Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ литературы по расширению динамического диапазона усилительных трактов спутниковых ретрансляторов 11
1.1. Ретрансляторы подвижных систем спутниковой связи с разночастотными сигналами 12
1.2. Проблемы расширения динамического диапазона усилительных трактов ретрансляторов с разночастотными сигналами 17
1.3. Нелинейные эффекты в усилительных трактах ретрансляторов 21
1.4. Методы линеаризации и исследования нелинейных транзисторных СВЧ-УМ с разночастотными сигналами 31
Выводы 40
2. Теория методов спектрального анализа нелинейных транзисторных СВЧ-УМ с разночастотными сигналами 41
2.1. Математические модели СВЧ-УМ и разночастотных сигналов в широкодиапазонных трактах ретрансляторов 42
2.2. Методы анализа нелинейных транзисторных СВЧ-УМ в квазистационарном режиме усиления 46
2.3. Квазистационарный метод анализа нелинейных усилительных трактов с аппроксимацией передаточных характеристик 54
2.4. Оценка независимого влияния нелинейности АХ и неравномерности ФАХ СВЧ-УМ на вькодной комбинационный спектр 68
Выводы 82
3. Методы увеличения динамического диапазона усилительных трактов ретранслятора с разночастотными сигналами 83
3.1. Линеаризация амплитудной характеристики и снижение АФК транзисторных СВЧ-УМ ретрансляторов 84
3.2. Способы построения корректоров передаточных характеристик транзисторных СВЧ-УМ 102
3.3. Автоматизированное проектирование моделей и разработка элементов корректоров характеристик СВЧ-УМ 111
Выводы 114
4. Моделирование, разработка и экспериментальное исследование линейных транзисторных СВЧ-УМ 115
4.1. Моделирование линейных транзисторных СВЧ-УМ по экспериментальным передаточным характеристикам 116
4.2. Разработка и экспериментальное исследование линейных СВЧ-УМ при усилении группы разночастотных сигналов 120
4.3. Оценка точности расчета мощности сигналов и составляющих ИМИ квазистационарным методом 136
4.4. Методы повышение эффективности систем спутниковой связи 139
Выводы 145
Заключение 146
Список литературы 147
Приложения 162
- Проблемы расширения динамического диапазона усилительных трактов ретрансляторов с разночастотными сигналами
- Методы анализа нелинейных транзисторных СВЧ-УМ в квазистационарном режиме усиления
- Способы построения корректоров передаточных характеристик транзисторных СВЧ-УМ
- Разработка и экспериментальное исследование линейных СВЧ-УМ при усилении группы разночастотных сигналов
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время в различных областях человеческой деятельности все большую роль играют подвижные спутниковые системы связи (ССС). Накопленный опыт разработки и эксплуатации таких систем, а также сравнительная простота их оборудования послужили причиной того, что в большинстве действующих ССС, включая спутниковые системы связи России, в ретрансляторах используется многостанционный доступ с частотным разделением каналов (МДЧР). Поскольку при этом в мобильных спутниковых ретрансляторах применяют большое число разночастотных (часто, многочастотных, групповых) сигналов, то их рабочие полосы должны быть достаточно широки. Рост скоростей и объемов потоков информации требует повышенной пропускной способности каналов связи, что может быть достигнуто увеличением динамического диапазона (ДД) и расширением рабочей полосы пропускания усилительных трактов ретрансляторов.
Важнейшей интегральной характеристикой устройств усиления и обработки сигналов является динамический диапазон, который связан, с одной стороны, с чувствительностью, а с другой стороны, с проявлением их нелинейных свойств. Решение задачи расширения динамического диапазона спутниковых систем связи и повышения качества их функционирования непосредственно связано с обеспечением линейности усилительных трактов прохождения разночастотного сигнала. Особенно большое влияние на качество каналов передачи информации оказывает нелинейность передаточных амплитудных характеристик (АХ) и фазоамплитудных характеристик (ФАХ) транзисторных СВЧ-усилителей мощности (СВЧ-УМ), относящихся к классу нелинейных динамических систем, или устройств с комплексной нелинейностью (УКН). Нелинейность АХ СВЧ-УМ проявляется в нелинейном АМ/АМ-преобразовании разночастотного сигнала, а неравномерность ФАХ — в паразитном преобразовании амплитудной модуляции в фазовую, т. е. в возникновении амплитудно-фазовой конверсии (АФК). Все это приводит к возникновению интермодуляционных искажений (ИМИ). Проблема создания широкополосных СВЧ-устройств ретрансляторов с расширенным динамическим диапазоном традиционно является одной из основных задач радиотехники.
