автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Исследование и разработка выходных трактов ключевых генераторов с улучшенным спектральным составом выходного напряжения

РГБ ОД

¡1,

На правах рукописи

Ларионов Олег Михайлович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ВЫХОДНЫХ ТРАКТОВ КЛЮЧЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ С УЛУЧШЕННЫМ СПЕКТРАЛЬНЫМ СОСТАВОМ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ.

Специальность 05.12.17 - Радиотехнические и телевизионные системы и

устройства.

АВТОРЕФЕРЛТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2000

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Дмитриков В.Ф.

Официальные оппоненты:

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Сивере М.А.

Кандидат технических наук, старший научный сотрудник Майоров В.А.

Ведущая организация -АООТ Российский институт мощного радиостроения.

3 а щ иуичи с с ертаци и состоится « ✓у; ¿¿^РСс^Я-^ 2000 г.

в /' час. в 413 ауд. на заседании диссертационного совета К. 118.01.01 при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича по адресу: 191186, СПб, наб. реки Мойки, д. 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан « /ЗГТ ^^¿¿ЛлЛ, 2000 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, к т. п., доцент

В.Х. Харитонов

О + -МоЛ -ЯЛ, о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Из основных тенденций развития современных систем связи следует отметить с одной стороны внедрение новых технологий в системах связи, характерное для последних десятилетий, которое привело к расширению сферы услуг пользователям этих систем. Это привело к расширению числа пользователей и к росту средств связи (СРС), находящихся в эксплуатации. С другой стороны следует отметить дальнейшие решения проблемы энерго- и ресурсосберегающих технологий, методов формирования и усиления сигналов, которые должны приводить к минимизации потерь энергии, массы, габаритов и стоимости СРС.

Интенсивное расширение и развитие СРС различного назначения (от переговорных устройств малого радиуса действия до глобальных спутниковых и наземных систем) вызывает рост загруженности радиочастотного спектра (РЧС) и усложнение электромагнитной обстановки в радиоэфире. Ограниченность ресурса РЧС, наличие у радиоэлектронных средств таких параметров, как параметры электромагнитной совместимости (ЭМС), приводят к тому, что помехи, возникающие между СРС, могут снижать качество работы эксплуатируемых СРС до недопустимых пределов.

Решение проблемы ЭМС, улучшение электромагнитной обстановки в радиоэфире при всё большем увеличении числа СРС может осуществляться путём сужения полезной полосы частот, отводимой каждому пользователю, и ужесточением норм по излучению непреднамеренных магнитных помех, излучаемых СРС.

Сужение полосы частот, отводимых каждому пользователю, решается путём развития и внедрения перспективных способов передачи сигнала с уменьшенным частотным спектром (однополосная модуляция, соответствующие виды частотной модуляции и т.д.). Снижение уровня излучаемых помех осуществляется увеличением степени их подавления фильтрующими системами. Последнее приводит к увеличению массогабаритиых и стоимостных показателей СРС.

Решение проблемы энерго- ресурсосбережении в радиоэлектронных устройствах осуществляется использованием энергетически высокоэффективных ключевых режимов генерирования и усиления электрических колебаний и сигналов. При использовании ключевых режимов усиления удаётся реализовать электронный КПД выше 90-95% путём уменьшения мощности, рассеиваемой в усилительных приборах, и резко снизить габариты охлаждающей системы, а следовательно, всего устройства.

Однако ключевые режимы усиления отличаются широким спектром побочных спектральных составляющих и при этом усложняется решение проблемы электромагнитной совместимости радиоэлектронной аппаратуры. Для решения проблем ЭМС при использовании ключевых радиопередающих и преобразовательных устройств необходимо применять специальные методы усиления и формирования гармонических колебаний, в которых уменьшены побоч-

ные составляющие. Разработкой методов дискретного синтеза выходного напряжения ключевых радиотехнических и преобразовательных устройств с улучшенным спектральным составом занимались различные научные школы России. Среди них следует отметить работы учёных: В.Ф. Дмитрикова, В.Е. Тонкаля, В.М. Кибакина, В.В. Васюкова, Г.М. Малышкова, Ю.М. Калниболоте-кого, Е.Г. Павловского и многих других. Однако многие важные вопросы при этом остались не решёнными. Так не проведён сопоставительный анализ различных методов улучшения спектрального состава выходного напряжется ключевых генераторов (КГ); не рассмотрено влияние на спектральный состав таких КГ процессов, протекающих в фильтрах источников питания; влияние реальных статических и динамических характеристик; не исследованы переходные процессы в КГ с улучшенным спектральным составом, работающих на фильтры с узкополосной нагрузкой и т.д.

В решении проблемы разработки энерго- и ресурсосберегающих технологий и методов формирования усиления и фильтрации сигпалов СРС одно из важных мест занимает решение проблемы минимизации реактивных фильтрующих устройств, которые являются неотъемлемой частью радиотехнических устройств. Так, в мощных радиопередатчиках, использующих энергетически эффективные ключевые режимы усиления, вес и габариты фильтрующих устройств могут достигать 50-70% от общего веса и габаритов радиопередающего устройства. В такой ситуации дальнейший рост эффективности радиопередающих устройств сдерживается нерешёнными проблемами снижения и минимизации массогабаритных характеристик фильтрующих цепей. Особую актуальность эта проблема приобретает при проектировании и модернизации мощных и сверхмощных ДВ и СДВ связных и радионавигационных радиопередающих устройств, фильтрующие и согласовывающие цепи которых занимают объём в сотни кубических метров.

