Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Качественные показатели радиоэлектронных систем (РЭС) передачи, извлечения и разрушения информации существенным образом зависят от характеристик ряда используемых в них аналоговых устройств различного функционального назначения: преобразователей частоты (ПЧ), модуляторов высокочастотных колебаний, умножителей частоты, усилителей мощности радиосигнала и др. ПЧ в этом ряду занимают особое место, поскольку их характеристики в значительной степени определяют чувствительность и помехоустойчивость приемных трактов радиосистем, спектральную чистоту выходного колебания широкополосных синтезаторов частот, уровень мешающих комбинационных компонентов при конвертировании радиосигналов. Характерно, что параметры ПЧ, имеющихся в распоряжении разработчиков, зачастую определяют выбор функциональной схемы разрабатываемой системы.
Постоянное увеличение объемов и скорости обрабатываемой информации, использование в телекоммуникационных системах шумоподобных сигналов при многостанционном доступе с кодовым разделением, создание панорамных устройств радиоразведки и радиопротиводействия требуют разработки и создания широкополосных ПЧ с полосами частот до нескольких сотен и тысяч мегагерц. Актуальность разработки широкополосных ПЧ для различной радиоаппаратуры, удовлетворяющих требованиям по комплексу технических и эксплуатационных параметров, подтверждает большое число публикаций в научно-технической литературе. Темы публикаций отражают вопросы теории, расчета, оптимизации параметров ПЧ, вопросы создания ПЧ разных частотных диапазонов с различными полосами пропускания.
Под комплексом технических и эксплуатационных параметров ПЧ понимаются: полоса рабочих частот и согласование.(по входу сигнала, по входу гетеродина, по выходу промежуточной частоты); коэффициент преобразования; неравномерность АЧХ преобразования; коэффициент шума; динамический диапазон (по побочным каналам приема, по фокусам побочных каналов приема, по интермодуляционным помехам, по блокированию полезного сигнала помехами); подавление гетеродинных колебаний на сигнальном входе и гетеродинных и сигнальных колебаний на выходе ПЧ; энергопотребление; масса; габариты; надежность. Увеличение динамического диапазона ПЧ является важнейшей задачей, решение которой не теряет актуальности с точки зрения улучшения электромагнитной совместимости РЭС различного назначения.
Современные полупроводниковые приборы на арсениде галлия имеют граничные частоты в несколько сот гигагерц и низкую шумовую температуру. Их использование в сочетании с микроисполнением устройств различного функционального назначения в виде гибридно-интегральных схем (ГИС), гибридно-монолитных схем (ГМС) или монолитно-интегральных схем (МИС)
позволяет существенно улучшить технические и эксплуатационные характеристики аппаратуры. Исполнение широкополосных ПЧ в виде ГМС или МИС допускает использование новых схемных решений, что не всегда возможно для ГИС из-за недостаточной степени интеграции. Актуальна, в связи с этим, разработка новых схемных решений широкополосных ПЧ, реализуемых в микросборках с высокой степенью интеграции, в частности, на основе структуры базового матричного кристалла (БМК) с ортогональной сигнальной решеткой [33], допускающего построение широкополосных устройств различного функционального назначения до частот 10 -12 ГГц.
Модуляторы высокочастотных колебаний, умножители частоты, каскады усилителей мощности (УМ) модулированного радиосигнала по физическим процессам образования компонентов с новыми частотами, отсутствующими во входном воздействии, эквивалентны ПЧ. В модуляторах это образование гармонических и комбинационных компонентов (КК) несущей и модулирующей частот, в умножителях - образование гармонических компонентов, в усилительных каскадах - интермодуляционные помехи при усилении сложного сигнала с несколькими несущими частотами (например, интермодуляционные помехи от двух несущих частот и цветовой поднесущей телевизионного сигнала). Подобие физических процессов образования КК компонентов в этих устройствах позволяет использовать некоторые результаты анализа и расчетов, полученные для ПЧ, при создании устройств модуляции высокочастотных колебаний, устройств умножения частоты и устройств усиления радиосигналов с улучшенной линейностью в широком интервале входных воздействий.
