Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Линеаризация усилителей мощности 13
1.1. Постановка задачи. Предмет исследования 13
1.2. Общие характеристики и модели усилителей мощности 19
1.3. Методы линеаризации 31
1.4. Выводы 41
Глава 2. Анализ нелинейных явлений в усилителях мощности 43
2.1. Параметры сигналов, используемых в спутниковых ретрансляторах 43
2.2. Оценка уровня интермодуляционных искажений 47
2.3. Методы анализа нелинейных динамических свч систем . 57
2.4. Основные соотношения в линеаризованной усилительной системе 69
2.5. Выводы 79
ГЛАВА 3. Исследование усилителя мощности с предыскажающим линеаризатором 80
3.1. Модель тестовых сигналов и измерительных средств 80
3.2. Модель усилителя мощности 81
3.3. Модель л инеаризатора 83
3.4. Предельные характеристики усилителя мощности с предыскажающим линеаризатором 86
3.5. Исследование характеристик линеаризованного усилителя мощности свч 90
3.6. Моделирование адаптивного предыскажающеголинеаризатора 99
3.7. Выводы 105
ГЛАВА 4. Экспериментальное изучение линеаризованного усилителя мощности 106
4.1. Структурная схемалинеаризатора и описание рабочего места 106
4.2. Экспериментальные характеристики 112
4.3. Исследование процедуры адаптации характеристик усилительной системы 117
4.4. Выводы 121
Заключение 122
Список литературы 123
Приложения 132
A. Список обозначений 132
Б. Список сокращений 134
B. Акт внедрения в ОАО «Российские космические системы» 136
Г. Акт внедрения в НИУ «МЭИ» 137
Д. Фрагмент программы адаптации
- Методы линеаризации
- Оценка уровня интермодуляционных искажений
- Предельные характеристики усилителя мощности с предыскажающим линеаризатором
- Исследование процедуры адаптации характеристик усилительной системы
Введение к работе
Актуальность проблемы. В наши дни бурными темпами развиваются технологии оказания информационно-телекоммуникационных услуг (спутниковая связь, телевидение, радионавигация и др.), использующих электромагнитные излучения диапазона сверхвысоких частот (СВЧ). Одним из основных каскадов бортового ретранслятора является усилитель мощности (УМ). К этому блоку предъявляются сложные и противоречивые требования: высокая энергетическая эффективность, заданная выходная мощность, малый уровень искажений передаваемого сигнала, соблюдение норм электромагнитной совместимости на излучения вне выделенной полосы частот, высокая скорость передачи информации, выполнение нормативов на массогабаритные показатели и энергопотребление, низкая чувствительность к факторам окружающей космической среды и др.
Для получения максимальной выходной мощности и высоких значений коэффициента полезного действия (КПД) активный элемент усилителя мощности необходимо использовать в нелинейном режиме, что приводит к появлению в спектре выходного сигнала повышенного уровня высших гармоник и интермодуляционных искажений (ИМИ) передаваемых сигналов. С другой стороны, для выполнения нормативов на паразитные спектральные составляющие активный элемент усилителя мощности надо применять в линейном режиме. Отсюда возникает противоречие между обеспечением высокой энергетической эффективности и низким уровнем искажений сигнала. Обеспечение одновременно требований высокой спектральной эффективности и допустимого уровня побочных излучений, характерных для спутниковых каналов передачи информации, приводит к дополнительной амплитудной модуляции и усложняет достижение компромисса. Поиск путей решения указанных противоречий характеризует необходимость данной работы.
Системы передачи цифровой информации чувствительны к нелинейным искажениям действующих в них электрических и электромагнитных сигналов. Именно отклонения от идеализированного линейного закона связи между током и напряжением в электронных компонентах аппаратуры определяют фундаментальный предел многих характеристик военных и космических систем передачи информации.