Теория синтеза реактивных четырёхполюсников, каковыми являются ГС-фильтры, по заданным частотным характеристикам разрабатывалась в трудах отечественных и зарубежных учёных: Э.А. Гиллемина, ДА. Калахана, А.Ф. Белецкого, А.Е. Знаменского, А.А. Ланнэ, И.И. Трифонова, Я.И. Собепшю и многих других.

В настоящее время наиболее развиты методы синтеза фильтрующих цепей, в которых минимизируется число элементов цепи. Однако число элементов не определяет массу и габариты фильтра. Массогабаритные характеристики фильтрующих цепей определяются суммарной энергией запасаемой во всех ин-дуктивностях и во всех ёмкостях цепи, т.е. энергетическими функциями. Основные теоретические результаты исследования энергетических функций реактивных четырёхполюсников относятся к ЬС-четырёхполюсникам с двухсторонней нагрузкой. К таким устройствам сводятся усилители мощности, работающие в классах А и В, с низким электронным КПД. Энергетические функции реактивных четырёхполюсников, работающих в режиме односторонней нагрузки, к которым сводятся энергетически эффективные ключевые усилители мощности и генераторы в литературе не рассматривались.

Поэтому для снижения массогабаритных характеристик выходных фильтрующих трактов КГ необходимо установить связь энергетических функций ЬС-фильтров КГ с массогабаритными характеристиками; установить связь между энергетическими функциями и основными параметрами реактивных фильтров (входными проводимостями, передаточной функцией, групповым временем запаздывания); исследовать свойства энергетических функций ЬС-фильтров; исследовать влияние потерь на энергетические свойства функций; исследовать переходные процессы и их влияние на энергетические функции ЬС-фильтров ключевых генераторов; разработать методику синтеза ЬС-фильтров КГ с минимальной реактивной энергией, массой и габаритами.

Очевидно, что решение проблемы улучшения марсогабаритных характеристик выходного тракта энергетически эффективных ключевых генераторов требует комплексного подхода; исследование принципов и методов построения КГ с улучшенным спектральным составом выходного напряжения и минимизация массогабаритных характеристик фильтрующих цепей при заданных частотных требованиях к ним.

Решению этих актуальных проблем и посвящена диссертационная работа.

Цель и основные задачи работы. Целью работы является решение проблемы минимизации массы и габаритных характе ристик фильтрующих устройств выходных трактов энергетически эффективных мощных ключевых генераторов и преобразовательных устройств путем комплексного подхода к исследованию как ключевых генераторов с улучшенным спектральным составом выходного напряжения, так и минимизации массогабаритных характеристик реактивных ЬС-фильтров при заданных к ним требованиям.

Для достижения этой цели в диссертации решаются следующие основные задачи:

1. Сравнительный анализ ключевых генераторов с улучшенным спектральным составом выходного напряжения, обоснование основных достоинств и недостатков каждого КГ, областей их применимости в зависимости от выходной мощности, частоты генерируемых колебаний, характера нагрузки и т.д.

2. Исследование влияния на спектральный состав КГ со ступенчатой формой (СН), одноуровневой однополярной (ООН), одноуровневой двухполярной (ОДН) формой пульсаций напряжения на ёмкости фильтра источника питания и неидеальности ключевых свойств активных приборов (падения напряжения на транзисторах и диодах) и разработка методов уменьшения этого влияния.

3. Теоретическое исследование энергетических функций реактивных ЬС-фильтров выходных трактов ключевых генераторов, их основных свойств и их связь с массогабаритными характерист иками фильтров.

4. Теоретическое исследование переходных процессов в фильтрующих цепях ключевых генераторов со ступенчатой формой выходного напряжения; с формой выходного напряжения типа "меандр", усилителей мощности класса В; мощного радионавигационного передатчика, работающего в классе С, и в высокоэффективном ключевом усилителе с квазисинусоидальной формой

выходного напряжения и синусоидальной формой тока. Разработка методов снижения перенапряжений на элементах фильтра во время переходного процесса.

5. Разработка методики синтеза ЬС-фильтров Баттерворта, Чебышева, Золота-рёва-Кауэра ключевых генераторов с минимальной реактивной энергией, массой и габаритами.

6. Синтез фильтрующих устройств с минимальной реактивной энергией КГ с улучшенным спектральным составом выходного напряжения.

Основные методы исследования. Теоретические исследования базируются па использовании фундаментальных положений теории электрических цепей, в частности теоремы Телледжена, современного синтеза электрических цепей, теории нестационарных систем.

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту. В работе получены новые научные результаты в исследовании спектрального состава ключевых генераторов со специальной формой выходного напряжения с учетом влияния пульсаций напряжения на ёмкости фильтра выпрямителя и неидеальности ключевых активных элементов; энергетических функций реактивных ГС-фильтров ключевых генераторов, на основании которых разработаны методы анализа и синтеза ЬС-фильтров с минимальными массогабаритными характеристиками и потерями энергии; переходных процессов в фильтрующих системах КГ и на их основе проведено решение важной научно-технической проблемы - создания выходных трактов высокоэффективных мощных ключевых генераторов с минимальными массогабаритными характеристиками.

