автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Исследование и разработка методов анализа и синтеза телекоммуникационных передающих устройств на основе инструментальной среды визуального моделирования

Карякин Дмитрий Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ ПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ СРЕДЫ ВИЗУАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

' ДГ

СП

Самара-2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики (ГОУ ВПО ПГУТИ)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Карташевский В.Г.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Мостовой Я. А.

Лауреат Государственной Премии СССР ГОУ В ПО СГАУ

г.Самара

доктор технических наук, старший научный сотрудник

Тихомиров Н.М.

ОАО «Концерн «Созвездие»

г. Воронеж

Ведущая организация - Самарский отраслевой научно-исследовательский институт радио (ФГУП СОНИИР)

Защита состоится «28» декабря 2009 г. в 15-00 на заседании диссертационного совета Д219.003.02 при Поволжском государственном университете телекоммуникаций и информатики по адресу: 443010, г. Самара, ул. Л. Толстого, д.23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО ПГУТИ

Автореферат разослан «27» ноября 2009 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д219.003.02 доктор технических наук, доцент

Мишин Д.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Актуальность разработки новых методов анализа, синтеза и проектирования телекоммуникационных передающих устройств определяется, прежде всего, возросшими требованиями к качеству и надежности разрабатываемых устройств, сокращению временных и финансовых ресурсов на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы.

Методики исследования и проектирования радиопередатчиков на отечественной элементной базе наиболее полно изложены в книгах Г.М. Уткина, В.Н. Кулешова, М.В. Благовещенского, В.В. Шахгильдяна, О.А. Челнокова, М.А. Сиверса, Г.А. Зейтленка, Ю.Б. Несвижского и др. авторов. В этих работах методики исследования и проектирования усилителей мощности радиопередающих устройств, работающих в нелинейных режимах, разработаны на основе кусочно-линейной высокочастотной модели транзисторов для областей активной и отсечки; нелинейные емкости заменены постоянными, равными средним для рабочих интервалов напряжения значениям.

В настоящее время значительные результаты достигнуты в области разработки мощных высокочастотных и сверхвысокочастотных транзисторов передатчиков, а также их нелинейных математических моделей.

Компании разработчики элементной базы Excelics Semiconuctor, NEC, Philips, Motorola свою продукцию сопровождают математическими моделями, которые по результатам экспериментов, проводимых этими компаниями, адекватно описывают работу реальных активных и пассивных элементов, в частности полевых и биполярных транзисторов.

В последнее время разработаны и продолжают совершенствоваться информационные технологии исследования и автоматизированного проектирования телекоммуникационных устройств. Представляет интерес инструментальная среда AWR Microwave Office (AWR MWO), позволяющая использовать метод визуального моделирования для решения сложных схемотехнических, электродинамических и системных задач исследования и проектирования телекоммуникационных передающих устройств ВЧ и СВЧ диапазонов, а также возможностью использования моделей элементной базы ведущих разработчиков.

Актуальность развития этого направления работ подтверждается организацией постоянно действующего научного ONLINE семинара в рамках журнала «Microwave Journal» (USA), организацией научных семинаров, проводимых Московским государственным университетом с приглашением ведущих специалистов компании AWR, а также результатами научно-исследовательских работ, проводимых в Университетах Москвы, Омска, Нижнего Новгорода, Самары с использованием пакета AWR MWO.

Основными качественными показателями телекоммуникационных передающих устройств являются спектральные и динамические

характеристики выходного сигнала, коэффициент полезного действия, выходная мощность.

Спектральные и динамические характеристики выходного сигнала во многом определяются характеристиками автогенераторов возбудителей передатчиков.

Выходная мощность и коэффициент полезного действия передатчиков зависят от выбранных нелинейных режимов усилителей. Ограничение по мощности высокочастотных транзисторов в ряде случаев приводит к необходимости применения систем сложения мощности.

Решение инженерных задач разработки телекоммуникационных передающих устройств и систем, удовлетворяющих современным техническим требованиям, невозможно без их всестороннего научного исследования.

Цель и задачи диссертационной работы.

Целью диссертации является исследование и разработка методов анализа, синтеза телекоммуникационных передающих устройств с использованием инструментальной среды визуального моделирования, позволяющей повысить точность результатов исследования по сравнению с известными методами.

Для достижения цели диссертационной работы необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать методику анализа, синтеза высокоэффективных по энергетическим показателям нелинейных усилителей мощности радиопередатчиков.

2. Рассмотреть вопросы устойчивости работы усилителей мощности.

3. Исследовать системы сложения мощности.

4. Разработать методику анализа, синтеза автогенераторов возбудителей передатчиков.

5. Рассмотреть вопросы автоматизации исследования и проектирования радиопередающих устройств.

Методы исследования

В данной работе использованы компьютерные методы инструментальной среды визуального моделирования МУ/О, в которой используются:

метод гармонического баланса; ряды Вольтерра; высокоскоростной метод линейного анализа; высокоскоростной метод шумового анализа; интегрированная система ввода схем со встроенной поддержкой файлов описания схем.

Пакет AWR М\УО содержит четырнадцать методов оптимизации, в которых можно выделить три группы: детерминированные, случайные и комбинированные. В данной работе используется детерминированный подход к решению задач оптимизации схем, в частности, симплекс-метод, метод градиентного спуска.

Научная новизна диссертации

]. Разработана методика анализа и синтеза нелинейных усилителей мощности телекоммуникационных передающих устройств с использованием технологий визуального моделирования.

Предлагаемая методика обеспечивает по сравнению с известными методами более высокую точность оценки выходной мощности, КПД, а также значительно сокращает время на проведение научно-исследовательских работ. Более высокая точность оценки достигается благодаря применению математических моделей элементной базы, учитывающих нелинейные свойства кристаллов транзисторов в различных режимах работы, их инерционность, влияние корпусов элементов и других факторов на динамические и энергетические характеристики.

2. Проведена оптимизация схем усилителей мощности по выбранным критериям оптимальности (выходная мощность, КПД), получены результаты оценки устойчивости усилителей мощности на основе предлагаемой методики.

3. Проведена оптимизация систем сложения мощности по выбранным критериям оптимальности (АЧХ, коэффициент передачи).

4. Разработана методика анализа и синтеза автогенераторов возбудителей передатчиков с использованием технологий визуального моделирования, которая обеспечивает более высокую точность оценки спектральных характеристик, фазовых шумов, динамики работы и устойчивости самовозбуждения.

5. Проведена оптимизация схем автогенераторов возбудителей передатчиков по выбранным критериям оптимальности (частота колебаний, подавление гармонических составляющих, уровень фазовых шумов, уровень выходного напряжения и тока) на основе предлагаемой методики.

Обоснованность и достоверность результатов работы

Обоснованность и достоверность научных результатов, полученных в диссертации, подтверждается корректностью используемых и опубликованных математических моделей исследуемых устройств; согласованностью ряда полученных результатов с опубликованными в отечественной и зарубежной печати; результатами визуального компьютерного моделирования, экспериментальных исследований и внедрением разработанных телекоммуникационных устройств в производство.

Личный вклад.

Все результаты, составляющие содержание данной работы, получены автором самостоятельно.

Практическая ценность работы

Разработанные в диссертации методы анализа и синтеза телекоммуникационных передающих устройств реализованы в системе автоматизированного проектирования "Те1есот-М\\Ю" и внедрены в разработки компании "РТСофт" (г. Москва) и в учебный процесс ПГУТИ.

В настоящее время программный комплекс системы "Telecom-MWO" позволяет исследовать и проектировать телекоммуникационные радиопередающие устройства ВЧ и СВЧ диапазонов на биполярных и полевых транзисторах. Благодаря возможности постоянного совершенствования программного комплекса расширяется круг прикладных задач исследования и проектирования в области телекоммуникационных систем и устройств.

Результаты разработки и внедрения программного комплекса системы "Telecom-MWO" имеют существенное значение для отрасли телекоммуникаций, заключающееся в повышении качества и надежности разрабатываемых устройств, сокращения сроков создания телекоммуникационных устройств и систем, которое достигается благодаря сокращению трудоемкости научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

Положения, выносимые на защиту

-Методика анализа и синтеза нелинейных усилителей мощности телекоммуникационных передающих устройств.

- Результаты исследования и оптимизации, оценки устойчивости усилителей мощности на основе предлагаемой методики.