В последнее время значительный прогресс в создании усилительных элементов связан с развитием технологии арсенид-галлиевых и нитрид-галлиевых транзисторов. Мировая тенденция расширения использования такого типа компонентов обусловлена их высокими энергетическими характеристиками в заданном частотном диапазоне (выходная мощность до 150 Вт, КПД до 65 – 70%, коэффициент усиления каскада до 20 дБ, рабочая частота до 10 ГГц), способностью удовлетворять требованиям работы в условиях космического пространства в течение не менее 15 лет, устойчивостью к воздействию тяжёлых заряженных частиц и к накопленной дозе радиации. Они характеризуются средним временем наработки на отказ до 100 миллионов часов. В спутниковой аппаратуре твердотельные многокаскадные СВЧ усилители средней мощности часто конкурируют с вакуумными усилителями на лампах бегущей волны (ЛБВ).
Изучением нелинейных искажений СВЧ сигналов в усилителях мощности занимались С.И. Евтянов, А.В. Данилов, Б.М. Богданович, Г.М. Крылов, Ю.Л. Хотунцев, Е.А. Богатырев, О.А. Челноков, Л.А. Белов, А.А. Титов, В.И. Нефедов, Е.В. Соловьева, Л. Эрман (L. Ehrman), С. Нарайнан (S. Naraynan), Г.С. Педро (J.C. Pedro), А. Гребенников (A. Grebennikov), С.С. Криппс (S.C. Cripps), Н.О. Сокал (N.O. Sokal), Р.Т. Весткотт (R.T. Westcott), С.А. Маас (S.A. Maas) и др.
Обзор научно-технической литературы показал, что метод предыскажающей линеаризации является наиболее удобным для интервалов значений частот и мощностей, используемых в спутниковой и космической аппаратуре. К сожалению, в отечественной литературе нет подробной теоретической проработки этого вопроса, а промышленность не выпускает серийно подобные компоненты. Кроме того, для спутниковой аппаратуры необходима адаптация параметров линеаризованной усилительной системы к изменяющимся в широких пределах условиям окружающей среды. Однако способы осуществления этого в отечественной литературе не исследованы, а в иностранной – описаны в общем виде, затрудняющем их применение.
Применение предыскажающей адаптивной линеаризации может обеспечить одновременное выполнение технических задач обеспечения необходимой энергетической эффективности и высокой линейности амплитудных характеристик при допустимом уровне амплитудно-фазовой конверсии в усилителях мощности, а также сделать усилительную систему устойчивой к изменениям условий окружающей среды и к отклонениям питающих напряжений от типовых значений.
Требования электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств и ограничения частотного ресурса имеют тенденцию к ужесточению, поэтому линеаризация усилительных устройств с целью повышения энергетической и спектральной эффективности, снижения уровня интермодуляционных искажений определяет потребность в таких исследованиях и актуальность темы данной диссертации.
Целью диссертационной работы является сопоставление известных из научно-технической литературы методов анализа нелинейных цепей, применительно к СВЧ усилителям мощности, выполненным на полупроводниковых и электровакуумных активных элементах, изучение возможностей линеаризации характеристик усилителя мощности для обеспечения необходимого уровня помех в спектре выходного сигнала; исследование способов и схем построения каскадов электронной аппаратуры с учётом указанных требований; поиск путей преодоления основных противоречий по энергетической и спектральной эффективности при создании спутниковых ретрансляторов СВЧ сигналов с допустимым уровнем интермодуляционных искажений.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
1. Теоретическая проработка и сопоставление методов количественной оценки уровня нелинейных искажений сигналов в СВЧ усилителях мощности.
2. Разработка схем и моделей линеаризирующих цепей, компенсирующих нелинейные искажения СВЧ сигналов в последующих усилительных каскадах.
3. Анализ и экспериментальные исследования линеаризованных твердотельных и вакуумных усилителей мощности для спутниковой аппаратуры с повышенными уровнями выходного сигнала, энергетической и спектральной эффективности.
4. Оценка предельных возможностей предыскажающей линеаризации при высоких значениях несущей частоты, занимаемой сигналом полосы частот, уровня выходной мощности и энергетического КПД.
5. Разработка процедуры автоматической адаптации характеристик амплитудной компрессии (АМ/АМ преобразования) и фазовой конверсии (АМ/ФМ преобразования) предыскажающего линеаризатора в составе усилителя мощности при вариациях параметров окружающей среды.