Основной причиной, препятствующей расширению полосы принимаемых частот, являются паразитные каналы приема, образующиеся, в частности, за счет ИМИ СВЧ-УМ. Они ограничивают реальный динамический диапазон усилительных трактов ретрансляторов. На современном этапе развития техники передачи, приема и обработки информации требования к ДД возрастает с каждым годом. Это объясняется, во-первых, улучшением качественных показателей устройств, а во-вторых, существенным усложнением электромагнитной обстановки. Последнее связано с ростом энергетического уровня всевозможных помех, а также с увеличе-
ниєм их числа и видов. Для многих радиосредств характерна также устойчивая тенденция к усложнению приемопередающей аппаратуры, размещение ее на ограниченных площадях (на судах, самолетах, ретрансляторах и т. д.) или работающей от общих антенных устройств.
Нижняя граница динамического диапазона определяется шумами трактов, а верхняя — уровнем нелинейных искажений, т.е. фактически уровнями возникающих в СВЧ-УМ ИМИ. Нелинейные свойства тракта могут быть оценены с помощью допустимого коэффициента гармоник огибающей группового сигнала, коэффициента сжатия амплитуды радиосигнала и т. д. Относительное изменение уровней помех и полезных разночастотных сигналов на выходе передатчика и входе приемников в обычных условиях работы, т. е. динамический диапазон входных воздействий, должен достигать 100...120 дБ. Передать сигналы с таким ДЦ линейно через весь приемопередающий тракт ретранслятора представляет значительные технические трудности.
Итак, динамический диапазон и линейность передаточных характеристик приемопередающих трактов систем связи неразрывно и тесно связаны с друг другом и оказывают главное влияние на параметры и характеристики ретрансляторов и эффективность спутниковых систем связи (ССС).
Проблемам увеличения динамического диапазона трактов и нелинейных явлений в транзисторных СВЧ-усилителях мощности систем связи посвящены труды В.И. Каганова, Б.М. Богдановича, Г.М. Крылова, Е.Д. Сунде, Р.Т. Вест-котта, Е. Бедросяна и др. Данные вопросы рассмотрены в многочисленных работах О.П. Новожилова, А.А. Титова, Ю.Л. Хотунцева, ЛЛ. Кантора, В.И. Нефедова, А.Ш. Касымова, М.С. Ярлыкова, Д. Меллора и других отечественных и зарубежных специалистов, которыми к настоящему времени разработано ряд методов расширения динамического диапазона и линеаризации СВЧ-УМ трактов систем подвижной связи. Однако этим методы имеют определенны недостатки, поэтому сохраняется потребность к созданию новых методов и увеличения динамического диапазона и линеаризации СВЧ-УМ систем связи.
Решение этой серьезной научной проблемы определяет актуальность диссертационной работы, направленной на увеличение динамического диапазона трактов ретрансляторов систем спутниковой связи и линеаризацию передаточных характеристик транзисторных СВЧ-усилителей мощности и компенсации ИМИ, что позволяет существенно повысить верность передачи информации, улучшить энергетические показатели, сузить рабочие полосы и увеличить надежность систем спутниковой связи различного назначения в интересах всех отраслей экономики страны.
Целью работы является создание новых методов исследования комбинационного спектра и разработка технических устройств, обеспечивающих решение проблемы увеличения динамического диапазона и линеаризации транзисторных СВЧ-УМ с повышенными энергетическими характе-
ристиками и минимальными ИМИ при усилении групповых сигналов.
Анализ нелинейных систем с разночастотными сигналами точными методами затруднен ввиду большой сложности, а зачастую и принципиальной невозможности. В диссертации для этих целей предложен спектральный метод исследования нелинейных СВЧ-УМ с разночастотными сигналами в квазистационарном (квазистатическом) режиме. В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе рассмотрены-.
Методы увеличения динамического диапазона усилительных трактов ретрансляторов систем спутниковой связи.
Вероятностная модель нелинейных транзисторных СВЧ-УМ при усилении разночастотных сигналов, основанная на анализе амплитудной и фа-зоамплитудной характеристик усилительного тракта ретранслятора.
Квазистационарный метод анализа нелинейных транзисторных СВЧ-УМ с разночастотными сигналами, позволяющий рассчитывать выходной комбинационный спектр и составляющие ИМИ в ретрансляторах ССС.
Новые методы и технические решения построения транзисторных СВЧ-УМ с линейными передаточными амплитудными характеристиками и малыми значениями амплитудно-фазовой конверсии.
Способ автоматической линеаризации свойств нелинейных СВЧ-УМ с помощью амплитудных и фазовых корректоров с цифровым и адаптивным управлением.
Программное обеспечение для исследования различных нелинейных СВЧ-устройств и систем спутниковой связи на компьютере.
Рекомендации по увеличению пропускной способности и эффективности систем спутниковой связи с МДЧР.
