автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Анализ многочастотных режимов усилителей и автогенераторов СВЧ диапазона на основе развития и применения квазистационарных методов



ьзоскоюш госудАРСтвЕнтй шзсттг эяшсждаси и млгаитит п г- г л п (техянчйсютй университет) '

I о ОД

Ия ггряввх рукотгса

АНДРЕЕВСКАЯ ТАТЬЯНА МЯХАЛЛОША

А1ШЙЗ ШЮГОЧАСТШ РШйЮВ УСИЛИГ2ЛЕЙ И АВТОГЕНЕРАТОРОВ СВЧ ДИАПАЗОН Щ ОСНОВЕ РАЗВИТИЯ В ПТКЫЕШШ КЕАЗИСТЩЮНАИШ МЕТОДОВ

Специальности 05.12.17. "Радиотехнические а телевизионные

устрсЯства а систены"

Автореферат дцссертгции на соискакот ртеноЯ степени кандидата технических неук

иосхва - 1994

Работа выполнена но кифедре "Радиотехника" Московского

государственного яиотатута электроника я математики. »

Научный руководитель - доктор физкко-иатеиатичеоких наук, профессор В.А.СОЛНЦЕВ

Официальные оппоненты: доктор тепшчеекид наук, профессор Д.К.ПЕТРОВ; кандидат фяэико-иатеиитичесюи; наук, отаримй научный оотрудашк Н.Л.РОМАШИН

Ведущее предприятие! ГНШ "Исток*1

¡Защита состоится " Змбт^иЛ^ 1995 г. в 16-00 чао. на заседании специализированного совета К 063.68.04 Московского государственного инотитута электроники и математики по вдресу: 109028,Москва,Б.Вузовокий пер.,3/12, ЦГКЭМ

С диссертацией иожно ознакомиться в (ЗиОлаотеке МГИЭМ.

Автореферат разослан " № " Дека<3ря ^994 г.

Ученый оекретарь специализированного совета кандидат технически наук,

доцент К.ГРАЧЕВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ П^рБ^ЕМЫ, Современный этап развития радиотехнических систем характеризуется широким применением сложных сигналов, предназначенных для передачи и оОрзботки информации, что.дает возможность повысить информативность канала связи, точность, надежность и быстродействие системы, использовать ее в различных режимах работы.

Усилители и автогенераторы, работающие в многочастотных режимах, находят широкое применение в технике высоких и сверхвысоких частот. Использование выходных усилителей в режиме усиления мнрго-частотных колебаний с несколькими несущими дает возможность использовать широкодиапазонную аппаратуру для одновременной многоканальной передачи сигналов. Практика эксплуатации выходных устройств передающих трактов показывает, что входные воздействия на них носят, как правило, сложный характер: зго и импульсные сигналы - со сложным дискретным спектром, и одиночные импульсы с широким и узким спектром, и различные смеси детерминированного узкополосного сигнала и случайных помех,просто случайные сигналы,сумма узкополо-скых Сигналов от различных каналов. Теоретическая информация о характере усиления сложных сигналов и закономерностях его преобразования в зависимости от типа сигнала необходима при проектировании и при выборе оптимальных параметров нелинейного режима работы усилителя мощности. В диапазоне СВЧ это усилители на мощных транзисторах и особенно усилители на ЭВП СВЧ (ЛБВ, клистроны), которые' широко применяются при средних и больших мощностях..начиная с единиц-десятков ватт. Поведение автоколебательных систем с несколькими устойчивыми, а гброй я неустойчивыми, состояниями, также привлекает внимание исследователей и разработчиков радиоаппаратуры.

Известно,что в автоколебательных системах возможно установление нерегулярных (стохастических) незатухающих колебаний, обусловленных самой системой при наличии в ней запаздывающей обратной связи. К таким системам относят генераторы с внешней запаздывающей обратной связью, распределенные автоколебательные 'системы радиотехники и электроники (лазеры, генераторы Ганна.ЛОВ и др.), а также нерадиотехнкческие автоколебательные системы в гидродинамике, химии и других областях техники.

Естественно, требованяя, предъявляемые к усилителям и автоге-нерятсрак, работающим в многочастотном режиме, различны. Усилители кногочастогных колебаний долины удовлетворять требованиям максима лъной передачи мощности при минимальных искажениях заданных сигналов и достаточно высоком КПД. Автогенераторы должны удовлетворять заданным требованиям по ткпу генерируемых сигналов,' возможности пзрехода от одного режима генерации к другому, в том числе и электронным способом, стабильностью генерируемого режима.

Поэтому актуальной задачей является исследование возможностей усиления многочастотных колебаний для удовлетворения заданных требований по энергетическим и информационным характеристикам, а также возможности построения автогенераторов с перестройкой или выбором режима генерации от одночастотного до стохастического (шумопо-доОного), численное моделирование их сложной дшймики на упрощенных математичесних моделях автогенератора с- запаздыванием,основанных на исследовании уравнений для комплексных амплитуд.