- Результаты исследования систем сложения мощности.

- Методика анализа и синтеза автогенераторов возбудителей передатчиков.

-Результаты исследования и оптимизации автогенераторов возбудителей

передатчиков на основе предлагаемой методики.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались в 2007 - 2009 гг. на следующих конференциях:

S международная научно-практическая конференция «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития '2007». Одесса: Черноморье, 2007, 2008, 2009;

S международная научно-практическая конференция «Телеком-2007»./Ростов на Дону: СКФ МТУСИ, 2007;

S международные конференции в СПбГПУ 2007, 2008 г;

международная научно-техническая конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций». Уфа: УГАТУ, 2007, Казань: КГТУ, 2008;

S Российские научные конференции в ПГУТИ 2008, 2009

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 25 работ, в том числе 3 статьи в журналах из перечня ВАК, 13 докладов в материалах международных конференций, четыре параграфа в учебнике для ВУЗов, 5 тезисов в материалах Российских конференций, 3 работы зарегистрированы в Отраслевом фонде алгоритмов и программ Федерального агентства по образованию.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и четырех приложений на 175 страницах. Основная часть

работы содержит 151 страницу машинописного текста, иллюстрированного 127 рисунками. Список литературы включает 79 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении сформулированы цель и задачи диссертационной работы, показана ее актуальность и практическая значимость, определена новизна и обоснована достоверность полученных результатов, представлены основные положения, выносимые на защиту, кратко изложено содержание диссертационной работы.

Первая глава посвящена информационным технологиям анализа и синтеза нелинейных усилителей мощности на полевых транзисторах.

Отмечается, что значительные результаты достигнуты в области разработки нелинейных моделей транзисторов.

Представлены нелинейные модели полевых транзисторов. Приведена краткая характеристика зарубежных транзисторов, которые в настоящее время широко применяются при разработке телекоммуникационных устройств.

Показано, что выбор транзистора, исходя из технических характеристик, автоматически определяет вид модели, которая наиболее адекватно описывает процессы, происходящие в нем. Каждая из рассмотренных моделей позволяет достаточно точно провести исследование динамических свойств полевого транзистора на высоких рабочих частотах, учитывая при этом специфику его статических характеристик.

База данных системы проектирования содержит информацию о рассмотренных моделях полевых транзисторов и их параметрах.

Приведен анализ перспектив развития технологии производства полевых транзисторов, из которого следует, что благодаря применению новых материалов в производстве транзисторов, а также внедрению транзисторов на гетероструктурах HFET (heterostructure field -effect tran sistor), транзисторов с высокой подвижностью электронов НЕМТ (high electron mobility transistor) значительно улучшены характеристики высокочастотных транзисторов, используемых при разработке СВЧ телекоммуникационных устройств.

Разработаны алгоритмы построения статических характеристик полевых транзисторов, динамических характеристик усилителей мощности в инструментальной среде MWO.

Результаты исследований, поведенных в первой главе диссертации, показывают эффективность использования инструментальной среды визуального моделирования MWO при решении задач разработки методов анализа и синтеза телекоммуникационных радиопередающих устройств, благодаря возможности визуального программирования сложных радиотехнических устройств с применением математических моделей современной элементной базы.

Вторая глава посвящена решению следующих задач: разработке методики анализа, синтеза нелинейных усилителей мощности телекоммуникационных

передающих устройств; проведению исследований и оптимизации усилителей мощности на основе предлагаемой методики; проведению исследований устойчивости линейных усилителей мощности; проведению исследований систем сложения мощности.

В дальнейшем наряду с термином "усилитель мощности" используется также термин "генератор с внешним возбуждением" (ГВВ), принятый в технике радиопередающих устройств.

Учитывая, что выходная мощность и коэффициент полезного действия передатчиков зависят от выбранных нелинейных режимов ГВВ, разработаны методики анализа и синтеза ГВВ в нелинейных режимах классов В, .С, О, Е, Г, даны рекомендации по их применению.

Проведенные в данной главе исследования режимов работы ГВВ классов В и С при изменении сопротивления нагрузки, питающих напряжений, мощности возбуждения, напряжения смещения, цепей питания с использованием динамических и временных характеристик позволили сформулировать ограничения на параметры ГВВ при его оптимизации.

Целевая функция включает критерии оптимизации, весовые коэффициенты и ограничения на параметры исследуемой схемы ГВВ для оценки оптимального сопротивления нагрузки и сопротивления источника возбуждения.

В результате оптимизации по критерию максимальной выходной мощности на диаграммах Смита (рис.1) построены семейства зависимостей сопротивления нагрузки и сопротивления источника возбуждения, соответствующих различным уровням выходной мощности.

Рисунок 1 - Результаты исследования и оптимизации сопротивлений нагрузки и источника возбуждения Полученные в настоящем разделе результаты исследований и оптимизации сопротивления нагрузки и сопротивления источника возбуждения ГВВ, работающего в режимах В и С, позволяют проводить анализ и синтез цепей согласования.

Разработанная методика исследования ГВВ в ключевых режимах классов О, Е, Р , представленная в виде алгоритмов, позволяет с помощью динамических характеристик (рис.2) оценить оптимальные параметры схем ГВВ, при 8

которых обеспечивается требуемый режим работы транзисторов и заданные энергетические показатели (рис.3).

Из сравнения результатов исследования ГВВ следует, что наиболее эффективной по энергетическим показателям является схема ГВВ в ключевом режиме класса Б.

Недостатком ГВВ класса Е является довольно высокий пик-фактор напряжения на транзисторе (рис.2). В этой связи приходится выбирать пониженные значения напряжения питания, что несколько снижает полезную мощность и КПД и ограничивает область применения.

О 2 4 0 в 10 12 14 16 18 20 22 0 2 4 6 6 10 12 14 16 18 20

и [В] и |В)

Рисунок 2 - Динамическая характеристика ГВВ на полевом транзисторе ЕРА 240 В в ключевом режиме класса Е и класса Р

Наиболее технологичной является схема усилителя мощности класса О при активном сопротивлении нагрузки. Однако она уступает по энергетическим показателям ГВВ классов Е и Р. Основные потери энергии происходят при переходе транзистора из состояния отсечки в состояние насыщения.

Рисунок 3 - Зависимость выходной мощности и КПД от сопротивления нагрузки для схемы ГВВ в режиме класса И

Разработанный алгоритм оценки устойчивости работы линейных усилителей мощности (режим класса А), предназначенных для работы в предварительных широкодиапазонных каскадах усиления, позволяет определять границы их устойчивой работы в заданном диапазоне частот.

В ряде случаев для увеличения мощности передатчиков применяют системы сложения мощности. Разработанные алгоритмы анализа и синтеза квадратурного моста на связанных микрополосковых линиях позволяют проводить исследования и оптимизацию по заданной амплитудно-частотной характеристике.

Результаты исследований, проведенные в настоящей главе с использованием и нструментальной среды визуального моделирования АХ^'И М\\Ю, позволили решить поставленные задачи.

1. Разработана методика анализа, синтеза ГВВ на полевых транзисторах в нелинейных режимах классов В, С, Б, Е, Р, даны рекомендации по их применению. Методика представлена в виде совокупности алгоритмов и программ.

2. Проведено исследование и оптимизация усилителей мощности на основе предлагаемой методики.

3. Разработан алгоритм и проведено исследование устойчивости работы линейных усилителей мощности (режим класса А), предназначенных для работы в предварительных широкодиапазонных каскадах тракта усиления передатчиков.

4. Разработаны алгоритмы анализа и синтеза, проведены исследования систем сложения мощности на микрополосковых линиях, удовлетворяющие заданным энергетическим требованиям в диапазоне рабочих частот.

Третья глава посвящена разработке методики анализа и синтеза автогенераторов возбудителей передатчиков; проведению исследований и оптимизации автогенераторов на основе предлагаемой методики.

Представлена обобщенная эквивалентная схема автогенератора в виде соединения активного и пассивного четырехполюсников, описываемых комплексными передаточными функциями. Отмечается, что комплексная передаточная функция активного четырехполюсника (крутизна транзистора) нелинейная, чем объясняются трудности аналитического исследования динамики работы автогенераторов. Рассмотрены основные факторы, влияющие на стабильность частоты автогенератора.

Предлагаемая методика исследования автогенераторов в инструментальной среде позволяет выполнять оптимизацию схем по различным критериям: выходной мощности, фазовым шумам, стабильности частоты, по качеству спектрального состава выходного колебания.

