Введение к работе
Актуальность темы. Использование ключевых анод-сых модуляторов позволяет не только существенно повысить энергети-іескуга эффективность мощных радиопередатчиков ДВ, СВ и KB диапазо-юв, но также уменьшить массогабаритные показатели передатчиков, по-іьісить их надежность (при реализации ключевых модуляторов на полупро-юдниковых приборах) и обеспечить возможность перевода вещательных іередатчиков в бднопЬлосный (ОБП) режим с остатком несущей R5E в юответствии с решениями Всемирной административной конференции по іадиосвязи и радиовещанию. Переход на однополосное вещание предпола-'авт использование тех или иных методов высокоэффективного усиления ісщности ОБП колебаний, причем наиболее перспективным представляется ірименение метода раздельного усиления составляющих однополосного :игнала (метода Кана), при реализации которого оконечный каскад ВЧ ракта работает в энергетически выгодном перенапряженном режиме. Кро-ге того, радиопередатчик с раздельным усилением может использоваться і в режиме традиционного АМ-вещания АЗЕ . Однако известные в лае'-оящее время методики не позволяют произвести оценку нелинейных искажений вещательных ОБП передатчиков с раздельным усилением при модулями гармоническим НЧ сигналом с произвольной глубиной модуляции, ког-іа на выходе передатчика присутствует двухтоновый сигнал (ДГС) с неодинаковыми по величине амплитудами тонов (роль одного из тонов игра->т сигнал несущей), что не дает возможности сформулировать достаточ-ю объективные требования к узлам передатчиков.
Известные методики расчета ключевых модуляторов на электронных іампах, опирающиеся на использование упрощенных математических моде-сей ламп, не позволяют в полной мере оценить искажения, обусловленные іаличием паразитных емкостей и нелинейностью статических характеристик ламп, а также не дают возможности произвести расчет режимов работы сеточных цепей, без которого невозможно эффективное использование cam по мощности.
Ограниченное быстродействие существующих мощных полупроводнико-)ых приборов диктует необходимость поиска, возможностей снижения до приемлемого уровня нелинейных искажений выходного сигнала радиопере-іатчиков с ключевыми модуляторами для анодной модуляции на полупро-)одниковых приборах. Использование грубого ступенчатого регулирова-гая напряжения анодного питания оконечных каскадов, работающих в ре-
- г -
жиме линейного усиления, также не является очевидным решением указанной проблемы, поскольку в этом случае происходит рост нелинейных искажений выходного сигнала из-за ненулевой проницаемости ламп.
Общим недостатком существующих радиопередатчиков с ключевыми анодными модуляторами является повышенный (по сравнению с традиционными передатчиками) уровень нелинейных искажений. Таким образом, задача одновременного повышения энергетической эффективности мощных радиопередатчиков в сочетании с обеспечением высоких качественных показателей в настоящее время не рзиена.
Доль и задачи работы. Целью диссертационной работы является улучшение качественных и энергетических характеристик мощных радковещательных и связных передатчиков с ключевыми анодными модуляторами и регуляторами на основе совершенствования методик расчета и выбора режимов, учитывающих нелинейность статических характеристик мощных электровакуумных приборов', наличие паразитных междуэлектродных и монтажных емкостей, емкостей защитных цепей запираемых тиристоров, а также наличие выходных ФНЧ модуляторов.
Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:
-
Выбор качественных показателей вещательных передатчиков в ОБП режиме и разработка методик расчета комбинационных искажений и уровней внеполоекых излучений на выходе передатчиков с раздельным усилением составляющих однополосного сигнала при произвольной глубине модуляции.
-
Исследование с помощью разработанных методик влияния основных факторов, порождающих нелинейные искажвшя в пепедатчиках с раздельным усилением.