До широкого распространения компьютерной техники изучались в основном особенности усиления и генерирования колебаний в СВЧ диапазоне в одночастотном режиме; ввиду сложности задачи по расчету нелинейного усиления в многочастотных режимах были получены лишь некоторые результаты для простейших сигналов при использовании упрощенных аналитических методов.

Экспериментальные исследования динамики многочастотного усиления и генерирования колебаний даже на первый взгляд простых систем и сигналов достаточно сложны.

Развитие быстродействующих ЭВМ с большим объемом памяти позволило в ряде случаев перейти к прямому моделированию на ЭВМ процессов нелинейного многочастотного усиления. Разработаны программы моделирования электронных схем ПАР, PSpi.ce и др., включающие возможности анализа нелинейного усиления сигналов некоторых типов, программы анализа многочастотных режимов ЛББ и клистронов на основе метода крупных частиц или метода нелинейных волн (волнового метода). Вместе с тем, ввиду сложности нелинейных процессов и многообразия применяемых сигналов прямое моделирование на ЭВМ также встречает значительные трудности и не всегда возможно даже на современных ЭВМ, что особенно проявляется с ростом числа частотных составляющих и необходимости поиска оптимальных

Р»ЖИМОВ.

Другой путь исследования нелинейных многочастотных процессов - применение функциональных моделей усилителей .1 генераторов, оперирующих с их внешними характеристика;.«! без детального описания внутренней структуры устройства. Наиболее сС^ей моделью такого вида являются ряды Вольтерра, получившие применение в радиотехнике. технике СЗЧ. Рассматриваются также разнообразные частные модели - укороченный дискретный ряд Вольтеррц, типовое радиотехническое звено, различны»* соединения линейных фильтров и Сезинерционных нелинейных элементов' и др. Одним из перспективных путей анализа нелинейных многочастотных режимов электронных приборов является применение квазистационарных методов. Эти методы оперируют о нелинейными амплитудными и фазо-амплитудными характеристиками ' или семейством таких характеристик в диапазоне частот и позволяют исследовать весьма сложные сигналы при небольших затратах вычислительных ресурсов.

ЦЕЛЬ РДЁОТН- Целью настоящей диссертационной работы является создание ка основе кваяистационарных методов аппарата моделирования процессов, происходящих в реальных усилителях и .автогенераторах с запаздыванием л исследование многочастотных режимов усилителей и автогенераторов СВЧ диапазона.

Для достижения поставленной цели был рассмотрен следующий круг вопросов:

1. Состояние теории многочастотксго усиления и генерирования колебаний СВЧ. Место кзаякстационарной модели усилителей и автогенераторов среди других многочастотных моделей.

2. Квазксгационарные мэкромодели усилителей сложных сигналов, оценка точности, разработка алгоритмов и программ, реализующих эти модели.

3. Исследование взаимодействия составляющих многочастотного сигнала в усилителе СВЧ. Энергетические и сигнальные характеристи-• ки многочастотных режимов усилителей СВЧ в задачах многоканального усиления телевизионных сигналов, где требуется подавление комбинационных составляющих, и в задачах создания квазишумовых колебаний,- где требуется увеличение числа и уровня комбинационных составляющих.

4. Квазистационарная модель автомодуляционной неустойчивости

классического автогенератора с запаздыванием в цепи обратной связи.

5. Теоретические и численные исследования влияния различных параметров автогенератора с запаздыванием на автомодуляционнув неустойчивость. Построение карт режимов генерации в системах параметров автогенератора с запаздыванием.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Основные результаты получены с использованием методой анализа линейных и нелинейных цепей, метода медленно меняющихся амплитуд и частоты, численных методов, в том числе алгоритмов быстрого преобразования Фурье и многомерной интерполяции.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. На защиту выносятся:

1. Комплекс квазистационарных моделей для анализа многочастотных режимов нелинейных СВЧ приборов и устройств и программы, реализующие эти модели.

2. Общие закономерности при похождении двух- и трехчастот-ного сигналов через прибор СВЧ с кубичной амплитудной характеристикой и насыщением.

3.Особенности усиления многочастотного сигнала с эквидистантным спектром,многоканальных телевизионных сигналов с минимальными нелинейными искажениями.

4.Условия получения квазишумовых колебаний за счет уплотнения исходного спектра комбинационными составлявшими.

5 Условия возбуждения стационарных мод и их автомодуляционой неустойчивости в Ю-автогенераторе с запаздывающей обратной связью.