В диссертационной работе защищаются следующие основные научные положения:

1. Проведённый сравнительный анализ спектрального состава различных типов КГ со специальной формой выходного напряжения (КГ со ступенчатой формой выходного напряжения, с одноуровневым однополярным напряжением и одноуровневым двухполярным напряжением) с учётом влияния пульсаций напряжения на ёмкости фильтра источника питания и неидеальности активных приборов.

2. Полученные выражения для энергетических функций реактивных ЬС-фильтров выходных трактов ключевых генераторов, определяющих реактивную энергию, массу и габаритные характеристики фильтра. Доказательство того, что энергетические функции определяются передаточными, входными функциями и групповым временем задержки фильтра и не зависят от структуры и параметров фильтра.

3. Доказанные положения, что при заданных требованиях к характеристике затухания фильтра существует вариант фильтра с минимальной реактивной энергией в классе фильтров Баттерворта, Чебышева, Золотарёва-Кауэра и что оптимизированный по минимальной реактивной энергии вариант может быть определён путём уменьшения неравномерности затухания Аа при сохранении гарантированного затухания а0 в полосе задерживания фильтра.

I. Разработанные методики синтеза фильтра ключевых генераторов с минимальной реактивной энергией. ). Проведённые исследования переходных процессов в фильтрующих цепях ключевых генераторов со ступенчатой формой выходного напряжения, с формой выходного напряжения типа "меандр", усилителей мощности класса В, мощного радионавигационного передатчика класса С, работающих на ре-зистивную и узкополосную резонансную нагрузку (антенный контур). >. Доказанные положения, что всплески АЧХ фильтра однозначно определяют перенапряжения на элементах фильтра во время переходного процесса, и разработанная на основании этого положения методика расчёта фильтров с уменьшенными перенапряжениями во время переходных процессов. '. Методика расчёта высокоэффективного КГ с квазисинусоидальным выходным напряжением и синусоидальной формой тока, работающего на оптимизированный по реактивной энергии фильтр. !. Методика расчёта оптимизированного по минимуму реактивной энергии ГС-фильтра выходных трактов ключевых генераторов с улучшенным спектральным составом выходного напряжения.

Практическая ценность работы заключается в том, что проведённые еоретические исследования послужили основой для разработки новых инже-[ерных методов анализа, синтеза реактивных фильтров, которые обеспечивают шнимизацию массы, габаритов и потерь энергии и направлены на решение ак-уальной проблемы по разработке фильтрующих устройств с минимальной ре-ктивной энергией выходных трактов энергетически эффективных мощных лючевых передатчиков. Указанные методы реализованы при модернизации 1яда отечественных мощных связных и радионавигационных передатчиков 'ДВ и ДВ диапазонов.

Основные научные положения диссертации служат методической базой 1ля создания новых курсов по теории электрический цепей, а также для курсо-ого и дипломного проектирования на кафедре ТЭЦ.

Внедрение результатов диссертационной работы. Теоретические и рактические результаты диссертации использовались в научно-сследовательских работах, проводимых на кафедре ТЭЦ СПб ГУТ совместно с 'оссийским институтом радионавигации и времени, в/ч 30895-3, Федеральным осударст венным предприятием "научно-производственный центр радиовеща-ия, радиосвязи и телевидения Даймонд". Предложенные методы синтеза реак-ивных фильтров с минимальными массогабаритными характеристиками вне-рены при модернизации мощных отечественных радионавигационных и связ-ых передатчиков. Внедрение результатов диссертации подтверждено соответ-твующими актами.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на науч-ых семинарах кафедры ТЭЦ СПб ГУТ, а также научно-технических конфе-енциях профессорско-преподавательского состава СПб ГУТ им. проф. М.А. онч-Бруевича (1999, 2000).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 2 статьи и 4 тезиса научных докладов. Значительная часть результатов диссертации была отражена в отчётах ПИР госбюджетных работ, проводимой кафедрой ТЭЦ ГУТ им. проф. М. А. Бонч-Бруевича в период 1999-2000 г. (шифр "Аспект ГУТ СПб") по договору с НТУ Минсвязи России №190-054. "Исследование и разработка новых методов высокоэффективного усиления мощности радиотехнических сигналов" по программе "Фундаментальные аспекты новых информационных и ресурсосберегающих технологий".

Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений и списка литературы, включающего 76 наименований. Диссертация содержит 119 страниц текста, 92 рисунка и 10 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во ведении обоснованы актуальность и практическая значимость работы, сформулированы цели и задачи исследования, а также основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена ключевым генераторам с улучшенным спектральным составом выходного напряжения.

