автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.01, диссертация на тему:Подавление слабых побочных колебаний и стабилизация уровня выходной мощности в усилителях-ограничителях СВЧ диапазона

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

БАРАНОВ Александр Владимирович

ПСДАВЕЕНИЕ СЛАБЫХ ПОБОЧНЫХ KOIEЗАНПЙ И СТАБИЛИЗАЦИЯ УРОЫЙ ЕЫХОДНОЙ МОЩНОСТИ £ З'СШШТЕЛЯХ-ОГР/ЛИЧЮТЕШ СЕЧ ДИАПАЗОНА

Специальность: 05.12.01 - теоретические основы

радиотехники

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

РГ6 о

/

/

Нижний Новгород - 19S3

РзСотз выполнена б Нижегородском нзучно-произзодствгнноц предприятий "Са.тат".

Научный руководитель: кандидат технических каук,

доцент МОРУГИЕ С. Л.

оппоненты: доктор технических наук,

профессор БОГАТЫРЕВ ЮЛ. /НГТУ/, кандидат технических наук СУВОРОВ В. К. /ЕШШ/

Ьрдуигее предприятие: Нижегородское научно-производственное

соъединение "Полет"

Запита состоится " 4 " ноября 1953 г. в 14 час. 00 ми. на засе далии специализированного совета Д.063.85.03 при Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24, 1 к., ауд. И 1258. Отзывы на работу в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу НГТУ на имя ученого секретаря совета. С диссертацией мозсно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан октября 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук,

донент /САДОВ А.Н./

Пс-п. :•: пгч. '¿В.09.93. Зоргат 60х£^Г/1б. Бумага обе от. Чс гг.-с с^оелпд. Уч.»::сд.лЛ;С. Т::рз:х 80 экз. Ззкэз 'г?8.

Л Г- — -г • Ч - 7 Г»

_-..-. . ._........ —

офсетной печати поллгргглчаско:: С'азц НГТУ. • " ' "" "сС-3022,. Н.Ь'озгород, лр.Гагаряиз, I.'

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность текы

Основными требованиями, предъявляемыми к радиопередатчика'.: гетеродинам приемных устройств, являются подавление слабых пс— зчных колебаний, возникающих в этех устройствах в результате элинейнш: процессов, кроме процессов модуляции, а также ctsCf-гзапия уровня ии выходной мошности при воздействии леетасклкзг-¡тоших факторов. Недостаточная фильтрация колебания гетеродина, апример, может быть причиной просачивания сигнала передатчика 7 эседние частотные каналы. Если гетеродин приемника имеет повк-энный уровень побочного радиоизлучения, то эте может сыть прк-гной уменьшения чувствительности соседних приемных каналов, допплеровских радиолокационных станциях уровень побочных коле-аний гетеродинов непосредственно связан с такими параметрами ая вероятность ложных тревог и максимальное расстояние до цели, реме того, недостаточная фильтрация сигнала радиопередатчика зжег нарушить условия его электромагнитной совместимости с дру-эй аппаратурой. Следует отметить, что стабилизация уровня вв-здной мошности радиопередающих и гетеродинных трактов необхеди-а, например, при проектировании радиоизмерительных приборов, в :нове работы которых лежит амплитудный метод определения пара-этров и свойств исследуемых материалов. Она требуется также и ри разработке трактов формирования колебаний и сигналов систем комической связи, телеметрии, радиоастрономии, использующих таге элементы как полупроводниковые смесители, умножители и пара-этрические усилители, для которых высокая стабильность уровня годных воздействий является необходимым условием их нормального акционирования.

Таким образом, разработка методов и устройств стабилизации ровня выходной мощности при воздействии дестабилизирующих фак-эров и подавления слабых побочных колебаний в трактах форыиро-ания колебаний радиопередатчиков и гетеродинов приемников прел- . гакпяет собой самостоятельную актуальную проблему. Ряд задач, вязанных с анализом прохождения многочастотных сигналов через аяинейные устройства, решен в работах Гоноровского И.С., Кага-эва В.К., Хотунцева Ю.1. и др., где амплитудно-фазовая кскье;-1Я (АФК) либо не учитывается, либо ее влияние в процессе прео:-азования входного колебания минимизируется. Некоторые проблемы, эзшшаашие при разработке усилителе;--ограничитеде£ (¿"0; с бол;--

ним динамическим диапазоном ограничения по входной мощности решены в монографии Королева В.И. и КучумоЕа А.И.. Однако большинство известных методов и устройств рассматриваемого класса устройств характеризуются невысокой степенью подавления слабых по-оочных колебаний, особенно в тех случаях, когда частоты основного и побочного колебаний близки или перестраиваются, недостаточно эффективной стабилизацией уровня выходной мощности основного колебания, в частности, при изменении в широком диапазоне мощности входного колебания и температуры окруяаюшей среды, а такяе' амеют ряд таких недостатков, как низкий КЕд, трудоемкость практической реализации в СВЧ диапазоне, возможность срыва генераци: систем фазовой автопсдстройки частоты (ФАШ) , используемых в качестве узкополосных фильтров и т.д..

Устранение перечисленных недостатков требует разработки ме -/одев и устройств, обеспечивавших, наряду с эффективной стабили задней уровня выходной мощности при изменении в широком диапазо не входной СЩ мощности и температуры окружающей среды, подавле ние слабых побочных колебаний с близкими к основному колебанию частотами. В связи с этим представляет интерес анализ и исследс вание нелинейных устройств, использующих для подавления слабых побочных колебаний механизмы АФК. Кроме того, вопросы оптимизации характеристик активных элементов (АЭ) таких устройств с-целью повышения стабильности уровня их "выходной мощности также требует своего решения.