6.Диаграммы нелинейных автоколебательных режимов: моногенерации, периодической и стохастической автомодуляции - в автогенераторе с запаздыванием и различными видами амплитудной и фазо-акплитудной характеристик.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ проведенных исследований заключается в следующем:

- показано, что квазистационарный метод представления усили-' теля в виде инвариантной к типу активного элемента функциональной модели "вход-выход" является простым и удобным способом анализа большого класса устройств со сложными характеристиками и •сигналами и мошет быть использован при проектировании устройств;

-7- использование наряду с традиционной моделью, реализующей иетод медленно менявшихся амплитуд (ММА), кваэистационарных моделей, учитывающих влйяние частоты и параметров на одночастотные характеристики усилителя (модели ЫМАЧ и ММАЧП), позволило расширить область применения метода; на базе, указанных коазистационарных моделей разработан комплекс вычислительных программ, позволяющий осуществлять экспресс-анализ прохождения сложных узкополосных сигналов от простейшего двухчастотного до многоканального телевизионного или импульсного со сложной вку.триимпульсной частотной или фазовой модуляцией ^ерез усилительный тракт в виде одного или нескольких нелинейных звеньев;

- аналитическое исследование усиления двух- и трехчастотн'ого сигнала на кубичной АХ квазистационарным методом позволило указать на ряд универсальных закономерностей, часть из которых обнаруживалась ранее при теоретических и экспериментальных исследованиях; они дают возможность предварительной сценки параметров при проектировании ;

- численные исследования преобразования многочастотного сигнала с эквидистантным спектром показали возможность оценки интермодуляционных искажений на каждой частоте сигнала;

- квазистационарный метод для анализа усиления сложного теле-# визионного сигнала при передаче одновременно нескольких каналов позволяет достаточно быстро выбрать оптимальный вариант расстановки каналов и режим выходного услителя;

- проведенные аналитические и численные исследования возможности уплотнения спектра показали, что увеличение числа составляющих, нелинейность ФАХ или АХ высокого порядка или использование цепочек усилителей -может привести к появлению на выходе квазишумового узкополосного спектра;

- выведенные уравнения для аналитического и рекуррентная формула для численного анализа поведения ЬС-автогенератора с запаздыванием в виде модели ММА позволили определить основные параметры-, от которых зависит сложная динамика данной системы.

РЕАЛИЗАЦИЯ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ й УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ. Программа НБКТ использовалась в НИР предприятия НПО "Исток", другие программы использовались в рамках хоздоговорных НИР для анализа конкретных устройств и сигналов для предприятий МРГ1 и МЭП (МРТИ,Плутон,НИИ

ДАР,Титан). Три программы сданы в фонд программ МЭП. Даны рекомендации по режиму ЛБй в телевизионных станциях нового поколения.

Проведенные исследования использованы в курсах лекций для студентов спец 2303.

Результаты диссертационной работы докладывались на Всее.опзкой конференции по теории и методам расчета нелинейных цепей и систем (1982), ХХХУП и XXXIX научных сессиях НТОРЭС им.А.С. Попове (1982,1934). ¡¿колах-семинарах инженеров по электронике СВЧ и стохастическим колебаниям в динамических системах (1986, 1988, 1990). международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" АПЭП-92.

ПУБЛИКАЦИЯ. Го материалам теоретических ¿Г' экспериментальных работ опубликовано 14 работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографии на 141 наименование; содержит 130 страниц основного текста и 51 страницу рисунков и таблиц.

СОДЕРНАНИЕ РАБОТЫ

До введении обоснована актуальность решаемой задачи, сформулированы цели и предмет исследования, перечислены основные вопросы, излагаемые в главах диссертации.

2 первой главе проводится обзор литературы, посвященной истории и месту квазистационаркого подхода в задачах усиления многочастотных колебаний, возможности получения сложных сигналов в автоколебательных системах с запаздыванием. Отмечены особенности расчета многочастотных режимов усилителей СВЧ, заключавшиеся в сложности решения общей модели усилительного прибора в многочастотном режиме и проведения натурных экспериментов в режиме усиления нескольких несущих.

Дается теоретическое обоснование применения функциональной модели усилителя при прохождении узкополосных сигналов в виде не,, линейного четырехполюсника, задаваемого совокупностью амплитудных . и фазо-амплитудных одночастотных характеристик, основанного на ней квазистационарного метода расчета многочастотных режимов путем использования нелинейной передаточной характеристики и разложения

еа в ряд Фурье по гармоникам огибающей входного сигнала.'Проведе- , ние нелинейного анализа усиления сложных колебаний приборами СВЧ с помощы) квазистационарного метода много проще и быстрее, чем решение полных дифференциальных уравнений, даже обобщенным на случай анализа узкополосных колебаний. Применение киазистационарного метода дает возможность рассматривать практически любые сложные системы и сигналы, удовлетворяющие условиям узкополосности, представляющие практический интерес, и системы, обладающие наряду с амплитудной нелинейностью и фазо-амплитудной зависимостью, свойс-ственной приборам диапазона СВЧ.

Использование одночастотных амплитудных характеристик усили тельного прибора позволяет иногда аналитически (при простом их описании и небольшом числе сигналов), но чаще численно, получить выражения для амплитуд и фаз составляющих выходного спектра.

