
Разработана машинная модель УЫК с АРР, вклшаютал блок экстраполяции для компенсации разности времен задержки трактов ВЧ и огибающая. Такая разность во времени распростронения сигналов по трактам вызывает задержку установки регулируемого напряжения питания мощных каскадов ВЧ относительно входного сигнала и приводит к появлению специфических нелинейных искажений. Показано, ч?о экстраполятор, построенный с помощью микропроцессорной техники
- 11 -является более гибким, чем диапазонная линия задержки, которую включают в ВЧ тракт для компенсации задержки. Показана эффективность применения экстраполяции разной степени (первой и второй) при малых задержках (до 40 ). Приведенный график на рис.4 иллюстрирует степень компенсации задержки «э при введении экстраполяции первой и второй степени (кривые 1 и 2) по сравнению со случаем отсуствия компенсации (кривые 0).
Приведены предварительные соображения для разработки метода анализа УРУ, используемого в схеме Кана в качестве мощного широкополосного блока перемножения для повышения его КПД.
Обсуждается идея применения УРУ в предложенном в литературе режиме класса А с автоматическим регулированием напряжения смещения.
В третей главе рассматривается связь между мощностью внепо-лосных излучений широкополосного передатчика, несодержащего выходных колебательных систем, еыходной мощностью передатчика, числом каналов и нелинейностью амплитудной характеристики (АХ) передатчика.
Разрабатанна упрощенная методика определения уровня внепо-лссных излучения. Когда амплитуда многоканального сигнала с ЧРК, состоящего из N каналов с дискретными сигналами на входе линейного усилителя передатчика превышает его максимальный порог входного напряжения, то. он 'работает в нелинейном режиме и появляются продукты НИ в спектре выходного сигнала. Каждая пара исходник составляющих спектра дает пару комбинационных 3-го порядка, 5-го порядка и т. д. Поскольку исходные сигналы занимают сравнительно узкую полосу частот (групповой сигнал - узкополосный), а комбинационные составляющие распределены в довольно широкой полосе, то последние можно рассматривать как внеполосные излучения.
Поставлена задача определения допустимого числа каналов, ниже которого нарушается норма на уровень НИ, при заданной максимальной выходной мощности Пд (Рвых). В работе поставлена задача получения энергетических оценок внеполосяых излучений, для решения которой использован метод огибающей. Выбрана функция, аппроксимирующая АХ усилителя в виде двучлена третей степени, кото-
- 12 -рая описывает кривую достаточно близкую к реальной АХ, и которая
отличается простотой при вычислениях.
Определяется средняя мощность продуктов НИ на выходе Пд как разность между средними мощностями выходного сигнала в усилителе с реальной и с идеальной ЛХ. Поделив полученную общую мощность НИ на общее число комбинационных составляющих можно получить мощность, приходящую на одну составляющую (Р1нй )- Однако, если пренебречь продуктами БИ выше 3-го порядка, то можно не только упростить порядок вычисления, но и получить оценку сверху ( с некоторым запасом, поскольку в таком случае деление происходит на меньшее число составляющих НИ - на составляющие 3-го порядка), что принято в работе. На рис. 5 получена зависимость Р1ни от N,
И Р
, вычисляемая по полученным расчетным формулам.
Р1НИ, 8г
ьо мВт
0.1
20 30 S0 70 І0Є
Рис. 5 В системе ФАР, где работает до 4-6 широкополосных Пд. характер излучения продуктов НИ отличается от случая с одним Пд. В работе показывается, что комбинационные составляющие, получают не только частоту, но и начальную фазу отличающиеся от исходных сигналов, и следовательно, их направления максимального излучения не
совпадают с направлениями корреспондентов, и они оказываются разбросанными по всей зоне видимости ФАР, и лишь небольшая часть попадает в зону обслуживания системы, что улучшает электромагнитную совместимость, как в самой зоне, так и енє нее.
В четвертой главе исследуется влияние разброса параметров элементов двухтактного УРУ на их эксплуатационные показатели (коэффициент гармоник КГ и коэффициент нелинейных искажений КНИ), и разрабатывается методика нормирования этих разбросов. Показан алгоритм установления границы погрешностей элементов, ниже которой можно пренебрегать ее влиянием на эти показатели.
Определяются элементы УРУ, параметры которых могут отклоняться от справочных значений. Основными из них являются параметры проходной характеристики электронных приборов (ее форма, крутизна 3, напряжение отсечки анодного тока Е'), и параметры выходных и входных длинных линий ДЛ (параметры каждого звена ДЛ пересчитаны в обобщенную фазовую характеристику).
Подобные вопроси учета влияния разбросов в общем виде рассматривались в литературе с помощью теории чувствительности. Однако эта теория оказывается не очень практичной из-за чрезмерной сложности выкладок при ее использовании в практических случаях. В згой главе применяется статистический метод для определения вероятности пригодных реализаций УРУ (отвечающих нормам) при их проектировании с заданным отклонением параметров элементов.
Точные формулы вычисления вероятности превышения заданных норм КГ и КНИ при сборке большого количества УРУ с заданным сред-неквадратическим отклонением параметров <8 (будем предполагать, чтс разбросы имеют нормальное распределение) приближенными дискретными формулами, которые не требуют знания плотности вероятности и вычисления интеграла, а лишь подсчитываютея те случаи (N') реализаций УРУ, где не выполняются нормы, причем общее число реализаций (No) ограничивается по практическим соображениям до 25. Вероятность непригодных реализаций р »N'/No не должна превышать некоторый заданный порог п. В противном случае в проектируемом УРУ следует заменять элементы на другие с параметрами с меньшим б .
Разработана на ЭВМ программа-модель двухтактного УРУ. где используется в качестве аппроксимируодэй «функции проходной характеристики тетродоь известная замкнутая дробная функция, которая отличается простотой и высоким быстродействием для вычислений на ЭВМ. Такая функция позволяет вычислять ток в нагрузке и находить по нему КГ и КНИ. Ша задается тремя параметрами: напряжением отсечки, параметрами А и В, характеризующими форму проходной характеристики ламп (S«A/B).
Применение разработанной методики нормирования разбросов элементов УРУ иллюстрируется котлетным примером с лампами ГУ-82 и числом звеньев N-4; 7; 10. На рис.6 показаны зависимости вероятности превышения коэффициентов 2-ой и 3-ей гармоник (рг ,fn ), выбранного для примера порога 1>0,05 от среднеквадратического отклонения параметров:бА ,6Ъ .бЕ'.бу.
5 6 ? 8,* 2 2.5 ЄЄ;-,' 0.20 0.25 gi}"
Рис. 6
Ввиду того, что в литературе отсутствуют сведения о характере разброса параметров, в работе проверено также исследование для параметров с равномерным распределением с целью сопоставления результатов двух видов распределения. В работе показан алгоритм установления допустимых пределов разбросов параметров при их совместном учете.
Мощные тетроды разделяются по форме СХ на S группы: группа 1 - с длинным нижним изгибом; 2 - со средним-, 3-е коротким. Пока-
- 1Б -
гано, что лампы группы 3 проявляют наименьшую чувствительность к разбросам напряжения отсечки.
В пятой главе на. основании полученных результатов и выводов в предыдущих главах сформулирован ряд рекомендаций, которые могут быть полезными при проектировании и разработке передающих комплексов СЗРС.