Методы исследования. В работе использованы методы спектрального анализа нелинейных динамических систем, метод функциональных рядов Вольтерра, аппарат функций комплексного переменного, дифференциальные и интегральные преобразования, теория вероятностей и математическая статистика, математическое моделирование и способы аппроксимации передаточных характеристик, теория передачи информации.
Научной новизной обладают следующие результаты работы.
Новый метод увеличения динамического диапазона трактов ретрансляторов, основанный на линеаризации передаточных характеристик СВЧ-УМ.
Вероятностная модель транзисторных СВЧ-УМ с разночастотными сигналами, представляемые через аппроксимацию передаточных АХ и ФАХ.
Предложенный квазистационарный метод анализа нелинейных СВЧ-УМ.
Схема корректора характеристик СВЧ-УМ, позволяющая линеаризировать АХ и снизить АФК.
Новые технические решения построения СВЧ-УМ с разночастотными сигналами и автоматической цифровой коррекцией передаточных АХ и ФАХ.
6. Рекомендации по увеличению пропускной способности и эффективности систем спутниковой связи с МДЧР.
Практическая ценность заключается:
В исследовании и разработке усилительных трактов ретрансляторов с увеличенным динамическим диапазоном, линейными СВЧ-УМ с малыми уровнями ИМИ, что позволило повысить КПД, выходную мощность и расширить полосу рабочих частот систем спутниковой связи.
В создании комплексной программы по компьютерному анализу и расчету комбинационного спектра и составляющих ИМИ на выходе транзисторных СВЧ-УМ, применяемых в ретрансляторах.
Разработке амплитудных и фазовых корректоров и схем линеаризации передаточных характеристик транзисторных СВЧ-УМ с адаптивным управлением и обратными связями.
Разработке экспериментальных методик измерения односигнальных и многосигнальных передаточных АХ и ФАХ.
Основные научные положения, выносимые на защиту
Новый метод увеличения динамического диапазона трактов ретрансляторов, основанный на линеаризации передаточных характеристик СВЧ-УМ.
Вероятностная модель транзисторных СВЧ-УМ с разночастотными сигналами, представляемые через аппроксимацию передаточных АХ и ФАХ.
Предложенный квазистационарный метод анализа нелинейных СВЧ-УМ с разночастотными сигналами с использованием аппроксимации АХ и ФАХ функциями Бесселя и численными исследованиями на компьютере.
Схема корректора характеристик СВЧ-УМ, позволяющая линеаризировать АХ и снизить АФК.
5.Новые технические решения построения СВЧ-УМ с разночастотными сигналами и автоматической цифровой коррекцией передаточных АХ и ФАХ.
6. Рекомендации по увеличению пропускной способности и эффективности систем спутниковой связи с МДЧР.
Основные результаты диссертационной автора работы внедрены на
предприятиях ОАО «Концерн радиостроения «ВЕГА», ЦНИИ «Радиосвязь», в НИИ космических систем - филиал ГКНПЦ имени М.В. Хруничева, в институте общей физики им. A.M. Прохорова РАН, применены в учебном процессе в Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете) и Московском государственном институте электроники и математики (техническом университете). Результаты работы отражены в 4 учебниках с грифом Министерства образования и науки РФ "Допущено" в качестве учебника для студентов учреждений среднего профессионального образования и учебном пособии с грифом УМО «Допущено» в качестве учебного пособия для студентов специальности "Радиотехника".
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались с 2001-го по 2009 год на научно-технических конференциях и семинарах в Московском государствен-
ном институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете), Московском энергетическом институте (техническом университете), на конференциях и заседаниях НТОРЭС им. А.С. Попова, на международных и Всероссийских научно-технических конференциях.
Достоверность основных теоретических положений подтверждена:
созданием широкого класса СВЧ-УМ, внедренных в состав радиотехнических систем различного назначения;
экспериментально в процессе исследований разработанных линейных транзисторных СВЧ-УМ;
- точностью расчетов параметров с помощью спектрального метода
(0,15...0,25 дБ), что соизмеримо с погрешностью измерительных приборов;
расчетными оценками границ применения алгоритмов и методик;
актами о внедрении и использовании научных и практических результатов диссертации;
совпадением результатов настоящей работы с данными, полученными другими авторами.
Публикации. Результаты проведенных в диссертации исследований опубликованы автором более чем в 35: 4 статьях в ведущих научных журналах и изданиях, выпускаемых в Российской Федерации и рекомендуемых ВАК для публикация основных материалов диссертаций, представляемых на соискание ученой степени кандидата наук; 19 статьях в сборниках трудов международных научно-технических конференций; 7 статьях в научно-технических сборниках издательств МИРЭА и других высших учебных заведениях и научно-исследовательских институтов; в 4 учебниках с грифом Министерства образования и науки РФ «Допущено» в качестве учебника для студентов учреждений среднего профессионального образования и учебном пособии с грифом УМО «Допущено» в качестве учебного пособия для студентов специальности «Радиотехника».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов;- заключения, 3 приложений, списка источников информации, включающего 168 наименований; содержит 158 страниц текста, 46 рисунков и 9 таблиц.