Цель работы

Целью диссертации являются разработка методов подавления первоначально присутствующих во входном воздействии слабых побочных колебаний с близкими к основному СЕЧ колебанию частотам] и стабилизации уровня выходной мощности основного колебания цр ' изменении входной мощности и температуры окружающей среды в широких пределах, а также разработка класса устройств - усилителей-ограничителей СВЧ мощности-, в которых реализованы данные м

•годы. "

В соответствии с поставленной целью решаются следующие за дачи: _

- разработка метода подавления слабого'гармонического или узкополссного побочного колебания, первоначально-присутствовав aero наряду с основным колебанием во входном воздействии, с по ■-.■¡осью механизма АФК;

- разработка метода стабилизации уровня выходной мощности основного СБЧ колебании в нелинейных устройствах, работавших в эегиме с отсечкой токов, при изменении их входной мощности и температуры окружающей среды в сшрокпх пределах;

- разработка инженерных методик проектирования 70 с подав-1ением при помощи АФК слабых гармонических и .узкополосных побоч-шх колебаний;

- разработка методик проектирования амплитудных ограничите-ielî CAO), применяемых■ в устройствах подавления слабых побочных колебаний и обладающих высокой стабильностью уровня их выходной ющности в широком диапазоне .изменения входной мощности' и тем-¡ературы окружающей среды;

- разработка метода проектирования цепей согласования и ильтрадии в АО, применяемых в устройствах подавления слабых по-5очных колебаний; -

- моделирование на' ЭЕЫ усилителей-ограничителей с подалле-шем слабого гармонического колебания и сравнение величин подав-¡ения гармонического колебания с экспериментальными результатами;

- экспериментальные исследования подавления гармонического солебания в УО и характеристик. АО, необходимых для устройств подавления слабых побочных колебаний. . -,

Методы исследования -•-..-;

Использовались методы вычислительной математики, теории дифференциальных уравнений, некоторые элементы теории функций гомплексной переменной, спектрально-корреляционной теории и матричной алгебры. Проводились машинные расчеты и натурные экспв-нменты.

Научная новизна

Основные результаты диссертации состоят в еле душем:

- предложен-метод подавления уешштеяями-огранпитвлями СБЧ юшности слабых побочных колебаний, основанный на целвналравлен-юм использовании их ДФК. Данный метод применен для двух классов «одного воздействия на 70: суммы гармонических СБЧ основного z яабого побочного колебаний и суммы узкополосных СЭД основного в лабого побочного колебаний. Сделан вывод о том, что в рассмот-еняых классах входного воздействия при целенаправленном использовании АФК в 70 возможно теоретически полное подавление слабых обочных колебаний на его выходе;

- при входном воздействии ва двухкаскадный 70 с автомати-

s

ческой регулировкой параметров его АЭ сумг.щ гармонических основного и слабого побочного колебаний з рамках качественного подсола, без учёта в УО А£К для выходного колебания УО получено выражение, определяющее характер поведения побочной и комбинационной составлявших на его выходе от мощности входного СВЧ колебания. На основе анализа более строгой модели УО с учетом его АФК впервые получены выражения для динамических фазоамшштудных характеристик (ФАХ) , оптимальных с точка зрения подавления на выходе УО слабого гармонического колебания, первоначально присутствовавшего во входном воздействии. В случае воздействия на УО узкополосных, но не перекрывавшихся по частоте СВЧ основного и слабого побочного колебаний также определены условия, обеспечивайте эффективное подавление узкополосного побочного колебания;

- предложен метод стабилизации уровня бкходной мощности амплитудных ограничителей для УО с-АФК, основанный на реализации оптимальных регулировочных характеристик их активных элементов, при которых в условиях воздействия на АО дестабилизирующих факторов обеспечивается постоянство амплитуда первой гармоники их выходного тока.. Данный метод применен при разработке АО со стабилизацией уровня их выходной мощности при изменении в широких пределах мощности.входного СБЧ колебания и температуры окружающей среды. Рассчитаны оптимальные регулировочные характеристики активных элементов-таких-ДО;

- разработан новый класс.нелинейных устройств - усилителей-ограничителей СБЧ мощности, обеспечивающих» наряду с эффективно] стабилизацией уровня выходкой мощности при изменении в-широких, пределах'входной мощности и температуры.окружавшей среды, подавление первоначально присутствовавшего во..'входном воздействии слабого гармонического либо узкополосного побочного колебания с близкой к основному колебанию частотой. Дааы инженерные рекомендации по проектированию "таких устройств;

- предложен метод расчета, фильтров-трансформаторов нмпедан-соб. кольцевого типа- для АО,-которые -необходимы для устройств подавления' слабый побочных колебаний.' Получены выражения для коэф фициёнта трансформации ■ таких .устройств, и условия, при которых. возможна согласование, комплексных- импедансовс сильно отличавшимися их 'активными составляющими;, ;,

-"проведены.экспериментальные исследования ряда УО, соот-'Бетствующих новому'классу, устройств, На основе'.экспериментальны

5 - ' " '

езультатов сделан вывод о справедливости предложенных в работе етодик.

