автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Исследование, разработка и применение в радиопередающих устройствах мощных синхронизированных автогенераторов на сложных активных приборах

Введение.

1. Способы повышения энергетической эффективности транзисторных радиопередатчиков с однополосной модуляцией

1.1. Вводные замечания.

1.2. Анализ структурных схем радиопередатчиков с однополосной модуляцией.

1.3. Радиопередатчики с генераторными трактами на основе мощных автогенераторов.

1.4. Основные схемотехнические особенности и свойства мощных синхронизированных автогенераторов на сложных активных приборах.

1.5. Способы управления амплитудой выходного колебания в передатчиках с синтезом однополосного сигнала.

1.6. Структурная схема энергетически эффективного однополосного радиопередатчика с мощным синхронизированным автогенератором на сложном активном приборе.

1.7. Выводы.

2. Исследование мощного синхронизированного автогенератора на сложном активном приборе в синхронном режиме

2.1. Вводные замечания.

2.2. Математическая модель сложного активного прибора для мощного синхронизированного автогенератора.

2.3. Фазовые соотношения и диапазон синхронизации в синхронизированном автогенераторе на сложном активном приборе.

2.4. Амплитудные соотношения в синхронизированном автогенераторе на сложном активном приборе в стационарном режиме и их согласование.

2.5. Математическое моделирование процессов в синхронизированном автогенераторе на сложном активном приборе.

2.6. Некоторые особенности проектирования синхронизированного автогенератора на сложном активном приборе.

2.7. Экспериментальное исследование синхронизированного автогенератора на сложном активном приборе.

2.8. Выводы.

3. Применение мощного синхронизированного автогенератора на сложном активном приборе в радиопередатчиках

3.1. Вводные замечания.

3.2. Исследование работы синхронизированного автогенератора на сложном активном приборе при изменяющейся начальной фазе синхросигнала.

3.3. Управление амплитудой выходного колебания в синхронизированном автогенераторе на сложном активном приборе.

3.4. Математическое моделирование синтеза однополосного сигнала в радиопередатчике с синхронизированным автогенератором на сложном активном приборе.

3.5. Экспериментальное исследование однополосного радиопередатчика с синхронизированным автогенератором на сложном активном приборе.

3.6. Выводы.

Актуальность темы. В настоящее время при разработке и совершенствовании радиотехнических систем и средств подвижной и фиксированной служб связи диапазона ВЧ (3.30 Мгц) основное внимание уделяется вопросам повышения энергетической эффективности (промышленного КПД), надежности, универсальности и компактности мощных (1.100 Вт) радиопередающих устройств, а также вопросам улучшения качественных показателей выходных сигналов таких радиопередатчиков (снижения уровня внеполосных излучений). Поэтому особую актуальность приобретают результаты исследований, посвященных разработке и совершенствованию структурных схем и схемотехнических решений отдельных каскадов радиопередающих устройств, предназначенных для формирования узкополосных радиосигналов с одновременной амплитудно-фазовой модуляцией (ОАФМ) и, в частности, с однополосной модуляцией (ОМ). При этом основная проблема в создании соответствующих устройств заключается в повышении энергетической эффективности мощных генераторных трактов ОМ (ОАФМ) радиопередатчиков при сохранении или улучшении качественных показателей (спектральной чистоты) их выходных сигналов. Вопросами повышения эффективности радиопередатчиков, в том числе и с ОМ, занимались такие ученые, как A.A. Алексанян, А.Д. Артым, М.В. Верзунов, Ю.В. Завражнов, В.Б. Козырев, В.М. Розов, L.R. Kahn, W. Gosling, Y. Petrovic, A. Bateman, D.C. Cox, D.K. Weaver и многие другие.