Разработан алгоритм анализа и синтеза, проведено исследование и оптимизация ЬС - автогенератора в случае, когда критерием является заданная частота колебаний при максимальном подавлении высших гармонических составляющих в спектре выходного сигнала.

Разработан алгоритм исследования влияния глубины обратной связи на работу автогенератора с использованием динамических характеристик (рис.4), которые позволяют оценить область устойчивой работы автогенератора при изменении глубины обратной связи. Увеличение глубины обратной связи

приводит к значительным искажениям формы динамической характеристики в результате искажений формы тока и напряжения. При уменьшении глубины обратной связи динамическая характеристика принимает форму эллипса. Искажения формы выходного тока и напряжения минимальны, что приводит к лучшему подавлению высших гармонических составляющих выходного сигнала.

Сформулированы рекомендации по выбору параметров ЬС -автогенераторов для обеспечения заданного критерия оптимизации. Результатом синтеза является принципиальная схема автогенератора.

Ч'18] (1ГГ«1

Рисунок 4 - Динамические характеристики и спектр выходного сигнала ЬС-автогенератора при различной глубине обратной связи

Разработаны алгоритмы анализа и синтеза, проведены исследования автогенераторов с коаксиальной линией, с кварцевым резонатором в колебательной системе.

Отмечается, что для анализа и оптимизации автогенератора с кварцем в колебательной системе необходимо вначале провести исследование частотных характеристик кварцевого резонатора, предназначенного для работы на заданной частоте.

Разработан алгоритм исследования кварцевого резонатора в среде МУ/О. Анализ работы кварцевого резонатора по его частотным характеристикам позволяет оценить диапазон частот, при котором резонатор имеет индуктивное сопротивление, т.е. область частот, в которой возможно возникновение самовозбуждения генератора, что значительно упрощает анализ и оптимизацию кварцевых автогенераторов в инструментальной среде М\\Ю.

Разработан алгоритм исследования и рекомендации по выбору параметров автогенераторов с кварцем в колебательной системе. Результатом синтеза является принципиальная схема кварцевого генератора, удовлетворяющая заданным техническим условиям по спектральным и динамическим характеристикам.

Результаты исследований автогенераторов синтезаторов частот позволяют оценить не только уровень дискретных оставляющих в спектре выходного сигнала, но и уровень фазовых шумов. Минимизация побочных дискретных составляющих достигается изменением глубины обратной связи в

автогенераторе. Исследование показало, что от выбора элементной базы зависит уровень фазовых шумов автогенератора.

Совокупность алгоритмов и программ анализа и синтеза автогенераторов, разработанных в данной главе с использованием инструментальной среды визуального моделирования А\УЯ М\\Ю, является решением задачи создания методики анализа и синтеза автогенераторов возбудителей передатчиков по заданным параметрам целевой функции: критериям оптимизации, весовым коэффициентам и ограничениям на параметры колебательных систем.

Четвертая глава посвящена вопросам автоматизации исследования и проектирования радиопередающих устройств.

Рассматривается реализация разработанных в диссертации методов анализа и синтеза телекоммуникационных передающих устройств в системе автоматизированного проектирования "Те1есот-М\УО" (рис.5).

Вычислительная подсистема

_12_

Сервер вычислительной подсистемы

Модуль управления MWO

К

AWR Microwave Office _______________Вычислительный узел TV

Модуль обработки событий

Рисунок 5 - Структура программного обеспечения «Telecom-MWO»

Разработана методика применения программного комплекса системы "Telecom-MWO" в исследовании и проектировании телекоммуникационных передающих устройств с использованием диалогового сервиса, обеспечивающего комфортную работу пользователя в различных режимах.

В заключении представлены результаты исследований и разработки методов анализа, синтеза телекоммуникационных передающих устройств с использованием инструментальной среды визуального моделирования AWR Microwave Office.

1. Разработана методика анализа, синтеза ГВВ на полевых транзисторах в нелинейных режимах классов В, С, D, Е, F, даны рекомендации по их применению. Методика представлена в виде совокупности алгоритмов и программ. Проведено исследование и оптимизация усилителей мощности на основе предлагаемой методики.

2. Разработан алгоритм и проведено исследование устойчивости работы линейных усилителей мощности (режим класса А), предназначенных для работы в предварительных широкодиапазонных каскадах тракта усиления передатчиков.

3. Разработаны алгоритмы анализа и синтеза, проведены исследования систем сложения мощности на микрополосковых линиях, удовлетворяющие заданным энергетическим требованиям в диапазоне рабочих частот.

4. Разработана методика анализа и синтеза автогенераторов возбудителей передатчиков по заданным параметрам целевой функции: критериям оптимизации, весовым коэффициентам и ограничениям на параметры колебательных систем. Проведено исследование и оптимизация автогенераторов.

5. Разработанные в диссертации методы анализа и синтеза телекоммуникационных передающих устройств реализованы в программном комплексе системы "Telecom-MWO", внедрены в разработки компании "РТСофт" (г. Москва) и в учебный процесс ПГУТИ.

Приложение 1 содержит библиотеку программного комплекса системы "Telecom-MWO".

В приложении 2 приведен пример структуры управляющей программы системы "Telecom-MWO".

В приложениях 3,4 содержатся акты о внедрении результатов диссертационной работы в разработки компании "РТСофт" и в учебный процесс ПГУТИ.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Карякин В.Л. Развитие прикладных систем автоматизированного проектирования телекоммуникационных систем и устройств / В.Л. Карякин, Д.В. Карякин // Научно-технические ведомости СПбГПУ, серия Информатика, телекоммуникации, управление, № 1, 2009. - С. 109-115.

2. Карякин Д.В. Применение САПР "Telecom-MWO" в проектировании телекоммуникационных систем и устройств / Д.В. Карякин // Физика волновых процессов и радиотехнические системы, Т. 12, № 2, 2009. - С. 91-98.

3. Карташевский В.Г. Исследование усилителей мощности на полевых транзисторах в ключевых режимах/ В.В. Карякин, Д.В. Карякин //В сборнике научных трудов «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития'2009» - Одесса: Черноморье, 2009. -С.39-51.

4. Карякин Д.В. Информационные технологии анализа и оптимизации автогенераторов / Д.В. Карякин // В сборнике научных трудов международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании'2008» - О десса: Черноморье, 2008. - С. 29-38.

5. Карякин Д.В. Технологии создания САПР «Telecom-MWO», развития производства и компьютерного моделирования полевых транзисторов / Д.В. Карякин // Инфокоммуникационные технологии, Том 6, № 3, 2008. - С. 94-99.

6. Карякин В.В. Автоматизация проектирования телекоммуникационных устройств с использованием инструментальной среды AWR Microwave Office/ B.B. Карякин, Д.В. Карякин // В сборнике научных трудов международной научно-практической конференции «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития '2007»,- Одесса: Черноморье, 2007.- С. 72-75.

7. Карякин В.В. Система автоматизированного проектирования телекоммуникационных устройств «Telecom-MWO» с использованием инструментальной среды AWR Microwave Office / B.B. Карякин, Д.В Карякин // - М.: Федеральное агентство по образованию. Отраслевой фонд алгоритмов и программ, № г/р 9010,2007.

8. Карякин В.В. Система автоматизированного проектирования телекоммуникационных устройств «Telecom-MWO» / B.B. Карякин, Д.В. Карякин // В сборнике трудов международной научно-практической конференции «Телеком-2007». - Ростов на Дону: СКФ МТУСИ, 2007. - С.28-33.

9. Карякин Д.В. Комплекс алгоритмов и программ проектирования генераторов с внешним возбуждением в режиме большого сигнала / Д.В. Карякин // В сборнике трудов международной конференции «Телекоммуникационные и информационные системы» - СПб: Изд-во СПбГПУ, 2007,- С. 301-308.

10. Карякин В.В. Информационные технологии проектирования телекоммуникационных устройств. // В сборнике трудов международной научно-технической конференции / В.В. Карякин, Д.В. Карякин // «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» - Уфа: Изд-во УГАТУ, 2007.- С. 8285.

11. Карякин Д.В. Технологии создания сетевой САПР «Telecom-MWO» и компьютерного моделирования полевых транзисторов в среде AWR Microwave Office / Д.В. Карякин // В сборнике научных трудов международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований '2008».- Одесса: Черноморье, 2008. - С. 41-49.

