автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Повышение эффективности мощных вещательных и связных передатчиков с однополосной и амплитудной модуляцией на основе использования ключевых анодных модуляторов и регуляторов

электротехнический институт свя:

Г) г- с л п им. проф. /Л. А. БОНЧ-БРУЕВИЧА +4-9-и-Н---

( tL.il

На правах рукописи У ЦК 621.375 : 621.396.61

ТКАЧ ЕН КО Дмитрий Александрович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МОЩНЫХ ВЕЩАТЕЛЬНЫХ И СВЯЗНЫХ ПЕРЕДАТЧИКОВ

С ОДНОПОЛОСНОЙ И АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КЛЮЧЕВЫХ АНОДНЫХ МОДУЛЯТОРОВ И РЕГУЛЯТОРОВ

Специальность 03.12.17 — Радиотехнические и телевизионные системы и устройства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

санкт-петербург

1993

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном техническом университете.

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор, лауреат Государственной премии И. А. ЦИКИН.

Официальные оппоненты: — доктор технических наук, профессор

В. Ф. ДЛШТРИКОВ; кандидат технических наук, старший научный сотрудник Л. Г. ВАСЮТИН.

Ведущее предприятие указано в решении специализированного совета.

^/Дащита состоится 1993 г. в

т". ¿К'час на заседании специализированного совета К118.01.01 Электротехнического института связи им. проф. М. А. Бонч-Бруе-вича по адресу: 191065, С.-Петербург, наб. р. Мойки, д. 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета,

Автореферат разослан « 6 сМ^/?<-£ 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета к. т. п., доценг

В. X. ХАРИТОНОВ

Подписано к печати 18.06.93 г. Объем 1 п. л. Тираж 60 экз. Заказ 469. Бесплатно.

Ротапринт тип. ЭИС. 198320, С.-Петербург, ул. Свободы, 31.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Использование ключевых анод-сых ыодуляторов позволяет не только существенно повысить энергети-юскую эффективность мощных радиопередатчиков ДВ, СВ и КВ диапазо-юв, но также уменьшить массогабаритные показатели передатчиков, по-исить их надежность (при реализации ключевых модуляторов на полупро-юдниковых приборах) и обеспечить возможность перевода вещательных [ередатчиков в ¿днопЬлосный (ОБП) режим с остатком несущей /?3£ в юответствии с решениями Всемирной административной конференции по )адиосвязи и радиовещанию. Переход на однополосное вещание предпола-■авт использование тех или иных методов высокоэффективного усиления юцности ОБП колебаний, причем наиболее перспективным представляется грименение метода раздельного усиления составляющих однополосного :игнала (метода Кана), при реализации которого оконечный каскад ВЧ ■ракта работает в энергетически выгодном перенапряженном режиме. Кро-ге того, радиопередатчик с раздельным усилением может использоваться I в режиме традиционного АМ-вещания АЗЕ . Однако известные в нас-■оящее время методики не позволяют произвести оценку нелинейных искажений вещательных ОБП передатчиков с раздельным усилением при модулями гармоническим НЧ сигналом с произвольной глубиной модуляции, ког-;а на выходе передатчика присутствует двухтоновый сигнал (ДГС) с неодинаковыми по величине амплитудами тонов (роль одного из тонов игра->т сигнал несущей), что не дает возможности сформулировать достаточ-ю объективные требования к узлам передатчиков.

Известные методики расчета ключевых модуляторов на электронных [аыпах, опирающиеся на использование упрощенных математических моде-сей ламп, не позволяют в полной мере оценить искажения, обусловленные [аличием паразитных емкостей и нелинейностью статических характеристик ламп, а также не дают возможности произвести расчет режимов работы сеточных цепей, без которого невозможно эффективное использование [аш по мощности.

Ограниченное быстродействие существующих мощных полупроводнико-)ых приборов диктует необходимость поиска, возможностей снижения до Приемлемого уровня нелинейных искажений выходного сигнала радиорере-1атчиков с ключевыми модуляторами для анодной модуляции на полупро-юдниковых приборах. Использование грубого ступенчатого регулирова-гая напряжения анодного питания оконечных каскадов, работающих в ре-

- г -

жиме линейного усиления, также не является очевидным решением указанной проблемы, поскольку в этом случае происходит рост нелинейных искажений выходного сигнала из-за ненулевой проницаемости ламп.

