автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Разработка и исследование методов анализа и автоматической компенсации интермодуляционных колебаний в усилителях мощности ЧМ сигналов

На правах рукописи

ЖИГАНОВА ЕЛЕНА АЛЕКСАНДРОВНА

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ АНАЛИЗА И АВТОМАТИЧЕСКОЙ КОМПЕНСАЦИИ ИНТЕРМОДУЛЯЦИОННЫХ КОЛЕБАНИЙ В УСИЛИТЕЛЯХ МОЩНОСТИ ЧМ СИГНАЛОВ

05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства радионавигации, радиолокации и телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир 2003

Работа выполнена на кафедре радиотехники Муромского института Владимирского государственного университета

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

В.В. Ромашов

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

лауреат государственной премии СССР В.Н. Кулешов

кандидат технических наук, доцент H.A. Полу шин

Ведущая организация: Владимирское КБ «Радиосвязь»

Защита диссертации состоится «31» октября 2003 года в 14 часов на заседании совета Д 212.025.04 Владимирского государственного университета по адресу: 600000, Владимир, ул. Горького, 87, ВлГУ.

Автореферат разослан «22» сентября 2003 года.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 600000, Владимир, ул. Горького, 87, ВлГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВлГУ. Ученый секретарь совета

доктор технических наук, профессор А.Г. Самойлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Интенсивное использование различного рода радиоэлектронных устройств в различных сферах человеческой деятельности приводит к ухудшению электромагнитной обстановки. Основной задачей при обеспечении электромагнитной совместимости является обеспечение минимального уровня побочного излучения, так как оно влияет на работу близкорасположенных по частоте и местоположению радиосистем. Однако характеристики усилительных приборов нелинейны, поэтому усиление сигнала происходит с искажениями, что приводит к появлению побочных составляющих в выходном сигнале: гармоник, субгармоник, комбинационных, интермодуляционных, паразитных. Все эти колебания подавляются в необходимой степени фильтрующими устройствами на выходе радиопередающего тракта.

Однако наибольшую опасность из них представляют интермодуляционные колебания (ИМК), которые могут быть не только побочными, но и внутриполосными. Такие ИМК занимают относительно небольшие полосы частот, и могут быть достаточно близкими по частоте к частотам основного излучения и попадать в полосу усиления сигнала. Поэтому их устранение в выходном сигнале радиоустройства оказывается затруднительным.

К внутриполосным ИМК относятся нечетные разностные порядки интермодуляции с частотами: 2сога>г, 2й>Г01\ - третий порядок ИМК (ИМК-3), 3®1-2й>ь Зй>2-2&>| - пятый порядок ИМК (ИМК-5), 4й)гЗ<Уг, Ао^-Ът^ - седьмой порядок ИМК (ИМК-7) и т.д. Здесь 0[Ийг-частоты сигналов, воздействующих на нелинейные элементы РПдУ.

Допустимый уровень интермодуляционного излучения связных радиопередающих устройств (РПдУ) регламентируется стандартами. Так для радиостанций с угловой модуляцией сухопутной подвижной службы требуется обеспечить уровень ИМК минус 63..70 дБ, а для передатчиков магистральной радиосвязи - не более минус 80 дБ.

При анализе интермодуляции наибольшее внимание уделяется колебаниям третьего порядка (ИМК-3), поскольку они имеют большой уровень и близко расположены к частоте основного излучения. В широкополосных радиопередающих трактах опасны составляющие второго (ИМК-2), а также пятого и более высоких порядков (ИМК-5, ИМК-7 и т.д.).

Среди методов анализа спектральных составляющих основными являются временной метод, метод функциональных рядов и гармонический метод. Недостаток временного метода состоит в том, что возникают трудности со спектральным анализом сложного колебания на выходе нелинейного радиоустройства, недостатком метода функциональных рядов является резкое усложнение всех расчетов по мере увеличения порядка рассчитываемого

ядра, плохая сходимость ряда при возрастании степени нелинейности цепи или при увеличении входного воздействия.

При расчете спектральных составляющих наиболее эффективным является гармонический метод, который позволяет быстро и точно с применением ЭВМ осуществить спектральный анализ выходного сигнала нелинейного элемента при воздействии на него полигармонического сигнала. Однако он позволяет проводить полный расчет всех спектральных составляющих, включая и гармоники воздействующих частот.

Метод анализа, который бы позволил произвести спектральный анализ выходного сигнала нелинейного устройства как узкополосного процесса и записать в аналитическом виде выражение, содержащее информацию только о первой гармонике основного сигнала и интермодуляционных колебаниях нечетных порядков разностных частот, отсутствует.

Методам уменьшения интермодуляционных колебаний посвящено множество теоретических и экспериментальных исследований. Большой вклад в разработку таких методов внесли Хотунцев Ю.Л., Завражнов Ю.В., Громов М.В., Бурков И.А., Трухин H.A. и др. Фундаментальные обзоры работ в этой области сделаны Хотунцевым Ю.Л., Громовым М.В., Аблином А.Н., Могилевской Л.Я. и др. Выбор конкретного метода уменьшения ИМК в передающих устройствах различных диапазонов волн и его эффективность зависит от многих факторов: структуры устройства, его назначения, рабочего диапазона частот, причины возникновения интермодуляции, норм на уровень ИМК и др.

Наиболее универсальными методами являются фильтрация и развязка, выбор режима работы и типа активного элемента, оптимизация нагрузки и выбор вида согласования. Однако основными являются схемотехнические методы, так как введение специальных устройств обеспечивает работу на более линейных участках характеристик нелинейных элементов и уменьшает амплитуду колебаний, и, следовательно, уменьшает уровни продуктов интермодуляции.

