автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Исследование компенсации шумов широкополосных ОВЧ усилителей мощности

\ •' На правах рукописи

КРИВ АН ДИН Сергей Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЕНСАЦИИ ШУМОВ ШИРОКОПОЛОСНЫХ ОВЧ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ

Специальность 05.12.17 - Радиотехнические и телевизионные

системы и устройства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рязань 1997

Работа выполнена на кафедре радиотехники Муромского института (филиала) Владимирского государственного университета.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Ромашов В.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Кулешов В.Н., кандидат технических наук, доцент Богданов A.C.

Ведущая организация - КБ радиосвязи АО Владимирский завод "Электроприбор", г.Владимир.

Защита состоится .199 /года в .(.(:. часов на заседании диссертационного Совета К 063.92.01 но присуждению ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.17 в Рязанской государственной радиотехнической академии по адресу: 391000, г.Рязань, ГСП, ул. Гагарина, 59/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Рязанской государственной радиотехнической академии.

Автореферат разослан <?<ч.199 fгода.

Ученый секретарь диссертационного ^ _

Совета К 063.92.01, к.т.н., доцент А.М.Смоляров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Увеличение числа радиосредств и все более полное использование радиочастотного спектра обостряет проблему электромагнитной совместимости радиоэлектрошшх систем. Одним из наиболее сильных факторов, определяющих уровень помех, является техническое несовершенство реальных радиопередающих устройств (РПдУ).

Для снижения уровня некоторых видов нежелательного излучения в РПдУ применяется ряд специальных методов. К ним, например, относятся: применение режекторных фильтров для подавления колебаний на гармониках и интермодуляционных помех; использование вентилей и циркуляторов для уменьшения комбинационных излучений; различные способы линеаризации характеристик усилителей мощности; параметрическая модуляция элементов связи с антенной; включение специальных антенных фильтров (АФ) для снижения нежелательного излучения в целом и др. .

Особую остроту борьба с нежелательным излучением приобретает в широкополосных РПдУ подвижных систем связи. Ограничения на массо-габаритный характеристики, а также необходимость быстрой смены рабочих частот делают большинство традиционных методов подавления помех неприменимыми. На практике широко используются полосовые антенные фильтры, которые в ряде случаев имеют механическую, перестройку или переключаются при смене поддиапазонов, что увеличивает время перехода на другую частоту и тем самым снижает преимущества использования широкополосных трактов.

Серьезным недостатком широкополосных РПдУ .ОВЧ диапазона является высокий (минус 150-160 дБ/Гц) уровень шумового излучения. Передатчики с высоким отношением шум/сигнал снюкают чувствительность близко расположенных приемников соседних станций. Высокий уровень нежелательных колебаний приводит также к нерациональному использованию частотного ресурса из-за необходимости большого разноса по частоте каналов на передачу и прием. У передатчика должен быть обеспечен уровень шума не более минус 190 дБ/Гц. Применение полосового антенного фильтра позволяет обеспечить этот уровень только при отстройках от несущей более 2 %.

Кроме того, величина и состав шумовых колебаний на выходе широкополосных РПдУ являются недостаточно изученными. Анализ шумовых колебаний в основном сводится к рассмотрению фазовых флуктуа-ций, амплитудным флуктуациям уделяется значительно меньшее, внимание, поскольку в полосе отстроек до 1 МГц их уровень на 40-100 дБ ни-

же уровня фазовых флуктуации. В практически важной полосе частот, соответствующей 0,1-20 %-ной отстройке от несущей, вопрос об уровне шумовых колебаний и соотношении между амплитудными и фазовыми флуктуациями остался открытым. Также мало исследовашюй является оптимизация режима работы широкополосных усилителей мощности (ШПУМ) с точки зрения уменьшения шумовых колебаний.

Методика измерения шумовых колебаний разработана лишь для частных случаев. Известный метод замещения, определенный ГОСТ 12252-86 "Радиостанции с угловой модуляцией сухопутной подвижной службы. Типы, основные параметры, технические требования и методы измерений", при малых отстройках от несущей неработоспособен, имеет низкую чувствительность. В связи с этим необходима разработка метрологического обеспечения измерений для достоверности и сопоставимости получаемых данных.

Сравнительный анализ методов снижения нежелательных колебаний показал, что для уменьшения уровня шумовых колебаний наиболее перспективными в широкополосных РПдУ являются автокомпенсаторы (АК) искажений и синхронизированные мощные автогенераторы (МАГ). Автокомпенсаторы позволяют осуществлять регулирование вперед и назад, имеют небольшое энергопотребление, габариты и массу. Однако исследование АК и МАГ в полосе отстроек 0,1-20 % от несущей в известной литературе отсутствует.