Проведён обзор возможных принципов построения ключевых генераторов с улучшенным спектральным составом выходного напряжения, путём компенсации наибольших низших гармоник. Рассмотрены ключевые генераторы со ступенчатой формой выходного напряжения (СН) рис. 16, одноуровневым од-нополярным напряжением (ООН) рис. 1в и одноуровневым двухполярным напряжением (ОДН) рис. 1г. Рассмотрены принципы построения КГ СН путём различных методов переключения источников питания, различных способов суммирования мощностей отдельных блоков, путём переключения иервичных или вторичных обмоток выходного трансформатора и т.д. Рассмотрены принципы реализации выходного напряжения ООН с помощью КГ мостового типа с диодами встречного тока и выходного напряжения ОДН с помощью КГ полумостового типа с диодами встречного тока.

Проведён обзор дискретных методов синтеза выходного напряжения КГ с улучшенным спектральным составом в базисе тригонометрических и в базисе кусочно-постоянных функций Уолша и сопоставительный анализ спектрального состава выходного напряжения. В результате анализа спектральног о состава показано преимущество КГ СН с равными амплитудами ступеней и кратными угловыми координатами ступеней, заключающееся в простоте их реализации по сравнению с выходным напряжением КГ СН с неравными амплитудами ступеней и некратными угловыми координатами ступеней, реализация которых вызывает технические трудности. На основании сравнительного анализа КГ СН, КГ ООН и КГ ОДН выявлены достоинства и недостатки каждого, области их применения в зависимости от мощности и частоты генерируемых колебаний; показано что КГ СН имеют лучший спектральный состав при заданном числе переключений активных приборов, т.е. заданных динамических

потерях по сравнению с КГ с формой выходного напряжения ООН и ОДН. Однако последние проще в реализации.

Спектральный состав КГ СН, КГ ООН и КГ ОДН может изменяться в результате паразитной модуляции выходного напряжения данных генераторов напряжением пульсаций на ёмкости фильтра источника питания Сф с частотой сети и частотой пульсаций напряжения на Сф, обусловленных протеканием тока генератора через Сф. Проведён анализ процессов в фильтре источника питания данных генераторов и предложена методика расчёта фильтра источника питания исходя из допустимых мощностей гармоник, обусловленных модуляцией напряжения СН, ООН и ОДН с частотой сети; пульсациями напряжения на Сф, обусловленных протеканием тока генератора через Сф, и допустимой величины пульсаций напряжения на Сф с частотой сети и удвоенной частотой генерируемых колебаний.

Помимо влияния на спектральный состав пульсаций напряжения на ёмкости фильтра выпрямителя на спектральный состав КГ СП, КГ ООН и КГ ОДН влияет неидеалыюсть ключевых свойств транзисторов и диодов, обусловленное падением напряжения на транзисторах и диодах. Это влияние проявляется в ухудшении спектрального состава КГ с формой выходного напряжения СН, ООН и ОДН. В наибольшей мере это влияние проявляется на ухудшении спектрального состава КГ СН и в наименьшей степени на спектральный состав КГ ОДН. Рассмотрены методы уменьшения вредного влияния неидеальноста ключевых свойств транзисторов на ухудшение спектрального состава путём уменьшения их внутреннего сопротивления, при их параллельном включении, или путём уменьшения использования транзисторов по току, а также при пря-

моуголыюй форме тока транзисторов, что достигается при работе КГ на рези-стивную нагрузку, т.е. работе на "вилку" фильтров ФНЧ и ФВЧ. Однако эти методы приводят или к увеличению стоимости КГ или к уменьшению КПД при его работе на "вилку" ФНЧ и ФВЧ. Показано, что из-за неполной компенсации низших третьей и пятой гармоник, обусловленных влиянием остаточного напряжения на транзисторах и диодах и пульсаций напряжения на Сф, нецелесообразна реализация КГ с числом ступеней более трёх.

Показано, что улучшение спектрального состава в КГ возможно не только путём формирования специального выходного напряжения СН, ООН и ОДН, но и в КГ с квазисинусоидальной формой выходного напряжения и синусоидальной формой тока. Такие режимы работы КГ реализуются при определённых соотношениях параметров фильтра источника питания и индуктивном характере на1рузки в КГ мостового типа с диодами встречного тока, и позволяют существенно улучшить спектральный состав выходного напряжения и повысить КПД из-за уменьшения динамических потерь, обусловленных переключением транзисторов при напряжении гораздо меньшем, чем напряжение питания.

Вторая глава посвящена теории частотных энергетических функций реактивных ЬС-фильтров ключевых генераторов. Показано что масса С, обьём V и мощность потерь Рп в фильтрующих устройствах мощных радиопередающих устройствах определяются магнитной энергией, запасаемой во всех катушках индуктивности Их, и электрической энергией, запасаемой во всех конденсаторах И-'с:

где >'] ,(с>1,) и ус(^с) - удельные энергоёмкости конденсаторов и катушек индуктивности, которые равны отношению накапливаемой энергии к массам (габаритным объёмам) индуктивных и ёмкостных элементов; 4 и ¿с - коэффициенты потерь элементов, соо - средняя частота рабочего диапазона. В режиме гар-

монических колебаний где М^) ~ действующие

значения тока (напряжения) в элементе ¿¡(С5), М.(ЛУ - число индуктивностей (емкостей).