Таким образом, проблема анализа, расчета и создания широкополосных ПЧ с повышенным динамическим диапазоном является актуальной.
"Нижняя" граница динамического диапазона определяется шумовыми
свойствами, которые достаточно полно изучены для ПЧ на различных
преобразующих приборах (ПП), описаны в научно-технической литературе и в
настоящей работе не рассматриваются. "Верхняя" граница динамического
диапазона может быть разной для различного вида искажений и характеризуется:
по неточности передачи огибающей AM сигнала - допустимой величиной
коэффициента гармоник, по блокированию сигнала помехой и перекрестной
модуляции - точкой компрессии коэффициента передачи; по
интермодуляционным помехам - точкой IP3, соответствующей "фиктивному
пересечению" выходной мощности полезного сигнала и выходной мощности интермодуляционного продукта третьего порядка при действии на ПЧ двухтоновой помехи; по комбинационным каналам преобразования, по побочным каналам приема и фокусам побочных каналов приема - отношением сигнала к помехе на выходе. Универсальной характеристикой нелинейных свойств является
оффициент интермодуляции третьего порядка, однозначно связанный с точкой Pj и косвенно характеризующий чувствительность ПЧ к блокированию и зрекрестным искажениям, а также степень искажений огибающей AM сигнала іеречисленньїе характеристики пропорциональны второй производной зраметрической дифференциальной проводимости ПП). Несмотря на большое >личество работ, посвященных анализу, расчету и экспериментальному следованию коэффициента интермодуляции третьего порядка ПЧ на сложных зеобразующих приборах [СПП: диоды-варисторы (ДВР); диоды-варакторы; іполярньїе транзисторы (БТ); полевые транзисторы (ПТ) в активном и ззистивном режимах], возможности его повышения путем регулировки злинейности ПП рассмотрены в недостаточной степени (регулировка злинейности ПП может быть проведена изменением положения рабочей точки, іменением угла отсечки гетеродинного воздействия, изменением мощности ітеродина). Это объясняется сложностью используемых методик анализа и асчета, трудоемкостью экспериментальных исследований и, как следствие, эвозможностью выявления аналитических зависимостей.
Особенностью широкополосных ПЧ является отсутствие резонансных цепей а входах и выходе. Как правило, входные и нагрузочные цепи являются периодическими с конечными иммитансами. В широкополосном режиме даже зостой преобразующий прибор (ППП), состоящий из параллельного соединения элинейной проводимости и нелинейной емкости, является взаимным ПП (под ізаимньїм" будем понимать ПП, на нелинейных элементах которого происходит заимное преобразование частот различных комбинационных компонентов). На элинейных элементах СПП взаимное преобразование частоты происходит и при зротком замыкании внешних зажимов для токов комбинационных частот. Это зляется следствием того, что эквивалентные схемы СПП содержат несколько злов, и на нелинейных элементах СПП всегда присутствуют напряжения всех эмбинационных компонентов. СПП имеют два и более нелинейных элемента, апример, полевой транзистор в активном режиме работы характеризуется сновным нелинейным элементом - нелинейной прямой проводимостью, и эосковными нелинейными элементами - нелинейной проводимостью канала, элинейными емкостями затвор-исток и затвор-сток. Взаимное преобразование астот происходит одновременно на всех нелинейных элементах СПП, влияет на горичные параметры ПЧ и, следовательно, на его динамический диапазон.
Использование двух и более ПП в сложных схемах (балансных, кольцевых и р.) позволяет дополнительно улучшить параметры ПЧ. В таких схемах еобходимо применение широкополосных фазосдвигающих, разветвляющих, /ммирующих цепей. В ПЧ на транзисторах возможно применение отрицательной братной связи, уменьшающей неравномерность АЧХ преобразования [1]. Іммитансьі нагрузочных цепей могут различным образом трансформироваться
фазосдвигающими, разветвляющими, суммирующими цепями, цепями обратной связи к входным и выходным зажимам ПП не только на частотах сигнала, гетеродина, промежуточной, но и на частотах их гармоник, на комбинационных частотах (в общем случае на всех частотах комбинационных каналов преобразования). Это также приводит к изменению вторичных параметров (коэффициента передачи напряжения, коэффициента передачи тока, входных и выходных проводимостей), коэффициента шума, динамического диапазона ПЧ. Влияние каналов преобразования проявляется не только в изменении указанных характеристик, но и может приводить к неустойчивой работе как "активных" транзисторных ПЧ, так и "пассивных" диодных ПЧ из-за эффекта параметрического возбуждения.