Актуальность проблемы снижения уровня шумовых колебаний подтверждает и тот факт, что в ГОСТ 23611-79 "Совместимость радиоэлектронных средств электромагнитная. Термины и определения" более поздними изменениями введены дополнительные параметры и определения, так или иначе связанные с шумовыми характеристиками РПдУ.

Таким образом, в настоящее время существует проблема разработки широкополосных РПдУ с низким уровнем шумового излучения. Отметим тот большой вклад в разработку теории и методов расчета транзисторных радиопередатчиков и исследование их шумовых свойств, который внесли В.И.Каганов, Ю.И.Судаков, В.Н.Кулешов, О.В.Алексеев, Г.М.Уткин, Ю.Л.Хотунцев.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование устройств снижения шума на выходе широкополосного усилителя мощности и выработка рекомендаций по проектированию малошумящих выходных трактов связных радиопередатчиков.

Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи:

- исследование шумовых свойств типового радиопередатчика системы связи ОВЧ диапазона с широкополосным усилителем мощности (ШПУМ);

- анализ зависимости уровня шума на выходе радиопередатчика от уровней шума формирователя сигнала и ШПУМ; , ,

- разработка схем устройств автокомпенсации шумовых колебаний ШПУМ;

- разработка и исследование моделей автокомпенсаторов и их шумовых свойств;

- разработка и исследование способа измерений шумов ШПУМ;

- разработка программ для проведения исследований ШПУМ на ЭВМ;

- разработка и изготовление макетных образцов автокомпенсаторов для экспериментальных исследований малошумящих ШПУМ;

- экспериментальное исследование уровня шума ШПУМ с автокомпенсаторами;

- разработка рекомендаций и предложений по созданию ШПУМ с пониженным уровнем шумов.

Методы исследования. Для решения перечисленных задач использованы: метод комплексных амплитуд, метод медленно меняющихся амплитуд, операторный метод, методы статистической радиотехники, цифрового моделирования, теории автоматического управления, методы экспериментального исследования.

Научная новизна

1. Впервые для снижения уровня шума на выходе ШПУМ радиопередатчика предложено использовать автокомпенсаторы.

2. Предложен и впервые применен способ измерения шумов ШПУМ при малых отстройках от мощной несущей, с использованием которого определен уровень шума серийно выпускаемого многокаскадного (типичного) ШПУМ в расширенном в сторону малых отстроек от несущей диапазоне.

3. Получены основные соотношения для автокомпенсаторов шумов ШПУМ, и теоретически исследованы частотные и шумовые свойства нескольких вариантов их построения.

4. Впервые показано, что в процессе эксплуатации радиопередатчика контроль за уровнем его шумового излучения можно осуществлять с помощью входящего в его состав автокомпенсатора.

5. Разработаны рекомендации по построению малошумящих ШПУМ, содержащих автокомпенсаторы.

Автор защищает:

- применение автокомпенсаторов для снижения шумов ШПУМ радиопередатчиков ОВЧ диапазона;

- способ измерения шумов усилителей мощности при малых отстройках (1-4 %) от частоты мощной несущей;

-4- результаты экспериментального исследования относительного уровня шумовых колебаний серийно выпускаемого ШПУМ в широком диапазоне отстроек, в том числе при отстройках менее 4 %;

- результаты теоретического анализа и экспериментальных исследований автокомпенсаторов в ШПУМ;

- применение автокомпенсаторов для контроля за уровнем шумового излучения в процессе эксплуатации радиопередатчика;

- рекомендации по построению малошумящих ШПУМ с автокомпенсаторами.

Практическая ценность полученпых в диссертационной работе результатов:

- разработана методика анализа шумовых свойств ОВЧ радиопередатчика с ШПУМ и автокомпенсатором, которую можно применить для аналогичного анализа ВЧ радиопередатчиков;

- получены данные о составе и уровне шумов многокаскадного ШПУМ в широком диапазоне отстроек (1-20 %) от несущей. Уровень шума ШПУМ составляет минус 162-164 дБ/Гц. Эти сведения могут быть использованы в инженерной практике при разработке широкополосных радиопередатчиков;

- разработаны автокомпенсаторы, позволяющие снизить уровень шумов на выходе ОВЧ ШПУМ на 15-20 дБ в диапазоне отстроек от несущей до 20 %. Их можно использовать в промышленных ШПУМ;

- предложенный способ измерения шумов мощных усилителей обладает по сравнению с известным из ГОСТ способом замещения большей чувствительностью при отстройках менее 8 %. В инженерной практике целесообразно применять комбинацию этих способов для повышения достоверности результатов измерегагя уровня шума ШПУМ;

- указана возможность применения в действующем радиопередатчике измерителя шумового излучения на основе автокомпенсатора шумов его ШПУМ;

- разработаны рекомендации по использованию автокомпенсаторов в ШПУМ для построения малошумящих генераторных трактов;

- созданы программы расчета уровня шумов ШПУМ и У-параметров транзисторов, которыми можно пользоваться при оптимизации, разработке и схемотехническом проектировании новых ШПУМ.