Прчктттческая ценность

На. основе предложенных в диссертации инженерных методик даек практические рекомендации по разработке .целого класса нели-юйных устройств СВЧ диапазона - усилителей-ограничителей, обес-[ечивающкх подавление на их выходе слабых побочных колебаний, гервоначально присутствовавших во входном воздействии, а такге ггабилизацею уровня мощности их выходного колебания в широких ¡ределах изменения, входной мощности я температуры окружающей :реды. Описанные методики позволяют проектировать высокоэффективные и термостабклизированные УО, которые обеспечивают подавление гармонического либо узкополосного , но не перекрывающегося ю частоте с основным слабого побочного колебания. Даны такие зекомевдации по разработке некоторых цепей согласования к фильтрации, которые оказываются полезными в устройствах такого клас-;а. Кроме того, в тех случаях, когда,основным источником шума в штогенераторах являются шумы резонатора, а не шумы их активных элементов, предложенный в работе метод подавления УО слабых по-5очных колебаний при помощи АОК может быть.использован при разработке СВЧ автогенераторов с низким уровнем спектра ш фазовых [луктуаций.

Практическое использование '

Работа выполнялась в соответствии с. тематическими планами гетырех НИР и двенадцати ОКР Научно-производственного предпринят "Салют". По ее результатам разработан широкий класс приборов, в которых применяются предложенные методы подавления слабых звеодннх побочных колебаний и стабилизации уровня выходной мошно-зтн. К таким:приборам относятся усилители-ограничители, термо-¡табилизированные усилители СВЧ мощности г автогенераторы СВЧ с -шзклм уровнем спектра фазовых флуктуации.

Реализяттия в промышленности и внедрение

Приборы, разработанные при выполнении диссертационной работы, использованы в двух серийно выпускаемых изделиях НЛП "Салют" I пяти комплектированных изделиях электронной техники, документация на которые передана с целью их последующего внедрения на 1редприятиях г. Москвы, г. Санкт-Петербурга, г. Киева, г. Хмель-шцкого и г. Каменска-Уральского. Расчетный годовой экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы сос-

тавнл 210 т^слч рублей в цепах ноября 1Ь92 года.

■ "роОатая Тибете

Основные научные положения диссертации докладывались на XI 2cecorc3Ho;'t научно-технической конференции ет тверпотелъноД зле:, г. Киев, 1DS0 г., ла У1 Всесовзкой пксле созесанди ;одсдых ученых з специалистов "Стабядлзацйя частоты", г. Каыев,

_*_955 г., на У1 Всесоюзном научно-техюгческом сеикнарь студенто! : ;-олсдш учение "/^токолобательные систем л усилят ал;: в радпс технических устройствах", г. Рязань. 12Ь7 г., на 711 Всесоюзно! яссле-оймзиарй студеигоэ и кслсднх ученых "Латоколеба?альнае си jtí.v.u z усилители 2 радтгопередсюгггх устройотвгл'". г. Скиферопсд litó , -¡-.i tcscGiD3HC!í шксле-сачжарз "«'стро^стза ехустс&лектгс ::пкп", "г. .ockbh, Liofc г.., на отраслевой паучпо-тг.хяичес-ой кон зргнидк, л. .íaxr-ли, ISó-r г., на '.-. У1 псдотраслевых научно-~;-гкт'лческ;зс кояЛерошшюс кояздбг специалистов, г. Саратов,

?., т. Ггрыгай, üb? г.. эксяонатоз, ь которых исиоль-.»•.¿ань осн&вныв дслогашш диссертации, демонстрировался на Jies-дуаарсдноИ. выставке "Сэлзь-92*, г. йазаай Новгород. 19S2 г.. —г/и

^ековнне результаты диссертации опубликованы в 20 работах, '.'.редн которых 4 патента Российской Федерации.

газета

Диссертация состоит из введения, четырех глаз, заключения, ерллояения и содержит 179 стр. .машинописного текста, из ких 126 от р. "сновкого содержания, £0 рисунков л;а 27 стр., 1 таблица на i стр., список литературы до SG лаякенований на 11 стр., прило-.itíiuio На 14 СТр. .

- мегод подавления аелинейнык четцрехполлсникс?.; слабого гаряоиичесхого пли узкополоокого побочного колебания. перзона-

присутствовавшего наряду с основным колебание.« во входко

лотбяк,_ кот&ркй-основан на веленааравгетшен использовании

- метод стабилизации уровня выходной ксаиости нелинейного «.тцрохпслюскика, основанный на реализации оптимальных регулиро ночных характеристик ого активного элемента, при которых.з керо

пределах изменения мощности входного кслебакя а теулерату-;л окрул-саотей среды поддерживается постоянным значение оетяитус териой гарлиннкл шасодного, тока АГ*:

- реализация предложенных методов з виде нового класса ие-тинейных устройств - усилителей-ограничителей СЕЧ мощности, • , , збеспечивагших подавление слабых побочных колебаний и стабилизацию 'уровня мощности на их выходе при воздействии на Еходе суммы гармонических или узкополосных' основного и слабого побочного колебаний; ' ■

- методика расчета необходимых для УО с подавлением побочных колебаний фкльтров-трансфорлатсров кольцевого типа;4

- результаты разработки и исследования предложенного класса нелинейных СВЧ устройств.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ . ,, *

Во введении дается постановка задачи исследования, обсуждается ее актуальность, формулируются цели работы.