Приведенные в литературе данные показывают, что большинство авторов в конкретных примерах ограничиваются весьма простыми моделями входных колебаний (например, двух- или трехчастотные,большой одночастотный сигнал на фоне равномерного шума) при полиномиальной аппроксимации амплитудной характеристики и без учета • фазо-амплитудной зависимости. Практически отсутствуют результаты расчетов усилителей в многочастотном режиме при учете записимости сд ночастотных характеристик о? частоты. . .

Дано обоснование использования квазистационарной модели для описания особенностей генерирования классического 1,С-авТогенера-тора с запаздыванием в цепи обратной связи,способного при определенных наборах параметров Демонстрировать как моногармонические, так и сложные многочастотные колебания. При теоретическом исследовании подобных динамических систем наметилось два подхода: последовательное изучение одночастотных, двухчастотных и более сложных видов колебаний, что характерно при исследовании классических узкополосных автогенераторов с запаздыванием, и исследование движения мгновенных значений амплитуды сигнала (чаще импульсов) по' петле обратной связи в широкополосных системах с распределенными автоколебательными системами. Теоретическое исследование таких систем часто сводится к одномерному отображению вида Хт+1= Г(Хт,л) для амплитуды или мгновенных значений сигнала.

Для узкополосных автогенераторов часто используется упрощенная модель, оперирующая не с мгновенными значениями сигнала,а с компле-

кбнсй амплитудой, т.е. кваэистациокарная модель.

Ё2 ЕХ2Р0Й главе на основе квазистационарного подхода уточнены модели нелинейного усилительного элемента для анализа прохождений нксгочэстотных сигналов, которые названы : модель ИМА (медленно-меняющаяся амплитуда), в которой учитывается ли'иь изменение оги-Оащей амплитуд высокочастотного сигнала, и усилитель задается одночас", отними амплитудной РВЫХ(РЦХ) к фазо-амплитудной. Лу(Рвх) зависимостями; модель ИКАЧ (медленно-меняющиеся амплитуда и мгновенная частота), позволяющая учитывать также изменение мгновенной частоты и.следовательно, в некоторой степени частотные свойства усилителя; в этои случае усилитель задается семействами амплитудных РВШ((РВХ ,£) и фйзо-амплитудных ¿чр(Гцх,П характерно тик, где частота гармонического сигнала, на которой снимались аып-литуднио характеристики является параметром; мопель 1ШАЧН (медлен-но-меняющиося амплитуда, мгновенная частота и параметры усилителя), позволяющая учитывать зависимость одкрчастотных характеристик усилители не только от частоты, не и от какого-либо параметра . системы. В этом случае семейство получается многопараметрическим.

Для проведения численных расчетов с помощью вышеуказанных моделей и для разного класса сигналов разработан комплекс программ, позволивший выявить ряд закономерностей и особенностей усиления многочастотных сигналов.

Для моделей ЫМА и МЫАЧ проведена оценка точности методов с использованием частотного метода расчетов линейных цепей на примере двухчастогнсго сигнала. Показано, что точность расчета методом ММА не зависит от соотношения амплитуд составляющих, л определяется лишь произведением наклона АЧХ на расстройку между составляющими. При независимости амплитудных характеристик от частоты модель ЫМА является точной при условии соблюдения узиополосности сигнала. При наличии зависимости амплитудных характеристик от частоты точность метода ММЧ является более высокой, она определяется вышеуказанным произведением, а также соотношением амплитуд составляющих: большая составляющая считается точнее, чем меньшая , и это различие тем больше, чем больше расстройка при заданной зависимости от частоты амплитудных характеристик. Эти выводи подтверждены расчетами прохождения двухчастотного сигнала через усилитель с нелинейными АЧХ и ФЧХ. Полученные результаты позволили сделать вывод о возможности уточнения полученных соотношений для амплитуд

составляющих па выходе путем построения соответствующих | градуиро- , вочных графиков для данного типа сигнала или введения в программы соответствующих поправочных элементов.

А третье^ глав? даны результаты аналитических и численных исследований усиления различных многочистотных сигналов. В результате нелинейного преобразования но нелинейных характеристиках усилительного элементо на выходе, кроме основных частот, возникает различные комбинационные составляющие, в том числе 'попадающие в полосу усилительного элемента, что в конечном итоге приводит к искажениям.