Методы исследования. При выполнении работы использованы: аппарат функциональных рядов Вольтерра; методы теории нелинейных цепей; теория радиотехнических цепей и сигналов; метод медленно меняющихся параметров; теория функций комплексного переменного; теория матриц; метод феноменологических моделей; способы решения систем алгебраических уравнений; дифференциальные и интегральные преобразования; различные способы аппроксимации передаточных характеристик; методы компьютерного моделирования; теория итерационных систем автоматической максимизации функционала, принятого в качестве критерия качества.
Несмотря на наличие современных вычислительных и программных средств для разработки радиоэлектронной аппаратуры (Microwave Office, Advanced Design System – ADS, Mathcad, LabView, MathLab) для бортовой спутниковой аппаратуры преимущество имеет создание специализированного программного обеспечения, позволяющего быстро, с необходимой точностью и за приемлемое время рассчитать параметры предыскажающего линеаризатора на основании паспортных данных нелинейных характеристик УМ и оценить полученный уровень искажений.
Достоверность полученных результатов подтверждена экспериментально и не противоречит известным теоретическим и практическим данным.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработан метод анализа интермодуляционных искажений в каскадно соединенных предыскажающем линеаризаторе и усилителе мощности на основании экспериментальных или паспортных данных о нелинейных амплитудно-амплитудных и амплитудно-фазовых характеристиках СВЧ усилителя мощности.
2. Получены оценки предельных возможностей системы предыскажающей линеаризации СВЧ усилителя мощности.
3. Создан алгоритм адаптации, позволяющий быстро и с необходимой точностью находить численные значения коэффициентов в таблицах коррекции амплитуды и фазового сдвига линеаризирующего блока.
4. Предложена и проанализирована итерационная процедура адаптации нелинейных характеристик предыскажающего линеаризатора при изменении параметров бортового спутникового усилителя мощности.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
1. Разработанный метод анализа нелинейных электровакуумных и транзисторных СВЧ усилителей мощности при воздействии сложных сигналов позволил оптимизировать по экономичности и линейности усилители мощности для бортовой навигационной аппаратуры «ГЛОНАСС-К2» и может быть использован в перспективных разработках.
2. Разработанный алгоритм адаптации процесса линеаризации бортового усилителя мощности с учётом амплитудной компрессии и фазовой конверсии позволяет повысить качество и надёжность передачи информации по спутниковому каналу связи.
3. Созданные опытные установки для экспериментального изучения характеристик нелинейных СВЧ устройств позволили измерять параметры интермодуляционных искажений в усилителях мощности.
4. Использование результатов диссертационной работы в учебном процессе НИУ «МЭИ» повышает качество подготовки специалистов по специальности «Радиотехника».
Документы о практическом использовании результатов исследований приведены в приложениях к диссертационной работе.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Разработан метод анализа интермодуляционных искажений на основе феноменологической модели активного элемента, позволяющий корректно учесть амплитудную компрессию и фазовую конверсию в транзисторных и вакуумных СВЧ усилителях мощности.
2. Выполнена оценка предельных возможностей предыскажающего линеаризатора, учитывающая разрядность цифровых узлов, которая позволяет найти компромиссное сочетание параметров усилителя, обеспечивающее высокую энергетическую эффективность и допустимый уровень искажений передаваемого сигнала.
3. Установлено, что предложенный алгоритм процесса адаптации параметров линеаризатора с учётом амплитудной компрессии и фазовой конверсии в усилителе мощности глобально устойчив и требует небольшого количества итераций для обеспечения необходимого значения критерия качества.
Апробация результатов. Результаты работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Средиземноморская конференция по встроенным вычислениям» (Mediterranean Conference on Embedded Computing – MECO-2012), г. Бар, Черногория, июнь 2012 г.; на Международной научно-технической конференции «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций», Украина, г. Севастополь, апрель 2013 г.; на трех Всероссийских научно-технических конференциях «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий», г. Москва, 2011, 2012 и 2013 г.г.; на двух Международных научно-технических семинарах «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов в инфокоммуникациях», Украина, г. Одесса, июнь 2011 г. и Россия, г. Ярославль, июнь 2013 г.; на трех Международных научно-технических конференциях «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», г. Москва, 2011, 2012 и 2013 г.г.
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 13 печатных работах, в том числе: в 2-х статьях в периодических журналах (1 – из перечня ВАК); в 1 описании патента Российской Федерации; в 4-х текстах докладов на международных конференциях и семинарах (1 – на английском языке), в тезисах 6-ти докладов на российских и международных научно-технических конференциях.