Проблемы расширения динамического диапазона усилительных трактов ретрансляторов с разночастотными сигналами
Важнейшей интегральной характеристикой приемопередающего СВЧ-тракта ретранслятора, и прежде всего радиоприемного устройства (РПУ), является динамический диапазон, который связан, с одной стороны, с чувствительностью тракта, с другой стороны, с проявлением нелинейных свойств его усилителей. Упрощенно динамический диапазон — область уровня сигнала, в пределах которых приемо-передающий тракт линеен в практическом смысле [4 - 7, 15 — 20]. В качестве количественной оценки динамического диапазона РПУ обычно принимают отношение максимального уровня сигнала к его минимальному уровню, при котором отношение сигнал/шум на выходе тракта равно заданному значению. Наиболее часто используют понятия динамического диапазона по мощности DP и напряжению DJJ\ L P с trmx - c minj \1 -U Du=UcmvJUcm\n. (1-2)
Как правило, минимальный уровень передаваемого или принимаемого сигнала берется равным предельной чувствительности тракта [5, 11, 17 - 18], т. е. Pcmin = Рш0. Чем больше Рс тах при одном и том же нижнем пороге динамического диапазона (1.1) — (1.2), тем выше линейность тракта.
Используемые на практике характеристики динамического диапазона должны быть удобны для измерения, а также расчетов детерминированных и статистических характеристик приемопередающего тракта. Различают динамические диапазоны по основному и соседнему каналам приема. Динамический диапазон по основному каналу определяется шумами,основного канала и. нелинейными свойствами тракта основного усиления. Последние могут быть оценены с помощью допустимого коэффициента гармоник огибающей АМ-сигнала, коэффициента сжатия амплитуды радиосигнала и т. д. На динамический диапазон в этом случае влияет АРУ, действие которой позволяет расширить динамический диапазон до 100 ... 120 дБ тракта [5, 21-23]. Динамический диапазон по соседнему каналу определяется (ограничен) "снизу" шумами основного канала, "сверху" нелинейными свойствами приемника или передатчика. Последние могут быть оценены с помощью допустимой величины коэффициентов перекрестных искажений, блокирования, уровней интермодуляционных составляющих определенного вида и т. д., то есть с помощью стандартных испытаний радиотрактов.
Если на первых этапах развития техники связи требования к динамическому диапазону были второстепенными, то на современном этапе их значение возрастает с каждым годом. Это объясняется, во-первых, тенденцией повышения качества приема, во-вторых, существенным усложнением электромагнитной совместимости (ЭМС) радиосистем. Последнее связано с ростом энергетического уровня всевозможных: помех, а также с увеличением их числа и видов. Для многих радиосредств характерна устойчивая тенденция к комплексированию радиопередающей и радиоприемной аппаратуры, размещаемой на ограниченных площадях (прежде всего РТР) или работающей от общих антенных устройств. В результате относительное изменение уровней помех и полезных сигналов, т.е. динамический диапазон входных воздействий, может составлять 90 — 100 дБ.
При работе систем связи в условиях экстремальной ЭМС он достигает 140... 160 дБ и более, при этом помехи измеряют единицами - десятками вольт. В таких условиях прием сигналов с заданным качеством не всегда возможен [1, 13-14]. Поэтому актуальнейшей задачей систем связи с разно-частотными сигналами является задача расширения динамического диапазона и приведения его в соответствие с динамическим диапазоном входных воздействий в условиях реальной ЭМС. К важнейшим задачам, позволяю-щим расширить ДД ретрансляторов, следует отнести: - создание теории, удобных методов (Проектирования усилительных каскадов с высокой линейностью; - разработку принципов построения различных приемопередающих трактов и их оптимизацию по критерию динамического диапазона; - изучение предельных возможностей усилительных трактов, а также определение новых перспективных путей их совершенствования. В зависимости от характера тракта, сигналов и помех различают следу ющие виды нелинейных эффектов, уменьшающих динамический диапазон. По характеру эффекта — гармонические, выражающиеся в появлении крат ных гармонических составляющих входного воздействия, попадающих в по лосу пропускания тракта: искажения закона модуляции полезного сигнала; перекрестные, выражающиеся в модуляции параметров полезного сигнала составляющими модуляции помехи [17 - 20]; ИМИ; вида ухудшения разли чимости полезного сигнала на фоне помехи, т.е. отношения сигнал/помеха, выражающегося как в уменьшении сигнала при действии помехи, так и в увеличении уровня помехи на выходе тракта; вида АФК.
