Введение к работе
Актуальность проблемы. Из основных тенденций развития современных систем связи следует отметить с одной стороны внедрение новых технологий в системах связи, характерное для последних десятилетий, которое привело к расширению сферы услуг пользователям этих систем. Это привело к расширению числа пользователей и к росту средств связи (СРС), находящихся в эксплуатации. С другой стороны следует отметить дальнейшие решения проблемы энерго- и ресурсосберегающих технологий, методов формирования и усиления сигналов, которые должны приводить к минимизации потерь энергии, массы, габаритов и стоимости СРС.
Интенсивное расширение и развитие СРС различного назначения (от переговорных устройств малого радиуса действия до глобальных спутниковых и наземных систем) вызывает рост загруженности радиочастотного спектра (РЧС) и усложнение электромагнитной обстановки в радиоэфире. Ограниченность ресурса РЧС, наливше у радиоэлектронных средств таких параметров, как параметры электромагнитной совместимости (ЭМС), приводят к тому, что помехи, возникающие между СРС, могут снижать качество работы эксплуатируемых СРС до недопустимых пределов.
Решение проблемы ЭМС, улучшение электромагнитной обстановки в радиоэфире при всё большем увеличении числа СРС может осуществляться путём сужения полезной полосы частот, отводимой каждому пользователю, и ужесточением норм по излучению непреднамеренных магнитных помех, излучаемых СРС.
Сужение полосы частот, отводимых каждому пользователю, решается путём развития и внедрения перспективных способов передачи сигнала с уменьшенным частотным спектром (однополосная модуляция, соответствующие виды частотной модуляции и т.д.). Снижение уровня излучаемых помех осуществляется увеличением степени их подавления фильтрующими системами. Последнее приводит к увеличению массогабаритных и стоимостных показателей СРС.
Решение проблемы энерго- ресурсосбережении в радиоэлектронных устройствах осуществляется использованием энергетически высокоэффективных ключевых режимов генерирования и усиления электрических колебаний и сигналов. При использовании ключевых режимов усиления удаётся реализовать электронный КПД выше 90-95% путём уменьшения мощности, рассеиваемой в усилительных приборах, и резко снизить габариты охлаждающей системы, а следовательно, всего устройства.
Однако ключевые режимы усиления отличаются широким спектром побочных спектральных составляющих и при этом усложняется решение проблемы электромагнитной совместимости радиоэлектронной аппаратуры. Для решения проблем ЭМС при использовании ключевых радиопередающих и преобразовательных устройств необходимо применять специальные методы усиления и формирования гармонических колебаний, в которых уменьшены побоч-
ные составляющие. Разработкой методов дискретного синтеза выходного напряжения ключевых радиотехнических и преобразовательных устройств с улучшенным спектральным составом занимались различные научные школы России. Среди них следует отметить работы учёных: В.Ф. Дмитрикова, В.Е. Тонкаля, В.М. Кибакина, В.В. Васюкова, Г.М. Малышкова, Ю.М. Калниболоте-кого, Е.Г. Павловского и многих других. Однако многие важные вопросы при этом остались не решёнными. Так не проведён сопоставительный анализ различных методов улучшения спектрального состава выходного наїфяжения ключевых генераторов (КГ); не рассмотрено влияние на спектральный состав таких КГ процессов, протекающих в фильтрах источников питания; влияние реальных статических и динамических характеристик; не исследованы переходные процессы в КГ с улучшенным спектральным составом, работающих на фильтры с узкополосной нагрузкой и т.д.
В решении проблемы разработки энерго- и ресурсосберегающих технологий и методов формирования усиления и фильтрации сигпалов СРС одно из важных мест занимает решение проблемы минимизации реактивных фильтрующих устройств, которые являются неотъемлемой частью радиотехнических устройств. Так, в мощных радиопередатчиках, использующих энергетически эффективные ключевые режимы усиления, вес и габариты фильтрующих устройств могут достигать 50-70% от общего веса и габаритов радиопередающего устройства. В такой ситуации дальнейший рост эффективности радиопередающих устройств сдерживается нерешёнными проблемами снижения и минимизации массогабаритных характеристик фильтрующих цепей. Особую актуальность эта проблема приобретает при проектировании и модернизации мощных и сверхмощных ДВ и СДВ связных и радионавигационных радиопередающих устройств, фильтрующие и согласовывающие цепи которых занимают объём в сотни кубических метров.
Теория синтеза реактивных четырёхполюсников, каковыми являются LC-фильтры, но заданным частотным характеристикам разрабатывалась в трудах отечественных и зарубежных учёных: Э.А. Гиллемина, Д.А. Калахана, А.Ф. Белецкого, А.Е. Знаменского, А.А. Ланнэ, И.И. Трифонова, Я.И. Собешша и многих других.