-
Разработка методик расчета ламповых ключевых модуляторов, учитывающих влияние паразитных емкостей и нелинейность статических характеристик ламп на основе тангенс-гиперболической аппроксимации. Анализ энергетических и качественных показателей радиовещательных передатчиков с ламповыми ключевыми модуляторами в режимах амплитудной
и однополосной модуляции. Разработка и совершенствование технических реыений, позволяющих уменьшить потери на сетках ламп и снизить уровень нелинейных искажений выходного сигнала. Разработка методики проектирования цепей экранирующих сеток тетродов, работающих в ключевом режиме.
-
Исследование процессов в радиопередатчике с импульсно-сту-пенчатым модулятором (ИСМ) при использовании для управления ключами алгоритма многоканальной НИМ. Оценка энергетической эффективности ступенчатого регулирования напряжения анодного питания усилителя мощности однополосного сигнала с учетом нелинейности характеристик ламп. Разработка и совершенствование схемных решений, позволяющих снизить нелинейные искажения выходного сигнала,
-
Экспериментальное исследование различных вариантов ключввых анодных модуляторов и регуляторов.
Методы исследования. Для решения перечисленных выше задач были использованы методы теории линейных и нелинейных электрических цепей, методы спектрального анализа (ряды Фурье), метода математического моделирования, метод регрессионного анализа, метод статистических испытаний (метод Монте-Карло). Основные результаты работы подтверждены экспериментальными исследованиями на лабораторных и конструктивных макетах.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Получены аналитические выражения, позволяющие рассчитать амплитуды комбинационных нелинейных искажений на выходе радиовещательного передатчика с раздельным усилением составляющих однополосного сигнала при произвольной глубине модуляции.
-
Для различных значений глубины модуляции произведен анализ влияния на искажения выходного сигнала вещательного передатчика с раздельным усилением широкого круга факторов (АЧХ и ФЧХ реальных фильтров в канале огибающей в сочетании с искусственной задержкой сигнала в БЧ тракте и без нее, а также нелинейности статической модуляционной характеристики), что позволило сформулировать достаточно эбъективные требования к узлам передатчика.
-
Разработаны математические модели и методики расчета ламповых модуляторов классов -D и В 2) , учитывающие нелинейность вольт-ам-іерньк характеристик электронных ламп и диодов, паразитные междуэлектродные и монтажные емкости, а также параметры ФНЧ. Исследованы энергетические режимы сеточных цепей ламп ключевых модуляторов, а гакже проведен анализ влияния различных факторов на искажения, обус-ювленйые нелинейностью начального участка статической характеристики шючевых модуляторов.
-
Определены нелинейные искажения и внеполосные излучения ра-іиопередатчика с ИСЫ при использовании для управления ключами алго-
- 4 -ритма многоканальной ШШ.
5. Произведена оценка энергетической эффективности ступенчатого регулирования напряжения анодного питания усилителя мощности однополосных колебаний с учетом нелинейности характеристик электронных ламп.
Практическая ценность диссертации заключается в следующем:
-
Предложены методики анализа нелинейных искажений и внеполос-ньк излучений вещательных передатчиков с раздельным усилением составляющих однополосного сигнала, пригодные для инженерного использования.
-
Сформулированы требования к необходимой полосе пропускания выходных фильтров ключевых модуляторов вещательных передатчиков с раздельным усилением, а также требования к допустимой величине разности задержек сигналов в НЧ и ВЧ трактах таких передатчиков.
-
Даны рекомендации по выбору допустимых с энергетической точки зрения режимов работы ламп в ключевых модуляторах: приведены соображения по выбору параметров закона регулирования напряжения на экранирующих сетках тетродов, предложена методика расчета величин гасящих сопротивлений.
-
Определена элементная база ламповых модуляторов класса BD для различных представляюіцих практический интерес уровней мощности. Показано, что основные закономерности, а также предложенные методики расчета и выбора режимов работы ламп справедливы для всех рассмотренных уровней мощности, находящихся в пределах от 2 кВт до 2 МВт.