АФК является причиной появления ИМИ, наиболее просто механизм образования которых может быть описан следующим образом. Спектр огибающей разночастотного сигнала имеет максимумы на частотах биений между сигналами. Изменения групповой амплитуды на входе СВЧ-УМ по закону биений преобразуются за счет АМ-ФМ-преобразования в фазовую модуляцию каждого сигнала. По существу под АФК понимают влияние амплитуды сигнала или помехи на фазовые характеристики усилительного тракта. Другими словами, конверсия колебания, обусловленная влиянием амплитуды полезного сигнала на его фазу, и называется АФК [4, 7 - 8, 11 - 14, 20]. Ретрансляторы с усилением разночастотного сигнала» на.СВЧ Ретрансляторы с усилением группового сигнала на СВЧ подразделяются на широкополосные и ствольные. Широкополосные РТР предназначены для передачи нескольких сообщений на отдельных несущих. Возможность передачи ряда несущих, промодулированных разными сообщениями, через оди» общий тракт предъявляет высокие требования к линейности амплитудной характеристики этого тракта. К РТР, работающим в режиме МДЧР, предъявляются специфические требования. Прежде всего, это относится к ДД усилителей и к линейности АХ тракта. Следует рассматривать линейность как отсутствие (или очень низкий уровень) паразитных комбинационных составляющих, попадающих рабочую полосу ретранслятора. Комбинационные составляющие возникают как за счет нелинейности АХ, так и за счет АФК. Требование к повышенному ДД и высокой линейности СВЧ-УМ относят не только к выходным устройствам РТР, но и ко всем элементам тракта. Поэтому при разработке РТР с МДЧР необходимо проверять линейность каждого активного элемента тракта. В каскадах приемопередатчиков ретрансляторов с МДЧР в качестве активных элементов применяют широкополосные СВЧ-УМ, выполненные на биполярных и полевых СВЧ-транзисторах.
Методы анализа нелинейных транзисторных СВЧ-УМ в квазистационарном режиме усиления
В диссертации для исследований широкополосных транзисторных СВЧ-усилителей мощности, а также устройств и систем с существенной нелинейностью передаточной АХ и значительной неравномерностью передаточной ФАХ разработан и используется метод аппроксимации передаточных характеристик в рамках квазистационарного метода нелинейных динамических систем с разночастотными сигналами.
Спектральный метод, исследования СВЧ-УМ в квазистационарном режиме усиления. Упрощенно суть предложенного метода нелинейных транзисторных СВЧ-УМ с разночастотными сигналами в квазистационарном режиме заключается в представлении нелинейного усилительного устройства. упрощенной эквивалентной схемой с передаточными АХ и ФАХ, полученными в одном из трех режимов усиления: односигнальном тестовом {одно-сигнальное представление); двухсигнальном тестовом- (двухсигналъное представление) , разночастотном реальном (многосигнальное представление).
Установлено, что односигнальные передаточные характеристики в достаточной мере определяют свойства исследуемого нелинейного транзисторного СВЧ-УМ. Но наиболее полно отражают свойства и параметры нелинейного транзисторного СВЧ-УМ многосигнальные передаточные характеристики. При анализе передаточные АХ и ФАХ нелинейного транзисторного СВЧ-УМ можно определить теоретически или получить экспериментально практически по любому числу передаваемых сигналов. Применение метода аппроксимации многосигнальных передаточных характеристик для нахождения параметров и комбинационного спектра разночастотного сигнала (по существу это усиление N входных сигналов — случайных статистически независимых величин) на выходе нелинейного транзисторного СВЧ-устройства является очень полезной в силу их эффективности при исследовании случайных процессов с существенно меняющейся дисперсией.
Оценим основные условия, позволяющие применять предлагаемые методы исследования нелинейных транзисторных СВЧ-УМ. При аналитическом исследовании нелинейных динамических систем (или УКН) используют нелинейный двух- или многополюсник,, который отражает лишь основные черты поведения реального нелинейного устройства. Отметим сразу и это можно отнести к недостаткам, что при использовании спектральных методов групповых огибающих приходится накладывать ряд специфических ограничений [5-13, 25, 43, 113, 120-121]: - основная нелинейность передаточных характеристик СВЧ-устройства сосредоточена в выходном транзисторном СВЧ-УМ - передаточные АХ и ФАХ УКН практически не зависят от рабочих частот, т.е. АХ в полосе рабочих частот линейна, а ФАХ — равномерна; - фильтры на выходе СВЧ-устройства подавляют все паразитные гармоники и в том числе составляющие ИМИ, кроме тех, которые попадают в полосы частот полезных сигналов; - амплитуда и фаза огибающей входного разночастотного сигнала изменяются медленно по сравнению с частотой несущей.