Одним из наиболее перспективных направлений, призванных удовлетворить требованиям поставленных задач, является разработка генераторных трактов ОМ (ОАФМ) передатчиков на основе мощных автогенераторных каскадов с системами управления амплитудой и фазой вырабатываемого ими высокочастотного (ВЧ) колебания. Применение мощного синхронизированного автогенератора (САГ) в качестве оконечного каскада радиопередатчика позволяет избежать необходимости дальнейшего усиления мощности сформированного ОМ сигнала, а также отказаться от использования линейки буферно-усилительных каскадов между задающим автогенератором и мощным оконечным каскадом. Отметим, что теоретическому и практическому изучению систем фазовой синхронизации и САГ посвятили свои работы В.В. Шахгильдян, A.A. Ляховкин, С.И.Евтянов, М.В.Капранов, А.Г. Демь-янченко, В.М. Богачев, В.Н. Кулешов, Ю.Л. Хотунцев, С.М. Смольский и др. ученые. В качестве оконечного каскада радиопередатчика такого типа может быть эффективно использован мощный САГ на сложном активном приборе (САП) - например, гибридном составном транзисторе с соответствующими режимными элементами. Однако вопросы, связанные с разработкой ОМ радиопередатчиков с оконечными каскадами в виде мощных САГ, а также вопросы проектирования, расчета основных параметров САГ на САП в синхронном режиме и математического моделирования процессов в САГ такого типа на настоящий момент теоретически и практически изучены не были. Отсутствие такого рода информации не позволяет использовать на практике те преимущества, которыми обладает САГ на САП по сравнению с другими мощными транзисторными ВЧ каскадами, и прежде всего - высокий коэффициент усиления по мощности относительно синхросигнала.

Следовательно, весьма актуальным для совершенствования радиопередатчиков с ОМ (ОАФМ) является проведение исследований в области теоретического и практического изучения и математического моделирования мощных САГ на САП и радиопередатчиков на их основе. Ход и результаты исследований в указанной области нашли свое отражение в настоящей диссертационной работе.

Цель и задачи работы. Основной целью диссертационной работы является повышение энергетической эффективности (промышленного КПД), надежности, компактности и универсальности радиопередающих устройств диапазона ВЧ (3.30 МГц) при сохранении или повышении качества выходного сигнала (снижении уровня внеполосных излучений) за счет применения в генераторных трактах таких радиопередающих устройств мощного САГ на САП в качестве оконечного каскада.

Поставленная цель предполагает решение следующих задач:

• анализ основных типов структурных схем ОМ радиопередатчиков с точки зрения их энергетической эффективности и качества формируемого мощного ОМ радиосигнала, а также схем с ВЧ трактами на основе мощных автогенераторных каскадов;

• разработка способа формирования однополосного сигнала в транзисторном передатчике с САГ на САП, позволяющего улучшить энергетические и массогабаритные показатели передатчика при высоком качестве формируемого сигнала, а также структурной схемы такого передатчика;

• разработка общего подхода к исследованию процессов в автогенераторах, синхронизируемых путем управления остаточным зарядом неосновных носителей области базы биполярного транзистора, входящего в состав САП, разработка математической модели САГ такого типа;

• теоретическое исследование фазовых и амплитудных соотношений токов и напряжений в САГ на САП с целью создания методики проектирования и расчета основных параметров такого каскада в синхронном режиме, выявление особенностей проектирования и применения САГ на САП;

• численное моделирование и экспериментальное исследование САГ на САП с целью практического изучения свойств САГ на САП и проверки достоверности результатов проведенного теоретического исследования;

• исследование свойств САГ на САП в качестве управляемого элемента систем автоматического регулирования (САР) амплитуды и фазы однополосного радиопередатчика;

• численное моделирование синтеза ОМ сигнала в радиопередатчике на основе САГ на САП и экспериментальное исследование характеристик такого радиопередатчика.

Научная новизна.

1. Разработан способ формирования однополосного сигнала в транзисторном передатчике и устройство для его осуществления, защищенные патентом РФ. При этом в качестве оконечного каскада передатчика впервые применен мощный САГ на САП, управляемый замкнутыми САР по амплитуде и фазе, что позволяет улучшить энергетические, мае с о габаритные и качественные показатели, характеризующие работу передатчика.

