Введение к работе
Актуальность темы. Увеличение числа радиосредств и все более полное использование радиочастотного спектра обостряет проблему электромагнитной совместимости радиоэлектрошшх систем. Одним из наиболее сильных факторов, определяющих уровень помех, является техническое несовершенство реальных радиопередающих устройств (РШУ).
Для снижения уровня некоторых видов нежелательного излучения в РПдУ применяется ряд специальных методов. К ним, например, относятся: применение режекторных фильтров для подавления колебаний на гармониках и интермодуляционных помех; использование вентилей и циркуляторов для уменьшения комбинационных излучений; различные способы линеаризации характеристик усилителей мощности; параметрическая модуляция элементов связи с антенной; включение специальных антенных фильтров (АФ) для снижения нежелательного излучения в целом и др.
Особую остроту борьба с нежелательным излучением приобретает в широкополосных РПдУ подвижных систем связи. Ограїтачсния на массо-габаритные Характеристики, а также необходимость быстрой смены рабочих частот делают большинство традициошшх методов подавления помех неприменимыми. На практике широко используются полосовые антенные фильтры, которые в ряде случаев имеют механическую.перестройку или переключаются при смене поддиапазонов, что увеличивает время перехода на другую частоту и тем самым снижает преимущества использования широкополосных трактов.
Серьезным недостатком широкополосных РПдУ.ОВЧ диапазона является высокий (минус 150-160 дБ/Гц) уровень шумового излучения. Передатчики с высоким отношением шум/сигнал снижают чувствительность близко расположенных приемников соседних станций. Высокий уровень нежелательных колебаний приводит также к нерациональному использованию частотного ресурса из-за необходимости большого разноса по частоте каналов на передачу и прием. У передатчика должен быть обеспечен уровень шума не более минус 190 дБ/Гц. Применение полосового антешгого фильтра позволяет обеспечить этот уровень только при отстройках от несущей более 2 %.
Кроме того, величина и состав шумовых колебаний на выходе широкополосных РПдУ являются недостаточно изученными. Анализ шумовых колебаний в основном сводится к рассмотрению фазовых флуктуации; амплитудным флуктуациям уделяется значительно меньшее.внимание, поскольку в полосе отстроек до 1 МГц их уровень на 40-100 дБ ни-
-2-же уровня фазовых флуктуации. В практически важной полосе частот, соответствующей 0,1-20 %-ной отстройке от несущей, вопрос об уровне шумовых колебаний и соотношении между амплитудными и фазовыми флуктуациями остался открытым. Также мало исследовашюй является оптимизация режима работы широкополосных усилителей мощности (ШПУМ) с точки зрения уменьшения шумовых колебаний.
Методика измерения шумовых колебаний разработана лишь для частных случаев. Известный метод замещения, определенный ГОСТ 12252-86 "Радиостанции с угловой модуляцией сухопутной подвижной службы. Типы, основные параметры, технические требования и методы измерений", при малых отстройках от несущей неработоспособен, имеет низкую чувствительность. В связи с этим необходима разработка метрологического обеспечения измерений для достоверности и сопоставимости получаемых данных.
Сравнительный анализ методов снижения нежелательных колебаний показал, что для уменьшения уровня шумовых колебаний наиболее перспективными в широкополосных РПдУ являются автокомпенсаторы (АК) искажений и синхронизированные мощные автогенераторы (МАГ). Автокомпенсаторы позволяют осуществлять регулирование вперед и назад, имеют небольшое энергопотребление, габариты и массу. Однако исследование АК и МАГ в полосе отстроек 0,1-20 % от несущей в известной литературе отсутствует.
Актуальность проблемы снижения уровня шумовых колебаний подтверждает и тот факт, что в ГОСТ 23611-79 "Совместимость радиоэлектронных средств электромагнитная. Термины и определения" более поздними изменениями введены дополнительные параметры и определения, так или иначе связанные с шумовыми характеристиками РПдУ.
Таким образом, в настоящее время существует проблема разработки широкополосных РПдУ с низким уровнем шумового излучения. Отметим тот большой вклад в разработку теории и методов расчета транзисторных радиопередатчиков и исследование их шумовых свойств, который внесли В.И.Каганов, Ю.И.Судаков, В.Н.Кулешов, О.В.Алексеев, Г.М.Уткин, Ю.Л.Хотунцев.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование устройств снижения шума на выходе широкополосного усилителя мощности и выработка рекомендаций по проектированию малошумящих выходных трактов связных радиопередатчиков.
Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи:
- исследование шумовых свойств типового радиопередатчика системы связи ОВЧ диапазона с широкополосным усилителем мощности (ШПУМ);
анализ зависимости }"ровня шума на выходе радиопередатчика от уровней шума формирователя сигнала и ШПУМ; , ,
разработка схем устройств автокомпенсации шумовых колебаний ШПУМ;
разработка и исследование моделей автокомпенсаторов и их шумовых свойств;
разработка и исследование способа измерений шумов ШПУМ;
разработка программ для проведения исследований ШПУМ на ЭВМ;
разработка и изготовление макетных образцов автокомпенсаторов для экспериментальных исследований малошумящих ШПУМ;
экспериментальное исследование уровня шума ШПУМ с автокомпенсаторами;
разработка рекомендаций и предложений по созданию ШПУМ с пониженным уровнем шумов.