Оценим преимущества применения спектральных методов при усилении огибающих для исследования нелинейных динамических систем с раз-ночастотными сигналами. Прежде всего это универсальность — одно и тоже математическое и программное обеспечение может быть использовано для различного класса и типа УКН независимо от принципа работы и физики процессов, протекающих в самом устройстве. При этом для спектральных методов также характерно следующее [5, 26, 113]: существенно упрощаются-выражения, связывающие входное разночастотное воздействие с выходной реакцией нелинейного устройства; могут использоваться только односиг-нальные передаточные характеристики анализируемого СВЧ-тракта; возможность расчета комбинационного спектра и ИМИ независимо от числа входных сигналов и степени нелинейности передаточных характеристик.
Способы и формы анализа нелинейных транзисторных СВЧ-УМ. Подходы в рамках спектрального метода исследования нелинейных СВЧ-УМ разночастотных сигналов в квазистационарном режиме имеют несколько- методов анализа. В работе использована аппроксимация с помощью функциональных рядов Вольтерра и квадратурных составляющих сигнала.
Метод представления нелинейных усилительных трактов с помощью функциональных рядов.Вольтерра. Как уже отмечалось, метод рядов Вольтерра широко используется при исследованиях характеристик и параметров динамических систем, в том числе и транзисторных нелинейных СВЧ-УМ [8, 12, 113, 120-123]. Метод рядов Вольтерра-позволяет установить аналитическую-связь между входным, и выходным сигналами, в том числе и между их спектрами., Чаще исследование нелинейных критериев, связанных с искажением разночастотных сигналов, выполняют методами анализа нелинейных устройств во? временной области [100]- поэтому был проверен» этот подход и сопоставлен с полученными автором результатами [123-K24J.
Способы построения корректоров передаточных характеристик транзисторных СВЧ-УМ
Рассмотренные и предложенные схемы линеаризации передаточных характеристик имеют недостатки, к которым можно отнести наличие задержки входного разночастотного сигнала при прохождении им петли обратной связи, необходимость введения дорогостоящих цифровых сигнальных процессоров и т.п. Основные задачи, стоящие перед исследователями и разработчиками — линеаризация амплитудной характеристики и сведение к минимуму амплитудно-фазовой конверсии при прохождении через усилитель разночастотного сигнала. Рассматривая АХ и ФАХ исследуемого СВЧ-УМ можно отметить, что величина общего фазового набега складывается из фазовых набегов во входной фвх(/) и выходной фвыхСО согласующих цепях, а также в активном Элементе уСИЛИТеЛЯ фаэ( Рц\) ф(/) = фпх(У) + Фшлх(/) + фаэ( Ртд- (3.13)
Уравнение (3.13) показывает, что фазовые набеги во входной и выходной согласующих цепях являются функциями частоты, а фазовый сдвиг в активном элементе зависит еще от уровня входной мощности. Поэтому предъявляются жесткие требования к АХ усилителя. Методы синтеза согласующе-трансформирующих цепей достаточно хорошо описаны в современной литературе. Следовательно, схемотехническая реализация корректора характеристик, описанного ниже, является сложной, но вполне реализуемой задачей. Коррекция ФАХ СВЧ-УМ может быть реализована рядом методов.
Схелто-режимный метод. При этом в СВЧ-усилитель вводится дополнительный контур, настроенный на частоту, близкую ко второй гармонике входного сигнала. В результате этого уровень внеполосных комбинационных составляющих в спектре снижается на 10 дБ. Специализированный корректор передаточных характеристик СВЧ-УМ, обеспечивающий дополнительный набег фазы, зависящий от уровня входного сигнала. Этот набег фазы должен иметь такое значение, чтобы нелинейные искажения в цепи корректор-усилитель были бы сведены к минимуму.
Корректор со схемой автоматического регулирования. В этом случае значение фазового набега корректируется в зависимости от результирующего сигнала ошибки. Данная функция отражает разницу между неискаженным усиливаемым сигналом (без ИМИ), поступающим на вход усилителя и выходным усиленным сигналом с ИМИ в спектре.
При решении задачи линеаризации следует учитывать, что, обычно в современных ретрансляторах, особенно, в устройствах с цифровой обработкой сигналов, схемно-режимный способ не дает значительного выигрыша. Применение высокоточных корректирующих устройств в ряде случаев значительно улучшает показатели систем передачи информации, однако стоимость подобных систем и комплексов значительно возрастает. Весьма перспективным направлением является разработка систем автоматического регулирования передаточных АХ и ФАХ в зависимости от сигнала ошибки, поступающего со сравнивающего устройства. Говоря об описанных схемах необходимо отметить, что присущие им недостатки (задержка в петле обратной связи, необходимость установки процессоров и ОЗУ), были сведены к минимуму в результате использования схем прямой связи. В отличие от схем, в которых применение ОС увеличивает время обработки сигналов, здесь коррекция характеристик происходит практически в режиме реального времени.