Реализация результатов работы. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с хоздоговором по теме "Разработка и исследование методов и устройств автоматической компенсации внеполосных и внутриполосных паразитных излучений в широкополосных усилителях мощности".

Результаты диссертационной работы з виде методики измерений, методов построения широкополосных усилителей мощности с автокомпенсатором, структурных и принципиальных схем, результатов экспериментальных исследований шумовых свойств измерительных генераторов, ШПУМ, ШПУМ на МАГ, ШПУМ с АК и макета ШПУМ с автокомпенсатором внедрены на заводе "Сигнал" АООТ "Электросигнал" (г.Воронеж, акт внедрения от 15.11.95).

Программы расчета шумовых свойств ШПУМ и расчета У-параметров и разработанное на их основе учебное пособие использованы в учебном процессе в Муромском филиале Владимирского государственного технического университета (ныне Муромский институт (филиал) Владимирского государственного университета, акт внедрения от 4.01.96) и Украинском государственном морском техническом университете (акты внедрения от 26.11.95).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Теория цепей и сигналов" (г.Таганрог, 1994); на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Разработка и применение САПР ВЧ и СВЧ электронной аппаратуры" (г.Владимир, 1994); на Международной научно-технической конференции, посвященной 100-летию радио и 50-летию Победы "Проблемы радиоэлектроники" (г.Москва, 1995); на Международной научно-технической конференции "Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем" (г.Пенза, 1995); на Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Новые информационные технологии. Информационное, программное и аппаратное обеспечение" (г.Таганрог, 1995); на Всероссийской научно-технической конференции "Повышение помехоустойчивости систем технических средств охраны" (г.Воронеж, 1995); на Третьей Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Теория цепей и сигналов" (г.Таганрог, 1996); на конференциях Муромского института (филиала) Владимирского государственного университета (МИ ВлГУ) и научных семинарах кафедры радиотехники МИ ВлГУ.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в двадцати одной печатных работах, включающих девять статей, двенадцать тезисов докладов, а также в учебном пособии и отчетах по НИР.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 77 наименований и приложений. Основной текст занимает 140 страниц, он иллюстрируется рисунками и таблицами на 57 страницах.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении доказывается актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи исследований, изложены новые научные результаты, полученные в работе, ее практическая ценность. Представлены сведения об апробации и внедрении результатов.

В первой главе отмечено, что с некоторыми составляющими нежелательного излучения широкополосных РПдУ, имеющими большую отстройку (более 20 %) от несущей (гармоники, комбинационные колебания) можно достаточно эффективно бороться схемотехническими и организационными методами. Нормы на внеполосное излучение при малых (менее 0,1 %) отстройках выполняются в основном в тракте формирования сигнала. Наиболее трудно устраняются шумовые и побочные колебания, обусловленные ШПУМ, которые попадают в полосу пропускания фильтрующей системы широкополосного РПдУ (отстройки от несущей 0,1-20 %).

Сравнительный анализ методов снижения нежелательных колебаний показал, что для уменьшения уровня шумовых составляющих наиболее перспективными в широкополосных РПдУ являются автокомпенсаторы искажений и синхронизированные мощные автогенераторы. Но схемы с МАГ по сравнению с обычной схемой построения усилителей мощности по принципу прямого усиления имеют ряд существенных недостатков: применение 2-х колец ФАПЧ приводит к снижению КПД РПдУ и ухудшению массо-габаритных характеристик, необходимы дополнительные меры по развязке МАГ и нагрузки.

Автокомпенсаторы (АК) искажений сигнала разработаны для применения в формирователях сигналов и маломощных усилителях и исследованы в основном для квазидетерминированных воздействий. Вопрос об эффективности их применения для подавления шумов ШПУМ остался вне рассмотрения.

Кроме того, отсутствует исследование усилителей мощности на основе мощных автогенераторов и автокомпенсаторов в диапазоне отстроек от несущей до 20 %.

Разработана модель сигнала с учетом нежелательного колебания. Показано, что любое нежелательное колебание, имеющее как правило, уровень на 30 дБ меньше уровня сигнала, можно рассматривать как паразитную амплитудную (ДАМ) и паразитную фазовую модуляцию (ПФМ) и описать с помощью функции помеховой модуляции.

Изложено состояние проблемы и обоснованно намечены задачи по исследованию шумовых свойств широкополосных РПдУ и методов компенсации шумов ШПУМ.

Во второй главе проведено исследование шумовых свойств каскадов типичного радиопередатчика ОВЧ диапазона с широкополосным усилителем мощности.