В первой главе дан сравнительный анализ методов и устройств г} подавления слабых гармонических побочных колебаний и стабилизации уровня основного гармонического колебания при кногочастотном нходном воздействии. Показано, что известные методы и устройства подавления слабых гармонических побочных колебаний, действующих на Еходе наряду с основным гармоническим колебанием, имеют ряд недостатков, ограничивавших их применение. Среди них - невысокая степень подавления побочных колебаний, особенно в тех случаях, когда их частоты близки к частоте основного колебания и тем.более, когда они перестраиваются, - низкий КПД и возможность срыва генерации. Первый недостаток присущ фильтрам (полосоеым, реакторным, нижних и верхних частот) , остальные характерны для систем ФАДЧ, используемых в качестве узкополосных фильтров. Невысокой степенью подавления гармонических побочных колебаний (6 дБ.) обладают также идеальные АО или усилители-ограничитали, при помощи которых устраняется только амплитудная модуляция входного многочастотного колебания, а его частотная модуляция остается без изменений. Кроме того, здесь показано, что применение известных методов и устройств стабилизации уровня выходной мощности основного колебания при воздействии дестабилизирующих факторов также вызывает серьезные трудности, связанные с недостаточно эффективной стабилизацией уровня выходной С5Ч косности при изменении в широком диапазоне входной мощности и, в особенности, температуры окружающей среды. Указанными недостатками обладают мр-

тоды стабилизация уроЕНя СБЧ мошности с помощью ограничителей н р _ ¿ _ л диодах и дополнительных устройств автоматической регулировки мощности. Отмечено, что в аппаратуре специального казна -чения среди методов стабилизации выходной мошности ее трактов наиболее перспективным в использовании является метод стабилиза цик выходной мощности при помощи УО, в основе работы которых ле полиции автоматического изменения средней крутизны проходно характеристики его АЭ. Как показано в монографии Королева В.И. Кучумова А.И., данный метод обеспечивает удовлетворительный динамический диапазон ограничения по входной мошности. Еместе с тем, он, вообше говоря, не предполагает высокой эффективности ограничения мошности выходного СБЧ колебания и тем более высоко температурной стабильности- уровня выходной мошности самого УО.

На основе анализа недостатков известных методов и устройст подавления слабых побочных колебаний и стабилизации уроЕНК еы-ходной мошности сделан еывод о необходимости разработки новых методов и устройств, выполнявших указанные функции в СБЧ диапазоне. ¿ля этого исследованы методы- анализа и синтеза нелинейны} устройств при многочастотном входном воздействии, которые могу] оказаться полезными при разработке ноеых устройств. На основе сравнения известных методов анализа и синтеза нелинейных устройств выбраны методы, адекватные поставленным в работе задачам Среди них - методы анализа, предполагающие переход от нелинейнс системы к системе с периодически меняющимися параметрами, мет о; предполагавшие узкопсдосный характер входного и выходного процессов, метод гармонического анализа токов генераторов с внешш возбуждением, компенсационные методы структурного синтеза и методы согласованного преобразования моделей классов сигналов и нелинейных систем. Б результате анализа методов и устройств подавления слабых побочных колебаний, действующих на входе нелинейного устройства, а также на основе исследований методов и ус ройств стабилизации уровня выходной мошности основного колебан) при воздействии дестабилизирующих факторов сформулированы осно: нне научные задачи, которые необходимо решить при разработке а еого класса нелинейных устройств - УО, выполняющих функции подавления побочных колебаний и стабилизации выходной СБЧ мошнос

Во второй главе рассматриваются вопросы проектирования нелинейных устройств с подавлением слабых побочных колебаний, пе; воначально присутствовавших наряду с основным колебанием во вхс 10 ' ..'■-•.

нем еоздсйствин.

При пемоши компенсационных методоз структурного синтеза разработан ряд устройств, подавляющих слабое гармоническое побочное . колебание. В основе этих методов лекит известный принцип формирования компенсирующего для данной помехи колебания путем временной задержки или двукратного дифференцирования входного воздействия, представляющего собой сумму гармонических основного п слабого побочного колебаний с амплитудами А1о , а10 и частотами oj{ , о)z соответственно. Показано, что реализация в СБЧ диапазоне полученных устройств практически невозможна, поэтому поиск новых методов подавления побочных колебаний остается актуальным.

' Качественно рассмотрены вопросы прохождения гармонически основного и слабого побочного колебаний с близкими частотами через двухкаскадный УО с автоматической регулировкой параметров его A3. 3 отличие от известной работы Гоноровского И.С. здесь входное колебание представляется в виде суммы медного амплитуд-но-модулированного колебания и слабого колебания с к'омбинацион- ■ ной частотой 2 cof - ¿oz и фазой -Я , которые преобразуются УО, используя характерные для амплитудных ограничителей свойства подавления амплитудной модуляции и блокирования слабых сигналоз мошнкм. При исследовании прохождения мошного амплитудно-модули-рованного колебания использован метод символических укороченных уравнений Евтянова С.И., развитый КулеаоЕым В.Н.. На основе анализа выходного колебания, полученного в предположении возможное-ти суперпозиции преобразованных УО откликов, показано, что при определенной нелинейности коэффициентов передач каскадов УО, когда один из коэффициентов передачи каскадов обратно пропорционален амплитуде входного колебания УО, а другой - не зависит от нее, достигается теоретически полное подавление гармонического побочного колебания на_выходе УО. Вместе с тем, показано, что максимальному подавлению гармонического колебания.соответствует минимальное подавление комбинационной составляющей типа 2u>f-w~. Характер такого поведения-составляюхих .на выходе 70 макет свидетельствовать о наличии его АФК, которая косвенно проявляется ч— рез нелинейные зависимости коэффициентов передачи каждого из кадов УО от амплитуды входного колебания. Сделан вин--;: г, тем, что величина одновременного подавления обеих с.от-лл;■.■:■■:■> г -ком УО ограничивается 6 дБ, что соответствует м.г.тпгшь.'/г

ченкю, сделанному Гокоровсккм И.С. при анализе прохождения сингармонического колебания через идеальный АО без АФК. На основе предложенного качественного подхода сделан также вывод о том, что при строгом учете и использовании АФК в УО могут быть реализованы дополнительные возможности одновременного подавления побочного колебания и комбинационной составляющей типа 2 со, ~ «л, в его выходном спектре.