Таким образом, параметры ПЧ, в частности, динамический диапазон определяются рядом факторов. К ним относятся: интенсивности колебаний гетеродина, сигнала, помех; тип и электрический режим работы ПП; схемотехническое решение ПЧ. Исследования возможностей повышения динамического диапазона ПЧ, проводимые в России (СССР) и за рубежом, развили научное направление по созданию ПЧ с улучшенной линейностью. Одна из нерешенных проблем этого направления заключалась в отсутствии обобщенной математической модели (ММ), характеризующей свойства широкополосного ПЧ любой сложности для линейного и нелинейного режимов работы. Создание такой модели позволяет проводить единый подход к анализу различных мешающих продуктов преобразования, выявить закономерности их изменения от перечисленного комплекса факторов, развить научно-технические основы построения ПЧ с улучшенной линейностью.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ - развитие научно-технических основ построения, исследование, создание и внедрение устройств преобразования частоты с повышенным динамическим диапазоном.
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Цель достигается решением следующих основных задач исследований.
-
Развитие теории линейного (гетеродинное воздействие существенно больше сигнального) и нелинейного (гетеродинное воздействие соизмеримо с воздействиями сигнала и помех) преобразования частоты для создания обобщенной математической модели (в виде системы уравнений) широкополосного ПЧ любой сложности, характеризующей его свойства в линейном режиме и в нелинейном режиме при различном соотношении уровней полигармонического воздействия (ПГВ) с учетом цепей источников сигналов и цепей нагрузок для токов комбинационных частот.
-
Нахождение пути решения системы уравнений нелинейного ПЧ при ПГВ для исследования вторичных параметров, условий устойчивости, динамического диапазона по комбинационным и интермодуляционным помехам.
-
Разработка алгоритмов определения параметров эквивалентных схем СПП при ПГВ.
-
Исследования влияния комбинационных каналов преобразования на вторичные параметры, устойчивость, динамический диапазон широкополосных ПЧ. Исследования влияния на характеристики ПЧ эффектов преобразования частоты на неосновных нелинейных элементах ПП. Исследования эффективности внеполоснои коррекции динамического диапазона ПЧ по интермодупяционным помехам. Исследования возможностей повышения динамического диапазона ПЧ регулировкой нелинейности ПП.
-
Поиск новых методов повышения динамического диапазона ПЧ, выполненных на различных ПП.
-
Совершенствование научно-технических основ построения, создание и внедрение в системы различного назначения широкополосных устройств преобразования частоты с повышенным динамическим диапазоном.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. В работе использованы разнообразные методы исследований, основанные на дифференциальном и интегральном исчислении, рядах Фурье, линейной алгебре, теории линейных и нелинейных цепей, теории функций комплексного переменного, свойствах конформных отображений. Широко использовано аналитическое и численное моделирование на ЭВМ.
Достоверность основных теоретических положений и выводов подтверждена как экспериментально в лабораторных условиях, так и при эксплуатации разработанных устройств, внедренных в состав РЭС различного назначения.
Научной новизной обладают следующие основные результаты работы.
-
Новый подход к анализу широкополосного нелинейного ПЧ на ППП, основанный на представлении дифференциального приращения общего тока ПП в любой момент времени суммой частных дифференциалов по напряжениям попарных комбинационных компонентов с частотами разных знаков с учетом параметрических проводимости и емкости ПП.
-
Закон перекрестных связей коэффициентов Фурье параметрической проводимости (емкости) ППП и воздействующих на него гармонических напряжений.