Оценка шумовых свойств синтезатора, проведенная по известным методикам, показала, что в диапазоне 1-20 %-ных отстроек от несущей уровень шума на выходе синтезатора, построенного на основе кольца ИФАПЧ, определяется шумами выходного генератора плавного диапазона (ГПД). Выходной уровень шума генератора с устройством ФАПЧ при малых отстройках определяется внештшми шумами кольца - шумами синтезатора, а начиная с 4 %-ной отстройки и далее, полностью обусловлен шумами выходного генератора, т.е. внутренними шумами кольца.

Исследование шумовых свойств ШПУМ показало, что максимальный вклад в выходной уровень шума ШПУМ вносит первый каскад. Это подтверждает известные положения теории. Четвертый каскад ухудшает отношение шум/сигнал (ш/с) в среднем на 0,5 дБ/Гц. Второй и третий каскады слабо влияют на выходной уровень шума ШПУМ. Уровень относительной спектральной плотности (ОСП) шума на выходе ШПУМ при его возбуждении типичным синтезатором составляет минус 148-149 дБ/Гц.

Анализ вклада шумов составляющих радиопередатчик блоков показывает, что при отстройках 2-8 % ухудшение отношения ш/с обусловлено в основном шумами генератора с устройством ФАПЧ, при отстройках 9-20 % - шумами ШПУМ. При отстройках менее 1 % уровень шума на выходе РПдУ определяется уровнем шума синтезатора.

Рассмотрен случай, когда в передатчике используется современный источник колебаний с низким относительным уровнем шумов. При этом уровень шума на выходе передатчика минус 167 дБ/Гц обусловлен шумами ШПУМ. Применение в радиостанции современного малошумяще-го синтезатора и усилителя мощности с выходным отношением ш/с минус 167 дБ/Гц приведет к невозможности получения на выходе передатчика приемлемого уровня шума.

При уровне шумов на выходе типичного синтезатора минус 150 дБ/Гц и типичного широкополосного усилителя мощности минус 167 дБ/Гц уровень шума на выходе передатчика определяется шумами синтезатора.

Показано, что уровень собственных шумов каскада на биполярном транзисторе и соотношение между уровнями амплитудных и фазовых флуктуаций существенно зависят от угла отсечки. Если при проектировании ШПУМ определяющим параметром является уровень фазовых флуктуаций, необходимо выбирать угол отсечки менее 90°; если важен

низкий уровень шума - угол отсечки можно выбирать в широких пределах от 80° до 180°"

Кроме того, в диапазоне 1-20 %-ных отстроек от несущей уровень собственных амплитудных шумов усилителя (минус 167 дБ/Гц) превышает уровень фазовых шумов (минус 169 дБ/Гц).

Проведено исследование влияния антенного полосового фильтра на уровень шумовых колебаний трех вариантов передатчиков: 1) с типичными синтезатором и ШПУМ (минус 149 дБ/Гц при отсутствии фильтра); 2) с малошумящим синтезатором и типичным ШПУМ (минус 167 дБ/Гц); 3) с малошумящим ШПУМ (минус 180 дБ/Гц). Анализ показал, что использование полосового фильтра на выходе широкополосного РПдУ не обеспечивает требуемого уровня шумовых колебаний при отстройке от несущей до 1-5 %.

Третья глава посвящена экспериментальной проверке теоретических расчетов, выполненных во второй главе. Проведено измерение относительной спектральной плотности шумовых колебаний измерительных генераторов, ШПУМ и МАГ.

Определен предельный уровень неосновных колебаний, который можно измерить способом замещения, когда он ограничивается собственными шумами измерительного приемника. Чувствительность метода с уменьшением отстройки падает из-за влияния частотной характеристики режекторного фильтра, а при фиксированной отстройке с увеличением мощности сигнала предельный относительный уровень шума уменьшается.

Проведен анализ шумовых свойств измерительных генераторов, являющихся при экспериментальных исследованиях ШПУМ внешними источниками колебаний. Сравнение результатов измерения относительной спектральной плотности шума генераторов позволяет отметить, что генератор Г4-107 имеет меньший уровень шума, чем генератор Г4-158. При прямом синтезе частот в Г4-107 используется меньшее количество функциональных элементов, а, следовательно, и меньше источников шума по сравнению со схемой косвенного синтеза частот в генераторе Г4-158 на основе кольца ИФАПЧ. Кроме того, более низкий уровень шума генератора Г4-107 обусловлен применением деления частоты задающего диапазонного генератора, при котором относительная спектральная плотность шума уменьшается. Гетеродин измерителя девиации частоты СКЗ-40 имеет самый малый уровень шумов (порядка минус 180 дБ/Гц), что объясняется применением малошумящей электронной лампы (нувистора) и малым числом элементов гетеродина.