-
Определены требования к необходимой точности намотки вторичных обмоток многообмоточного сетевого трансформатора, входящего в состав ИСМ.
-
Даны рекомендации по выбору числа ступеней регулирования напряжения анодного питания мощных однополосных усилителей.
-
Предложен целый ряд новых технических решений (новизна которых подтверждена положительными решениями по заявкам на изобретения) позволяющих улучшить качественные показатели радиопередатчиков с ключевыми модуляторами на лампах и полупроводниковых приборах и уменьшить потери в,различных цепях ключевых модуляторов (потери в цепях экранирующих сеток тетродов, потери из-за перехода ламп в активный режим работы при малой длительности отпирающих импульсов, коммутационные потери).
Основные положения, выносимые.л а защиту.
1. Относительный уровень нелинейных искажений на выходе вещате
льного передатчика с раздельным усилением составляющих однополосного
сигнала при некоторых значениях глубины модуляции, находящихся в ок
рестности ее критического значения, ыожет существенно
Сна 15...20 дБ) превышать уровень,' определенный путем использования стандартного равноамплитудного двухтонового испытательного сигнала, который соответствует критической глубине ыодуляции.
-
Разработанная методика позволяет установить количественную зависимость между уровнем искажений в канале огибающей и уровнем искажений на выходе вещательного передатчика с раздельным усилением составляющих однополосного сигнала при произвольной глубине модуляции.
-
Разработанные методики расчета ламповых ключевых модуляторов и предложенные оригинальные технические решения дают возможность обеспечить энергетически эффективный режим работы усилительных приборов, позволяя в 2...4 раза повысить выходную мощность по сравнению с модуляторами, рассчитанными по известным упрощенным методикам, при сохранении высокого КПД и допустимой мощности потерь
на сетках, в результате чего использование ламп'по мощности, не уступает лучшим зарубежным образцам.
-
Качество сигнала на выходе вещательных передатчиков KB диапазона в однополосном режиме с ослабленной несущей ЯЗЕ можно характеризовать теми же показателями, что используются в режиме обычной амплитудной модуляции AiE . Использование разработанных методик расчета, учитывающих нелинейность статических характеристик лаып и--паразитные меядуэлектродныв и монтажные емкости, позволяет снизить коэффициент гармоник выходного сигнала радиопередатчиков с ламповыми модуляторами класса Ъ да приемлемой величины 3 %.
-
Одним из основных источников нелинейных искажений выходного сигнала радиопередатчика с ИСМ, для управления ключами которого используется алгоритм многоканальной ШИМ, является нелинейность начального участка статической модуляционной характеристики, обуслов--ленная значительной длительностью процессов перезаряда емкостей защитных цепей запираемых тиристоров. Соответствующий выбор значений емкостей защитных цепей запираемых тиристоров позволяет обеспечить суммарный уровень указанных искажений в режиме AM не более 3 % при
- 6 -глубине модуляции до 90 %,
Реализация результатов работы. Основные результаты работы использованы Российским институтом мощного радиостроения и радиоцентром РЦ-ІІ (г.Красный Бор), что подтверждено актами о внедрении.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 4& -ой научно-технической конференции НГОРЭС им.А.С.Попова (С.-Петербург, 1993), а также на научно-технических семинарах кафедры радиотехники СПбПУ и кафедры радиопередающих устройств ЭИС им.М.А.Бонч-Бруввича-
Публикации. Материалы .работы отражены в 6 статьях, 2 депонированных рукописях и тезисах I доклада на научно-технической конференции. Имеется также 8 положительных решений по заявкам на изобретения.
Вклад автора в разработку проблемы. Основные научные положения, выводы и рекомендации получены автором самостоятельно.
Структура и объем диссертации. Работа состоит иа введения, пяти разделов, заключения^ списка литературы и приложения. Основной текст диссертации содержит' 144 машинописных страницы и 8 9 страниц иллюстраций (рисунков и таблиц). Список литературы содержит 123 наименования.