-
Математическая модель широкополосного нелинейного ПЧ на ППП в режиме сильного ПГВ в виде У-матричного уравнения * с двухкомпонентнои матрицей проводимости (МП) на основе многократных коэффициентов Фурье параметрических элементов ППП, зависящих от уровней
* Здесь и далее термин "Y— матричное уравнение" характеризует систему уравнений с коэффициентами, имеющими размерность проводимости.
входных воздействий и характера нелинейности ПП.
-
Математические модели (в виде блочных матриц проводимости и алгоритмов их формирования) СПП, содержащих в своем составе любое количество нелинейных элементов, для линейного и нелинейного режимов работы.
-
Обобщенная математическая модель (в виде У-матричного уравнения) широкополосного нелинейного сложного ПЧ, содержащего в своем составе любое количество СПП, фазосдвигающие и трансформирующие цепи, цепи обратной связи, цепи коррекции и пр.
-
Математические выражения и методики исследования вторичных параметров, условий устойчивости, динамического диапазона по комбинационным и интермодуляционным компонентам нелинейного многополюсного устройства при произвольном соотношении уровней ПГВ с использованием графоаналитического метода конформных отображений.
-
Результаты оценки степени влияния комбинационных каналов преобразования на вторичные параметры, устойчивость и динамический диапазон широкополосных ПЧ на различных СПП. Результаты оценки влияния на характеристики ПЧ эффектов преобразования частоты на неосновных нелинейных элементах СПП.
-
Результаты сравнительного анализа бесфильтрового подавления комбинационных и интермодуляционных помех любого порядка сложными схемами ПЧ с фазоинверсными трансформаторами, квадратурными мостами, разветвителями, сумматорами.
-
Условия получения повышенного динамического диапазона широкополосных ПЧ на различных ПП по фокусам дополнительных каналов приема, по интермодуляционным помехам, по блокированию, а также условия получения повышенного динамического диапазона по интермодуляционным помехам мощных каскадов усиления радиосигнала на биполярных транзисторах.
НАРОДНОХОЗЯЙСТВЕННОЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ заключается в разработке, создании и внедрении устройств преобразования частоты и усиления радиосигналов с повышенной линейностью в радиотехнические и телекоммуникационные системы различного назначения, что позволило улучшить электромагнитную совместимость этих систем.
Созданы новые теоретические и практические методы анализа и проектирования широкополосных устройств линейного и нелинейного преобразования частоты любой сложности, включающие следующее.
1. Методику расчета вторичных параметров, условий устойчивости линейных и нелинейных ПЧ. Методику расчета динамического диапазона по комбинационным компонентам нелинейного ПЧ при сильном БГВ (сильный сигнал и сильный гетеродин). Методику расчета динамического диапазона по
интермодуляционным компонентам нелинейного ПЧ при сильном трехчастотном воздействии-(сильная двухтоновая помеха и сильный гетеродин).
-
Пакет прикладных программы для ЭВМ, разработанных по алгоритмам перечисленных методик, с выводом на экран монитора графических построений изменения исследуемых параметров ПЧ на основе свойств конформных отображений комплексных плоскостей варьируемых нагрузок для токов различных комбинационных частот.
-
Банк данных двукратных и трехкратных коэффициентов Фурье параметрических элементов СПП (диода-варистора, биполярного и полевого транзистора).
-
Банк схемных решений сложных ПЧ с фазоинверсными трансформаторами, квадратурными мостами, разветвителями, сумматорами.
-
Рекомендации по регулировке нелинейности различных СПП (выбор оптимального положения рабочей точки, угла отсечки, мощности гетеродина) для получения повышенного динамического диапазона ПЧ.
-
Новые методы повышения динамического диапазона широкополосных ПЧ по фокусам дополнительных каналов приема, по интермодуляционным помехам, по блокированию, а также мощных каскадов усилителей радиосигнала на биполярных транзисторах по интермодуляционным помехам.
-
Новые схемные решения для повышающего преобразования частоты с фазовым подавлением зеркального канала приема. Новые схемные решения субмодулей преобразования частоты с преобразующими элементами на основе полевого транзистора в активном и резистивном режимах работы в составе БМК, имеющего кросс-структуру входных и выходных линий передачи.