Исследование шумовых характеристик широкополосного усилителя мощности было проведено на серийно выпускаемом усилителе "Микрон", который является блоком радиостанции Р-171. В качестве за-

пающего генератора исполтдопапся гетеродин измерителя девиации частоты СКЗ-40. ШПУМ имеет на выходе средний относительный уровень шума минус 163 дБ/Гц. Это значение хорошо согласуется с результатами расчетов, полученных при теоретическом анализе. Отличие составляет 2-6 дБ/Гц, что вполне допустимо для статистических исследований.

Аналогичные измерения проведены на частотах несущей 30, 40, 60, 70 МГц. Явных зависимостей уровня шума ira выходе исследуемого ШПУМ от частоты несущей не выявлено.

Проведено исследование шумовых свойств МАГ на полевых и биполярных транзисторах. Сравнение рассмотренных МАГ показывает, что в целом уровень шума МАГ на полевых транзисторах составляет минус 180-188 дБ/Гц, что на 10-20 дБ/Гц ниже, чем у МАГ на биполярном транзисторе.

Таким образом, при любой схемотехнической реализации ШПУМ для обеспечения требуемого уровня шумовых колебаний минус 190 дБ/Гц необходимо применение мер по их снижению (подбор транзистора, режима генерации и экспериментальные исследования).

Предложен способ измерения неосновных колебаний РПдУ и усилителей мощности - способ балансного перемножения. Он обладает большей по сравнению со способом замещения чувствительностью при отстройках от несущей менее 8 % и позволяет провести измерения при отстройках менее 2 %, где способ замещения неработоспособен. Наблюдается хорошее совпадение экспериментальных кривых относительной спектральной плотности шума усилителя "Микрон", полученных тем и другим способом в диапазоне отстроек 4-20 %. При отстройках более 7 % разница между значениями не превышает 6 дБ/Гц, что вполне приемлемо для статистических измерений. Поэтому в инженерной практике целесообразно применять комбинацию этих методов для увеличения объективности и достоверности выводов из экспериментального анализа.

Проведено измерение амплитудного шума ШПУМ "Микрон". При отстройке от несущей 1-20 % он имеет средний уровень минус 165 дБ/Гц. Результаты измерения относительной спектральной илогно-сти шума усилителя методом замещения и измерения спектральной плотности амплитудных шумов хорошо согласуются с расчетными значениями.

В четвертой главе проведен теоретический анализ автокомпенсаторов шумов ШПУМ. На базе функции помеховой модуляции получено обобщенное уравнение в комплексном виде для автокомпенсатора.

Синтезированы структурные схемы компенсаторов паразитной модуляции в мощных каскадах широкополосных РПдУ.

Для анализа шумовых свойств широкополосного усилителя мощности с автокомпенсатором разработаны эквивалентные схемы, на основе которых получены уравнения для флуктуаций фазы и амплитуды и их спектральных плотностей на выходе усилителя мощности.

Проведен теоретический анализ АК фазовых шумов с помощью интегрированной среды программирования MathCAD на IBM совместимом компьютере. Показано, что применение автокомпенсатора в типичном РПдУ с ШПУМ позволяет уменьшить уровень ОСП фазовых флуктуаций на выходе ШПУМ на 10-20 дБ/Гц в полосе отстроек от несущей до 20 %.

Исследование влияния параметров автокомпенсатора на степень подавления фазовых флуктуаций показало, что увеличение коэффициента регулирования с 20 до 200 не приводит к существенному снижению выходных шумов схемы, т.к. начинают проявляться шумы самого компенсатора; полоса пропускания тракта автокомпенсатора должна соответствовать требуемой полосе частот подавления фазовых флуктуаций.

Результаты моделирования показывают эффективность применения автокомпенсаторов в ШПУМ, а разработанные программы позволяют найти рациональные значения параметров АК.

Разработана методика анализа флуктуаций фазы и амплитуды и их спектральных плотностей в широкополосном усилителе мощности с автокомпенсатором. С помощью этой методики проведен анализ двух других вариантов построения АК, в котором управляемый фазовращатель реализован с помощью одного или двух балансных модуляторов.

В пятой главе проведен подробный анализ усилителя мощности с АК с векторным сложением сигналов, в котором осуществляется одновременная независимая компенсация фазовых и амплитудных шумов ШПУМ (рис.1). Основу схемы составляет усилитель мощности, содержащий ШПУМ1,1Ш1УМ2, фазовращатель ФВ на л/2 и сумматор СЗ. Аи-токомпенсатор содержит тракт управления по амплитуде, включающий амплитудный детектор АД, фильтр Фа и усилитель Уа, и тракт управления по фазе, состоящий из фазового детектора ФД, фильтра Фф и усилителя Уф. Управляющие компенсационные сигналы формируются с помощью сумматоров С1 и С2 с использованием инверторов И (фазовращателей на я).