Личный вклад. Все результаты, сформулированные в положениях, выносимых на защиту и составляющие научную новизну работы, получены автором лично или при его непосредственном участии.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 107 наименований и пяти приложений на 9 страницах; она изложена на 140 страницах и иллюстрирована 74 рисунками.
Методы линеаризации
Простым критерием количественной оценки этих явлений служит коэффициент интермодуляционных искажений 3-го порядка (ИМИЗ), определяемый при подключении на вход усилителя двух гармонических сигналов одинаковой мощности Рвх с близкими, но отличающимися частотами f\ м/г. Комбинационные продукты 3-го порядка с частотами 2/1 —fo и 2/Ї -/1 оказываются вблизи входных составляющих в полосе пропускания УМ. В качестве меры уровня ИМИ по умолчанию будем принимать отношение ИМИЗ = С/7, (1.3) где С - суммарная мощность составляющих выходного сигнала с частотами/, nf2; I- суммарная мощность составляющих выходного сигнала с частотами 2/1 —fi и 2/г -/1.
При двухчастотном тестовом входном сигнале с близкими частотами /і и/2 в полосе частот выходного сигнала возникают мешающие интермодуляционные составляющие кроме третьего, также других нечетных порядков: пятого, седьмого и т.д. В качестве критерия уровня интермодуляционных искажений для общего случая можно записать М=С/1г, (1.4) где Iz - сумма мощности всех интермодуляционных продуктов. Кроме вариантов критерия качества ИМИЗ или М по (1.3) или (1.4) используются способы оценки по другим видам тестовых сигналов: многочастотном и шумовом (в англоязычной литературе NPR - Noise Power Ratio) [47]. Подробнее они будут рассмотрены в п. 2.2 данной диссертации.
В качестве активных элементов усилителей мощности СВЧ в спутниковой аппаратуре используются [12, 24] твердотельные усилители мощности (ТУМ, в англоязычной литературе - Solid State Power Amplifier -SSPA) на биполярных или полевых транзисторах [15, 22] и электровакуумные усилители мощности [48, 49]. Рассмотрим в дальнейшем среди электровакуумных лишь усилители на спиральных ЛБВ (УЛБВ, в англоязычной литературе - Traveling Wave Tube Amplifier - TWTA). Устройство УЛБВ [50] проиллюстрировано на рисунке
На рисунке 1.2 можно увидеть: электронную пушку со сложной структурой скоростей электронов по сечению пучка; спиральную широкополосную замедляющую структуру; многоступенчатый коллектор для рекуперации потребляемой от источника питания мощности. Типичные амплитудные характеристики УЛБВ представлены выше на рисунке 1.1. Как показывают экспериментальные исследования, при разных сочетаниях напряжений на спирали, на секциях коллектора и на управляющем электроде по отношению к напряжению на катоде, при разных значениях тока луча энергетические и интермодуляционные характеристики УЛБВ могут отличаться, обеспечивая для одночастотного сигнала выходную радиочастотную мощность до 100 Вт на частоте 19,5 ГТц с КПД около 60% при коэффициенте усиления до 50 дБ.
На рисунке 1.3 можно увидеть схему узлов многокаскадного усилителя мощности, состоящего из предусилителя, промежуточного и основного усилителей, промежуточного и выходного вентилей для ослабления отражённых волн и вспомогательного фазовращателя. Так как одиночный каскад ТУМ имеет усиление 10-15 дБ, то для получения общего усиления в 45 - 50 дБ для приложений в составе бортовой спутниковой аппаратуры необходимо применение нескольких каскадов. Помимо этого, каждый из активных элементов характеризуется своим сочетанием параметров AM/AM и АМ/ФМ преобразования, что создаёт трудности для машинного анализа характеристик многокаскадного ТУМ.
Пример характеристик АМ/АМ и АМ/ФМ преобразования для твёрдотельного усилителя мощности [34] представлен на рисунке 1.4.
Характерным для амплитудных характеристик транзисторных усилителей с ростом входной мощности является наличие зоны насыщения, в которой мощность выходного сигнала, изменяясь монотонно, достигает предельного значения. Параметр максимальной выходной мощности Л,ых.макс при одночастотном входном сигнале является паспортным.