В настоящее время наиболее развиты методы синтеза фильтрующих цепей, в которых минимизируется число элементов цепи. Однако число элементов не определяет массу и габариты фильтра. Массогабаритные характеристики фильтрующих цепей определяются суммарной энергией запасаемой во всех ин-дуктивностях и во всех ёмкостях цепи, т.е. энергетическими функциями. Основные теоретические результаты исследования энергетических функций реактивных четырёхполюсников относятся к LC-четырёхполюсникам с двухсторонней нагрузкой. К таким устройствам сводятся усилители мощности, работающие в классах А и В, с низким электронным КПД. Энергетические функции реактивных четырёхполюсников, работающих в режиме односторонней нагрузки, к которым сводятся энергетически эффективные ключевые усилители мощности и генераторы в литературе не рассматривались.
Поэтому для снижения массогабаритных характеристик выходных фильтрующих трактов КГ необходимо установить связь энергетических функций LC-фильтров КГ с массогабаритными характеристиками; установить связь между энергетическими функциями и основными параметрами реактивных фильтров (входными проводимостями, передаточной функцией, групповым временем запаздывания); исследовать свойства энергетических функций LC-фильтров; исследовать влияние потерь на энергетические свойства функций; исследовать переходные процессы и их влияние на энергетические функции LC-фильтров ключевых генераторов; разработать методику синтеза LC-фильтров КГ с минимальной реактивной энергией, массой и габаритами.
Очевидно, что решение проблемы улучшения массогабаритных характеристик выходного тракта энергетически эффективных ключевых генераторов требует комплексного подхода; исследование принципов и методов построения КГ с улучшенным спектральным составом выходного напряжения и минимизация массогабаритных характеристик фильтрующих цепей при заданных частотных требованиях к ним.
Решению этих актуальных проблем и посвящена диссертационная работа.
Г (ель и основные задачи работы. Целью работы является решение проблемы минимизации массы и габаритных характе ристик фильтрующих устройств выходных трактов энергетически эффективных мощных ключевых генераторов и преобразовательных устройств путем комплексного подхода к исследованию как ключевых генераторов с улучшенным спектральным составом выходного напряжения, так и минимизации массогабаритных характеристик реактивных LC-фильтров при заданных к ним требованиям.
Для достижения этой цели в диссертации решаются следующие основные задачи:
-
Сравнительный анализ ключевых генераторов с улучшенным спектральным составом выходного напряжения, обоснование основных достоинств и недостатков каждого КГ, областей их применимости в зависимости от выходной мощности, частоты генерируемых колебаний, характера нагрузки и т.д.
-
Исследование влияния на спектральный состав КГ со ступенчатой формой (СН), одноуровневой однополярной (ООН), одноуровневой двухполярной (ОДН) формой пульсаций напряжения на ёмкости фильтра источника питания и неидеальности ключевых свойств активных приборов (падения напряжения на транзисторах и диодах) и разработка методов уменьшения этого влияния.
-
Теоретическое исследование энергетических функций реактивных LC-фильтров выходных трактов ключевых генераторов, их основных свойств и их связь с массогабаритными характеристиками фильтров.
-
Теоретическое исследование переходных процессов в фильтрующих цепях ключевых генераторов со ступенчатой формой выходного напряжения; с формой выходного напряжения типа "меандр", усилителей мощности класса В; мощного радионавигационного передатчика, работающего в классе С, и в высокоэффективном ключевом усилителе с квазисинусоидальной формой
выходного напряжения и синусоидальной формой тока. Разработка методов снижения перенапряжений на элементах фильтра во время переходного процесса.
-
Разработка методики синтеза LC-фильтров Баттерворта, Чебышева, Золота-рёва-Кауэра ключевых генераторов с минимальной реактивной энергией, массой и габаритами.
-
Синтез фильтрующих устройств с минимальной реактивной энергией КГ с улучшенным спектральным составом выходного напряжения.
Основные методы исследования. Теоретические исследования базируются па использовании фундаментальных положений теории электрических цепей, в частности теоремы Телледжена, современного синтеза электрических цепей, теории нестационарных систем.
Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту В работе получены новые научные результаты в исследовании спектрального состава ключевых генераторов со специальной формой выходного напряжения с учётом влияния пульсаций напряжения на ёмкости фильтра выпрямителя и неидеальности ключевых активных злемеїгтов; энергетических функций реактивных LC-фильтров ключевых генераторов, на основании которых разработаны методы анализа и синтеза LC-фильтров с минимальными массогабаритными характеристиками и потерями энергии; переходных процессов в фильтрующих системах КГ и на их основе проведено решение важной научно-технической проблемы - создания выходных трактов высокоэффективных мощных ключевых генераторов с минимальными массогабаритными характеристиками.