Общим недостатком существующих радиопередатчиков с ключевыми анодными модуляторами является повышенный (по сравнению с традиционными передатчиками) уровень нелинейных искажений. Таким образом, задача одновременного повышения энергетической эффективности мощных радиопередатчиков в сочетании с обеспечением высоких качественных показателей в настоящее время не рзиена.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является улучшение качественных и энергетических характеристик мощных радаовещательных и связных передатчиков с ключевыми анодными модуляторами и регуляторами на основе совершенствования методик расчета и выбора режимов, учитывающих нелинейность статических характеристик мощных электровакуумных приборов', наличие паразитных междуэлектродных и монтажных емкостей, емкостей защитных цепей запираемых тиристоров, а также наличие выходных ФНЧ модуляторов.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

1. Выбор качественных показателей вещательных передатчиков в ОБП режиме и разработка методик расчета комбинационных искажений и уровней внеполоскых излучений на выходе передатчиков с раздельным усилением составляющих однополосного сигнала при произвольной глубине модуляции.

2. Исследование с помощью разработанных методик влияния основных факторов, порождающих нелинейные искажЕшя в передатчиках с раздельным усилением.

3. Разработка методик расчета ламповых ключевых модуляторов, учитывающих влияние паразитных емкостей и нелинейность статических характеристик ламп на основе тангенс-гиперболической аппроксимации. Анализ энергетических и качественных показателей радиовещательных передатчиков с ламповыми ключевыми модуляторами в режимах амплитудной

и однополосной модуляции. Разработка и совершенствование технических реыений, позволяющих уменьшить потери на сетках ламп и снизить уровень нелинейных искажений выходного сигнала. Разработка методики проектирования цепей экранирующих сеток тетродов, работающих в ключевом режиме.

4. Исследование процессов в радиопередатчике с импульсно-сту-пенчатым модулятором (ИСМ) при использовании для управления ключами алгоритма многоканальной ШИМ. Оценка энергетической эффективности ступенчатого регулирования напряжения анодного питания усилителя мощности однополосного сигнала с учетом нелинейности характеристик ламп. Разработка и совершенствование схемных решений, позволяющих снизить нелинейные искажения выходного сигнала,

5. Экспериментальное исследование различных вариантов ключевых анодных модуляторов и регуляторов.

Методы исследования. Для решения перечисленных выше задач были использованы методы теории линейных и нелинейных электрических цепей, методы спектрального анализа (ряды Фурье), методы математического моделирования, метод регрессионного анализа, метод статистических испытаний (метод Монте-Карло). Основные результаты работы подтверждены экспериментальными исследованиями на лабораторных и конструктивных макетах.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Получены аналитические выражения, позволяющие рассчитать амплитуды комбинационных нелинейных искажений на выходе радиовещательного передатчика с раздельным усилением составляющих однополосного сигнала при произвольной глубине модуляции.

2. Для различных значений глубины модуляции произведен анализ влияния на искажения выходного сигнала вещательного передатчика с раздельным усилением широкого круга факторов (АЧХ и ФЧХ реальных фильтров в канале огибающей в сочетании с искусственной задержкой сигнала в БЧ тракте и без нее, а также нелинейности статической модуляционной характеристики), что позволило сформулировать достаточно эбъективные требования к узлам передатчика.

3. Разработаны математические модели и методики расче.та ламповых модуляторов классов В и В3> , учитывающие нелинейность вольт-ам-зерных характеристик электронных ламп и диодов, паразитные междуэлектродные и монтажные емкости, а также параметры ФНЧ. Исследованы энергетические режимы сеточных цепей ламп ключевых модуляторов, а гакже проведен анализ влияния различных факторов на искажения, обус-ювленйые нелинейностью начального участка статической характеристики слючевых модуляторов.

4. Определены нелинейные искажения и внеполосные излучения ра-деопередатчика с ИСЫ при использовании для управления ключами алго-

ритма многоканальной НИМ.

5. Произведена оценка энергетической эффективности ступенчатого регулирования напряжения анодного питания усилителя мощности однополосных колебаний с учетом нелинейности характеристик электронных ламп.

Практическая ц.рннос'Гь диссертации заключается в следующем:

1. Предложены методики анализа нелинейных искажений и внеполос-ньк излучений вещательных передатчиков с раздельным усилением составляющих однополосного сигнала, пригодные для инженерного использования.

2. Сформулированы требования к необходимой полосе пропускания выходных фильтров ключевых модуляторов вещательных передатчиков с раздельным усилением, а также требования к допустимой величине разности задержек сигналов в НЧ и ВЧ трактах таких передатчиков.

3. Даны рекомендации по выбору допустимых с энергетической точки зрения режимов работы ламп в ключевых модуляторах: приведены соображения по выбору параметров закона регулирования напряжения на экранирующих сетках тетродов, предложена методика расчета величин гасящих сопротивлений.