Предложен метод подавления УО слабого гармонического колебания, основанный на целенаправленном использовании его АФК. Его суть, заключается в том, что в УО с АФК реализуется условие:

¿[ЧТАК))]

—-- + U)(v) = 001

cL~t

где co(i) - мгновенная частота входного колебания, рассматриваемого при |,£/| = |u)i ~cOz\<< ajf , в качестве узкополосного процесса, ¥(A(t)) - искомая динамическая фазоамллитудная характеристика (ФАХ) усилителя-ограничителя. Данное соотношение устанавливает правило, по которому- амплитудная модуляция, присутствующая во входном воздействии - сумме гармонических основного и слабого побочного колебаний, преобразуется УО для того, чтобы скомпенсировать прошедшую без искажений на выход УО частотную модуляцию, которая также присутствует во входном воздействии. По-лучэно точное выражение для динамической ФАХ, при котором возможно теоретически полное подавление побочного колебания при отсутствии комбинационной составляющей типа 2 cot - ooL ■■

ЩР), »■ w

где р = AZ(i) , <Г = 2 А10а,0 , Рф = Агю + afo , а знак плюс в правой части соответствует случаю со, >и>2 , минус -со, < coz При аю « Аю выражение (1) значительно упрощается:

Ц>(Р) = ± mSx.svi&t „ (2)

где т - 0.ю/ Аю . Сделан вывод о том, что в данном приближении управлявшее фазовым модулятором колебание f должно быть сдвинуто по фазе на SO0 по отношению к мощности входного колебания Р = Pep + (Tcos&t . Аля случая т$к«1 проведен анализ величин подавления побочного и комбинационного колебаний цри ус-1Z

..-.глтз, если з 70 с А$К управляетеа фазой 9 ясзебакаэ отличайся 20 амплитуде, фазе л форме от теоретзческя установленного паксна (2). Показано, что наличие да-хе мадкх: отклонений данного колебания от и> з.знраяенаа (2) привода? к значительному обо-гаях-нззз выходного спектра 70. Вместе с тем, установлено такге, что л в зтих условиях существует такой забор параметров, характеризующих указанные отклонения '-У(РУ . прз лет орем зсзусяно теоретически полное подавление сльбого гар.тонпчесгсогэ побочного . колебания ч комбинационной состязляззей т?ха 2 ш1 - го. в зы-::сд:юм спектре УО.

На основе проведенного анализа при детали г.;?.? еда структур-::сгэ синтеза, при котором, дачде:^ функциснальнсму пресбразсганза а клзаяения (2) ставится в соотзетствие необходимый для его вы-иззигнак блок, разработан ряд 70 с подавлением слабого 'гармонического колебания. Среди них - 70, содер:*а1з:г хсс. лилейный, так •I нелинейные фазовые модуляторы. Дан анализ, синтезированных 70. "оказано, что СБЧ диапазону наиболее соответствует 70 с линейным гозовим модулятором. Он состоит из амплитудного ограничителя без А2К, линейного фазозого модулятора п блока формирования его уп-разляваего к еле баки, который обеспечивает, с одной стороны, на разностной частоте основного :: побочного колебаний фазовый сдвиг :-:а -0° по стзогекпа к псхностп входного воздействия, а с другой--л-^ллтуду управлявшего колебания, прспорпаональну» стнссениа ам-тялтуд. побочного и основного гсотвбаний.' Последний йяск Бплэчае? з себя а:-,тплитудный детектор с квадратичной характеристикой, 5НЧ, -.'Л,' а-дыштуаный детектор с линейной характерпстзксЗ. делагедь нзпг.-ленай, интегратор, компаратор, лере?лкетятель з регулируемый "патер. Проведена качественная сценка чувстняеаькостй аегл?-х:н подавления побочного г й

тел 2 из< - изг в екоднсм спектре 70. Показано, что каибедее 'гпстЕительнкка элементам 70 ягллготся фазовый модулятор, »жь г.-дшй сграклчнтоль, 5БЧ и ::г-апрат:-:чный аггетудкаЗ детептср.

7рс-тлсженкый >з?од педалиения 70 слабого гарксютчесгсго :;с-. :ьС"Н2я при пс*„'-»а-»Т01.А£Х ягпу.*КгЕ и для другого класса вхсд.-лс. ■хздейстэий - сумкн узкополсскюс не п-грегсыЕгх^рссд ко частот'-полного :г сл.-5ого побочного ксле.'яяяй... В'зтсм -случае ."гг-хпслосной помехи уменьзается как за счет устранения амплпт;.