С использованием теоремы Телледжена получены выражения для энергетических функций ЬС-реактивных фильтров ключевых генераторов напряжения, сводящимся к реактивным четырёхполюсникам с односторонней нагрузкой в режиме заданного входного напряжения (рис. 2а),

IV. =/50|о,5(л;,1 +И»|Ч

где \Н{]ш)\ - амплитудно-частотная характеристика фильтра; ВР,к\ - мнимая составляющая входной проводимости фильтрующих цепей нагруженных на штрих означает взятие производной по частоте от соответствующей функции; г - функция ГВЗ, Ра=и11/Я2 — средняя мощность в нагрузке /?2, подключённой непосредственно к источнику напряжения (без реактивного 4-полюсника). Поскольку функции передачи, входная проводимость и ГВЗ реактивного четырехполюсника с односторонней нагрузкой однозначно связаны между собой, то энергетические функции, а следовательно, масса и габариты фильтра однозначно определяются функцией передачи фильтра и не зависят от его конкретной реализации, то есть одинаковы для всего множества реактивных четырёхполюсников, реализующих данную функцию передачи НЦа)). Это является основополагающим выводом. Поэтому классические методы синтеза, предусматривающие минимизацию числа элементов реализующей схемы, не адекватны задаче получения минимальных массогабаритных показателей.

Л

+ г

ЬС-цспь I',

---

а)

Рис. 2

Энергетические функции реактивных Г.С-фильтров для КГ тока (рис. 26)

(3)

цгс=р\0,5(А-, - +\Н(]г4т\

где Х^=1т{7вх^о>)\ = С2 = \/И2. Из выражений (2)

Л

и (3) видно, что энергетические функции реактивных фильтров зависят от характеристики ГВЗ. Известно, что чем больше крутизна среза АЧХ фильтра тем больше максимальное значение его ГВЗ в полосе пропускания, что является общей закономерностью для селективных цепей как минимально-фазового, так и неминимально-фазового типов. Поэтому требование минимизации энергетических показателей противоречит требованию обеспечения заданной селективности фильтрующей цели и при её синтезе необходимо искать компромиссное решение.

30 25 20

ГВЗ(с) 15

10 $

о

МО

Рис. 3. Функция ГВЗ для фильтра нижних частот.

Для минимально-фазовых фильтров ГВЗ однозначно связано с АЧХ. Типичный характер функции ГВЗ для фильтров нижних частот показан на рис. 3. В полосе пропускания фильтра (0 < со < щ) функция ГВЗ возрастает и принимает максимальное значение, как правило, на граничной частоте со=соо- Для уменьшения ГВЗ и реактивной энергии можно рекомендовать неполное использование полосы пропускания, то есть рабочий диапазон частот генератора должен быть несколько меньше полосы пропускания фильтра.

В третьей главе проведено исследование энергетических функций классических реактивных фильтров Баттерворта, Чебышева, Золотарёва-Кауэра в зависимости от гарантированного затухания ао в полосе задерживания, неравномерности затухания в полосе пропускания Да и граничной частоты полосы задерживания ¿ук. Результаты исследования энергетических функций подтверждают общие теоретические положения, обоснованные во второй главе, и позволяют сделать выводы:

- Фильтры Баттерворта и Чебышева имеют сравнительно близкие энергетические показатели при прочих равных условиях, то есть при одинаковых Да и я«- При данных условиях фильтры Золотарёва-Кауэра имеют существенно меньшую (в два-три раза) реактивную энергию по сравнению с фильтрами Баттерворта и Чебышева.

- С увеличением избирательности (оо или порядка п) при неизменном значении \а происходит увеличении реактивной энергии для любых фильтров.

- С уменьшением неравномерности затухания Да при неизменном гарантированном затухании реактивная энергия обычно уменьшается. Это обстоятельство имеет особо важное значение для уменьшения реактивной энергии. В данной главе показано, что для заданного гарантированного затухания в полосе задерживания существует значение неравномерности в полосе пропускания \айт, при котором максимальная реактивная энергия 1¥т принимает минимальное значение. Получаемая при этом неравномерность затухания \атг на несколько порядков меньше чем допускаемое в большинстве случаев. Этот оптимизированный вариант может быть определён путём увеличения порядка фильтра. В некоторых случаях, например, для перестраиваемого

по частоте фильтра, количество элементов может влиять на массогабарит-мые показатели как и реактивная энергия. Тогда целесообразно использовать комбинированный критерий массы и габаритов в виде взвешенной суммы указанных показателей, а именно где к\ и кг - положительные

весовые коэффициенты. Рассмотренное в данной главе влияние потерь в элементах реактивных фильтров позволило выявить, что потери в элементах оптимизированного по минимуму реактивной энергии фильтра существенно влияют на неравномерность затухания Аа и не столь существенно на функцию реактивной энергии. Причём это влияние значительно меньше для оптимизированного фильтра, чем для неоптимизированного при прочих равных условиях. На основании приведённых в данной главе исследований и полученных зависимостей реактивной энергии от Аа и сои для различных фильтров в пятой главе разработана методика синтеза ЬС-фильтров Чебышева и Золотарёва-Кауэра с минимальными реактивной энергией, массой и габаритами.