4. Определена элементная база ламповых модуляторов класса 32) для различных представляющих практический интерес уровней мощности. Показано, что основные закономерности, а также предложенные методики расчета и выбора режимов работы ламп справедливы для всех рассмотренных уровней мощности, находящихся в пределах от 2 кВт до 2 МВт.

5. Определены требования к необходимой точности намотки вторичных обмоток многообмоточного сетевого трансформатора, входящего в состав ИСМ.

6. Даны рекомендации по выбору числа ступеней регулирования напряжения анодного питания мощных однополосных усилителей.

7. Предложен целый ряд новых технических решений (новизна которых подтверждена положительными решениями по заявкам на изобретения) позволяющих улучшить качественные показатели радиопередатчиков с ключевыми модуляторами на лампах и полупроводниковых приборах и уменьшить потери в,различных цепях ключевых модуляторов (потери в цепях экранирующих сеток тетродов, потери из-за перехода ламп в активный режим работы при малой длительности отпирающих импульсов, коммутационные потери).

Основные положения, выносимые.л а защиту.

1. Относительный уровень нелинейных искажений на выходе вещательного передатчика с раздельным усилением составляющих однополосного сигнала при некоторых значениях глубины модуляции, находящихся в окрестности ее критического значения, может существенно

Сна 15...20 дБ) превышать уровень,' определенный путем использования стандартного равноамплитудного двухтонового испытателыфго сигнала, который соответствует критической глубине модуляции.

2. Разработанная методика позволяет установить количественную зависимость между уровнем искажений в канале огибающей и уровнем искажений на выходе вещательного передатчика с раздельным усилением составляющих однополосного сигнала при произвольной глубине модуляции.

3. Разработанные методики расчета ламповых ключевых модуляторов и предложенные оригинальные технические решения дают возможность обеспечить энергетически эффективный режим работы усилительных приборов, позволяя в 2...4 раза повысить выходную мощность по сравнению с модуляторами, рассчитанными по известным упрощенным методикам, при сохранении высокого КПД и допустимой мощности потерь

на сетках, в результате чего использование ламп'по мощности, не уступает лучшим зарубежным образцам.

4. Качество сигнала на выходе вещательных передатчиков КВ диапазона в однополосном режиме с ослабленной несущей ЯЗЕ можно характеризовать теми же показателями, что используются в режиме обычной амплитудной модуляции АбЕ . Использование разработанных методик расчета, учитывающих нелинейность статических характеристик ламп и--паразитные междуэлектродные и монтажные емкости, позволяет снизить коэффициент гармоник выходного сигнала радиопередатчиков с ламповыми модуляторами класса 2) да приемлемой величины 3 %.

5. Одним из основных источников нелинейных искажений выходного сигнала радиопередатчика с ИСЯ, для управления ключами которого используется алгоритм многоканальной ШИМ, является нелинейность начального участка статической модуляционной характеристики, обуслов--ленная значительной длительностью процессов перезаряда емкостей защитных цепей запираемых тиристоров. Соответствующий выбор значений емкостей защитных цепей запираемых тиристоров позволяет обеспечить суммарный уровень указанных искажений в режиме АМ не более 3 % при

глубине модуляции до 90 %.

Реализация результатов работы. Основные результаты работы использованы Российским институтом мощного радиостроения и радиоцентром РЦ-11 (г.Красный Бор), что подтверждено актами о внедрении.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 4^ -ой научно-технической конференции НГОРЭС им.А.С.Попова (С.-Петербург, 1993), а также на научно-технических семинарах кафедры радиотехники СПбПУ и кафедры радио передаюащ устройств ЭИС им. М. А.Бонч-Бруешча•

Публикации. Материалы .работы отражены в 6 статьях, 2 депонированных рукописях и тезисах I доклада на научно-технической конференции. Имеется также 8 положительных решений по заявкам на изобретения.

•Вклад автора в разработку проблемы. Основиые научные положения, выводы и рекомендации получены автором самостоятельно.

Структура и объем диссертации. Работа состоит иа введения, пяти разделов, заключения* списка литературы и приложения. Основной текст диссертации содержит'144 машинописных страницы и 8 9 страниц иллюстраций (рисунков и таблиц). Список литературы содержит 123 наименования.

.содержание работы .

Во введении освещено состояние проблемы, обоснована актуальность ',:гыы, определены цели и задачи рабогы-.

В первом разделе осуществляется классификации ц производится сравнительный анализ основных схем мощных ключевых анодных модуляторов на электронных лампах и полупроводниковых приборах.