2. Разработана зарядовая математическая модель автогенераторных каскадов на САП, синхронизируемых путем принудительного рассасывания остаточного заряда неосновных носителей слоя базы мощного биполярного транзистора, входящего в САП.

3. Разработана методика расчета ширины полосы синхронизации, коэффициента усиления по мощности относительно синхросигнала, а также других параметров, характеризующих работу САГ на САП в синхронном режиме.

4. Показана необходимость и предложен способ согласования амплитудных соотношений в САГ на САП, позволяющий исключить паразитное взаимовлияние транзисторов, входящих в состав САП.

5. Исследованы основные характеристики САГ на САП в режимах синхронного усиления фазомодулированных сигналов и коллекторной амплитудной модуляции.

6. Осуществлен синтез однополосного сигнала в передатчике с оконечным каскадом в виде САГ на САП, причем показана возможность получения повышенной энергетической эффективности такого передатчика при обеспечении высокого качества его выходного сигнала.

В рамках данной диссертационной работы применен подход, при котором проверка достоверности основных выводов, полученных аналитическим путем, осуществлялась при помощи численного моделирования и натурного эксперимента; в свою очередь, разработка математических моделей осуществлялась на основе данных натурного эксперимента.

Практическая значимость. Представленные в диссертационной работе материалы по исследованию и разработке мощных САГ на САП и радиопередатчиков на их основе предназначены для практического использования при разработке радиопередающей техники. При этом практической ценностью обладают следующие результаты, полученные в диссертационной работе:

• способ формирования однополосного сигнала в транзисторном передатчике, позволяющий обеспечить улучшенные энергетические характеристики (средний КПД) радиопередатчика при высоком качестве формируемого сигнала;

• структурная схема радиопередатчика на основе указанного способа;

• принципиальная схема САГ на САП с элементами для согласования амплитудных соотношений напряжений в САГ, применение которых повышает надежность его работы в режиме синхронизации;

• методика проектирования и расчета основных параметров САГ на САП (ширины полосы синхронизации, коэффициента усиления по мощности и др.) для произвольного вида колебательной системы САГ, в том числе и с учетом влияния выходной согласующе-фильтрующей цепи и нагрузки САГ;

• методика расчета допустимой среднеквадрагической величины искажений, возникающих при синтезе ОМ сигнала амплитудном и фазовом каналах радиопередатчика, выполненного на основе САГ на САП, исходя из уровня комбинационных составляющих в спектре синтезируемого двухтонального ОМ сигнала;

• схемотехнические решения, примененные при разработке принципиальной схемы однополосного радиопередатчика на основе САГ на САП.

Практическая значимость указанных результатов подтверждается патентом РФ на способ формирования однополосного сигнала в транзисторном передатчике и устройство для его осуществления.

Основные положения, выносимые на защиту.

1- Способ формирования однополосного сигнала в транзисторном передатчике с оконечным каскадом в виде мощного синхронизированного автогенератора на сложном активном приборе, позволяющий разрабатывать радиопередатчики с улучшенными энергетическими характеристиками и качественными показателями выходного сигнала.

2. Методика расчета основных параметров и проектирования схемы мощного синхронизированного автогенератора на сложном активном приборе, основанная на результатах анализа динамики заряда в слое базы мощного биполярного транзистора, входящего в сложный активный прибор.

3- Структурная схема радиопередатчика, позволяющего реализовать предложенный способ формирования однополосного сигнала, разработанная с учетом результатов анализа функционирования синхронизированного автогенератора на сложном активном приборе в режимах с коллекторной амплитудной модуляцией и фазовой модуляцией синхросигнала

Методы проведения исследований. В диссертационной работе применен комплексный подход, заключающийся в сочетании аналитических, численных и экспериментальных методов исследования. Теоретические исследования осуществлялись с применением некоторых разделов нелинейной теории колебаний, в частности, теории синхронизации генераторов гармонических колебаний, теории систем фазовой синхронизации; использовались методы теории систем автоматического регулирования, теории электрических цепей. Численное математическое моделирование осуществлялось в среде MICRO-CAP V с применением специально разработанных зарядовых моделей САГ на САП.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

• 8-й Международный семинар «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций», Рязань, РГРТА, 1999.