В паспортных данных ТУМ и УЛБВ указывают также значения РВХДБ и ЛЇЬІХІДБ для точки А (см. рисунок 1.4), в которой коэффициент передачи кр(Рвх) снижается на 1 дБ по сравнению со своим максимальным значением кР0. Условно режим с Рвх Рвх\пъ считают линейным [36].
Необходимо понимать, что при любых значениях входной мощности, в том числе при Рвх РВХ]Дь, классический закон Ома выполняется не абсолютно точно, всегда имеют место интермодуляционные явления в УМ, которые количественно должны быть оценены. В качестве условной границы входной мощности .Рвх.нао характеризующей переход в режим насыщения, по умолчанию принимают точку Б на рисунке 1.4,в которой выходная мощность на 2 дБ ниже предельного значения Рвых нас = Рвых мах - 2 дБ.
С учётом такой нормировки в характеристиках усилителей мощности в англоязычной литературе используют параметры: а) относительной входной мощности Y = Рвх/Рвх тс (Input Power Back Off-ІВО); б) относительной выходной мощности Z = Ряых/Ряых нас (Output Power Back-Off- OBO).
Оценка уровня интермодуляционных искажений
Как правило, усиливаемые по мощности в спутниковых ретрансляторах сигналы [67] имеют несущую частоту Уо от 2 до 30 ГГц и узкую относительную полосу частот. Поскольку выполняется условие относительной узкополосности (1.6), то радиосигналы можно считать квазисинусоидальными и использовать их модели в виде комплексных амплитуд. Такой узкополосный сигнал описывается выражением «вх(0 = /BX(0 COS[GV + фвхО)] = Um(tycoa[0m(t)], (2-1) где /вх() и Фвх(0 = ( 0t + Фвх(0 - соответственно амплитуда и фаза сигнала, (В0 = 2л/о - несущая частота. Амплитуда UBX(t) и вариации фазы (рвх(/) относительно фазы несущего колебания содержат передаваемую информацию [68], являются функциями времени и представляют изменяющиеся медленно по сравнению с периодом несущего колебания модулируемые параметры сигнала:
В качестве вида модуляции обычно используется 2-х, 4-х или 8-ми позиционная фазовая манипуляция ФМ-N [69], 2-х позиционная манипуляция частоты с минимальным сдвигом частоты (МЧМ). В ряде систем спутниковой связи применяют кодоамплитудную манипуляцию (КАМ, в англоязычной литературе - Quadrature Amplitude Modulation - QAM) или передача сигналов со многими ортогональным несущими (СМН, в англоязычной литературе - Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM) [70]. Сам по себе вид модуляции не имеет решающего значения для поиска компромисса в указанных выше противоречивых требованиях достижения высоких значений КПД и высокочастотной мощности, малого уровня искажений и внеполосных излучений. Важно при этом, что из-за необходи
Анализ нелинейных явлений в усилителях мощности мости обеспечения компактности спектра, вызванного требованиями ЭМС, сигналы спутниковых систем передачи информации проходят процедуру ограничения занимаемой полосы частот в соответствии с установленной частотной маской. При этом сигнал с любым способом цифровой модуляции приобретает глубокие изменения амплитуды, что в нелинейном режиме использования усилителя мощности с компрессией усиления и амплитудно-фазовой конверсией приводит к недопустимому возрастанию уровня ИМИ.
Цифровые виды модуляции предполагают скачкообразное изменение модулируемого параметра радиосигнала при изменении передаваемого символа. Однако скачки фазы, амплитуды или частоты квазисинусоидального сигнала приводят к недопустимому увеличению уровня излучений за пределами выделенной полосы частот, то есть к нарушению требований электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств. Для выполнения нормативов ЭМС, например, применяют сглаживание фронтов передаваемых информационных символов или полосовую частотную фильтрацию сигнала в каскадах радиопередающего устройства. Однако это может привести к недопустимому увеличению уровня межсимвольных искажений. Для снижения уровня межсимвольных искажений используют фильтры с характеристиками типа Найквиста [71], согласованные со скоростью передачи информации.