'-'сдуляшп: входного колебли?.-:, тат л за счет ?н;гг-:ь2д -¡х.,:: .■■ .-.у.тог'.зй• медулядии пл. зжоде УО го тгегн.-: •

средней частоты входного воздействия. Спктезит^Еаы 70, обеспечивающий подавление узкополосного побочного колебания. Он состоит ¿3 амплитудного ограничителя без АФК, линейного фазового модулятора, высокочастотного измерителя частоты, £34 и интегратора. Показано, что по сравнению с системами ФАПЧ, используемых в качестве узкополосных фильтров, предложенный УО имеет более широкий диапазон отстройки частот тзкопсшосных основного и слабого побочного колебаний, который, не ограничивается полосой синхронизации. Кроме того, показано, что, .поскольку данный УО имеет прямой канал передачи входного колебания, он характеризуется более высоким КПД.по сравнению с системами .&АПЧ, в которых такой канал отсутствует, а их выходное,колебание формируется.подстраиваемым генератором с низким КПД за счет потребляемой мощности от источника питания.

Третья глаза посвящена вопросам разработки АО, необходимых -для устройств подавления слабых.побочных.колебаний. В частности, рассмотрены вопросы разработки АО, характеризующихся высокими значениями.эффективности ограничения г теркостабилькости уровня их выходной мощности, а также слабой инерционностью и низким ко-Бффщнвнтом гармоник кх выходного колебания.

Прадлскен метод стабилизации уровня выходной мощности амплитудных 01раничЕтелей, который основан на реализации: в широком диапазоне воздействия дестабилизирующих факторов оптимальных регулировочных, характеристик их активных алементов, при которых -обеспечивается постоянство амплитуды первой гармоники выходного тока * сгуь^). Получено условие, при помоши которого ол-

,ределявтоя олтямаяьные регулировочные характеристики Ес()/£х) к

ЕС(Т). ■

уи. = аллсо5Ь1. - - с6ь , (3)

- крутизна и напряжение сдвига проходной характеристики АЭ, -амплитуда первой гармоники напряжения входного колебания, Т -абсолютная температура окружающей среды. Для получения выражения (3) использован метод гармонического анализа токов генераторов с внешним возбуждением, развитый Уткиным Г.М.и др.. В предположении: безынерцвоныостЕ и кусочной линейности проходной характерис-*

тики АЭ. в АО показано, что при точной реализации оптимальных регулировочных .характеристик Ес(^х) и ЬС(Т) возможна теоретически полная стабилизация уровня выходной мощности АО во всем диапазоне изменения входной мощности л температуры окружающей среды.

Установлено, что для того, чтобы не искажать работу фазового модулятора в УО с подавлением слабых побочных колебаний, АО должны обладать слабой-инерционностью и низким коэффициентом гармоник их выходного колебания. С учетом этого предложен алгоритм расчета трансформаторов-фильтров кольцевого типа, необходимых в АО как для согласования з СБЧ диапазоне сильно отлачакпихся сопротивлений аго АЭ и стандартных линий передач, так тгдля фильтрации кратных гармоник выходного колебания. Данный алгоритм основан на использовании аппарата [У]" - матриц при расчете входного импеданса трансформатора-фильтра кольцевого типа, нагруженного на импеданс , в случае, когда = У,2 = 0. При условии = -тассдв1 получено выражение для :

г.-* =г/;уян) ^ ' (4)

где тр - рг /; ^ , ; уо, , 9г - волновое сопротивление и относительная длина-первого и второго.отрезка кикро-пслосковой диизи (ШЛ) передач' соответственно, а <£.. - коэффициент, обратно пропорциональный коэффициенту трансформации пг = = Яс 1 Яг 2.г, , который определяется выражением:

а. - {пхр вит, ¿1 Зьг т „5¿г, 9, + 5иг <9,))

Показано, что з предлагаемом устройства за счет уменьщетпш Л достигается значительно' белее

.".'аил;: по сравнении, например, с татвертьволновым отпеэксм ШЛ, где ^ = 1. Установлено, что на четных гармониках■основной частоты трансформатор-Фильтр' яольцэвого типа- обладает предельно воз- метными полосно-загражЕшздшми свойствами; т. к. а этом случае У и -= У-об . Сд&чан вывод о том, что, если един из отрезков МШЕ стремится к А /2, коэффициент трансформации увеличивается, полоса заграждения на частотах, кратных 2, становится уже, а полоса пропускания на основной' частоте - гире. При согласовании лексных нагрузок 2Н с сопротивлениями стандартных лини:: дач определены ограничения, закладываемые на охтлвнут? л

тивную составляющие, при которых качество согласования остается в заданных пределах.

Б четвертой глаЕе рассматриваются вопросы практической реализации и экспериментального исследования усилителя-ограничителя СЕЧ мощности с подавлением слабого гармонического побочного колебания. '

При помощи ЭШ проведено исследование моделей разработанного 70 с подавлением слабого гармонического колебания. -Для устранения возможных методологических .ошибок, которые возникают в тех случаях, когда частоты огибающей и несушей входного колебания значительно отличаются друг от друга, а .число точек его дискретизации не может быть."выбрано .сколь угодно большим, здесь использован .метод согласованного преобразования моделей классов сигналов и нелинейных систем-или метод спектрального уплотнения, предложенный С.Д.Моругиным.. Он предполагает эквивалентное с точки зрения сохранения информации о.форме ж спектральном составе колебаний, согласованное преобразование.модели колебания и математической модели цепи, позволяющее за .счет" сокращения размер- . ности модели колебания существенно понизить трудоемкость, решаемой. задачи анализа. При помощи ЭШ промоделирована работа УО в переходном г установившейся режимах, в результате чего определены время переходного процесса "УО и постоянные времени его элементов. Проведена оценка чувствительности величин подавления побочного колебанияи комбинационной составляющей типа 2 со, -на выходе УО поотношению к. малым изменениям параметров его элементов. Подтверждено, что наиболее чувствительными элементами УО являются амплитудный ограничитель, фазовый модулятор, ФВЧ и ква-дратичтф; амплитудный детектор. Па • основе машинного эксперимента подтверждена возможность теоретически полного подавления (~-60 дБ) в УО слабого, гармонического побочного колебания и комбинационной составлявшей его выходного .спектра.