Четвёртая глава посвящена исследованию переходных процессов в фильтрующих устройствах с характеристиками Баттерворта и Чебышева под воздействием радиоимпульса с высокочастотным наполнением типа "меандр" рис. 1а, которое имеет место в ключевых генераторах, выполненных по схеме инвертора напряжения и нашедших широкое применение, и под действием радиоимпульса с гармоническим ВЧ наполнением. К высокочастотному гармоническому наполнению приближается выходное напряжение КГ со ступенчатой формой. Кроме того, воздействие в виде радиоимпульса с ВЧ наполнением синусоидальной формы имеет место в усилителях класса В. Однако принципиальное отличие при исследовании переходных процессов в фильтрующих устройствах КГ СН, аппроксимируемых синусоидальной формой и имеющих нулевое внутреннее сопротивление, от переходных процессов в фильтрующих устройствах усилителей класса В состоит в том, что первые представляют реак-гивные четырёхполюсники с односторонней нагрузкой, а вторые с двухсторонней. Кроме того, в данной главе исследованы переходные процессы в мощном радионавигационном передатчике, работающем в классе С, и в высокоэффективном ключевом генераторе с квазисинусоидальной формой выходного напряжения и с синусоидальной формой тока.

Для определённости были рассмотрены фильтры Баттерворта В06 и Чебышева Т06 нижних частот шестого порядка. Неравномерность затухания фильтра Баттерворта на границе полосы пропускания Аа-3 дБ, максимальная неравномерность затухания в полосе пропускания частот фильтра Чебышева \а= 1,25 дБ. Исследования проведены для случая, когда нагрузкой является ре-зистивное сопротивление и последовательный колебательный контур с доброт-ностями 0=1, 10, 100. Последний имеет практический интерес, поскольку схемы замещения большинства антенн связных и радионавигационных передатчиков в рабочем диапазоне частот представлены последовательным контуром.

Основной интерес представляет максимальный выброс 6 и время нарастания, которое отсчитывается от уровня 0,1 до уровня 0,9 установившегося зна-

чения огибающей. Практический интерес представляет эта зависимость от частоты воздействия. Исследования проводились при двух частотах воздействия à = 0,6 и со - 1, где ci) - нормированная частота в полосе пропускания фильтра относительно граничной частоты полосы пропускания cy<j.

В силу однозначной связи между частотными и временными характеристиками электрических цепей исследовались зависимости АЧХ, ФЧХ и временных характеристик напряжения на конденсаторах ФОТ и тока в нагрузке (антенне) от à для случаев резистивной нагрузки фильтра и колебательного контура. Проведённые исследования позволили выявить, что если нагрузкой фильтра является резистивное сопротивление, то переходные процессы сопровождаются относительно небольшими (не более 25%) выбросами токов и напряжений на элементах фильтра, и следовательно, их влиянием на реактивную энергию можно пренебречь. При такой нагрузке более актуально оценить искажения сигналов выходным фильтрующим трактом.

При работе на узкополосную резонансную нагрузку (антенный контур) возникают перенапряжения и сверхтоки на элементах фильтра. При этом перенапряжения могут во много раз превышать установившиеся значения токов и напряжений на элементах фильтра, что требует повышать электрическую прочность элементов, а следовательно, приводит к увеличению массы и габаритов фильтра. В таких случаях актуальной является задача синтеза фильтрующих цепей с учётом минимизации перенапряжений на элементах фильтра во время переходного процесса. Показано, что всплески АЧХ, имеющие место при работе на узкополосную нагрузку, однозначно связаны с возникновением перенапряжений. Поэтому для снижения перенапряжений во время переходного процесса следует либо отказаться от работы генератора на частотах, где имеется существенное увеличение АЧХ, либо расширять полосу пропускания фильтра таким образом, чтобы в ней АЧХ не имели больших значений, либо устранять перенапряжения путём оптимального управления усилительными приборами.

Предложена методика синтеза ФНЧ с нагрузкой в виде узкополосного антенного контура с требованиями по минимизации перенапряжений на элементах фильтра во время переходного процесса. Использование данной методики синтеза при модернизации выходного тракта действующего мощного радионавигационного передатчика позволило спроектировать фильтр, в котором в три раза снижены перенапряжения на элементах во время переходного процесса по сравнению с первоначальным вариантом фильтрующей цепи.

В данной главе предложен аналитический метод исследования переходных процессов в ключевых генераторах с учетом цепей постоянного тока (фильтра источника питания) и переменного тока (выходного фильтрующего тракта и нагрузки). Аналитический метод исследования достигается благодаря переходу от системы дифференциальных уравнений, описывающих процессы в генераторе, с переменными во времени коэффициентами к дифференциальным уравнениям с постоянными коэффициентами и переходу в частотную область. С использованием данного метода анализа произведён расчёт высокоэффективного ключевого г енератора с учётом цепей постоянного тока (фильтра источни-

са питания), в котором выходное напряжение имеет квазисинусоидальную {торму при синусоидальной форме тока в установившемся режиме, а перена-тряжения во время переходного процесса не превышают заданного значения.