Указанные меры приводят к значительным изменениям мгновенной амплитуды UBX(t) и мощности PJ.t)=Ul(t)/(2-R), (2.2) где R - сопротивление нагрузки (по умолчанию принимают R = 50 Ом). Вариации амплитуды UBX(t) ужесточают требования к линейности амплитудной характеристики усилителя мощности РВЫХ(РВХ) и к уровню амплитудно-фазовой конверсии (АФК).
Искажения сигналов при их формировании и обработке принято разделять на частотные и нелинейные [72]. Глава 2. Анализ нелинейных явлений в усилителях мощности
Частотные искажения возникают в линейных частотно-зависимых цепях, когда на их входе действуют сигналы с полосой частот, превышающей полосу пропускания цепи. Такие искажения возникают из-за непостоянства амплитудно-частотных и нелинейности фазо-частотных характеристик линейной цепи. Если входной сигнал многочастотный, то действие линейных искажений приводит к изменению лишь соотношения между амплитудами и фазами компонент выходного сигнала. Если на входе частотно-зависимой линейной системы действуют два или более модулированных сигналов с различными несущими частотами, то внеполосные составляющие их спектров суммируются, но при этом не появляются новые частотные компоненты.
Нелинейные искажения разделяют в свою очередь на интермодуляционные и перекрестные. Одночастотный входной сигнал приводит к появлению в нелинейной цепи составляющих с кратными частотами (высших гармоник), а в цепях с нелинейной реактивностью - возможно дополнительно появление субгармонических спектральных компонент входного сигнала [55]. Многочастотный входной сигнал приводит (см. рисунок 2.1) к появлению новых частотных составляющих с комбинационными частотами
Предельные характеристики усилителя мощности с предыскажающим линеаризатором
Электродинамический метод основан на решении уравнений Максвелла [84] в спектральной области, сформулированных для трёхмерного устройства, находящегося в прямоугольном корпусе. Четыре боковые стенки прямоугольного корпуса всегда являются идеально проводящими. Верхняя и нижняя границы корпуса могут моделироваться как идеально проводящие поверхности, поверхности с потерями или как бесконечные волноводы [77].
Полная задача электромагнитного моделирования всегда разделяется на набор задач в отдельных блоках, в которых можно численно решить уравнения Максвелла. Электромагнитные моделирующие программы традиционно относятся к трём категориям: «2-D», «2,5-D» и «3-D». 2-D моделирующие программы могут анализировать только непрерывные структуры, бесконечные в одном направлении. Практически, к этому классу относятся лишь идеальные линии передачи и некоторые вол-новодные задачи. 2-D моделирующее устройство анализирует планарные структуры и определяет постоянную распространения однородного отрезка линии, волновое сопротивление и коэффициент связи. 2-D моделирующие программы самые быстрые, но наиболее ограниченные. 3-D моделирующие программы могут анализировать практически любую структуру и предназначены для расчёта планарных конфигураций с коаксиальным Т-соединителем и других трёхмерных задач. 3-D моделирующие устройства могут анализировать почти любую задачу, но требуют большего времени и больших вычислительных затрат. 2,5-D моделирующие программы разработаны в основном для планарных схем. В тоже время они менее гибкие, чем 3-D программы, но работают намного быстрее и подходят для микрополосковых линий, полос-ковых и других подобных конфигураций. Наиболее распространёнными программными пакетами, содержащими блок электродинамического анализа, являются Microwave Office (MWO) фирмы Applied Wave Research (AWR) [85] и Advanced Design Sys Глава 2. Анализ нелинейных явлений в усилителях мощности tem (ADS) фирмы Agilent Technologies [86] Эти системы относятся к 2,5 мерным системам. Максимальной универсальностью с точки зрения решения трёхмерных задач электродинамики обладают такие системы как High Frequency System Simulator (HFSS) и Microwave Studio (MWS) [87].
Следует отметить, что универсальность электродинамики не отрицает возможности и необходимости использования как низкочастотных, так и высокочастотных методов описания полей. Их применение определяется соображениями целесообразности и удобства, которые при проектировании РЭА играют весьма важную роль. Можно говорить о следующей тенденции: хорошо развитые и хорошо зарекомендовавшие себя подходы должны органично интегрироваться в систему проектирования со строгими методами электродинамики.