При проектировании на основе предложенных методик УО с подавлением слабого гармонического колебания .получены, конкретные реализации амплитудных ограничителей, характеризующихся высокой стабильностью уровня их выходной мощности дБ) при изменении входной мощности на ~20,дБ я температуры'Окружалпей среды от-60° до -»Ь5С С, а также характеризующихся слабой инерционностью и низким коэффициентом гармоник выходного колебания АО, при .которых работа фазового мплудятора в УО не искажается. Показано, что «

экспериментальные исследования таких АО подтверждают справедливость инженерных методик, изложенных в главе 3. Для различных значений разностных частот основного и побочного колебаний, используя известные принципы построения фазового модулятора и элементов блока формирования его управлявшего колебания, также реализованы практические схемы всех элементов, входящих в УО. Сделан вывод о возможности практической реализации предложенного класса устройств в СЬЧ диапазоне. Проведено экспериментальное исследование полученного УО с подавлением слабого Гармонического колебания. Показано, что при соотношениях амплитуд побочного и основного колебаний, а также при отношении разностной частоты основного и побочного колебаний к частоте основного колебания меньших, по крайней мере, -10 дБ наличие указанных, вше блоков достаточно,.чтобы реализовать в УО подавление побочных гармонических колебаний с помощью АФК. При оптимальной отстройке частот основного и побочного колебаний, которая определяется частотной зависимостью фозосдвкгаюшей цепи, в эксперименте достигнута максимальная величина подавления побочного гармонического колебания ~ -30 дБ. Причем это подавление обеспечивается во всем частотном диапазоне работы фазового модулятора и амплитудного ограничителя и определяется частотными свойствами используемых в УО СЩ транзисторов. Сравнение полученной в эксперименте максимальной величины подавления побочного гармонического колебания с предельными величинами, достигаемыми в машинном эксперименте, позволяют сделать вывод о том, что разработанный УО имеет удовлетворительную "настройку" параметров элементов, из которых он состоит и которые необходимы для работы устройств ограничения выходных колебаний с подавлением слабых побочных гармонических колебаний. Показано , что -проведенные здесь натурный и машинный эксперименты подтверждают справедливость предложенных в главе 2 методик. ;

В заключении приведены основные результаты диссертации.

В приложение вынесены вспомогательные материалы, к которым относятся описание программы' анализа подавления УО слабого гармонического побочного колебания, принципиальные схемы и описания АО, фазового модулятора, трансформатора-фильтра кольпегого типа, УО с подавлением слабого гармонического колебания, а также акт о внедрении диссертационной работы и рекламные проспекты разработанных приборов.

1т

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

При выполнении диссертационной расоты получены следующие результаты:

1. Предложен метод подавления усилителями-ограничителями СБЧ местности слабых псоочных колебаний, основанный на целенаправленном использовании их АФК. данный метод применен для двух классов входного воздействия на УО: суммы гармонических СВЧ основного и слабого побочного колебаний и суммы узкополосных СЬЧ основного и слабого побочного колебаний. Показано, что в рассмотренных классах входного воздействия при целенаправленном использовании АФК в УО возможно теоретически полное подавление слабых побочных колебаний на его выходе.

2. На основе анализа модели УО с АФК разработан ряд новых устройств - усилителей-ограничителей, подавляющих слабые гармонические или узкополосные побочные колебания. Основными элементами таких устройств являются амплитудный ограничитель без АФК, фазовый модулятор и блок формирования его управляющего колебания.

3. Дана оценка чувствительности величин подавления слабого гармонического побочного колебания и комбинационной составляющей в выходном спектре усилителя-ограничителя по отношению к малым изменениям параметров его элементов.

4. Для амплитудных ограничителей, необходимых при разработке устройств подавления слабых побочных колебаний, предложен метод стабилизации уровня их выходной мощности, основанный на реализации оптимальных регулировочных характеристик активных элементов АО, при которых обеспечивается постоянство амплитуды нервов гармоники их выходного тока во всем диапазоне изменения мощности входного воздействия и температуры окружающей среды.

5. Используя результаты анализа модели амплитудного ограничителя в предположении безынерционное™ и кусочной линейности характеристики его активных элементов, разработан ряд новых струк турных схем высокоэффективных и термостабилизированных АО.

6. Для согласования в СВЧ диапазоне сильно отличающихся сопротивлений активных элементов АО и стандартных линий передач, а также для фядьтрашш кратных гармоник основного колебания предложена методика расчета трансформаторов-фильтров кольцевого типа.

?. Изложенные в работе инженерные методики по разработке

высокоэффективных в термостаОЕлизхрованных усилителей-ограничи-« .....

гелей с подавлением слабых побочна колебаний подтверждены результатами машинного и натурного экспериментов.

6. Материалы диссертационной работы использованы з двенадцати опытно-конструкторских работах, в результате которых впервые разработана яриемко-передаетая аппаратура для двух серийно выпускаемых изделий и передана документация для ее последующего внедрения ка пяти предприятиях стран СНГ.