Получены общие соотношения, описывающие поведите усилителя с автокомпенсатором в стационарном и динамическом режимах при произвольных характеристиках управляющих трактов. Рассмотрены уравнения для квазистатических изменений дестабилизирующих факторов.

Рис.1

Для малых флуктуаций амплитуды и фазы получена линеаризованная модель ШПУМ с векторным АК. Введены и рассмотрены передаточные функции устройства автокомпенсации. Получены соотношения для расчета частотных характеристик усилителя с АК с векторным сложением сигналов. Разработана методика расчета амплитудно-частотных характеристик и на их основе спектральных плотностей амплитудных и фазовых флуктуаций на выходе устройства, что позволяет детально проанализировать влияние флуктуаций, возникающих как в ШПУМ, так и в управляющих трактах, на флуктуации амплитуды и фазы выходного сигнала устройства.

Рассчитаны и построены с помощью ЭВМ частотные характеристики ШПУМ с автокомпенсатором в диапазоне 0,1-20 %-ных отстроек от несущей.

Рассмотренные передаточные функции устройства являются по сути коэффициентами преобразования шумовых колебаний в амплитудную и фазовую модуляцию на выходе усилителя мощности с АК. Эти коэффициента позволяют проводить анализ проявления амплитудно-фазовой конверсии и выдвигать требования к шумовым свойствам блоков АК.

Показано, что вклад шумов амплитудного управляющего тракта (УТА) в флуктуации фазы па выходе ШПУМ с автокомпенсатором на 70 дБ меньше вклада шумов фазового управляющего тракта (УТФ).

Вклад шумов УТФ в флуктуации амплитуды на выходе устройства на 59 дБ меньше вклада шумов УТА.

Получено общее выражение для годографа системы ШПУМ - АК, позволяющее определить условия устойчивой работы автокомпенсатора с различными значениями параметров фильтров в управляющих трактах и при разных коэффициентах регулирования. Примеры расчета годографов показывают, что при использовании в управляющих трактах ФНЧ первого порядка и полосового фильтра автокомпенсатор является абсолютно устойчивым устройством.

Применение в управляющих трактах автокомпенсатора фильтра нижних частот более чем первого порядка при коэффициентах регулирования больше 10 приводит к условной устойчивости усилителя мощности с автокомпенсатором и требует решения вопроса об устойчивости устройства в каждом отдельном случае при конкретных соотношениях между параметрами фильтров.

В шестой главе приведены результаты экспериментальных исследований, направленных на проверку теоретических расчетов и подтверждение возможности автокомпенсации шумов ШПУМ. Изготовлены с использованием современной микросхемотехники макетные образцы автокомпенсаторов шумовых кйлебаний ШПУМ ОВЧ диапазона с выходной мощностью до 5 Вт.

Автокомпенсатор ПФМ в одноканальном ШПУМ позволяет получить ослабление шумовых колебаний на 20 дБ. Подтверждено, что эффективную регулировку степени компенсации можно осуществить за счет изменения глубины обратной связи. Диапазон отстроек, в котором автокомпенсатор наиболее эффективно уменьшает шумы ШПУМ, полностью определяется полосой пропускания фильтра, применешюго в управляющем тракте, что подтверждает сделанные в главах 4,5 теоретические выводы.

Исследовашга ШПУМ с автокомпенсатором с векторным сложением сигналов показали практическую возможность уменьшения уровня амплитудных и фазовых шумов на 20 дБ в диапазоне отстроек от несущей до 10%.

Разработанные АК можно эффективно использовать для измерения шумовых колебаний любых ШПУМ до 5 Вт в диапазоне отстроек от несущей 0,1-20 %, где широко применяемый метод замещения сложен и неэффективен. В действующем РПдУ сигнал управления АК можно использовать для эффективного контроля за уровнем шумового и других нежелательных колебаний.

Показано, что применение автокомпенсаторов в ШПУМ позволяет ослабить требования к антенному полосовому фильтру передатчика. Даны рекомендации по выбору параметров АК, рассмотрены вопросы ра-

боты автокомпенсатора в диапазоне несущих частот и микроминиатюризации АК.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В соответствии с поставленной задачей в диссертационной работе впервые решены вопросы разработки и исследования устройств автокомпенсации шума широкополосного усилителя мощности радиопередатчика ОВЧ диапазона.

2. Предложен способ измерения шумов широкополосного усилителя мощности, позволяющий определять уровень шума при малых отстройках от частоты мощной несущей. Сравнительный анализ точности измерения шумов предложенным и известным по ГОСТ способом замещения показал, что для измерений в широком (до 20 %) диапазоне отстроек от несущей целесообразно использовать комбинацию двух способов: при больших отстройках (более 8 %) - способ замещения, при малых (менее 8 %) - предложенный способ.