Здесь необходимо отметить метод S-параметров (от англ. Scattering -рассеяние), которые являются важнейшими элементами микроволновой теории и основными измерительными характеристиками ВЧ и СВЧ устройств [88].
В настоящее время появилась возможность точного, практически реализуемого метода для моделирования и разработки нелинейных компонент на высоких частотах. Прогресс в области коммуникаций обязывает активные устройства соответствовать все более жестким требованиям работы.
Система учета нелинейных явлений в цепях с распределенными параметрами с патентованным наименованием «Х-параметры» [89 -91] является по существу расширенной версией S-параметров, приспособленной для линейных и нелинейных компонентов, в условиях работы с сигналами как низкого, так и высокого уровня. Х-параметры переходят в S-параметры, если анализируемый сигнал имеет низкий уровень. Однако, в отличие от S-параметров, Х-параметры содержат детализированную и полезную информацию, включающую амплитуду и фазу искажений, которые возникают при работе с сигналами высокого уровня. Глава 2. Анализ нелинейных явлений в усилителях мощности
Х-параметры представляют собой расширенный набор малосигнальных матричных S-параметров. С их помощью можно проводить измерения и моделировать радиочастотные компоненты, разрабатывать нелинейные цепи и узлы в системе автоматического проектирования [86].
Рассмотрим модель линеаризованной усилительной системы, состоящей из УМ и линеаризатора (см. рисунок 2.12). Усилитель мощности представлен Z(Y) и Ф{Т) характеристиками, взятыми из паспортных данных на усилительный элемент. Линеаризатор соответственно должен скорректировать комплексную нелинейность УМ, поэтому методика определения параметров Y(X) и (Х) характеристик линеаризатора будет описана в данном параграфе. Z(Y) и Ф(Т) соответствуют амплитудной и амплитудно-фазовой характеристикам усилителя мощности, a Y(X) и Ф{Х) - характеристикам линеаризатора. Для описания характеристик данной модели воспользуемся методом медленно меняющихся амплитуд.
В соответствии со схемой рисунка 2.12,а на вход Линеаризатора поступает радиосигнал х{Ш) с несущей частотой со0 = 2тг/о, модулированный по амплитуде и/или по фазе колебанием с частотой Q = 2nF. Дискретное представление этих сигналов и колебаний в модели характеризуется частотой дискретизации/,, которая должна быть в несколько раз выше, чем несущая частота
Исследование процедуры адаптации характеристик усилительной системы
Цель данного раздела - экспериментальная проверка правильности выбора структуры и параметров математических моделей усилителя мощности и линеаризатора, количественная оценка выигрыша по уровню искажений и уточнение рекомендаций по выбору параметров адаптации характеристик линеаризованного УМ.
В работе использована покупная микросхема SC1889 фирмы Scintera [41]. Она представляет собой линеаризатор предыскажающего типа для коррекции нелинейных характеристик СВЧ УМ с выходной мощностью до 60 Вт, полосой входного сигнала до 40 МГц и рабочим диапазоном частот от 0,7 до 2,8 ГГц. Данная система подходит для лабораторных исследований, но для практического использования в бортовой спутниковой аппаратуре она не годится по нескольким причинам: 1) внутреннее устройство микросхемы - коммерческая тайна; 2) на мировом рынке данный элемент появился недавно (в 2011 г.) и не проведены ее комплексные исследования; 3) предназначена для транзисторных УМ ретрансляторов наземной сотовой связи; 4) надёжность и стабильность характеристик для эксплуатации в условиях космического пространства неизвестны; 5) отсутствие внутри несанкционированных потребителем закладок не проверено.