В диссертационной работе защищаются следующие основные научные положения:
-
Проведённый сравнительный анализ спектрального состава различных типов КГ со специальной формой выходного напряжения (КГ со ступенчатой формой выходного напряжения, с одноуровневым однополярным напряжением и одноуровневым двухполярным напряжением) с учётом влияния пульсаций напряжения на емкости фильтра источника питания и неидеальности активных приборов.
-
Полученные выражения для энергетических функций реактивных LC-фильтров выходных трактов ключевых генераторов, определяющих реактивную энергию, массу и габаритные характеристики фильтра. Доказательство того, что энергетические функции определяются передаточными, входными функциями и групповым временем задержки фильтра и не зависят от структуры и параметров фильтра.
-
Доказанные положения, что при заданных требованиях к характеристике затухания фильтра существует вариант фильтра с минимальной реактивной энергией в классе фильтров Баттерворта, Чебышева, Золотарёва-Кауэра и что оптимизированный по минимальной реактивной энергии вариант может быть определён путём уменьшения неравномерности затухания Аа при сохранении гарантированного затухания а0 в полосе задерживания фильтра.
t. Разработанные методики синтеза фильтра ключевых генераторов с минимальной реактивной энергией. І. Проведённые исследоваїгия переходных процессов в фильтрующих цепях ключевых генераторов со ступенчатой формой выходного напряжения, с формой выходного напряжения типа "меандр", усилителей мощности класса В, мощного радионавигационного передатчика класса С, работающих на ре-зистивную и узкополосную резонансную нагрузку (антенный контур). >. Доказанные положения, что всплески АЧХ фильтра однозначно определяют перенапряжения на элементах фильтра во время переходного процесса, и разработанная на основании этого положения методика расчёта фильтров с уменьшенными перенапряжениями во время переходных процессов. '. Методика расчёта высокоэффективного КГ с квазисинусоидальным выходным напряжением и синусоидальной формой тока, работающего на оптимизированный по реактивной энергии фильтр. !. Методика расчёта оптимизированного по минимуму реактивной энергии LC-фильтра выходных трактов ключевых генераторов с улучшенным спектральным составом выходного напряжения.
Практическая ценность работы заключается в том, что проведённые еоретические исследования послужили основой для разработки новых инже-іерньїх методов анализа, синтеза реактивных фильтров, которые обеспечивают шнимизацию массы, габаритов и потерь энергии и направлены на решение ак-уалыюй проблемы по разработке фильтрующих устройств с минимальной ре-ктивной энергией выходных трактов энергетически эффективных мощных лючевых передатчиков. Указанные методы реализованы при модернизации іяда отечественных мощных связных и радионавигационных передатчиков 'ДВ и ДВ диапазонов.
Основные научные положения диссертации служат методической базой іля создания новых курсов по теории электрический цепей, а также для курсо-ого и дипломного проектирования на кафедре ТЭЦ.
Внедрение результатов диссертационной работы. Теоретические и рактические результаты диссертации использовались в научно-сслсдовательских работах, проводимых на кафедре ТЭЦ СПб ГУТ совместно с 'оссийским институтом радионавигации и времени, в/ч 30895-3, Федеральным осударст венным предприятием "научно-производственный центр радиовеща-ия, радиосвязи и телевидения Даймонд". Предложенные методы синтеза реак-ивных фильтров с минимальными массогабаритными характеристиками вне-рены при модернизации мощных отечественных радионавигационных и связ-ых передатчиков. Внедрение результатов диссертации подтверждено соответ-твующими актами.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на науч-ых семинарах кафедры ТЭЦ СПб ГУТ, а также научно-технических конфе-енциях профессорско-преподавательского состава СПб ГУТ им. проф. М.А. онч-Бруевича (1999, 2000).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 2 статьи и 4 тезиса научных докладов. Значительная часть результатов диссертации была отражена в отчётах ІІИР госбюджетных работ, проводимой кафедрой ТЭЦ ГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича в период 1999-2000 г. (шифр "Аспект ГУТ СПб") по договору с НТУ Минсвязи России №190-054. "Исследование и разработка новых методов высокоэффективного усиления мощности радиотехнических сигналов" по программе "Фундаментальные аспекты новых информационных и ресурсосберегающих технологий".
Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений и списка литературы, включающего 76 наименований. Диссертация содержит 119 страниц текста, 92 рисунка и 10 таблиц.