3. Теоретически и экспериментально выявлены и исследованы состав и уровень шума серийного радиопередатчика ОВЧ диапазона, а также его отдельных функциональных узлов в широком диапазоне отстроек (1-20 %) от несущей. Показано, что при малошумящем возбудителе уровень шумового излучения широкополосного радиопередатчика в целом определяется усилителем мощности и лежит в пределах минус 162-164 дБ/Гц. Проведено экспериментальное исследование уровней спектральной плотности амплитудных и фазовых флуктуаций в ШПУМ, которые составили минус 165 дБ/Гц и 169 дБ/Гц соответственно.

4. Разработаны устройства автокомпенсации шумов ШПУМ. Проведен теоретический анализ шумовых, частотных и избирателыгых свойств ШПУМ с автокомпенсаторами. Получены и рассчитаны соотношения для передаточных характеристик устройства. Рассмотрена и исследована устойчивость ШПУМ с автокомпенсатором. Пример анализа устойчивости показал, что при использовании в автокомпенсаторе ФНЧ 1-го порядка и полосового фильтра ШПУМ с автокомпенсатором является абсолютно устойчивым по критерию Найквиста, в других случаях устройство условно устойчиво, и требуется подбор соотношений между параметрами фильтра и коэффициента регулирования.

5. Изготовлены макетные образцы автокомпенсаторов, которые применены в типичном серийно выпускаемом ШПУМ "Микрон". Экспериментально установлено, что подключетше автокомпенсатора к ШПУМ обеспечивает снижение уровня его шумов на 15-20 дБ в диапазоне отстроек от несущей до 20 %.

-146. Впервые показано, что в процессе эксплуатации радиопередатчика контроль за уровнем его шумового излучения можно осуществлять с помощью автокомпенсатора, входящего в состав ШПУМ этого передатчика.

7. Разработаны рекомендации по построению малошумящих широкополосных генераторных трактов на основе ШПУМ с автокомпенсаторами.

8. На основании машинных моделей разработаны программы для исследования па ЭВМ спектральной плотности шумов широкополосных усилителей мощности с автокомпенсаторами.

9. Материалы диссертации и малошумящие широкополосные усилители мощности с автокомпенсаторами нашли применение в промышленности и учебном процессе.

Следует также отметить, что ряд разработанных в диссертации вопросов, в частности, методика анализа шумовых свойств ОВЧ ШПУМ с автокомпенсаторами, подходы к построению автокомпенсаторов могут быть распространены на ШПУМ ВЧ диапазона.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Кривандин С.С., Ромашов В.В. Исследование шумовых свойств широкополосного усилителя мощности ОВЧ диапазона // Радиотехника, 1996, N8-C.32-33.

2. Ромашов В.В., Кривандин С.С. Широкополосные ОВЧ усилители мощности с компенсацией побочных колебаний // Изв. вузов. Электромеханика, 1995, N 4. - С.53-56.

3. Ромашов В.В., Кривандин С.С. Анализ шумовых свойств блоков ОВЧ радиопередатчика // Изв. вузов. Электромеханика, 1995, N 4. -С.22-26.

4. Афанасьев В.В., Ромашов В.В., Кривандин С.С. Особенности трактов формирования модулированных сигналов на основе устройств автокомпенсации // Изв.вузов. Электромеханика, 1995, N4. - С.9-13.

5. Кривандин С.С. Исследование шумовых свойств каскадов ОВЧ радиопередатчика с широкополосным усилителем мощности - Владимир, 1994. - 20 с. - Деп. в ВИНИТИ 16.05.94, N 1202-В94.

6. Кривандин С.С. Математическое моделирование широкополосного усилителя мощности с компенсатором фазовых искажений // Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств, систем: Тез. докл. Междунар. научно-технич. конф. - Пенза, 1995. -С. 142-143.

-157. Кривандин С.С., Курилов И.А., Ромашов В.В. Линейная модель автокомпенсатора фазовых и амплитудных помех. - Владимир, 1991. -11 с. - Деп. в ВИНИТИ 10.09.91, N 3654 - В91.

8. Кривандин С.С., Курилов И.А., Ромашов В.В. Передаточные характеристики автокомпенсатора фазовых и амплитудных искажении. -Владимир, 1991. - 10 с. - Деп. в ВИНИТИ 10.09.91, N 3652 - В91.

9. Афанасьев В.В., Кривандин С.С., Ромашов В.В. Компенсация побочных колебаний в широкополосных усилителях мощности // Проблемы радиоэлектроники: Тез. докл. Междунар. научно-технич. конф. к 100-летию радио и 50-летию Победы. - М., 1995. - С.9.

10. Кривандин С.С., Курилов И.А., Ромашов В.В. Уравнение автоматического компенсатора помех в радиопередатчиках - Владимир, 1991. - 8 с. - Деп. в ВИНИТИ 10.09.91, N 3655-В91.