Разработанная структурная схема корректора с прямой связью с двух-частотным тестовым сигналом показана на рис. 3.11. Достаточно упрощенно принцип работы данного корректора заключается в следующем [154 - 156]. Часть двух полезных сигналов, поступающих через электронно-управляемые аттенюатор (ЭА1) и фазовращатель (ФВ1) на вход нелинейного СВЧ-УМ, с направленного ответвителя HOI подается на вход смесителя.
На второй вход смесителя через направленный ответвитель Н02 поступает усиленные сигналы с выхода СВЧ-УМ. В результате нелинейности АХ и ФАХ СВЧ-УМ, в выходном спектре будут иметь место продукты ИМИ: Для выделения продуктов ИМИ, необходимо, чтобы искаженный и неискаженный полезные сигналы подавались на входы смесителя в противофазе (сдвинуты относительно друг друга на 180). Для обеспечения этого сдвига в схему и включена линии задержки т (сдвиг 180). Таким образом, в первой петле происходит подавление полезных сигналов (несущих), выделение ИМИ и инвертирование последних по фазе на 180. Вторая петля предназначена для подавления ИМИ в спектре разночастотного выходного сигнала. Сигнал ошибки (составляющие ИМИ), инвертированный по фазе, с выхода смесителя через электронно-управляемые аттенюатор (ЭА2) и фазовращатель (ФВ2) поступает на вход линейного усилителя ИМИ и далее на сумматор передатчика. Искаженный двухчастотной тестовый сигнал с ИМИ с выхода СВЧ-УМ, пройдя линию задержки т, также поступает на сумматор Е, где происходит сложение искаженного разночастотного сигнала с ИМИ, инвертирован ными по фазе. В результате, на выходе такого корректора имеем выходной усиленный сигнал, в котором подавлены ИМИ. Для настройки элементов линеаризации АХ в корректоре установлен электронно-управляемый аттенюатор, а для коррекции ФАХ — электронно-управляемый фазовращатель.
Для того чтобы синтезировать требуемые ФАХ исследуемого СВЧ-УМ необходимо рассмотреть электронную систему, в которую входит корректор, включающий в себя аттенюатор с фазовращателем и нелинейный транзисторный СВЧ-усилитель мощности. Для этой системы примем следующие условные обозначения: X — амплитуда сигнала на входе корректора; Y — амплитуда сигнала на входе усилителя; Z — амплитуда сигнала на выходе усилителя; (рЛ, ср ,, ср- — фазы сигналов соответственно на входе корректора, на входе и на выходе СВЧ-УМ; Ак — амплитудная характеристика корректора; Ау — амплитудная характеристика усилителя; Аук — амплитудная характеристика усилителя с корректором; Фк — фазоамплитудная характеристика корректора; Фу — фазоамплитудная характеристика усилителя; Ф . — фазоамплитудная характеристика усилителя с корректором.
Разработка и экспериментальное исследование линейных СВЧ-УМ при усилении группы разночастотных сигналов
С целью подтверждения эффективной работы модели устройства коррекции были разработано несколько СВЧ-УМ, работающих на ряде несущих частот. Основой устройств стали СВЧ-УМ, соединенные коаксиальными линиями. В качестве элементов устройств использовались постоянные аттенюаторы, вентили ФКВН2, 3-децибельные мосты Ланге и разработанного несимметричный 10-децибельный направленный ответвитель. Перестраиваемый фазовращатель в кольце отрицательной ОС был создан из комбинации отрезка коаксиальной линий с перемещаемым вдоль нее короткозамыкающим элементом и циркулятора. С помощью этого фазовращателя осуществлялась «фазовая» настройка экспериментального устройства линеаризации (на выбранный резонансный пик в кольце положительной ОС настраивалась максимальная отрицательная связь в кольце отрицательной ОС). Амплитудная настройка кольца положительной ОС (максимальное приближение к пороговому режиму), осуществлялось изменением с помощью аттенюатора уровней сигналов линейного усилителя. Целью эксперимента было подтверждение работоспособности разработанного устройства линеаризации с обратной связью. Для этого характеристики элементов устройства (модули передаточных коэффициентов элементов колец, зависимость фазовых набегов в кольцах от частоты, зависимость коэффициента усиления усилителя мощности от амплитуды сигнала на его входе) были экспериментально определены и введены в компьютерную модель [159-162].