На простой модели усилителя в виде кубичной амплитудной и нулевой фазо-амплитудной характеристик для двух- и трехчастотного сигнала показаны общие аналитические закономерности поведения усилителя, совпадающие с некоторыми результатами экспериментальных исследований и исследованиями, использующими другие модели. Исследованы зависимости относительного урссня комбинационных составляющих (ОУКС) второго и третьего порядков от входной суммарной мощности, их взаимосвязь в трехчьстотном режиме. Показано, что усиление равных по амплитуде сигналов приводит к уменьшению КЦД двухЧастот-ного режима по сравнению с одночастотным до 30а, е КПД трехчастотного режима зависит от соотношения частот и фаз входных составляющих: наибольшее уменьшение трехчастотного КПД по полезному сигналу, (до к9Х) имеет место при равных амплитудах.расстройках и фазах составляющих, а при независимых частотах, когда частоты комбинационных составляющих не равны частотам основных; и равных амплитудах Н11Д трехчастотного режима падает дс 51 X. Иследовано влияние на амплитуды выходного спектра относительной суммарной входной мощности р^. = РЕхг/Рвх нас. где Рвх т ~ еугмариая входная мощность, Рвх нас~ мощность входного сигнала в одночастотном режиме, соответствующая насыщению амплитудной характеристики. Показано, что парциальные амплитудные характеристики проходят ниже .одночастотной примерно на 20^Ы, где N -число составляющих на входе .точки их' насыщения сдвигаются в сторону менызих входных мощностей; при неравных амплитудах парциальные АХ больших составлявших приближаются к одночастотной, меньших - сдвигаются вниз, пропорционально их отличию от большей; мощности комбинационных составляющих на выходе определяются соотношением амплитуд тех составляющих, которые их образуют.Величина относительного уровня комбинационных составляю-

щих (ОУКС) второго порядка, обусловленная взаимодействием любых двух составлявших (032) и ОУКС третьего порядка (033), обусловленная взаимодействием любых трех составляющих Н-частстного входного сигнала с равными амплитудами, могут быть оценены с помощью соотношений:

Ю2¥ * 20 ]д(р^/ЗИ) дБ, БЗЗ, » 20^(2р?;/3к)=0321(+6 дБ.

Исследован аффект подавления слабого сигнала сильным в зависимости от а*эдной суммарной мощности и соотношения амплитуд составлявших на входе. Показано, что эффект подавления проявляйся тем сильнее, чем больше суммарная мощность и различие в амплитудах составляющих на входе.

Проведины численные исследования особенностей усиления много частотного сигнала, зеванного в виде эквидистантного спектра на кубичной амплитудной характеристике.Показано, что имеется возможность оценки интермодуляционных искажений на каждой частоте сигнала по результатам измерения интермодуляционной мощности вне полосы сигнала с помощью параметра ЬЗЬ, позволяющего оценить в эксперименте и численных расчетах как суымарнуо мощность всех комбинационных, так и мощность тех КС, которые попадает на основные частоты; огибапщая эквидистантного спектра на выходе при равных амплитудах и фазах на входе имеет вид симметричной вогнутой кривой, причем при увеличении числа составляющих вогнутость увеличивается; суммарная выходная мощность при одной и той же суммарной мощности иа входе обратно пропорциональна числу составляющих.

Исследованы закономерности усиления многочастотного сигнала, заданного в виде спектра с различными расстояниями между ссставля' ицими, что важно при использовании одного тракта для многоканальной передачи сигналов. Исследованы условия минимального влияния каналов друг на друга и получения заданного отношения мощностей комбинационных к мощности основных составлящих. Показано, что большую роль в создании спектра комбинационных составляющих играют фазо-амплитуднап характеристика и фазовый спектр сигнала. Исследовано влияние комбинационных составляющих на характеристики основных сигналов, возможности Минимизации этого влияния.

Исследован режим уплотнения спектра при усилении многочастотного сигнала, т.е. режим получения более сложного сигнала на

виходе. Показано, что получить наибольшую мощность комбинационных составляющих внутри спектра сигнала, заданного на входе, можно соответствующим выбором нелинейного режима, правильной расстановкой исходных составляющих по частоте? , использованием цепочек усилительных каскадов. Показаны условии, при которых в цепочке возможно возникновение стохастизации сигнала.

В четвертой главе квазистационарный подход применен дли исследования поведения автогенератора с запаздывающей обратной свя -зыо. Полученные укороченные уравнении и алгоритм для расчета комплексной огибающей, позволяли провести аналитическое исследовании поведения автоколебательной системы с точки зре.нин его амплитудной неустойчивости.

Укороченное уравнение для комплексной амплитуды имеет вид

• I

ХЦ)= -аХи) + ехрНи ТЭ>Х( 1-Тэ )Р4 (|Х( |)/1 Х( Ъ -Тэ);

а -

где X - комплексная амплитуда на входе нелинейного элемента, затухание контура, Т - время задержки в цепи обратной связи, ы()-резонансная частота колебательного контура, Г - комплексная амплитудная характеристика усилительного элемента с учетом цепи обрат ной связи. Это уравнение при кубичной амплитудной характеристике исследуется аналитически с точки зрения устойчивости стационарной амплитуды. Введен безразмерный параметр амплитудной неустойчивости 1>~Г1(Х0>«е«'Г3, характеризующий степень амплитудной неустойчивости В линейном приближении получены условия возникновения автомодуляционных колебаний амплитуды и возбуждения многочастотного режима для автогенератора, нелинейный элемент которого задан кубичной амплитуднэй характеристикой показано, что при работе на падающем участке амплитудной харакп рис|ики и положительном параметре автомодуляции в системе возникают нечетные виды автомодуляционных колебаний, частоты кот ори:; лежат н пределах