• 4-й Международный форум «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке», Харьков, ХТУРЭ, 2000.

• 5-я Всероссийская научно-техническая конференция студентов, молодых ученых и специалистов «Новые информационные технологии в научных исследованиях и образовании НИТ-2000», Рязань, РГРТА, 2000.

• Научно-техническая конференция молодых специалистов, аспирантов и студентов «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов», Тула, Тульский Дом науки и техники, 2000.

• 9-я Международная научно-техническая конференция «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций», Рязань, РГРТА, 2000.

• Международная молодежная научная конференция «XXVI Гагаринские чтения», Москва, МАТИ, 2000.

• 2-я Всероссийская научно-техническая конференция «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве», Нижний Новгород, Межрегиональное Верхне-Волжское отделение Академии технологических наук РФ, 2000.

• 36-я Научно-техническая конференция РГРТА. Рязань, РГРТА, 2000.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ. Из них 2 статьи в центральной печати, 1 депонированная статья, 2 статьи в «Вестнике РГРТА», 2 статьи в межвузовских сборниках, 2 учебных пособия, 8 докладов и тезисов докладов на научно-технических конференциях, патент РФ на изобретение.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе РГРТА; осуществлено внедрение в Рязанском филиале Военного университета связи, в ОАО «Рязанский радиозавод», что подтверждается соответствующими актами.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 141 наименования и 6 приложений. Она содержит 232 страницы, в том числе 122 страницы основного текста, 60 рисунков, 9 таблиц, приложения на 49 страницах.

3.6. ВЫВОДЫ

1. Проведено исследование свойств САГ на САП в качестве синхронного усилителя сигналов с изменяющейся во времени начальной фазой. Получены данные, позволяющие охарактеризовать свойства САГ на САП в указанном режиме в зависимости от нормированной величины синхронизирующего воздействия и некоторых других параметров, характеризующих генераторный режим в САГ.

2. Путем численного моделирования и натурного эксперимента проведены исследования характеристик САГ на САП как амплитудно-модулируемого каскада. Показана возможность управления амплитудой выходных колебаний САГ на САП по цепи коллектора. Разработаны схемотехнические меры по расширению динамического диапазона регулирования амплитуды выходных колебаний. Исследованы динамические свойства регулирования амплитуды колебаний по цепи коллектора. Исследовано явление АФК, возникающее в САГ на САП при изменении напряжения питания его коллекторной цепи.

3. На основе понятия среднеквадратической ошибки синтеза двухтонального ОМ сигнала разработана методика расчета допустимой величины искажений, возникающих в амплитудном и фазовом каналах ОМ

163 радиопередатчика, исходя из заданного уровня комбинационных составляющих в спектре синтезируемого двухтонального ОМ сигнала. Достоверность этой методики расчета подтверждена путем раздельного численного моделирования амплитудной и фазовой САР радиопередатчика и моделированием работы структурной схемы ОМ радиопередатчика [102] в целом при одновременном функционировании двух указанных САР. В последнем случае показано, что полученный уровень комбинационных составляющих в спектре синтезированного двухтонального ОМ сигнала не превышает исходной величины, заданной в расчете, как в случае отсутствия, так и в случае учета явления АФК в модели САГ на САП.

4. Путем натурного эксперимента на впервые созданном макете ОМ передатчика с САГ на САП (по схеме [102]) подтверждена возможность получения на практике в таком радиопередатчике ОМ сигнала с приемлемыми показателями качества при повышенной энергетической эффективности передатчика.

Результаты проведенных исследований опубликованы в работах [90, 91,99, 100, 134, 136, 140].

164