С целью подтверждения теоретических исследований и анализа предложенных устройств, а также проведенных компьютерных расчетов была разработана структурная и принципиальная схема экспериментальной СВЧ-установки с различными дополнениями и комплектацией. Экспериментальная установка для исследования работы транзисторных СВЧ-УМ при разночастотном сигнале включает многочастотный генератор. Для получения метрологических параметров установка укомплектована измерительными приборами и исследуемыми нелинейными СВЧ-УМ. Выполнены сборка, монтаж и испытание узлов и всей экспериментальной установки. Она позволяет не только исследовать нелинейные транзисторные СВЧ-устройства, но и оценить их метрологические характеристики [160-162]. На многофункциональной, экспериментальной установке произведена настройка различных схем корректоров, отработка и апробация ме тодов; выделения и измерения мощности; полезных сигналов и продуктовИМИ 3-го и 5-то порядков всех видов и типов, возникающих на выходе транзисторных ЄВЧ-УМів многосигнальном режиме при 2 - 8"и более групповых сигналах на.его входе; Є помощью установки; выполнено полунатурное, моделирование канала1 РТР с нелинейным ЄВЧ-трактом, в котором измерены односигнальные и многосигнальные передаточные характеристики ЄВЧ-УЩ а также, параметры? ИМИі Єтруктурная схема экспериментальной установки для- исследования СВЧ-УМ представлена на рис.4.3, а на рис.4.4 — ее фото: В? состав:установки; входят: СВЧ-генераторы PF4-5; импульсный генератор;Е5-54(или F5-63); цифровой генератор сигналовгЕ4432В?;(Е4436); цифровой вольтметр В7-27А;;осцил-лограф-СГ-65А; ваттметр МЗ-56А; анализатор спектра Є4-28;;векторный анализатор-сигналов Agilent; 89441А; анализатор; цепей- Hewlett Packard; HP 8753В; пульт контроля!Смиллиамперметрами;М42г102 и источники-питания:.
В каналах системы формирования тестовых сигналов ЕСВч - Атт - ФВ -ПУМ- НО (генератор ЄВЧ - аттенюатор- фазовращатель — предварительный усилитель мощности - направленный ответвитель) формируется многочастотный СВЧ-сигнал, который является структурной моделью групповых сигналов базовых приемо-передающих станций систем подвижной связи и ретрансляторов спутниковой связи, поступающих на вход приемопередающего ЄВЧ-трактаі Этот групповой сигнал через комплекс сумматоров (X) и фазовращателей (ФВ) подается на вход исследуемого нелинейного СВЧ-тракта (в качестве которого используется транзисторный ЄВЧ-УМС средней; мощности уровнем порядка 10 Вт, и имеющийщепь обратной связи, ввиде корректора характеристик). Незначительная часть мощности усиливаемого сигнала (—10 ... — 60 дБ) через направленные ответвители и аттенюаторы подаются на входы контрольно-измерительных приборов: ваттметр (W), анализаторы спектра (АС) и фазометр (Ф). С выхода исследуемого СВЧ-УМ сигналы поступают на вход приемника, который имитирует работу приемников. К выходу и входу исследуемого СВЧ-УМ с помощью направленных ответвителей (НО) подключены анализаторы спектра (АС) и ваттметры (В). С измерительных приборов производится съем информации, обработка и ввод в компьютер. В установке использованы ПК совместимые с IBM PC 4-го и 5-го поколений на базе CISC-процессоров Intel типа Pentium-4 и Pentium-5. В компьютере выполняются расчеты мощности полезных сигналов и продуктов ИМИ на выходе исследуемых СВЧ-УМ. В экспериментальной установке создана специальная память в виде пакета базы- входных и выходных данных. Пакет базы входных данных — экспериментально полученные односигнальные и многосигнальные передаточные АХ и ФАХ СВЧ-УМ. После обработки, анализа и отображения экспериментальных результатов в виде графиков производится коррекция данных экспериментальных исследований.
Важной задачей является выбор способа измерения, позволяющего выявить ИМИ при построениях СВЧ-УМ. Для определения точки пересечения третьего порядка следует рекомендовать применять системы с двухтональным воздействием. Поскольку современные ССС тестируются цифровыми сигналами, то проверялись различные виды модуляции. В этом случае важными характеристиками являются коэффициент побитовых ошибок, подавление соседнего канала и ИМИ . Для достижения предельных характеристик СВЧ-устройств и с целью оптимизации ССС необходимо объединить эти методики. Вся система работает под управлением компьютера, осуществляющего формирование входного и обработку сигналов, а также общие математические операции.
Исследование СВЧ-УМ с корректорами характеристик при усилении раз-ночастотных сигналов. В качестве УКН экспериментально и теоретически исследуются СВЧ-тракты (в основном СВЧ-УМ и корректоры характеристик) систем с аналоговыми и цифровыми сигналами, выполненные на биполярных и полевых СВЧ-транзисторах. В исследуемых СВЧ-устройствах рассмотрены только выходные усилители мощности приемопередатчиков, так как именно они создают основную и существенную нелинейность и АФК всей системы или одного канала спутникового ретранслятора.