РАБОТЫ, СПШШКОЕАЕНЫЕ СО ТЕКЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Патент РФ В 1241310, !/;И14 Н01 ? 1/15. Ограничитель моатно-сти СЬЧ/ А.В.Еаранов, Ю.А.Булин, я.А.Карцев. - Опуб. 19со, ЕИл" 24.

2. Патент РФ £ 1656659, :Vi№4 НОЗ Ь 5/СО. Автогенератор СЬЧ/ A.jü.Баранов, М.А.КреЕский, ¡.'/..Ь.Кренцин. - Опуб. 1951, ЕИ а 22.

3. Патент PS х 1727192, НОЗ Р 3/04, КОЗ & 11/00. Усилитель-ограничитель СЕЧ мощности/ А.В.Баранов. -Спуб.1992,3)1.^14.

4. Патент РФ И 1775359, Г,1К>1° НС4 3 1/10. Устройство подавления гармонической помехи/ С.Л.Моругия, А.Б.Баранов. - Опуб. 19S2, ЕИ Ü 42.

5. Баранов A.B., Булга ¡O.A., Киевский U.A. Преобразование сигнала я помеха усилителем-ограничителем СВЧ мощности // Электронная техника. Сер. 1, Электроника СБЧ. - 12Б8. - Вып. 8(412).

- С. 67-69.

S. Баранов A.B., Ь'оругин С.Л. Разработка усплителей-сграни-чителей СВЧ мощности с подавлением слабкх гармонических помех //' Тезисы докладов XII Есесоюзной конф. по твердотельной электронике СЬЧ. - Киев. - 1990. - С. 259,

7. Баранов A.B., Моругкн-СЛ. Подавление слабой гарлсничес-' кой помехи в усилителе-огракичитеяэ мощности СВЧ сигнала // Электронная техника. Сер. 1, Электроника СВЧ. - 1991. - Вып. 1 (425). - С. 23-28.

Ь. Баранов.A.B., Булпя Ю.А., Карцев М.А. Повышение термо-стабпльности усилителей средней мощности СЬЧ // Радиотехника. -

- 19&7. - ;f 11. - Ü. 23-25.

S. БпраноЕ A.B., Булан Ю. А. осследэгдпие термсстчСглькости ¡¡•мрокопелоснсго усилителя-ограничителя СЬЧ диапазона /,/ ?г\д::--тохншеа. - lU.o. - 6. - С. -о9-91.

■ 1С. Eapsi-.oD A.b., Еулин ij. А., - ..'инкин К.Г. То''*:с7*Л;^:'зяггл сзпспансных- С£": ус// гелиотехника. - 19Э-. - -

- С. 82-84.

11. Бараков A.B. Температурная стабилизация выходной мошнос ти СБЧ усилителей на полевых транзисторах с барьером Шотки // Радиотехника. - 1SS2. - £ 10/11. - С. S2-S5.

12. Баранов A.b., Булик К).А. Анализ механизмов ограничения сигнала б каскодном усилителе СВЧ мощности. - Ь"., 1ЭЙ9. - 17 с.

- Деп. в ЦНИИ "Ьлектроника", Ji F-4975.

13. Баранов A.B., Моругин G..1. Стабилизация уровня мощности СЕЧ сигнала в усилителях-ограничителях // Радиотехника к электроника. - 19S2. - Т. 37. - К - С. 6DS-705.

14. Баранов А.Е., Кренцин !.'.Б. "¿иниатюркзадия трансформаторов икпедансов кольцевого типа // Изв. вузоБ. Сер. Радиоэлектро ника. - 1S90. - К- 9. - С. 50,81.

15. Баранов A.B., Кревский fci.A. Уменьшение амплитудных флук туаппй СБЧ генераторов // Электронная техника. Сер. 1, Электроника СВЧ. - 19&7. - Вып. 4(398'). - С. 17-20.

16. Баранов A.B., Глуховский Г.И., Кревский М.А. и др. ПАВ генератор с малье;.! уровнем фазового шума на основе усилителя-ограничителя // Тезисы докладов и сообщений школы-семинара "Устройства акустоэлектронккк". - М. - 1SS6. - С. 50.

17. Кренцин М.В., Баранов A.B., Кревский М.А. Генератор сантиметрового диапазона длин волн на основе ПАВ-резонатора // Тезисы докладов межотраслевых научных конференций, совещаний, семинаров. Канев. - К.: ВШ1. - 1S&S. - Ч. 2. - С. 98-100.

16. Кревский М.А., Баранов A.B., Кренцин М.В. Уменьшение фазовых флуктуаций СБЧ генераторов // Тезисы докладов межотраслевых научных конференций, совещаний, семинаров. Канев. - М.: KAM. - 19L9. - Ч. 2. - С. 15-17.

19. Кренцин М.В., Баранов A.B., Кревский М.А. Минимизация фазовых флуктуаций СВЧ генераторов за счет уменьшения их неизохронности // Тезисы доклгдов XII Всесоюзной кокф. по твердотельной электронике СЬЧ. - Киев. - 1990. - С. 265.

20. Баранов А.Б., Кревский U.A.. ,?.:иккик И.Г., Сандлер К.С. ¿гзовке Злуктуглии СЬЧ генераторов с различны?.:»; фазоакглитуднк-v:: х а г а к т е т,; ■ с т к ачтп ытшны?: г-лементов // Г 1991.

- 3. — С. 1о-1Ь.