12. Карякин Д.В. Нелинейные модели полевых транзисторов в САПР на ' основе инструментальной среды AWR Microwave Office / Д.В. Карякин // В сборнике научных трудов «Управление созданием и развитием систем, сетей и устройств телекоммуникаций». - СПб: Изд-во СПбГПУ, 2008. - С. 259-269.

13. Карякин B.JI. Электронное учебное пособие "Алгоритмы и программы проектирования генераторов с внешним возбуждением в режиме большого сигнала с использованием инструментальной среды AWR Microwave Office "/

B.Л. Карякин, Д.В. Карякин // - М.: Федеральное агентство по образованию. Отраслевой фонд алгоритмов и программ, № г/р 6818, 2006.

14. Карякин Д.В. Комплекс алгоритмов и программ исследования энергетических характеристик усилителей мощности систем кабельного телевидения на основе инструментальной среды AWR Microwave Office» / Д.В. Карякин, E.H. Цыганова // - М.: Федеральное агентство по образованию. Отраслевой фонд алгоритмов и программ, № г/р 7389, 2006.

15. Карякин Д.В. Разделы 1.2.3-1.2.5 в книге «Устройства генерирования и формирования сигналов в системах подвижной радиосвязи»: Учебник для ВУЗов/ В.Л. Карякин // - М.: Радио и связь, 2007. - 433 с.

16. Карякин Д.В. Алгоритм взаимодействия САПР «Telecom-MWO» с программным комплексом ядра инструментальной платформы AWR Microwave Office / Д.В. Карякин // В сборнике научных трудов международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте '2008» - Одесса: Черноморье, 2008. -

C. 11-15.

17. Карякин В.В., Карякин Д.В. Диалоговый сервис системы автоматизированного проектирования «Telecom-MWO» / B.B. Карякин, Д.В. Карякин // В сборнике научных трудов международной научно-практической конференции «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития '2008» - Одесса: Черноморье, 2008. -С. 53-56.

18. Карякин Д.В. Структура программного комплекса САПР «Telecom-MWO» / Д.В. Карякин // В сборнике научных трудов девятой международной научно-технической конференции "Проблемы техники и технологий телекоммуникаций" ПТ и TT- 2008 - Казань: КГТУ, 2008. - С. 421-422.

19. Карякин Д.В. Методика анализа и оптимизации автогенератора с кварцем в колебательной системе / Д.В. Карякин // В сборнике научных трудов международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании'2008» -Одесса: Черноморье, 2008. - С. 38-45.

20. Карякин В.Л. Перспективы развития прикладных систем автоматизированного проектирования телекоммуникационных систем и устройств / В.Л. Карякин, Д.В. Карякин // В сборнике научных трудов международной научно-практической конференции «Перспективы развития телекоммуникационных систем и информационные технологии» - СПб: Изд-во СПбГПУ, 2008. - С. 48- 60.

21. Карякин В.Л. Перспективы автоматизированного проектирования инфокоммуникационных систем и устройств / В.Л. Карякин, В.В. Карякин, Д.В.Карякин и др. // В сборнике трудов XVI Российской научной конференции

/

профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. - Самара: ПГУТИ, 2009. - С.119-120.

22. Карякин Д.В. Исследование глубины обратной связи на работу автогенератора / Д.В. Карякин // В сборнике трудов XVI Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. - Самара: ПГУТИ, 2009. - С. 123-124.

23. Карякин Д.В. Проектирование систем сложения мощности усилителей радиопередающих устройств с использованием среды AWR Microwave Office / Д.В. Каряки н // В сборнике трудов XVI Российско й научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. - Самара: ПГУТИ, 2009. - С. 124-125.

24. Карякин Д.В. Методика анализа спектральных характеристик автогенераторов с использованием среды AWR Microwave Office / Д.В. Карякин // В сборнике трудов XVI Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. - Самара: ПГУТИ, 2009. -С.125-126.

25. Карякин Д.В. Анализ устойчивости работы генераторов с внешним возбуждением с использованием среды AWR Microwave Office / Д.В. Карякин // В сборнике трудов XVI Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. -Самара: ПГУТИ, 2009. - С.126-127.

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и

информатики» 443010, г. Самара, ул. Льва Толстого 23.

Отпечатано фотоспособом в соответствии с материалами, представленными

_заказчиком____

Подписано в печать 26.11.09г. Формат 60х847|6 Бумага писчая№1 Гарнитура Тайме Заказ 532 Печать оперативная .Усл. печ. л.0.92. Уч. изд. л.0.87. Тираж 100 экз

Отпечатано в издательстве учебной и научной литературы Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики 443090, г. Самара, Московское шоссе 77. т. (846) 228-00-44

Введение.

Глава 1. Информационные технологии анализа и синтеза нелинейных усилителей мощности (генераторов с внешним возбуждением) на полевых транзисторах.

1.1 Модели полевых транзисторов.

1.2 Статические характеристики транзисторов.

1.3 Динамические характеристики генераторов с внешним возбуждением.

Выводы по первой главе.

Глава 2. Исследование генераторов с внешним возбуждением.

2.1 Исследование режимов работы генераторов с внешним возбуждением классов В, С.

2.1.1 Исследование нагрузочных характеристик ГВВ.

2.1.2 Исследование влияния питающих напряжений на режимы работы ГВВ.

2.1.3 Исследование влияния мощности возбуждения на режимы работы ГВВ.

2.1.4 Исследование влияния напряжения смещения на режимы работы ГВВ.

2.1.5 Исследование влияния цепей питания на режимы работы ГВВ.

2.2 Оценка оптимального сопротивления нагрузки и сопротивления источника возбуждения ГВВ.

2.2.1 Оценка оптимального сопротивления нагрузки ГВВ для обеспечения максимальной выходной мощности.

2.2.2 Оценка оптимального сопротивления источника возбуждения ГВВ для обеспечения максимальной выходной мощности.

2.2.3 Методика анализа и синтеза ГВВ классов В, С.

2.3 Исследование генераторов с внешним возбуждением в ключевых режимах классов D, Е, Г.

2.3.1 Исследование ГВВ в режиме класса D.

2.3.2 Исследование ГВВ в режиме класса Е.

2.3.3 Исследование ГВВ в режиме класса F.

2.4 Исследований устойчивости линейных усилителей мощности.

2.5 Исследование систем сложения мощности.

2.5.1 Общие сведения.

2.5.2 Анализ и синтез квадратурного моста в режиме деления мощности.

2.5.3 Анализ и синтез квадратурного моста в режиме сложения мощности.

Выводы по второй главе.

Глава 3. Методика анализа и синтеза автогенераторов возбудителей передатчиков.

3.1 Исследование и оптимизация LC — автогенератора.

3.1.1 Исследования влияния глубины обратной связи на работу автогенератора.

3.2 Исследование и оптимизация автогенератора с коаксиальной линией.

3.3 Исследование и оптимизация автогенератора с кварцевым резонатором.

3.3.1 Общие сведения.

3.3.2 Исследование кварцевого резонатора.

3.3.3 Оптимизация автогенератора с кварцем в колебательной системе.

3.4 Анализ фазовых шумов автогенераторов.

Выводы по третьей главе.

Глава 4. Автоматизация исследования и проектирования радиопередающих устройств.

4.1 Обобщенная структурная схема процесса автоматизации исследования и проектирования в системе «Telecom-MWO».

4.2 Программное обеспечение САПР «Telecom-MWO».

4.2.1 Вычислительная подсистема.

4.2.2 Подсистема взаимодействия с вычислительными процессами.

4.2.3 Подсистема взаимодействия с пользователями.

4.2.4 Особые требования, обеспечивающие реализацию программного обеспечения системы «Telecom-MWO»

4.3 Диалоговый сервис системы «Telecom-MWO».

4.4 Структура управляющей программы с использованием web технологий.

Выводы по четвертой главе.

Актуальность разработки новых методов анализа, синтеза и проектирования телекоммуникационных передающих устройств определяется, прежде всего, возросшими требованиями к качеству и надежности разрабатываемых устройств, сокращению временных и финансовых ресурсов на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы.