В пятой главе на основании приведённых по втором и в третьем разделах исследований энергетических функций разработана новая методика синтеза [.С-филырон Батгерворта, Чебышева, Золотарёва-Кауэра ключевых генераторов и преобразовательных устройств с минимальными реактивной энергией, массой и габаритами. На основании разработанной методики проведена минимизации реактивной энергии фильтрующей системы выходного тракта (1000 кВт) связного СДВ передатчика, удовлетворяющей тем же требованиям к характеристике затухания и полосе частот. Оптимизированный по реактивной энергии фильтр с характеристиками Золотарёва-Кауэра имеет 10 элементов /1аО1ГТ^6-]0'5 дБ и максимальную в полосе пропускания реактивную энергию в 3 раза меньшую чем у первоначального варианта Ф1ГЧ, имеющего семь элементов. Несмотря на то, что оптимизированный фильтр по сравнению с первоначальным имеет большее число элементов, суммарные значения его индуктив-ностей и ёмкостей в 2 раза меньше. Токи и напряжения на элементах оптимизированного фильтра в 1.4 раза меньше чем у первоначального варианта. Рассмотренные в данной главе примеры показывают, что применение разработанной методики позволяет в несколько раз уменьшить массу, габаритные размеры и стоимость фильтрующих цепей радиопередающих устройств по сравнению с традиционными решениями. Поэтому разработанную методику синтеза целесообразно использовать для расчёта выходных трактов при модернизации действующих и при проектировании новых мощных радиопередающих устройств.

С использованием разработанной методики получены зависимости реактивной энергии оптимизированного фильтра (Й^,*) от граничной частоты полосы задерживания £ЭК для ряда гарантированных затуханий ап. С помощью этих зависимостей на практически важных примерах показано, что устранение нескольких низших гармоник в выходном напряжении КГ со специальной формой выходного напряжения может дополнительно привести к уменьшению 1Гор1 в несколько раз. Так применение КГ с трёхступенчатой формой выходного напряжения позволяет уменьшить (Г„р1 оптимизированного по реактивной энергии фильтра дополнительно от шести до десяти раз по сравнению с И'ор[ фильтрующего устройства КГ с формой выходного напряжения типа "меандр", широко используемого на практике.

И, наконец, в данной главе рассмотрена методика расчёта высокоэффективных ключевых генераторов с квазисинусоидальной формой выходного напряжения и синусоидальной формой тока, работающих на оптимизированный по реактивной энергии фильтр, нагруженный на резистивную и узкополосную избирательную нагрузку (антенный контур). Показано, что при включении оптимизированного фильтра на узкополосную нагрузку, существенно сужается полоса частот по сравнению с резистивной нагрузкой, в которой принципиально возможен режим работы КГ с квазисинусоидальным выходным напряжением и синусоидальной формой тока.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа направлена на решение проблемы минимизации массы и габаритных характеристик фильтрующих устройств выходных трактов мощных ключевых генераторов и преобразовательных устройств путём комплексного подхода к исследованию как ключевых генераторов с улучшенным спектральным составом выходного напряжения, так и минимизации массогаба-ритных характеристик реактивных ЬС-фильтров при заданных к ним требованиям по граничным частотам полос пропускания и задерживания, неравномерности затухания в полосе пропускания А а и гарантированного ослабления в полосе задерживания а0.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем.

1. На основании проведённого обзора и сопоставительного анализа принципов и методов построения ключевых генераторов с улучшенным спектральным составом: ступенчатой формой выходного напряжения (СН), одноуровневым однополярным напряжением (ООН), одноуровневым двухполярным напряжением рассмотрены достоинства и недостатки каждого метода и области их применения.

2. На основании проведённого обзора и сравнительного анализа КГ с улучшенным спектральным составом показано преимущество КГ СН с равными амплитудами ступеней и кратными угловыми координатами ступеней, заключающееся в простоте их реализации.

Показано, что КГ со ступенчатой формой выходного напряжения имеют лучший спектральный состав при заданном числе переключений активных приборов, т.е. заданных динамических потерях, по сравнению с КГ с формой выходного напряжения ООН и ОДН. Однако последние проще в реализации.

3. Показано, что спектральный состав КГ СН, ООН и ОДН может изменяться под действием пульсаций напряжения на ёмкости фильтра Сф, вызванными протеканием импульсов тока в цепи питания генератора. Получены соотношения и предложена методика расчёта фильтра выпрямителя, исходя из допустимых мощностей гармоник, обусловленных модуляцией напряжения питания КГ СН, ООН и ОДН с частотой сети; пульсациями напряжения на Сф, обусловленных протеканием тока генератора через С'ф, и допустимой величины пульсаций напряжения с частотой сети и удвоенной частотой генерируемых колебаний .

4. На основании анализа влияния неидеальности ключевых свойств транзисторов и диодов показано, что из-за неполной компенсации низших третьей и пятой гармоник, обусловленных остаточным напряжением на транзисторах и диодах, нецелесообразна реализация КГ с числом ступеней более трёх.

5. Получены выражения для энергетических функций реактивных ЬС-фильтров, работающих в режиме односторонней нагрузки. Энергетические функции определяют магнитную энергию, накапливаемую в индуктивно-стях, электрическую в ёмкостях, массу, габаритные характеристики фильт-

ров и потерн в них. Показано, что энергетические функции непосредственно не связаны со схемой реализуемого фильтра и числом его элементов, а определяются внешними характеристиками фильтра: входной и передаточной функциями и групповым временем задерживания. Это является фундаментальным положением, поскольку позволяет минимизировать реактивную энергию, массу и габаритные характеристики не осуществляя перебор структур различных фильтров и их параметрическую оптимизацию, а с помощью передаточных функций фильтров, приводимых в справочниках.