При переводе вещательных передатчиков с анодной модуляцией в ОБЕ режим более предпочтительным является использование метода раздельного усиления составляющих однополосного-сигнала, в то время как модернизацию существующих мощных связных передатчиков с линейным усиление! однополосного сигнала целесообразно осуществлять путем ступенчатого регулирования напряжения анодного питания с помощью регуляторов на полупроводниковых приборах. Существующие нормы пока практически не оговаривают критерии, характеризующие качество выходного сигнала ве-

щательных передатчиков в ОВП режиме, а известные методики расчета не позволяют оценить нелинейные искажения вещательных передатчиков с раздельным усилением при произвольной глубине модуляции.

С учетом необходимости перевода вещательных' передатчиков в ОБП режим можно считать перспективным использование однотактных ламповых модуляторов класса 3 с последовательной схемой, причем одной из наиболее простых в реализации схем таких модуляторов является классическая схема с заземленной нагрузкой. В то же время,когда речь идет о модернизации с целью повышения КПД существующего парка вещательных передатчиков, следует признать целесообразным использование двухтактных ламповых модуляторов класса ВР , поскольку объем необходимых конструктивных переделок в этом случае оказывается минимальным. Серьезным недостатком ламповых ключевых модуляторов является наличие паразитных междуэлектродных и конструктивных емкостей, влияние которых на уровень нелинейных искажений до настоящего времени исследовано недостаточно. Существующие методики расчета не дают тагяе возможности исследовать энергетические режимы сеточных цепей ламп-ключей.

Одним из наиболее удачных современных технических решений, позволяющих реализовать мощный анодный модулятор на полупроводниковых приборах, КЕЛяется ИСИ. Из известных алгоритмов управления кта«?.гл ИСМ определенным! преимуществами обладает использование алгоритма многоканальной МЫ, позволяющее повысить в Д/ раз "оффекмзнуп" частоту коммутанта (где N - число каналов ИСМ) и обеспечить равномерную загрузку по току вторичных обмоток многообмоточного сетевого трансформатора. Однако в этом случае необходимо произвести исследование влияния на искажения выходного сигнала процессов перезаряда защитных цепей запираемых тиристоров, а такхе неидентичности каналов ЛЖ.

В конце раздела формулируются конкретные задачи исследования.

Л о в т о р о м.. разделе произведен выбор качествнпкых показателей,вещательных передатчиков в ОБП режиме и разработаны методики их количественной оценки.

Наиболее естественным представляется использовать для характеристики качества выходного сигнала вещательных передатчиков в ОБП режиме те же показатели, что используются для характеристики других трактов звукового вещания. Тогда в качестве испытательного сигнала следует принять гармонический модулирующий сигнал с частотой и произвольной амплитудой, определяющей глубину модуляции т выход-

- е -

кого сигнала передатчика / , который в нормированном виде прх отсутствия искажений описывается формулой

где г 2 . уЗ"= / - для реанша с подавлением несущей относительно паковой ыощност* огибающей на 6 дБ (будем обозначать этот режкм как 6 дБ ОБП); } А% 3 - для 12 дБ ОШ; 0<М $ < , (¿¿-^+51, рм, ¿н ~ ««тот» несущей, причем^ <.<^. С учетом ве вникающее в передатчике искажений выхедней сигнал * а) мехио представать в следующей форме:

„ +/>Я) Ь + ч>? ] , (2)

ь • фц -

- амплитуда составляющей спектре с номером р ; т'р - ее фаза; }р и Ьр - коэффициенты при »синусоидальных и сянуеокдаль-чхенах ряда, соответствующего функции Ь),

Еели воспользоваться аналогией с нормами на свяэяые ОБП передатчики, то нужно контролировать уровни комбинападкт^с составляющих 3-го и 5-го порядков -2 ,-4, Я, 2> ) относительно составляю-

щей, соответствующей полеакему сигналу ; Ър » 20

Однако более полным критерием качества тракта вв.укового вещания является коэффициент гармоник, который в предположении отсутствия искажений при излучения, распространенна н приеме редковолн можно вычислить по формуле:

где индекс означает модулирующую частоту ^ (Гц), при кото -

рой намеряется коэффициент гармоник; ртдх Ыа/1м)~ Ч2СЕ0 комбинационных составляющих в пределах кепавьзусаой Сверлней) боковой полосы; ¿пЦХ) - целая часть вещественного числа X , 4500 Гц, - верхняя граница полосы модулирующих частот. Анализ искажений на выгоде радиопередатчика с раздельным уеклс-наем сооавляспз« ОБП сигнала проведен в предположении идеальности ВЧ тракта передатчика. В ©том случае входядов в (3) коэффициенты

- 9 -

и kp можно найти по формулам:

V *

+ 0;%, Q +a*.Sl4//>/ -¿С/,,, ^ J ,

(6)