Методики исследования и проектирования радиопередатчиков на отечественной элементной базе наиболее полно изложены в книгах Г.М. Уткина, В.Н. Кулешова, М.В. Благовещенского, В.В. Шахгильдяна, О.А. Челнокова, М.А. Сиверса, Г.А. Зейтленка, Ю.Б. Несвижского и др. авторов. В этих работах методики исследования и проектирования усилителей мощности радиопередающих устройств, работающих в нелинейных режимах, разработаны на основе кусочно-линейной высокочастотной модели транзисторов для областей активной и отсечки; нелинейные емкости заменены постоянными, равными средним для рабочих интервалов напряжения значениям.

В настоящее время значительные результаты достигнуты в области разработки мощных высокочастотных и сверхвысокочастотных транзисторов передатчиков, а также их нелинейных математических моделей.

Компании разработчики элементной базы Excelics Semiconuctor, NEC, Philips, Motorola свою продукцию сопровождают математическими моделями, которые по результатам экспериментов, проводимых этими компаниями, адекватно описывают работу реальных активных и пассивных элементов, в частности полевых и биполярных транзисторов.

В последнее время разработаны и продолжают совершенствоваться информационные технологии исследования и автоматизированного проектирования телекоммуникационных устройств [1, 12, 16, 25, 26]. Представляет интерес инструментальная среда AWR Microwave Office (AWR MWO), позволяющая использовать метод визуального моделирования для решения сложных схемотехнических, электродинамических и системных задач исследования и проектирования телекоммуникационных передающих устройств ВЧ и СВЧ диапазонов, а также возможностью использования моделей элементной базы ведущих разработчиков.

Актуальность развития этого направления работ подтверждается организацией постоянно действующего научного ONLINE семинара в рамках журнала «Microwave Journal» (USA), организацией научных семинаров, проводимых Московским государственным университетом с приглашением ведущих специалистов компании AWR, а также результатами научно-исследовательских работ, проводимых в Университетах Москвы, Омска, Нижнего Новгорода, Самары с использованием пакета AWR MWO.

Основными качественными показателями телекоммуникационных передающих устройств являются спектральные и динамические характеристики выходного сигнала, коэффициент полезного действия, выходная мощность.

Спектральные и динамические характеристики выходного сигнала во многом определяются характеристиками автогенераторов возбудителей передатчиков.

Выходная мощность и коэффициент полезного действия передатчиков зависят от выбранных нелинейных режимов усилителей. Ограничение по мощности высокочастотных транзисторов в ряде случаев приводит к необходимости применения систем сложения мощности.

Решение инженерных задач разработки телекоммуникационных передающих устройств и систем, удовлетворяющих современным техническим требованиям, невозможно без их всестороннего научного исследования.

Цель и задачи диссертационной работы

Целью диссертации является исследование и разработка методов анализа, синтеза телекоммуникационных передающих устройств с использованием инструментальной среды визуального моделирования, позволяющей повысить точность результатов исследования по сравнению с известными методами.

Для достижения цели диссертационной работы необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать методику анализа, синтеза высокоэффективных по энергетическим показателям нелинейных усилителей мощности радиопередатчиков.

2. Рассмотреть вопросы устойчивости работы усилителей мощности.

3. Исследовать системы сложения мощности.

4. Разработать методику анализа, синтеза автогенераторов возбудителей передатчиков.

5. Рассмотреть вопросы автоматизации исследования и проектирования радиопередающих устройств.

Методы исследования

В данной работе использованы компьютерные методы инструментальной среды визуального моделирования М\УО, в которой используются: метод гармонического баланса; ряды Вольтерра; высокоскоростной метод линейного анализа; высокоскоростной метод шумового анализа; интегрированная система ввода схем со встроенной поддержкой файлов описания схем.

Пакет А"\\ГЕ1 М\УО содержит четырнадцать методов оптимизации, в которых можно выделить три группы: детерминированные, случайные и комбинированные. В данной работе используется детерминированный подход к решению задач оптимизации схем, в частности, симплекс-метод, метод градиентного спуска.

Научная новизна диссертации

1. Разработана методика анализа и синтеза нелинейных усилителей мощности телекоммуникационных передающих устройств с использованием технологий визуального моделирования.

Предлагаемая методика обеспечивает по сравнению с известными методами более высокую точность оценки выходной мощности, КПД, а также значительно сокращает время на проведение научно-исследовательских работ. Более высокая точность оценки достигается благодаря применению математических моделей элементной базы, учитывающих нелинейные свойства кристаллов транзисторов в различных режимах работы, их инерционность, влияние корпусов элементов и других факторов на динамические и энергетические характеристики.

2. Проведена оптимизация схем усилителей мощности по выбранным критериям оптимальности (выходная мощность, КПД), получены результаты оценки устойчивости усилителей мощности на основе предлагаемой методики.

3. Проведена оптимизация систем сложения мощности по выбранным критериям оптимальности (АЧХ, коэффициент передачи).

4. Разработана методика анализа и синтеза автогенераторов возбудителей передатчиков с использованием технологий визуального моделирования, которая обеспечивает более высокую точность оценки спектральных характеристик, фазовых шумов, динамики работы и устойчивости самовозбуждения.

5. Проведена оптимизация схем автогенераторов возбудителей передатчиков по выбранным критериям оптимальности (частота колебаний, подавление гармонических составляющих, уровень фазовых шумов, уровень выходного напряжения и тока) на основе предлагаемой методики.

Обоснованность и достоверность результатов работы

Обоснованность и достоверность научных результатов, полученных • в диссертации, подтверждается корректностью используемых и опубликованных математических моделей исследуемых устройств; согласованностью ряда полученных результатов с опубликованными в отечественной и зарубежной печати; результатами визуального компьютерного моделирования, экспериментальных исследований и внедрением разработанных телекоммуникационных устройств в производство.

Личный вклад.

Все результаты, составляющие содержание данной работы, получены автором самостоятельно.

Практическая ценность работы

Разработанные в диссертации методы анализа и синтеза телекоммуникационных передающих устройств реализованы в системе автоматизированного проектирования "Те1есот-М\¥0" и внедрены в разработки компании "РТСофт" (г. Москва) и в учебный процесс ПГУТИ.

В настоящее время программный комплекс системы "Те1есот-М"\\Ю" позволяет исследовать и проектировать телекоммуникационные радиопередающие устройства ВЧ и СВЧ диапазонов на биполярных и полевых транзисторах. Благодаря возможности постоянного совершенствования программного комплекса расширяется круг прикладных задач исследования и проектирования в области телекоммуникационных систем и устройств.

Результаты разработки и внедрения программного комплекса системы "Те1есот-М\¥0" имеют существенное значение для отрасли телекоммуникаций, заключающееся в повышении качества и надежности разрабатываемых устройств, сокращения сроков создания телекоммуникационных устройств и систем, которое достигается благодаря сокращению трудоемкости научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

Положения, выносимые на защиту

- Методика анализа и синтеза нелинейных усилителей мощности телекоммуникационных передающих устройств.

- Результаты исследования и оптимизации, оценки устойчивости усилителей мощности на основе предлагаемой методики.

- Результаты исследования систем сложения мощности.

- Методика анализа и синтеза автогенераторов - возбудителей передатчиков.

- Результаты исследования и оптимизации автогенераторов возбудителей передатчиков на основе предлагаемой методики.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались в 2007 - 2009 гг. на следующих конференциях: международная научно-практическая конференция «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития '2007». Одесса: Черноморье, 2007; международная научно-практическая конференция «Телеком-2007»./Ростов на Дону: СКФ МТУ СИ, 2007; международная конференция «Телекоммуникационные и информационные системы». / СПб: Изд-во СПбГПУ, 2007; международная научно-техническая конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций». Уфа: УГАТУ, 2007. международная научно-практическая конференция «Современные направления теоретических и прикладных исследований '2008». Одесса: Черноморье, 2008; международная конференция «Управление созданием и развитием систем, сетей и устройств телекоммуникаций». / СПб: Изд-во СПбГПУ, 2008; международная научно-практическая конференция «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте '2008». Одесса: Черноморье, 2008; международная научно-практическая конференция «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития '2008».0десса: Черноморье, 2008; девятая международная научно-техническая конференция "Проблемы техники и технологий телекоммуникаций" ПТ и ТТ- 2008. Казань: КГТУ, 2008; международная научно-практическая конференция «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании'2008».Одесса: Черноморье, 2008; международная научно-практическая конференция «Перспективы развития телекоммуникационных систем и информационные технологии» / СПб: Изд-во СПбГПУ, 2008; XV Российская научная конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов./ Самара, ПГАТИ, 2008; XVI Российская научная конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. Самара: ПГУТИ, 2009; международная научно-практическая конференция «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития '2009». Одесса: Черноморье, 2009.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 25 работ, в том числе 3 статьи в журналах из перечня ВАК, 13 докладов в материалах международных конференций, четыре параграфа в учебнике для ВУЗов, 5 тезисов в материалах Российских конференций, 3 работы зарегистрированы в Отраслевом фонде алгоритмов и программ Федерального агентства по образованию.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении сформулированы цель и задачи диссертационной работы, показана ее актуальность и практическая значимость, определена новизна и обоснована достоверность полученных результатов, представлены основные положения, выносимые на защиту, кратко изложено содержание диссертационной работы.