Методы исследования. Для решения перечисленных задач использованы: метод комплексных амплитуд, метод медленно меняющихся амплитуд, операторный метод, методы статистической радиотехники, цифрового моделирования, теории автоматического управления, методы экспериментального исследования.
Научная новизна
-
Впервые для снижения уровня шума на выходе ШПУМ радиопередатчика предложено использовать автокомпенсаторы.
-
Предложен и впервые применен способ измерения шумов ШПУМ при малых отстройках от мощной несущей, с использованием которого определен уровень шума серийно выпускаемого многокаскадного (типичного) ШПУМ в расширенном в сторону малых отстроек от несущей диапазоне.
-
Получены основные соотношения для автокомпенсаторов шумов ШПУМ, и теоретически исследованы частотные и шумовые свойства нескольких вариантов их построения.
-
Впервые показано, что в процессе эксплуатации радиопередатчика контроль за уровнем его шумового излучения можно осуществлять с помощью входящего в его состав автокомпенсатора.
5. Разработаны рекомендации по построению малошумящих
ШПУМ, содержащих автокомпенсаторы.
Автор защищает:
применение автокомпенсаторов для снижения шумов ШПУМ радиопередатчиков ОВЧ диапазона;
способ измерения шумов усилителей мощности при малых отстройках (1-4 %) от частоты мощной несущей;
- результаты экспериментального исследования относительного
уровня шумовых колебаний серийно выпускаемого ШПУМ в широком
диапазоне отстроек, в том числе при отстройках менее 4 %;
результаты теоретического анализа и экспериментальных исследований автокомпенсаторов в ШПУМ;
применение автокомпенсаторов для контроля за уровнем шумового излучения в процессе эксплуатации радиопередатчика;
рекомендации по построению малошумящих ШПУМ с автокомпенсаторами.
Практическая ценность полученных в диссертационной работе результатов:
- разработана методика анализа шумовых свойств ОВЧ радиопере
датчика с ШПУМ и автокомпенсатором, которую можно применить для
аналогичного анализа ВЧ радиопередатчиков;
получены данные о составе и уровне шумов многокаскадного ШПУМ в широком диапазоне отстроек (1-20 %) от несущей. Уровень шума ШПУМ составляет минус 162-164 дБ/Гц. Эти сведения могут быть использованы в инженерной практике при разработке широкополосных радиопередатчиков;
разработаны автокомпенсаторы, позволяющие снизить уровень шумов на выходе ОВЧ ШПУМ на 15-20 дБ в диапазоне отстроек от несущей до 20 %. Их можно использовать в промышленных ШПУМ;
предложенный способ измерения шумов мощных усилителей обладает по сравнению с известным из ГОСТ способом замещения большей чувствительностью при отстройках менее 8 %. В инженерной практике целесообразно применять комбинацию этих способов для повышения достоверности результатов измерегаїя уровня шума ШПУМ;
указана возможность применения в действующем радиопередатчике измерителя шумового излучения на основе автокомпенсатора шумов его ШПУМ;
разработаны рекомендации по использованию автокомпенсаторов в ШПУМ для построения малошумящих генераторных трактов;
созданы программы расчета уровня шумов ШПУМ и Y-параметров транзисторов, которыми можно пользоваться при оптимизации, разработке и схемотехническом проектировании новых ШПУМ.
Реализация результатов работы. Диссертациоішая работа выполнялась в соответствии с хоздоговором по теме "Разработка и исследование методов и устройств автоматической компенсации внеполосных и внутриполосных паразитных излучений в широкополосных усилителях мощности".
Результаты диссертационной работы з виде методики измерений, методов построения широкополосных усилителей мощности с автокомпенсатором, структурных и принциггаальньгх схем, результатов экспериментальных исследований шумовых свойств измерительных генераторов, ШПУМ, ШПУМ на МАГ, ШПУМ с АК и макета ШПУМ с автокомпенсатором внедрены на заводе "Сигнал" АООТ "Электросигнал" (г.Воронеж, акт внедрения от 15.11.95).
Программы расчета шумовых свойств ІІГПУМ и расчета Y-иараметров и разработанное на их основе учебное пособие использованы в учебном процессе в Муромском филиале Владимирского государственного технического университета (ныне Муромский институт (филиал) Владимирского государственного университета, акт внедрения от 4.01.96) и Украинском государственном морском техническом университете (акты внедрения от 26.11.95).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Теория цепей и сигналов" (г.Таганрог, 1994); на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Разработка и применение САПР ВЧ и СВЧ электронной аппаратуры" (г.Владимир, 1994); на Международной научно-технической конференции, посвященной 100-летию радио и 50-летию Победы "Проблемы радиоэлектроники" (г.Москва, 1995); на Международной научно-технической конференции "Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем" (г.Пенза, 1995); на Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Новые информационные технологии. Информационное, программное и аппаратное обеспечение" (г.Таганрог, 1995); на Всероссийской научно-технической конференции "Повышение помехоустойчивости систем технических средств охраны" (г.Воронеж, 1995); на Третьей Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Теория цепей и сигналов" (г.Таганрог, 1996); на конференциях Муромского института (филиала) Владимирского государственного университета (МИ ВлГУ) и научных семинарах кафедры радиотехники МИ ВлГУ.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в двадцати одной печатных работах, включающих девять статей, двенадцать тезисов докладов, а также в учебном пособии и отчетах по НИР.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 77 наименований и приложений. Основной текст занимает 140 страниц, он иллюстрируется рисунками и таблицами на 57 страницах.