Л-

где и Ofc - коэффициенты Фурье огибающей амплитуд сигнала

(I) на выходе канала усиления огибающей, определенные с учетом искажений в модуляторе, С'j и S^ - вспомогательные коэффициенты, характеризующие модулированное по фазе ВЧ заполнение сигнала (I): Т

, ^ J (cos*!.) cos

0 (p,«m)2+2p?m cps<A S Fsin<A ¿intyM ofd

^ $ о \[/+ (¡b"m)i4-2coscL

Верхний предел суммирования в бесконечных рядах, входящих в соотношения (5), был заменен конечным числом l-max = 30 . Показано, что возникающая при этом методическая погрешность пренебрежимо мала по сравнению с реальным уровнем вычисляемых комбинационных искажений.

Разработанная методика расчета спектральных составляющих позволяет также вычислять АЧХ передатчиков с раздельным усилением и определять уровни внеполосных излучений при гармоническом испытать льном сигнале.

Для различных значений глубины модуляции (УЬ произведен анализ влияния на качественные показатели вещательных ОБП передатчиков с раздельным усилением ограниченности полосы пропускания канала усиления огибающей, относительного фазового сдвига сигналов в НЧ и ВЧ

трактах, а также реального выходного ШЧ ключевого модулятора в сочетании с искусственной задержкой сигнала в ВЧ . тракте и без нее, 'причем в качестве конкретного примера рассмотрен ФНЧ Баттерворта 2-го порядка. Установлено, что частота среза выходного ФНЧ ключевого модулятора должна быть не менее 15...20 кГц, а допустимое значение разности временных задержек в НЧ и ВЧ трактах составляет около 2 мкс. Показано, что в частном случае, при критической глубине модуляции

(7)

результаты расчетов по разработанной методике совпадают с результатами, полученными на основе многократно провере*;ных известных методик. В то »vie время относительный уровень нелинейных искажений для некоторых значений (П , находящихся в окрестности М/ср » может существенно (на 15...20 дБ) превосходить уровень, определенный с помощью стандартного Д1С с равными амплитудами тонов. Таким образом, предложенная методика расчета позволяет сформулировать более жесткие и более объективные требования к узлам передатчиков.

В третьем разделе разработаны математические модели и методики расчета энергетических и качественных, показателей ламповых модуляторов классов D и 3D , учитывающие нелинейность ВАХ электронных ламп и полупроводниковых диодов, паразитные междуэлектродные и монтажные емкости, а также наличие. выходных ШЧ модуляторов.

Эквивалентная схема классического модулятора класса 2) с заземленной нагрузксй описывается следующей системой нелинейных дифференциальных уравнений:

QPu, -la 'I^A^a' IQ-ЬТ« ],

jy

Q fa №-<p-Id-12)+(cf +cz)R,(Ecf vc1)- (8 )

с<р

~ $2. $1-9 ^Ср) »

где - и о ¡еа, ус^-ца! ест, Ус<р -цсе/еа, норми-

рованные напряжения; ТсР -¿м+£н/£а /?н¡Е0,1д = ¡э¡Ее» ,

I~ нормированные токи; ~ нормированное

время, 7/с- ~ пер%дх<01лмутации, £а - напряжение анодного

питания, - сопротивление нагрузки модулятора;

П-1* - • П . О - 'к . Р - .

(-£кЧ £ <р ^и ка

- с/сз +г> > г ~ с* +г >сг-

сса к с<* Сск г Ссе) + сск

£<зк ,Сса с к ~ междуэлектродные емкости лампы-ключа, 0<з - ■ - монтажная емкость катод-земля, Л<р и Ср - параметры £НЧ, йСу и €С1 - выходное сопротивление и выходное напряжение предварительного усилителя, имеющее вид ШМ-импульсов.

Для определения значений анодного 0 , сеточного (*с1 и тока через цепочку полупроводниковых диодов Iу используются нелинейные математические модели ламп и диодов, позволяющие по мгновенным значениям напряжений на электродах определять токи электродов. Эквивалентная схема плеча двухтактного модулятора класса ВТ> описывается аналогичной системой дифференциальных уравнений.