Первая глава посвящена информационным технологиям анализа и синтеза нелинейных усилителей мощности на полевых транзисторах.

Отмечается, что значительные результаты достигнуты в области разработки нелинейных моделей транзисторов.

Представлены нелинейные модели полевых транзисторов. Приведена краткая характеристика зарубежных транзисторов, которые в настоящее время широко применяются при разработке телекоммуникационных устройств.

Показано, что выбор транзистора, исходя из технических характеристик, автоматически определяет вид модели, которая наиболее адекватно описывает процессы, происходящие в нем. Каждая из рассмотренных моделей позволяет достаточно точно провести исследование динамических свойств полевого транзистора на высоких рабочих частотах, учитывая при этом специфику его статических характеристик.

База данных системы проектирования содержит информацию о рассмотренных моделях полевых транзисторов и их параметрах.

Приведен анализ перспектив развития технологии производства полевых транзисторов, из которого следует, что благодаря применению новых материалов в производстве транзисторов, а также внедрению транзисторов на гетероструктурах HFET (heterostructure field-effect transistor), транзисторов с высокой подвижностью электронов НЕМТ (high electron mobility transistor) значительно улучшены характеристики высокочастотных транзисторов, используемых при разработке СВЧ телекоммуникационных устройств.

Разработаны алгоритмы построения статических характеристик полевых транзисторов, динамических характеристик усилителей мощности в инструментальной среде MWO.

Результаты исследований, поведенных в первой главе диссертации, показывают эффективность использования инструментальной среды визуального моделирования MWO при решении задач разработки методов анализа и синтеза телекоммуникационных радиопередающих устройств, благодаря возможности визуального программирования сложных радиотехнических устройств с применением математических моделей современной элементной базы.

Вторая глава посвящена решению следующих задач: разработке методики анализа, синтеза нелинейных усилителей мощности телекоммуникационных передающих устройств; проведению исследований и оптимизации усилителей мощности на основе предлагаемой методики; проведению исследований устойчивости линейных усилителей мощности; проведению исследований систем сложения мощности.

В дальнейшем наряду с термином "усилитель мощности" используется также термин "генератор с внешним возбуждением" (ГВВ), принятый в технике радиопередающих устройств.

Учитывая, что выходная мощность и коэффициент полезного действия передатчиков зависят от выбранных нелинейных режимов ГВВ, разработаны методики анализа и синтеза ГВВ в нелинейных режимах классов В, С, Э, Е, Г, даны рекомендации по их применению.

Проведенные в данной главе исследования режимов работы ГВВ классов В и С при изменении сопротивления нагрузки, питающих напряжений, мощности возбуждения, напряжения смещения, цепей питания с использованием динамических и временных характеристик позволили сформулировать ограничения на параметры ГВВ при его оптимизации.

Целевая функция включает критерии оптимизации, весовые коэффициенты и ограничения на параметры исследуемой схемы ГВВ для оценки оптимального сопротивления нагрузки и сопротивления источника возбуждения.

В результате оптимизации по критерию максимальной выходной мощности на диаграммах Смита (рис.В.1) построены семейства зависимостей сопротивления нагрузки и сопротивления источника возбуждения, соответствующих различным уровням выходной мощности.

Рисунок В.1 - Результаты исследования и оптимизации сопротивлений нагрузки и источника возбуждения

Полученные в настоящем разделе результаты исследований и оптимизации сопротивления нагрузки и сопротивления источника возбуждения ГВВ, работающего в режимах В и С, позволяют проводить анализ и синтез цепей согласования.

Разработанная методика исследования ГВВ в ключевых режимах классов Б, Е, Р , представленная в виде алгоритмов, позволяет с помощью динамических характеристик (рис.В.2) оценить оптимальные параметры схем ГВВ, при которых обеспечивается требуемый режим работы транзисторов и заданные энергетические показатели (рис.В.З).

Из сравнения результатов исследования ГВВ следует, что наиболее эффективной по энергетическим показателям является схема ГВВ в ключевом режиме класса Р.

Недостатком ГВВ класса Е является довольно высокий пик-фактор напряжения на транзисторе (рис.В.2). В этой связи приходится выбирать пониженные значения напряжения питания, что несколько снижаех полезную мощность и КПД и ограничивает область применения.

550

500 450 400 350 100 <

2 250 — 200 150 100 50 О ■50

И /5 \ 1 1 г х

1/1,— !

1

10 12 и [В]

14 16 18 20 22

8 10 12 14 16 18 20 и [В)

Рисунок В.2 — Динамическая характеристика ГВВ на полевом транзисторе ЕРА 240 В в ключевом режиме класса Е и класса Б

Наиболее технологичной является схема усилителя мощности класса Б при активном сопротивлении нагрузки. Однако она уступает по энергетическим показателям ГВВ классов Е и Р. Основные потери энергии происходят при переходе транзистора из состояния отсечки в состояние насыщения.

К (Ом) II (Ом)

Рисунок В.З - Зависимость выходной мощности и КПД от сопротивления нагрузки для схемы ГВВ в режиме класса Б

Разработанный алгоритм оценки устойчивости работы линейных усилителей мощности (режим класса А), предназначенных для работы в предварительных широкодиапазонных каскадах усиления, позволяет определять границы их устойчивой работы в заданном диапазоне частот.

В ряде случаев для увеличения мощности передатчиков применяют системы сложения мощности. Разработанные алгоритмы анализа и синтеза квадратурного моста на связанных микрополосковых линиях позволяют проводить исследования и оптимизацию по заданной амплитудно-частотной характеристике.

Результаты исследований, проведенные в настоящей главе с использованием инструментальной среды визуального моделирования А\¥К М\Ю, позволили решить поставленные задачи.

1. Разработана методика анализа, синтеза ГВВ на полевых транзисторах в нелинейных режимах классов В, С, Э, Е, Б, даны рекомендации по их применению. Методика представлена в виде совокупности алгоритмов и программ.

2. Проведено исследование и оптимизация усилителей мощности на основе предлагаемой методики.

3. Разработан алгоритм и проведено исследование устойчивости работы линейных усилителей мощности (режим класса А), предназначенных для работы в предварительных широкодиапазонных каскадах тракта усиления передатчиков.

4. Разработаны алгоритмы анализа и синтеза, проведены исследования систем сложения мощности на микрополосковых линиях, удовлетворяющие заданным энергетическим требованиям в диапазоне рабочих частот.

Третья глава посвящена разработке методики анализа и синтеза автогенераторов возбудителей передатчиков; проведению исследований и оптимизации автогенераторов на основе предлагаемой методики.

Представлена обобщенная эквивалентная схема автогенератора в виде соединения активного и пассивного четырехполюсников, описываемых комплексными передаточными функциями. Отмечается, что комплексная передаточная функция активного четырехполюсника (крутизна транзистора) нелинейная, чем объясняются трудности аналитического исследования динамики работы автогенераторов. Рассмотрены основные факторы, влияющие на стабильность частоты автогенератора.

Предлагаемая методика исследования автогенераторов в инструментальной среде М\Ю позволяет выполнять оптимизацию схем по различным критериям: выходной мощности, фазовым шумам, стабильности частоты, по качеству спектрального состава выходного колебания.

Разработан алгоритм анализа и синтеза, проведено исследование и оптимизация ЬС - автогенератора в случае, когда критерием является заданная частота колебаний при максимальном подавлении высших гармонических составляющих в спектре выходного сигнала.