На 7 новых схемотехнических решений ПЧ с повышенным динамическим диапазоном (полезные модели) получены положительные решения ВНИИГПЭ Российского агентства по патентам и товарным знакам [52-57].
Часть полученных результатов (пункты 1-6) распространена на другие устройства, изменяющие состав спектра входного воздействия: модуляторы, умножители, мощные каскады усиления радиосигнала на БТ.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Результаты исследований и разработок диссертации использованы при проектировании и создании ПЧ и устройств другого функционального назначения в соответствии с техническими заданиями на хоздоговорные и госбюджетные НИР по заказам НИИ и предприятий АН СССР, Министерства радиопромышленности СССР, Министерства промышленности средств связи СССР (Государственного комитета по оборонным отраслям промышленности РФ), Министерства общего и профессионального образования РФ и др.
Под руководством и при непосредственном участии автора созданы и внедрены следующие основные разработки.
-
Широкополосный смеситель 1СМ01 модуля СМОПЧ ГИС для блока 22М (предприятие п/я В-8616, г.Новосибирск).
-
Модуль преобразования частоты 1СМ0ПЧМ для партии ГИС (предприятие п/я В-8616, г.Новосибирск).
-
Широкополосный смеситель сдвига для блока 4БГВ (предприятие п/я В-8616, г.Новосибирск).
-
Универсальный преобразователь частоты для синтезатора частот (предприятие п/я В-8616, г.Новосибирск).
-
Широкополосные модули преобразования частоты нелинейного локатора (НИИ "Проект", г. Томск).
-
Широкополосный преобразователь частоты конвертера телевизионных радиосигналов (государственное предприятие "Промсвязь", г. Алматы).
-
Шестиканальный смесительный блок (предприятие п/я В-2965, г. Омск).
-
Усилительно-преобразовательный тракт широкодиапазонного радиоприемника для пассивных радиолокационных систем (проблемная лаборатория радиотехнических систем ТИАСУР, г.Томск).
-
Сверхширокополосный усилительно-преобразовательный тракт для радиофизических измерений (проблемная лаборатория радиотехнических систем ТИАСУР, г.Томск).
-
Сверхширокополосный усилительно-преобразовательный блок аппаратуры радиофизических измерений (проблемная лаборатория радиотехнических систем ТИАСУР, г.Томск).
-
Устройство обработки радиоимпульсных сигналов дециметрового диапазона (проблемная лаборатория радиотехнических систем ТИАСУР, г.Томск).
-
Широкополосный модулятор (Тихоокеанский океанологический институт ДВНЦАНСССР).
-
Широкополосный балансный модулятор устройств нелинейной локации (НИИ "Проект", г. Томск).
-
.Широкополосные усилители мощности устройств нелинейной локации (НИИ "Проект", г. Томск).
15. Широкополосный усилитель передатчика телевизионных радиосигналов
(государственное предприятие "Промсвязь", г. Алматы).
Документы о внедрении разработанных устройств приведены в приложении к диссертационной работе.
Результаты работы используются в учебном процессе в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники при дипломном проектировании, учебно- и научно-исследовательской работе
студентов, в лекциях, лабораторных практикумах и при курсовом проектировании по базовым дисциплинам "Основы автоматизированного проектирования радиоэлектронных устройств", "Аналоговые электронные устройства", "Устройства приема и обработки сигналов", "Радиосвязь и радиовещание" и по специальной дисциплине "Микроэлектронные модули усиления сигналов и преобразования частоты". С использованием результатов работы для студентов специальностей 200700 "Радиотехника" и 201600 "Радиоэлектронные системы" изданы методические указания "Оптимальные условия преобразования частоты в смесителях на биполярных транзисторах" (1981 г.), учебное пособие "Чувствительность радиоприемных устройств" (1995 г.), поставлена лабораторная работа "Преобразователь частоты и каналы приема супергетеродинного приемника" и издано руководство к ней (1983 г., 1993г.).