С учетом условия « процессы в модуляторах можно полагать квазистационарными, а зависимости средних за. период коммутации шачений мощностей и напряжений от относительной длительности отпирающих импульсов ^ , определенные в процессе интегрирования дифференциальных уравнений (X ), можно рассматривать как статичеилие сарактеристики модуляторов. Полученные в виде массивов точек стати-деские характерисчйки аппроксимируются нормальными кубическим ¡плайнаш и затем, с учетом закона изменения модулирующего НЧ нап-зязкения, в зависимости от глубины модуляции № и режима работы 1утем численного интегрирования вычисляются средние за период моду-

ляции мощности, & также спектральные характеристики выходного сигнала передатчиков.-

На основе соответствующего. анализа ¿заявлено, что снижение средней мощности потерь на экранирующих сетках тетродов в ключевом режиме возможно путем фиксации анодного напряжения в отпертом состоянии (при этом к аноду лампы-ключа через диод подключается положительная шина дополнительного источника напряжения), а также путём регулирования напряжения на экранирующих сетках в соответствии с мгновенным значением модулирующего НЧ сигнала. Установлено, что снижение указанных потерь может быть достигнуто и путем соответствующего регулирования амплитуда отпирающих импульсов на управляющих сетках тетродов. Показано также, что эффективное снижение потерь на экранирующих' сетках тетродов, используемых в ключевых модуляторах, может.быть достигнуто путем последовательного, включения в цепи питания экранирующих сеток гасящих резисторов.

Разработанные рекомендации по выбору параметров закона регулирования напряжения на экранирующих сетках и предложенная методика расчета величин гасящих сопротивлений позволят в 2...4 ваза повысить выгодную мощность модуляторов по сравнению со сличаем питания цепи экранной сетки непосредственно от источника постоянного напряжения при ссхрангмгди высокого КПД и допустимой мощности потерь на сеткгх, благодаря чему использование ламп по мощности не будет уступать лучшим зарубежном образцам.

Установлено, что модуляторы класса для вещательных пере-

датчиков различных, рредставляющих практический интерес, уровней мощности (ох 100 кВт до 2 МВт) могут быть реализованы на тетродах типа ГУ-61, ГУ-53, ГУ-94, 1У-Ю4 и ГУ-99. Показано, что основные закономерности справедливы для всех рассмотрентк уровней мощности.

Произведен анализ искажений, обусловленных нелинейностью начального участка статической характеристики ключевого усилителя. Показано, что искажения в классической схеме лампового модулятора класса .

B-D при малых глубинах модуляции достигают недопустимой величины 12...16 %. Установлено, что в классической схеме модулятора классаJ) с заземленной нагрузкой искажения рассматриваемого типа могут быть снижены до приемлемой величины не более 3 % путем уменьшения паразитной емкости катод-зешя. На примере модулятора класса BJ> показано, что указанные искажения снижаются при уменьшении частоты коммутации

, следовательно, можно ожидать положительный эффект от использования регулирования ~fk в соответствии со спектральным составом модулирующего сигнала. Установлено, что в случав использования регулирования амплитуды отпирающих импульсов на управляющих сетках коэффициент гармоник радиопередатчика с модулятором класса D может быть уменьшен до 3 % при любой глубине модуляции.

В целях компенсации нелинейности начального участка етатичеекой характеристики при сохранении высокого КПД предложены новые технические решения, сущность которых заключается во включении в выход -ную цепь модулятора дополнительного источника постоянного напряже -ния, который через гальваническую развязку, реализован:цтэ с помощью ключевого преобразователя напряжения, импульсного трансформатора и выпрямителя, питает нити назала ламп передатчика (благодаря чему производится рекуперация лишней энергии иа выходной цепи модулято -ра) , а также во включении в выходную цепь модулятора дополнительного ключевого усилителя, усиливающего сигнал ешибки и соответствуюпзш образом реализующего "связь вперед".

Четвертый раздел посвлщон исследованию радиоле -09датчиков с модуляторами и регуляторами на полупроводниковых при -борах.

Показлно. что при использогании для упр5.влг:кя гльч&ак I1CÄ алгоритма многоканальной ШИМ основной причиной искажения статической модуляционной характеристики являются процессы перезаряда емкостей защитных цепей запираемых тиристоров. Получено аналитическое выражение для статической характеристики HCl. Результаты вычисления иска -яений по указанной характеристике с учетом параметров существующих тиристоров свидетельствуют, что коэффициент гармоник достигает недопустимей величины (более 3 %) в Ail режиме при глубине модуляции свыше 90 %, а также в режим» 12 дБ OKI. Для снижен«я кскагз1з»Я приложено еоответстгующим образом использовать "связь впзрод" с пснещыз дополнительного ключевого усилителя, включенного в выходную цзпь модулятора. Разброс амплитуд выходных напряжений каналов Ш1 приводит к появлению на выходе ИСИ составляющих с частот«.™, кргтыта частоте коммутации ключей в каналах. Произведен расчет вогккяагщлх по этой причине внеполосннх излучений как для "наихудпзго" с гоихн зрения внзполескых излучения случая, так и на основе использования метода статистических испытаний. Устгшсгвэено. что максимальные относи

гельные отклонения амплитуд не должны превышать 0,5 %.