°кр,р < "р < '

где р = 1,3,5. - номер вида колебаний амплитуды, о -

критическое значение частоты, соответствующее р-ону виду

колебаний. При увеличении наклона падающего участка амплитудной

характеристики юзможна одновременная модуляция на нескольких

видак со сложной формой огийащей. Линейное приближение не дает

-н-

возможности определить границы последовательных переходов с частотой вдвое меньший (решим ¡/двоения периода), приводящих к появлению стохастических колебаний, в дает лишь возможность определить иерзоз бифуркационное значение параметра усиления нелинейного зла-мента, при котором система теряет устойчивость

Проведен анализ поведения автогенератора с произвольной >адер— ¥/<ой и усточивостя его стационарных колебаний. При наличии запаздывания система может иметь несколько стационарных колебаний (мод) с рзян.ми частотами, для которых выполняется баланс фаз. Даны условия для определения амплитуд и частот стационарных мод И их автомодуляционной устойчивости. Показано,что основная иода колебаний возбуждается всегда независимо от времени задержки, а высшие моды могут подавлять или подкзшвать друг друга, изменяя динамику системы. Проведенный анализ автоиодулициончой неустойчивости стационарных колебаний показал, что любая мода при определенных условиях может сказаться неустойчивой. Неравенство, определяющее неустойчивость амплитуд стационарных колебаний имеет вид

< 1//1Т1(и5 и8>КР1Р)/(«ТЭ)1« .

где и£~ о Т -безразмерная частота моды с номером 8, р - номер автомодуляционного вида. Само же условие возникновения 8-ой стационарной моды имеет вид

аГ((])/:< < 1//Т + [("рТ/ ч,, )/<гТд ) ,

где отношение К(0)/'Х - максимальный коэффициент передачи нелинейной системы с мягким самовозбуждением При существенном увеличении времени задержки количество мод и их автомодуляционных видов увеличивается, возможно совмещение и перекрытие их по частоте. Изменения амплитуды становятся большими, и линейная теория уже не дает возможности правильно определить динамику системы.

Д пятой главе даны результаты машинного моделирования динамики развития амплитудной неустойчивости автогенератора с запаздыванием с помощью разработанной программы, реализующей рекуррентный алгоритм для решения укороченных уравнений автогенератора:

X{tn) - ехр(-«дЫ Х'ЛИ_,) n[l-exp(-aAt)]exp(-jwpT3)Ft(|X(t.m_|(..i)|) Xlt^.., )/¡X( t^..,) |,

Здесь амплитуда в момент времени tm определяется значениями амплитуд в предыдущий отсчет и отсчетом, отстоящим от предыдущего но время задержки.

Проведены исследования различных рнжимои аатогенерации и построены параметрические диаграммы таких режимов, позволяющие выОрэть набор параметров генератора и задержки для получения того или иного вида выходных колебаний. Показано, что при нулевой фазо-амплитудной характеристике поведении автогенератора при изменении параметров подчиняется универсальному закону удисекии периода Фей ■ генбаума, а при ненулевой (например, квадратичной) фазо-анплитудной зависимости эта универсальность в некоторых областях изменения параметров автогенератора нарушается.

Исследовано влияние расстройки на картину автомодулнциошшх режимов; показано, что в автогенераторе при перестройке возможны явления захватывания частоты с сопровождающим оти явлении эффектом гистерезисных скачков с йоды на моду.

Разработанная программа позволяет построить карты зон переходов в различных системах параметров с целью их использовании дли перестройки автогенератора из одного режима в другой.

В ?ац/шчениц сформулированы основные результаты диссертацион ной работы, которые состоят в следующем:

1.В результате анализа опубликованных работ показано,что ква-зистаиионаркый метод представления усилителя в виде инвариантной к типу активного элемента функциональной модели "вход-выход" являет ся простым и удобным методой для исследования большого класса устройств и сигналов, позволяя расмприиать нелинейное преобразование более сложных видов сигналов, чем математические модели приборов н устройств, основанные на дифференциальных уравнениях. Автогенератор с запаздывающей обратной связью при переходе к медленно-меняющимся амплитудам также может Сыть представлен квазистационар-кой моделью усилительного элемента вместе с инерционным линейным звеном, замкнутыми а кольцо

''.Предложено использовать наряду с традиционной моделью, pea -лизук (ой метод медленно менншлхся амплитуд (ММА), расширенные

квазистационарньге модели, учитывающие влияние частоты и параметров на одночастотиые характеристики усилителя : модели WMA4 (медленно-меняющиеся амплитуда и частота) и ММАЧП (медленно-меняющиеся амплитуда, частота и параметры), функциональная модель в этом случае задается семействами амплитудных и фазо-амплитудных характеристик. На базе указанных кпазистанионарных моделей разработан комплекс вычислительных программ !MSK.MSKT.MSCEP,DARIA,PAIT), позволяющий осуществлять экспресс-анализ прохождения сложных узко-пслосных сигналов от простейшего дгухчастотного до многокв-многоканального телевизионного или импульсного со сложной внут-риикпульсной частотной или фазовой модуляцией через усилительный тракт в виде одного иди нескольких нелинейных звеньев.