Разработан алгоритм исследования влияния глубины обратной связи на работу автогенератора с использованием динамических характеристик (рис.В.4), которые позволяют оценить область устойчивой работы автогенератора при изменении глубины обратной связи. Увеличение глубины обратной связи приводит к значительным искажениям формы динамической характеристики в результате искажений формы тока и напряжения. При уменьшении глубины обратной связи динамическая характеристика принимает форму эллипса. Искажения формы выходного тока и напряжения минимальны, что приводит к лучшему подавлению высших гармонических составляющих выходного сигнала.

Сформулированы рекомендации по выбору параметров ЬС -автогенераторов для обеспечения заданного критерия оптимизации. Результатом синтеза является принципиальная схема автогенератора.

320 280 240 200 3" 1во I

- 120 80 40 0 .40 { . . ,„!,. ,.„. . .,.,,. .,„.,.,

7-- -------- .

Рисунок В.4 - Динамические характеристики и спектр выходного сигнала ЬС -автогенератора при различной глубине обратной связи

Разработаны алгоритмы анализа и синтеза, проведены исследования автогенераторов с коаксиальной линией, с кварцевым резонатором в колебательной системе.

Отмечается, что для анализа и оптимизации автогенератора с кварцем в колебательной системе необходимо вначале провести исследование частотных характеристик кварцевого резонатора, предназначенного для работы на заданной частоте.

Разработан алгоритм исследования кварцевого резонатора в среде М\\Ю. Анализ работы кварцевого резонатора по его частотным характеристикам позволяет оценить диапазон частот, при котором резонатор имеет индуктивное сопротивление, т.е. область частот, в которой возможно возникновение самовозбуждения генератора, что значительно упрощает анализ и оптимизацию кварцевых автогенераторов в инструментальной среде М\\Ю.

Разработан алгоритм исследования и рекомендации по выбору параметров автогенераторов с кварцем в колебательной системе. Результатом синтеза является принципиальная схема кварцевого генератора, удовлетворяющая заданным техническим условиям по спектральным и динамическим характеристикам.

Результаты исследований автогенераторов синтезаторов частот позволяют оценить не только уровень дискретных оставляющих в спектре выходного сигнала, но и уровень фазовых шумов. Минимизация побочных дискретных составляющих достигается изменением глубины обратной связи в автогенераторе. Исследование показало, что от выбора элементной базы зависит уровень фазовых шумов автогенератора.

Совокупность алгоритмов и программ анализа и синтеза автогенераторов, разработанных в данной главе с использованием инструментальной среды визуального моделирования М\¥0, является решением задачи создания методики анализа и синтеза автогенераторов возбудителей передатчиков по заданным параметрам целевой функции: критериям оптимизации, весовым коэффициентам и ограничениям на параметры колебательных систем.

Четвертая глава посвящена вопросам автоматизации исследования и проектирования радиопередающих устройств.

Рассматривается реализация разработанных в диссертации методов анализа и синтеза телекоммуникационных передающих устройств в системе автоматизированного проектирования "Те1есот-М\\Ю" (рис.В.5).

Подсистема езшшодействия с пользователями

Пользователи

II

База данных Модуль общего Пользовательские проектов интерфейса САПР инструкции Ж

Подсистема взаимодействия с вычислительными процессами

Модуль управления задачами САПР ж

Ваза данных алгоритмов и программ

Модуль управления вычислительными узлами

-Т>

Вычислительная подсистема 7

Вычислительный узел N

Рисунок В.5 - Структура программного обеспечения «Telecom-MWO»

Разработана методика применения программного комплекса системы "Telecom-MWO" в исследовании и проектировании телекоммуникационных передающих устройств с использованием диалогового сервиса, обеспечивающего комфортную работу пользователя в различных режимах.

В заключении представлены результаты исследований и разработки методов анализа, синтеза телекоммуникационных передающих устройств с использованием инструментальной среды визуального моделирования AWR Microwave Office.

1. Разработана методика анализа, синтеза ГВВ на полевых транзисторах в нелинейных режимах классов В, С, D, Е, F, даны рекомендации по их применению. Методика представлена в виде совокупности алгоритмов и программ. Проведено исследование и оптимизация усилителей мощности на основе предлагаемой методики.

2. Разработан алгоритм и проведено исследование устойчивости работы линейных усилителей мощности (режим класса А), предназначенных для работы в предварительных широкодиапазонных каскадах тракта усиления передатчиков.

3. Разработаны алгоритмы анализа и синтеза, проведены исследования систем сложения мощности на микрополосковых линиях, удовлетворяющие заданным энергетическим требованиям в диапазоне рабочих частот.

4. Разработана методика анализа и синтеза автогенераторов возбудителей передатчиков по заданным параметрам целевой функции: критериям оптимизации, весовым коэффициентам и ограничениям на параметры колебательных систем. Проведено исследование и оптимизация автогенераторов.

5. Разработанные в диссертации методы анализа и синтеза телекоммуникационных передающих устройств реализованы в программном комплексе системы "Тексот-МЛ^О", внедрены в разработки компании "РТСофт" (г. Москва) и в учебный процесс ПГУТИ.

Приложение 1 содержит библиотеку программного комплекса системы "Те1есот-М\\Ю".

В приложении 2 приведен пример структуры управляющей программы системы "Те1есот-М\УО".

В приложениях 3,4 содержатся акты о внедрении результатов диссертационной работы в разработки компании "РТСофт" и в учебный процесс ПГУТИ.

Выводы по четвертой главе

1. Если в настоящее время система "Те1есот-М\\Ю" предназначена для решения задач исследования и проектирования радиопередающих устройств, то в дальнейшем благодаря ее развитию круг решаемых задач может быть существенно расширен благодаря ее постоянному развитию.

2. Библиотека программного комплекса системы, база данных элементов инструментальной среды проектирования Аи'И. М\УО, управляющая программа, включающая систему управления исследованиями и проектированием, постоянно совершенствуются на основе использования информационных технологий, обеспечивая тем самым развитие и конкурентную способность системе «Те1есот—М\\Ю».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Цель диссертации - исследование и разработка методов анализа, синтеза телекоммуникационных передающих устройств с использованием инструментальной среды визуального моделирования AWR Microwave Office.

Поставленные в диссертации задачи решены, цель достигнута, получены следующие результаты.

1. Разработана методика анализа, синтеза ГВВ на полевых транзисторах в нелинейных режимах классов В, С, D, Е, F, даны рекомендации по их применению. Методика представлена в виде совокупности алгоритмов и программ. Проведено исследование и оптимизация усилителей мощности на основе предлагаемой методики.

2. Разработан алгоритм и проведено исследование устойчивости работы линейных усилителей мощности (режим класса А), предназначенных для работы в предварительных широкодиапазонных каскадах тракта усиления передатчиков.

3. Разработаны алгоритмы анализа и синтеза, проведены исследования систем сложения мощности на микрополосковых линиях, удовлетворяющие заданным энергетическим требованиям в диапазоне рабочих частот.

4. Разработана методика анализа и синтеза автогенераторов возбудителей передатчиков по заданным параметрам целевой функции: критериям оптимизации, весовым коэффициентам и ограничениям на параметры колебательных систем. Проведено исследование и оптимизация автоген ераторо в.

5. Разработанные в диссертации методы анализа и синтеза телекоммуникационных передающих устройств реализованы в программном комплексе системы "Telecom-MWO", внедрены в разработки компании "РТСофт" (г. Москва) и в учебный процесс ПГУТИ.

Научная новизна результатов диссертации заключается в проведении исследований и разработке новых методов анализа и синтеза передающих устройств с использованием современных информационных технологий визуального моделирования сложных телекоммуникационных устройств и более высоким уровнем адекватности математических моделей их элементной базы.

Внедрение результатов работы в научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки отечественных предприятий позволяет с наименьшими затратами адаптировать зарубежные технологии для решения научных, инженерных задач создания телекоммуникационных устройств и систем.

1. Устройства генерирования и формирования радиосигналов: Учебник для вузов/ Л.А. Белов, В.М. Богачев, М.В. Благовещенский и др.; Под ред. Г.М. Уткина, В.Н. Кулешова и М.В. Благовещенского, 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Радио и связь, 1994.-416 с.

2. Радиопередающие устройства: Учебник для вузов// В.В. Шахгильдян, В.Б. Козырев, А.А. Ляховкин и др.; Под ред. В.В. Шахгильдяна, 3-е изд. М.: Радио и связь, 2003, 560с.