При оценке возможности повышения КПД связного ОБП передатчика, работающего в режиме усиления модулированных колебаний, путем ступенчатого регулирования напряжения анодного питания БАХ мощной лампы оконечного каскада аппроксимировалась линейной характеристикой с квадратичным начальным участком. Установлено, что уже для числа ступеней

средний КПД" при усилении стандартного ДГС увеличивается примерно в 1,25 раза, относительно своего значения при нерегулируемом питании. Вместе с тем увеличение А/ более 20...30 с точки зрения повышения КПД малоэффективно

Пятый раздел посвящен экспериментальным исследованиям.

Целью экспериментальных исследований является сопоставление экспериментально измеренных значений энергетических и качественных показателей мощных макетов ключевых модуляторов с результатами теоретического анализа, а также экспериментальная оценка возможности повышения КПД ламповых усилителей ОБП сигнала путем ступенчатого регулирования напряжения анодного питания.

Результаты экспериментального исследования макетов лампового модулятора класса 2> и ИСМ с пиковыми выходными мощностями около 5 .кВт и-около 20 кВт соответственно свидетельствуют о возможности практического использования разработанных методик расчета энергети* ческих и качественных показателей подобных модуляторов. Предложены технические решения, позволяющие снизить специфические нелинейные искажения выходного сигнала усилителя со ступенчатым регулированием напряжения питания путем последовательного включения в выходную цепь ступенчатого регулятора напряжения дополнительного неуправляемого выпрямителя, а также путем противофазного ступенчатого регулирования напряжения на экранирующей сетке лампы усилителя. Экспериментально показано, что.использование предложенных технических решений в сочетании с балансной 00С по огибающей амплитуд ОБП сигнала позволяет обеспечить уровень комбинационных искажений на выходе относительно маломощного ВЧ усилителя не хуже -40 дБ, при этом величина энергетического выигрыша совпадает с ранее полученными теоретическими результатами.

- 15 -

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана методика расчета комбинационных искажений на выходе вещательного передатчика с раздельным усилением -составляющих однополосного сигнала, позволяющая определить искажения при произвольной глубине модуляции. Установлено, что частота среза выходного 35НЧ ключевого модулятора должно быть не менее 15...20 кГц, а допустимое значение разности временных задержек в НЧ и ВЧ трактах составляет около 2 икс. Показано, что относительный уровень нелинейных исяавений при некоторых значениях глубины модуляции, находящихся в окрестности ее критического значения, монет существенно (на 15...20 дБ) превосходить уровень, определенный с помощью стандартного испытательного ДТС с равными амплитудами тонов.

2. Разработаны математические модели и методики расчета ламповых модуляторов классов I) и 62) , учитывающие нелинейность Е4Х электронны™ ламп и диодов, паразитные кеэдузлектродные и монтажные емкости, а также параметры ЕНЧ. С помощью указанных моделей проведено исследование энергетических и качественных показателей радиопередатчиков с ламповыми ключевыми модуляторами в ОШ и Ш решие« для различных представлшзнх практпзсккй интерес уровней мсодости, находящихся в пределах от 2 кВт до 2 Шт. Проведенное исследование позволяло предяопггь ковав гехкшэснгсо решения, которые дают йоэмоа-ность существенно снизить средкш мощность потерь на экранирующих сеткаг тетродов в клвчэеои рехкмз, а такке уменьшить уровень нелинейных искажьнкй. Показано, что при использовании модулятора класса X) коэффициент гармония выходного сигнала иожэт быть снижен до приемлемой величины 3 % для всех значений глубины модуляции. Применение предложенных схемотехнических и режимных мер позволит в 2...4 раза позысить выходную мощность модуляторов при сохранении высокого КПД

и допустимой иосшсти потерь на сетках, благодаря чеку использование ламп по мощности не будет уступать лучшим зарубежным обрасцам.

3. Установлено, что при использовании для управления ключами 1?а алгоритма многоканальной ШШ одним из основных источников искажений является нелинейность начального участка статической модуляционной характеристики, обусловленная значительной длительностью процессов перезаряда емкостей защитных цепей запираемых тиристоров, Для снижения искажений предложено в модуляторе соответствующим образом использовать "связь вперед". Проведено исследование влияния разброса мплитуд выходных напряжений каналов ПСЫ на внеполосные излучения

передатчика, на основе которого установлено, что величина разброса амплитуд не должна быть больше 0,5 %.