>. Проведено исследование энергетических функций классических ЬС-фильтров и показано, что фильтры Золотарёва-Кауэра имеют существенно меньшие значения реактивной энергии, а следовательно, массу и габариты чем фильтры Батгерворта и Чебышева при прочих равных условиях. Показано, что при заданных требованиях к характеристике затухания фильтра существует вариант фильтра с минимальной реактивной энергией в классах фильтров Батгерворта, Чебышева и Золотарёва-Кауэра. Этот оптимизированный вариант может быть определён путём уменьшения неравномерности затухания \а в полосе пропускания при сохранении гарантированного затухания в полосе задерживания фильтра.

Показано, что потери в элементах оптимизированного фильтра сущест-¡енно влияют на неравномерность затухания :\а и не столь существенно на функцию реактивной энергии.

1. Проведены исследования переходных процессов в фильтрующих цепях ключевых генераторов со ступенчатой формой выходного напряжения типа "меандр", усилителей мощности класса В, мощного радионавигационного передатчика, работающего в классе С, и в ключевом генераторе с квазисину-соидалыгой формой выходного напряжения и синусоидальной формой тока.

Показано, что если нагрузкой фильтра является резистивное сопротивление, то переходные процессы сопровождаются относительно небольшими (не Золее 25%) выбросами токов и напряжений на элементах фильтра и, следовательно, их влиянием на реактивную нагрузку можно пренебречь.

При работе на узкополосную резонансную нагрузку (антенный контур) перенапряжения на элементах фильтра могут во много превышать установившиеся значения токов и напряжений на элементах фильтра, что приводит к не-эбходимости повышать электрическую прочность элементов, а следовательно, приводит к увеличению массы и габаритов фильтра. В таких случаях актуальной является задача синтеза фильтрующих цепей с минимальной реактивной энергией с учётом переходных процессов. Доказано, что всплески АЧХ однозначно связаны с возникновением перенапряжений. С учётом этого факта предложена методика синтеза фильтра с минимальной реактивной энергией и уменьшенными перенапряжениями во время переходного процесса. Использование данной методики позволило спроектировать фильтр при модернизации действующего радионавигационного передатчика, в котором в три раза снижены перенапряжения на элементах во время переходного процесса по сравнению с первоначальным вариантом фильтрующей цепи.

Предложен аналитический метод исследования переходных процессов в КГ с учётом фильтра источника питания и выходного фильтрующего тракта. В данном методе исследования осуществлён переход от системы дифференциальных уравнений с переменными во времени коэффициентами к дифференциальным уравнениям с постоянными коэффициентами и переходу к частотным методам исследования. С использованием данного метода анализа произведён расчёт высокоэффективного КГ с учётом цепей постоянного тока, в котором выходное напряжение имеет квазисинусоидальную форму при синусоидальной форме тока в установившемся режиме, а перенапряжения во время переходного процесса не превышают 30-40% от установившегося режима. 8. Разработана методика синтеза ЬС-фильтров Баттерворта, Чебышева, Золота-рёва-Кауэра ключевых генераторов с минимальной реактивной энергией, массой и габаритами. С использованием данной методики проведён синтез фильтрующей системы выходного тракта мощного связного СДВ передатчика. Рассчитанный фильтр имеет в три раза меньшую реактивную энергию, чем первоначальный. Поэтому данную методику целесообразно использовать для расчёта выходных трактов при модернизации действующих и при проектировании новых мощных радиопередающих устройств.

С использованием этой методики проведён синтез выходных фильтрующих устройств в КГ с уменьшенным содержанием гармоник и показано, что в КГ с трёхступенчатой формой выходного напряжения можно уменьшить реактивную энергию оптимизированного фильтра (ГГор1) от шести до четырнадцати раз по сравнению с №0.л фильтрующего устройства классического КГ с формой выходного напряжения типа "меандр".

ЛИТЕРАТУРА

1. Ларионов О.М. Дмитриков В.Ф. и др. Минимизация массогабаритных показателей фильтрующей системы выходного тракта мощного СДВ передатчика // 52-я НТК тез. докл. / СПб ГУТ-СПб, 1999. - с. 114.

2. Ларионов О.М. и др. Анализ показателей стабильности классических ЬС-фильтров. // 52-я НТК тез. докл. / СПб ГУТ-СПб, 1999. - с. 115.

3. Ларионов О.М. и др. исследование методов улучшения массогабаритных характеристик фильтрующих цепей ключевых генераторов // Труды учебных институтов связи. - 1999. -№165 - с. 65-72

4. Ларионов О.М. и др. Расчёт ЬС-фильтров с минимальными реактивной энергией, массой и габаритами. // Труды учебных институтов связи. - 1999. -№165-с. 163-167.

5. Ларионов О.М. и др. Исследование процессов установления и характера нагрузки на массогабаритные показатели реактивных фильтров 53-я НТК. тез. докл. / СПб ГУТ-СПб, 2000. - с. 119.

6. Ларионов О.М. и др. Стабильность временных характеристик реактивных фильтров // 53-я НТК. тез. докл. / СПб ГУТ-СПб, 2000 - с. 120.