3. Проектирование радиопередатчиков: Учеб. Пособие для вузов / В.В. Шахгильдян, М.С. Шумилин, В.Б. Козырев и др.; Под ред. В.В. Шахгильдяна, 4-е изд., перераб. и доп.- М.: Радио и связь, 2000,- 656с.

4. Радиопередающие устройства/ М.В. Балакирев, Ю.С. Вохмяков, А.В. Журиков и др. ; Под ред. О.А. Челнокова.- М.: Радио и связь, 1982.-256 с.

5. Проектирование и техническая эксплуатация радиопередающих устройств/ М.А. Сивере, Г.А. Зейтленок, Ю.Б. Несвижский и др.:Учеб. Пособие для вузов.- М.: Радио и связь, 1989. 368 с.

6. Шумилин М.С. , Козырев В.Б., Власов В.А. Проектирование транзисторных каскадов передатчиков.-М.: Радио и связь, 1987.- 320 с.

7. Проектирование и технология производства мощных СВЧ транзисторов/ В.Н. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. -М.: Радио и связь, 1989. -144 с.

8. Алексеев О.В. Автоматизация проектирования радиоэлектронных средств. М., «Высшая школа», 2000. 479 с.

9. Электронный учебник «Устройства генерирования и формирования сигналов в системах подвижной радиосвязи». Карякин В.Л. М.: Федеральноеагентство по образованию. Отраслевой фонд алгоритмов и программ, № г/р 7092, 2006.

10. И. Устройства генерирования и формирования сигналов в системах подвижной радиосвязи: Учебник для вузов/ В.Л. Карякин. М: Радио и связь, 2007.-433 с.

11. Карякин В.В., Карякин Д.В. Система автоматизированного проектирования телекоммуникационных устройств «Telecom-MWO». // В сборнике трудов международной научно-практической конференции «Телеком-2007»./Ростов на Дону: СКФ МТУСИ, 2007, с.28-33.

12. Карякин В.В., Карякин Д.В. Информационные технологии проектирования телекоммуникационных устройств. // В сборнике трудов международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций». Уфа: Изд-во УГАТУ, 2007, с. 82-85.

13. Карякин В.В. Информационные технологии моделирования биполярных транзисторов в САПР «Те1есот-М\\Ю».//Инфокоммуникационныетехнологии, Том 6, № 3, 2008. с. 86-93.

14. Карякин В.В. Технологии развития производства биполярных транзисторов и их моделирования в САПР «Telecom-MWO» // В сборнике научных трудов международной научно-практической конференции

15. Современные направления теоретических и прикладных исследований '2008». Одесса: Черноморье, 2008, с. 49-58.

16. Карякин В.В. Нелинейные модели биполярных транзисторов в САПР «Telecom-MWO».// В сборнике научных трудов «Управление созданием и развитием систем, сетей и устройств телекоммуникаций». / СПб: Изд-во СПбГПУ, 2008, с. 234-248.

17. Ebers. J . and J. Moll. "Large-Signal Behavior of Junction Transistors," Proc. IRE, Vol. 42, 1954. p. 1761.

18. Gummel. H.K. and H.C. Poon, "An Integral Charge-Control Model of Bipolar Transisron." Bell Syst. Tech. J., vol. 49, 1970, p.827.22. www.compitech.m/html.cgi/arhiv/06l l/statl8.htm23. www.ncsd.necel.com/microwave/english/application/index.html

19. Карякин Д.В. Технологии создания САПР «Telecom-MWO», развития производства и компьютерного моделирования полевых транзисторов. // Инфокоммуникационные технологии, Том 6, № 3, 2008. с. 94-99.

20. Н. Raab, Р. Asbeck, S. Cripps, P. Kenington, Z. Popovich, N. Pothecary, J. Sevic, N. Sokal RF and Microwave Power Amplifier and Transmitter Technologies// High Frequency Electronics, V.2, No 4, 2003, pp. 22-36.

21. Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков: Учебное пособие для вузов/ B.JI. Карякин.- М: Радио и связь, 2002.- 77 с.

22. Компьютерные технологии проектирования генераторов с внешним возбуждением в режиме большого сигнала: Учебное пособие для вузов/ В.JI.Карякин.- М: Радио и связь, 2003.- 92 с.

23. Усилители мощности передатчиков. Теория и компьютерные технологии проектирования / В.Л. Карякин. М.: Радио и связь, 2003.- 325с.

24. Компьютерные технологии оптимизации усилителей мощности передатчиков: Учебное пособие для вузов/ В Л. Карякин.-М: Радио и связь, 2005,- 400 с.

25. Карякин B.JL, Толмачев В.Б. Электродинамический анализ характеристик нагрузки мобильного передатчика.// Сб. трудов ученых Поволжья «Информатика, радиотехника, связь», вып. 7, 2002. с. 49-51.45. http://www.nxp.com/

26. Рэд Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике: Схемы, блоки, 50-омная техника: Пер. с нем. М.: Изд. «Мир», 1990. -256 с.

27. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств/ С.И. Бахарев, В.И. Вольман, Ю.И. Либ и др. ; Под ред. В.И. Вольмана.- М.: Радио и связь, 1982.-328 с.

28. Карякин В.Л., Верховов О.В. Модели полевых транзисторов для системы автоматизированного проектирования радиопередатчиков.// Тезисы докладов X Российской научной конференции./Самара, ПГАТИ, 2003, с. 68. ■

29. Карякин В.Л. Исследование и разработка компьютерных технологий проектирования радиопередатчиков.// Тезисы докладов X Российской научной конференции./Самара, ПГАТИ, 2003, с. 66.

30. Карякин В.JI., Толмачев В.Б. Модели биполярных транзисторов для системы автоматизированного проектирования радиопередатчиков. // Тезисы докладов X Российской научной конференции./ Самара, ПГАТИ, 2003, с. 83.

31. Карякин B.JL, Верховов О.В. Компьютерные модели полевых транзисторов в режиме большого сигнала.// Тезисы докладов и сообщений II Международной научно-технической конференции./ Самара, 2003. — с. 179.

32. Карякин B.JL, Верховов О.В. Компьютерный анализ режимов работы полевых транзисторов в усилителях мощности передатчиков.// Тезисы докладов и сообщений II Международной научно-технической конференции./ Самара, 2003.-с. 180.

33. Карякин В.Д., Толмачев В.Б. Оптимизация режимов в усилителях мощности радиопередатчиков.// Тезисы докладов и сообщений II Международной научно-технической конференции./ Самара, 2003. с. 181.

34. Верховов О.В., Карякин B.JI. Имитационные модели полевых транзисторов в режиме большого сигнала.// Инфокоммуникационные технологии, Том 2, № 4, 2004 с. 52-58.

35. Карякин В.Л., Толмачев В.Б. Применение нелинейных моделей биполярных транзисторов для исследования усилителей мощности в режиме большого сигнала. // Инфокоммуникационные технологии, Том 2, № 3, 2004, с. 63-71.

36. Карякин Д.В. Разделы 1.2.3-1.2.5 в книге «Устройства генерирования и формирования сигналов в системах подвижной радиосвязи»: Учебник для ВУЗов/ В.Л. Карякин М.: Радио и связь, 2007. - 433 с.

37. Карякин Д.В. Структура программного комплекса САПР «Те1есот-М\\Ю» // В сборнике научных трудов девятой международной научно-технической конференции "Проблемы техники и технологий телекоммуникаций" ПТ и ТТ- 2008. Казань: КГТУ, 2008, с. 421-422.

38. Карякин В.Л., Карякин Д.В. Развитие прикладных систем автоматизированного проектирования телекоммуникационных систем иустройств. // Научно-технические ведомости СПбГПУ, серия ГГнформатика, телекоммуникации, управление, № 1, 2009, с. 110-115.

39. Карякин Д.В. Исследование глубины обратной связи на работу автогенератора. // В сборнике трудов XVI Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и: аспирантов. Самара: ПГУТИ, 2009, с. 123-124.

40. Карякин Д.В. Применение САПР "Telecom-MWO" в проектировании телекоммуникационных систем и устройств. // Физика волновых процессов и радиотехнические системы, Т.00, № 2, 2009, (в печати)

41. Карякин В.В. Автоматизация проектирования усилителей мощности передающих устройств // Физика волновых процессов и радиотехнические системы, Т. 12, № 2, 2009. С. 91-98.