4. Показано, что использование ступенчатого регулирования напря-вения анодного питания позволяет уменьшить потребляемую однополосным усилителем мощность примерю на 20 % при усилении стандартного ДГС и в 2...2,5 раза при усилении гармонического напряжения с амплитудой, определяемой пик-фактором реального ОБП сигнала. Предложены технические решения, позволяющие снизить специфические нелинейные искажения выходного сигнала таких усилителей. Экспериментально установлено, что применение предложенных технических решений в сочетании с ООО дает возможность в указанном случае уверенно обеспечить уровень комбинационных искажений на выходе относительно маломощного ВЧ усилителя не хуже - 40 дБ.

5. Экспериментальные исследования макетов лампового модулятора класса Ъ и ИСИ с паковыми выходными мощностями около 5 кВт и около 20 кВт соответственно подтвердили правильность полученных в работе теоретических результатов.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Д.А.Ткаченхо. Качественные показатели радиовещательных передатчиков в однополосном режиме//{двестия вузов. Радиоэлектроника. -1992. -Т.35. -» II. -С.31-37.

2. Д.А.Ткаченхо, В.Г.Токыаков, Т.Г.Хвиливицкий, С.С.Чернов. Влияние разброса напряжений импульсно-ступенчатого модулятора на внепо-лосные излучения радиопередатчика/УИзвестия вузов. Радиоэлектроника. -1991. -Т.34. II. -С.80-84.

3. Д.А.Ткаченхо, В.Г.Тохмысов, Ы.А.Уткин, Т.Г.Хвиливицкий. Оценка энергетических и качественных показателей мощных модуляторов класса В>Ь //Электросвязь. -1993. -» 2. -С.31-33.

4. Д.А.Ткаченко, В.Г.Токмаков, Т.Г.Хвиливицкий, С.С.Чернов. Оценка уровня нелинейных искажений передатчика с импуяьсно-ступенча-тым модулятором//Элекгросвязь. -1993. -9 3. -С.19-21.

5. Д.Л.Тамм, Д.А.Ткаченко, А.А.Шипицын. Повышение КВД однополосных усилителей путем ступенчатого регулирования напряжения питания// Известия вузов. Радиоэлектроника. -1991. -Т.34. 8.-С.81-84,

6. Д.Л.Тамм, Д.А.Ткаченко, А.АЛипицын. Усилитель однополосного сигнала со ступенчатым регулированием напряжения анодного пита-ния//Электросвязь. -1992. I. -С.39.

7. Д.А.Ткаченко, С.С.Чернов. Оценка искажений радиопередатчика

с многоканальным ШИМ-модулятором с учетом переменной длительности выключения тиристоров/СПбГТУ. — С.-Петербург, 1992.— Дел. в НИИЭИР. — Л» 3 — ВУ.40. — 16 с.

8. Д. Л. Ткаченко. Виеполосные излучения вещательных передатчиков с раздельным усилением составляющих одкополоского сигнала и методы их оценки/СПбГТУ. — С.-Петербург, 1992. — Деп. в НИИЭИР, —№ 3 — 8939, — 16 с.

9. Д, А. Ткаченко. Методика анализа искажений на выходе вещательного передатчика в однополосном режиме// 48-я научно-

техническая конференция НТОРЭС им. А. С. Попова. Апрель 1993 г.: Тез. докл. —С.-Пегербург, 1993,— С. 69—70.

10. Усилитель класса £) на тетроде/Д. А. Ткаченко. — Положительное решение по заявке на изобретение N° 4953605/09 от 18.09.92.

11. Радиопередатчик с широтно-импульсным модулятором/Д. А. Ткаченко. — Положительное решение по заявке на изобретение № 4949748/09 от 29.06.92

12. Ключевой усилитель с формирователем ступенчатого напряжения/Д. А. Ткаченко. — Положительное решение по заявке на изобретение № 4944305/09 от 28.05.92.

13. Многоканальный ключевой усилитель/ Д. А. Ткаченко. — Положительное решение по заявке на изобретение № 4944225/09 от 28.05, .92.

14. Усилитель класса О на тетроде/Д. А. Ткаченко, В. Г. Токмаков. — Положительное решение по заявке на изобретение № 4953737/09 от 18.09.92.

15. Радиопередатчик с двухтактным модулятором/Д. А. Ткаченко, В. Г. Токмаков. — Положительное решение по заявке на изобретение № 4953507/09 от 17.08.92.

16. Мощны» ключевой усилитель/ Д. Л. Тамм, Д. А. Ткаченко, А. А. Шипнцын. — Положительное решение по заявке на изобретение № 4948596/03 от 28.05.92.

17. Радиопередатчик амплптудно-модулнрованных сигнчло"/ Д. Л. Тамм, Д. А. Ткаченко, А. А. Шипицын. — Полс^ительнс; рс шение по заявке на изобретение № 4944306/09 от 27.05.92.