3. Для моделей ММА и ММАЧ проведены оценки точности расчетов. Дана методика уточнения результатов нелинейного анализа преобразования сигналов в полосе частот на основе проведенных исследований линейного режима, составлены номограммы для реализации этой методики. Показано, что при наличии частотной зависимости амплитудных .хара .ктеристик метод ММАЧ дает значительно меньшую погрешность расчета амплитуд, чем метод ММА.

4. Аналитически найдены общие соотношения для преобразования двух- и трехчастотного сигналов на кубичной нелинейной характеристике с насыщением. Они позволили увязать между собой известные результаты, найденные в частных случаях для конкрепшх типов приборов - клистронов, ЛБВ и др., и выявить ряд универсальных закономерностей:

- при двух равных сигналах парциальные АХ проходят на 3-4 дБ ниже одночастотной АХ: насыщение парциальных и АХ двухчастотного режима достигается при входной суммарной мощности, равной мощности насыщения в одночастотной режиме, многочастотный КПД падает при этом на 30%;

- при двух неравных сигналах парциальная АХ большего сигнала с увеличением отношения амплитуд модны* сигналов приближается к одночастотной АХ, а амплитуда меньшей составляющей уменьшается на величину,пропорциональук этому отношению ; мощности комбинационных составляющих (КС) имеют те же соотношения по амплитуде,что и основные на входе, и пропорциональны кубу входной суммарной мощности;

- подавление сильного сигнала слабым увеличивается при увеличении входной суммарной мощности и но равенства амплитуд;

-1СТД многочастотного режима зависит от взаимного расположения составляющих на оси частот, наибольшее уменьшение КПД имеет место при одинаковых расстояниях между составляющими (эквидистантный спектр) и равных их амплитудах и фазах;

- относительный уровень комбинационных составляющих (ОУКС) Линейно (в дБ) возрастает при увеличении входной суммарной мощности.

5. Численные исследования преобразования многочастотного сигнала с эквидистантным спектром показали:

- возможность оценки интермодуляционных искажений на каждой частоте сигнала по результатам измерения игтрмодуляиионной мощности вне полосы сигнала;

- огибающая эквидистантного спектра на ьыхэде при равных амплитудах и фазах на входе имеет вид симметричной вогнутой кривой, •причем при увеличении числа составляющих вогнутость увеличивается;

- суммарная выходная мощность при одной и той же суммарной мощности на входе обратно пропорциональна числу составляющих.

6.Квазистациокарнь|# метод позволяет проводить анализ усиления сложного телевизионного сигнала при передаче одновременно нескольких каналов, выбрать оптимальный вариант расстановки каналов и значение мощности каналов для обеспечения требуемых параметров выходного сигнала при заданных характеристиках усилительного тракта.

7. Проведенные аналитические и численные исследования уплотнения спектра с точки зрения увеличения числа составляющих внутри спектра основного сигнала с целью получения равномерного шумоподо-бного спектра показали, что уже при кубической АХ и трехчасготном входном сигнале с несоизмеримыми частотами получаются две КС внутри основного спектра, а использование нелинейных ФАХ или АХ с порядком нелинейности выше третьего или использование цепочек усилителей может привести к появлению на выходе квазишумрвого узкопс-лосного спектра.

3.Найдены условия возбуждения стационарных мод и их автоыоду-ляцисной неустойчивости в [^-автогенераторе с запаздывающей обратной связью. При увеличении параметров я=Кманс/а и аТ3, где Кмакс~ начальное усиление, а- затухание контура, Т - время запаздывания,« полоса колебательной системы увеличивается число стационарных мод и вияов их автомодуляционных колебаний с перекрытием и совмещением их по частоте, что может привести к самосинхронизации возникших

часто-тных составляющих и появлению режимов, характерных для гене раторов периодических прямоугольных колебаний; поведение стационарной амплитуды устойчивой моды зависит от величины расстройки, учитывающей некратность времени задержки целому числу периодов высокой частоты.

9. Построены диаграммы зон генерации при изменении параметров .нелинейности и линии задержки , в том числе и при наличии фазо-амплитуднсй нелинейности в виде квадратичного полинома. Найдены области моногенерации, автомодуляции, стохастизации колебаний. Обнаружено, что ФАХ наряду с амплитудной приводит и к частотной автомодуляции, а также к снижению порога амплитудной неустойчивости при любых запаздываниях.