11. Курилов И.А., Ромашов В.В., Кривандин С.С. Устойчивость усилителя мощности с автокомпенсатором паразитной модуляции - Владимир, 1994. - 14 с. - Деп. в ВИНИТИ 02.11.94, N 2484-В94.

12. Афанасьев В.В., Кривандин С.С., Ромашов В.В. Синтез трактов формирования радиосигналов с использованием адаптивных компенсаторов помех // Проблемы радиоэлектроники: Тез. докл. Междунар. научно-технич. конф. к 100-летию радио и 50-летию Победы. - М., 1995 -С.40.

13. Ромашов В.В., Кривандин С.С. Система функционального моделирования ВЧ-устройств / Тр. Всеросс. научно-технич. конф. с междунар. участием "Разработка и применение САПР ВЧ и СВЧ электронной аппаратуры" - Владимир, 1994. - С. 11-12.

14. Ромашов В.В., Кривандин С.С. Функциональное моделирование широкополосных ОВЧ усилителей мощности с автокомпенсацией побочных колебаний / Тр. Всеросс. научно-технич. конф. с междунар. участием "Разработка и применение САПР ВЧ и СВЧ электронной аппаратуры" - Владимир, 1994. - С. 12-13.

'.-,-,■ 15. Исследование и разработка методов и аппаратуры обработки сигналов. Отчет о НИР (заключит.) / Владим. политехи, ин-т. - N ГБ 179/86; N17 01860017331; Инв. N 02890028964. Владимир, 1991,- 73 с.

16. Ромашов В.В., Кривандин С.С. Широкополосный усилитель мощности с компенсацией фазовых шумов // Научные исследования института - техническому и культурному прогрессу: Материалы XXV науч. конф. Владим. политехи, ин-та. - Владимир, 1990. - Ч.З. - С. 13.

17. Разработка и исследование методов и устройств автоматической компенсации внеполосных и внутриполосных паразитных излучений в широкополосных усилителях мощности. Отчет о НИР (промежуточ.) / Владим. политехи, ин-т. - N ГР 01900055432. Муром, 1990. - 83 с.

-1618. Разработка и исследование методов и устройств автоматической компенсации внеполосных и внутрйполосных паразитных излучений в широкополосных усилителях мощности. Отчет о НИР (заключит.) / Вла-дим. политехи, ин-т. - N ГР 01900055432. Муром, 1991. - 48 с.';;

19. Кривандин С.С., Ромашов В:В. Измерение побочных колебаний широкополосных усилителей мощности двумя методами // XXX конф. преподавателей и сотрудников Муромского филиала Владим. гос. техн. ун-та 26 янв. 1995 г.: Тез. докл. - Владимир, 1996. - С.38-39.

20. Афанасьев В.В., Кривандин С.С. Метод структурного синтеза формирующих трактов на основе устройств автокомпенсации // XXX конф. преподавателей и сотрудников Муромского филиала Владим. гос. техн. ун-та 26 янв. 1995 г.: Тез. докл. - Владимир, 1996. - С.5. '

21. Бармотин Д.Н., Кривандин С.С. Влияние угла отсечки на шумовые свойства транзисторного каскада // Новые информационные технологии. Информационное, программное и аппаратное обеспечение: Тез. докл. Всеросс. научн. конф. студентов и аспирантов - Таганрог, 1995. -С. 151. . ■"'

22. Ромашов В.В., Кривандин С.С. Шумовые свойства радиопередатчиков систем связи и радиоохраны // Повышение помехоустойчивости систем технических средств охраны: Тез. докл. Всеросс. научно-технич. конф. - М.: Радио и связь, 1995. - С.43-44.

23. У-параметры транзисторов для приемно-усилительной техники: Учеб. пособие / В.В.Костров, В.В.Ромашов, С.С.Кривандин; Владим. гос. техн. ун-т. Владимир, 1995. - 64 с.

24. Кривандин С.С. Автокомпенсаторы амплитудных и фазовых искажений в широкополосных усилителях мощности // Теория цепей и сигналов: Тез. докл. Третьей Всеросс. науч.-техн. конф. с междунар. участием, Таганрог, 11-15 сент. 1996 г. / Ред. журн. "Изв. вузов. Электромеханика". - Новочеркасск, 1996. - С. 19-20.

25. Кривандин С.С., Курилов И.А., Ромашов В.В. Исследование широкополосного усилителя мощности с векторным автокомпенсатором искажений // Теория цепей и сигналов: Тез. докл. Третьей Всеросс. науч.-техн. конф. с междунар. участием, Таганрог, 11-15 сент. 1996 г. / Ред. журн. "Изв. вузов. Электромеханика". - Новочеркасск, 1996. - С. 20-21.

(йлАа^