Структурная схема (а) и внешний вид (б) отладочной платы линеаризатора СТ1, СТ2, СТЗ - симметрирующий трансформатор; ЦС1, ЦС2, ЦСЗ - цепь согласования; Вход ОС - вход обратной связи (с выхода УМ); SPI - шлейф согласования с USB для ввода данных в микросхему
Экспериментальное изучение характеристик линеаризованных усилителей мощности СВЧ сигналов производилось в ОАО «Российские космические системы» и на кафедре «Формирования колебаний и сигналов» НИУ «МЭИ». Экспериментальное изучение линеаризованного усилителя мощности нем собственных погрешностей (0,004 дБ при полосе частот равной 70 кГц), высокой температурной стабильностью (0,005 дБ/С); 2) измеритель мощности NRP-Z24 [105]; 3) датчик мощности типа 8481 [86] характеризуется низким значением КСВН для уменьшения погрешности рассогласования, широким диапазоном измерения средней мощности (около 50 дБ), диапазоном частот от 10 МГц до 18 ГГц; 4) аттенюатор с ослаблением на 16 дБ; 5) ответвитель с ослаблением на 20 дБ; 6) источник питания; 7) устройство сопряжения; 8) блок (устройство) сбора данных; 9) шасси питания прибора и подача ВЧ сигнала; 10) испытываемый прибор; 11) базовая (теплоотводящая) плита; 12) устройство нагрева и охлаждения; 13) аттенюатор с ослаблением на 20 дБ; 14) анализатор спектра серии Е4440 [86] с абсолютной погрешностью измерения уровня ±0,19 дБ, средним уровнем собственного шума -155 дБм, уровнем фазовых шумов -118 дБн/Гц при отстройке 10 кГц, динамическим диапазоном измерения относительной мощности в соседнем канале (ACLR) системы W-CDMA 81 дБ; 15) аттенюатор с ослаблением на 30 дБ; 16) устройство для обмена данными с компьютером.
При помощи стенда №1 произведены измерения амплитудных характеристик и интермодуляционных искажений УЛБВ TL20040E фирмы Tha-les [53] с фазоманипулированными сигналами ФМ-4 и шириной полосы 50 МГц. Результаты - в параграфе 4.2.
Структурная схема аппаратно-программного комплекса Лаборатории Автоматизированных Измерений устройств Формирования Сигналов (ЛАИФС) и его внешний вид проиллюстрированы на рисунке 4.3.
На рисунке 4.3,а показаны следующие модульные приборы производства National Instruments [107] и радиочастотные макетные узлы: 1) мост-сумматор (X); 2) генератор радиочастотных сигналов (PXI-5651) обеспечивает выходной сигнал синусоидальной формы (уровень гармоник не более -15 дБн) с частотой 500 кГц до 3 ГГц и мощностью до +10 дБмВт; фазовый шум не более -125 дБн/Гц при отстройке на 10 кГц от несущей 100 МГц; Экспериментальное изучение линеаризованного усилителя мощности частота задается цифровым синтезатором с шагом 1 Гц; предусмотрено формирование сигналов с модуляцией частоты по типовым законам с девиацией до 125 кГц; с двухуровневой манипуляцией частоты по закону псевдослучайной последовательности (ПСП); 3) испытуемый прибор (ИП); 4) цепь согласования (ЦС); 5) усилитель постоянного тока (УПТ); 6) устройство ввода/вывода (PXI-6259); 7) векторный анализатор сигналов (PXI-5660) состоит из квадратурного преобразователя полосы частот вниз (РХ1-5600) и модуля оцифровки (PXI-5142): обеспечивает векторный и спектральный анализ сигналов с несущей частотой до 2,7 ГГц при мгновенной полосе до 20 МГц; динамический диапазон 80 дБ; спектральная плотность мощности собственного фазового шума -95 дБн/Гц при отстройке на 10 кГц от частоты 1 ГГц; 8) управляющий контроллер (РХ1-8106) выполнен на основе процессора Intel. Функционирование контроллера и модульных приборов поддерживается программными средствами Windows ХР, LabVIEW, LabWindows/CVI. Взаимодействие и синхронизация работы модульных приборов по шине PXI (PCI Extension for Instrumentation) происходит со скоростью 132 Мбит/с; 9) измеритель высокочастотной мощности (USB-5680); 10) шасси (PXI-1045) на которое установлены генераторные и кон трольно-измерительные модули.
Испытуемый ТУМ представляет собой биполярный транзистор КТ939А с выходной мощностью до 5 Вт при одночастотном входном сигнале, коэффициентом усиления - 15 дБ, КПД около 30 %. Напряжение коллекторного питания и рабочей точки смещения базовой цепи регулируются в широких пределах клиентской программой при помощи сетевой технологии. Имеется входной мост-сумматор для измерения ИМИ по двухчастотной методике.