10. Исследовано влияние расстройки на поведение автогенератора. Показано, что АГ'ЗОС свойственны эффекты затягивания частоты и гистерезиса при непрерывном изменении расстройки, при этом режим автомодуляции может претерпевнть существенные изменения: от стохастического при нулевой расстройке до периодического (или даже моногармонического) при ненулевой расстройке. В зоне гистерезиса могут происходить качественные скачки от одного режима автомодуляции к другому, т.е. наряду с усилением и временем задержки, расстройка также является бифуркационным параметром системы.

Проведенные исследования в целом показали, что квазистационарные методы являются эффективным средством для анализа усиления и генерирования сложных сигналов в СВЧ-уотройствах , могут использоваться при их проектировании и выборе режима приборов и способов коррекции их характеристик.

Перечень публикаций по теме диссертации

1. Солнцев В.А..Андреерская Т.М..Кузьмичев A.B. /Исследование условий возникновения амплитудной неустойчивости в автогенераторах с запаздыванием. //'Шестая Всесоюзн.межвуз. конф. по теории и методам расчета нелин.цепей и систем.-1982.- Ташкент, тез.докл.-ч.1.-с.1Ь0.

2. Солнцев В.А. .Андреевская Т.М. /Автомодулпшш амплитуды в автогенераторе с запаздыванием. //ХХХУП Вссссюзн.научн.сессия НТОРЭС им А.С.Попова .-Тез.докл.-1982.-с.118.

3. Андреевская Т.М..Подшивалова Е.Ф./Анализ нелинейного усилителя СВЧ, заданного внешними характеристиками.//В сб.Автоматизация

проектирования и управление качеством.-Тез.докл.-1983.-с.78

4. Солнцев В.А..Андреевская Т.М. /Условия автомодуляции в автогенераторе с запаздыванием. //Радиотехника и электроника -1983.-N .3.-с.561 -56В.

5. Солнцев В.А..Андреевская Т.М. /Анализ установления амплитуды п автогенераторе с запаздыванием. //XXXIX Всесоюзн научи.сессия НТОРЭС им.А.С.Попова,- Тез.докл.-1984.-ч.П.-с.32.

6. Андреевская Т.Ы.,Солнцев В.А./Анализ установления амплитуды в автогенераторе с запаздыванием //Деп.рук.20 -8.85 • ,N 6133-85 Деп.-16 с.

7. Андреевская Т.М. /Квазистационарные методы и программы дли анализа усиления сложных сигналов с учетом изменения параметров сигнала и системы. //В сб. Искажения и коррекция сигналов в

.1 электронных приборах СЗЧ.Изд-во Сарат.гос.ун-та.-1988.-с.5-6

8. Андреевская Т.И..Солнцев В.А. /Численное исследование динамики многочастотного сигнала в цепочке нелинейных усилителей. /Там ке,- с.15-16.

9. Андреевская Т.Ы.,Солнцев В.А. /Численное исследование автомодуляции в автогенераторе с запаздывающей обратной связью.//Изв.вузов,Радиофизика.-1989.-с.34-40.

10.Андреевская Т.М.,Комаров Н.В.,Солнцев В.А./Программа анализа квазистационарнын методом прохождения многочастотного сипшла через усилитель СВЧ,заданный одночастотными характеристиками. //Электронная техника,сер.1.Электроника СВЧ.-1989.-вып.7 -с.74-75.

11.Андреевская Т.Н..Солнцев.В А./ Квазистационарный метод исследования прохождения сложных сигналов через усилитель СВЧ с переменными параметрами.//Электронная техника.Сер.1.Электроника СВЧ- 1990 -вып.4(428).-с.64-65.

12.Андреевская Т.М.,Комаров Н.И.,Солнцев В.А. /Программа анализа прохождения многочастотного сигнала через усилитель СВЧ кваэистационарным методом с учетом мгновенной частоты. //Электронная техника,сер.1/Электроника СВЧ.-1990.-вып 7(431).-с 69 70

13.Андреевская Т.М.,Капалин В.И..Назарова М.В.,Солнцев В А, /Макромодели при исследовании искажений радиосигналов в цепочках приборов и оптимизации их характеристик. //Лекции по электро ■нике СВЧ и радиофизике. 8-я школа-семинар инженеров.Саратов.

гос. ун-т.-1989.-кн.1.-с.54-68.

}4 Андреевская Т.М. /Оценка точности квазистационарного метода расчета нелинейных цепей и приборов СВЧ. //В сб."Актуальные прблсмы электронного приборостроения", Труды международной каучно-техн.конф. АПЭП Новосибирск.-1992.-т.I.-ч.2.-с.30-34.

1 /

Соискатель ¿г^.* ^ Андреевская Т.К