Выбор какого-то конкретного способа уменьшения интермодуляционных колебаний из указанных выше является затруднительным, так как при этом следует учитывать природу возникновения интермодуляции и уровень ИМК, изменяющийся случайным образом.

В современных широкополосных системах радиосвязи широко используется мостовая схема сложения мощности, в которой за счет подбора фазовых сдвигов мостовых делителя и сумматора происходит уменьшение уровня или подавление интермодуляционных колебаний некоторых порядков, а также гармоник. В квадратурном усилителе мощности (фазовый сдвиг сигналов в плечах равен 90°) при полной симметрии схемы и воздействии помехового сигнала на излучающую антенну теоретически возможно подавление четных гармоник и третьего и пятого порядков интермодуляции

- ИМК-3 и ИМК-5. Однако уровни остальных комбинационных составляющих, в том числе и ижермодуляционных, не удовлетворяют нормам на побочное излучение.

Эффективным методом уменьшения амплитудно-фазовых искажений является метод автоматической компенсации. Однако отсутствует анализ устройств с автокомпенсацией, применяемых для уменьшения интермодуляционных колебаний.

Целью диссертационного исследования является разработка метода анализа интермодуляционных колебаний и исследование возможности уменьшения интермодуляционных колебаний в усилителях мощности радиосигналов методами автоматической компенсации.

Исходя из цели работы, задачами исследования являются:

1. Обоснование представления сигнала с интермодуляционными колебаниями как сигнала с амплитудно-фазовыми искажениями и построение его математической модели.

2. Разработка метода анализа прохождения сигнала с интермодуляционными колебаниями, представленного в виде сигнала с амплитудно-фазовыми искажениями через нелинейный элемент.

3. Анализ структурных схем квадратурного усилителя мощности с автокомпенсацией амплитудно-фазовыми искажениями и определение возможностей их применения для автокомпенсации интермодуляционных колебаний.

4. Вывод уравнения квадратурного усилителя с автокомпенсацией интермодуляционных колебаний, которое описывало бы его работу в нелинейном режиме при воздействии помеховых сигналов и позволяло бы провести расчет уровней ИМК и степень их компенсации.

5. Анализ работы усилителя с автокомпенсацией интермодуляционных колебаний при различных параметрах схемы и воздействующих сигналов.

6. Оценка соответствия полученных теоретических результатов реальным устройствам методами математического моделирования и экспериментального исследования.

Методы исследования. При проведении исследований в диссертационной работе использовались методы комплексной огибающей, теории спектрального анализа, численных методов и математического моделирования, а именно: методы аппроксимации зависимостей, аппарат рядов Фурье и функции Бесселя. Анализ полученных решений проводился с использованием методов вычислительной математики и математического моделирования на ЭВМ.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые

* предложено рассматривать сигнал с интермодуляционными колебаниями как сигнал с амплитудно-фазовыми искажениями,

■ предложен вид аппроксимации нелинейных характеристик;

■ предложен метод анализа сигнала с интермодуляционными колебаниями в узкой полосе частот относительно основно! о колебания,

■ предложено использовать квадратурный усилитель мощности с автокомпенсацией амплитудно-фазовых искажений для снижения интермодуляционных колебаний,

■ получены выражения для вычисления уровней отдельных нечетных разностных порядков ИМК в выходном сигнале одиночного и квадратурного усилителей при воздействии бигармонического сигнала,

■ получено нелинейное уравнение для квадратурного усилителя мощности радиосигналов с автокомпенсацией интермодуляционных колебаний,

■ теоретически исследован квадратурный усилитель ЧМ сигналов с автокомпенсацией интермодуляционных колебаний,

■ разработаны методики расчета интермодуляционных колебаний в выходном сигнале усилителя мощности при различных параметрах входных сигналов.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

• предложенная полиэкспоненциальная аппроксимация с положительными показателями степени позволяет уменьшить среднеквадратическую ошибку в 1,5...4 раза по сравнению с другими аппроксимациями,

• разработанный метод анализа сигнала с интермодуляционными колебаниями в узкой полосе частот относительно основного сигнала позволяет получи гь аналитическое выражение для выходного сигнала нелинейного безинерционного устройства при произвольном входном воздействии,

• полученные выражения для вычисления уровней спектральных составляющих каждой ИМК дает возможность рассчитать значение уровня отдельной интермодуляционной составляющей без расчета всего спектра основной гармоники,

• разработанный квадратурный усилитель мощности ЧМ сигналов с автокомпенсацией интермодуляционных колебаний позволяет снизить уровни интермодуляционных колебаний некоторых порядков на 30 дБ и более в зависимости от порядка ИМК,

• разработанные методики расчета коэффициентов аппроксимации и интермодуляционных колебаний квадратурного усилителя мощности ЧМ сигналов с автокомпенсацией интермодуляционных колебаний позволяют снизить время расчета и упростить математическое моделирование устройства.

Основные результаты и научные положения, выносимые на защиту:

1. математическая модель сигнала с интермодуляционными колебаниями как сигнала с амплитудно-фазовыми искажениями,

2. аппроксимация нелинейных характеристик в виде экспоненциального полинома с положительными знаками показателей степени,

3. метод анализа выходного сигнала с интермодуляционными колебаниями нелинейного устройства в узкой полосе частот относительно основного сигнала,

4. применение квадратурного усилителя мощности с автокомпенсацией амплитудно-фазовыми искажениями для уменьшения интермодуляционных колебаний и результаты анализа квадратурного усилителя с автокомпенсацией интермодуляционных колебаний.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и семинарах:

1. VI-VII Международные научно-технические конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2000-2001 г.г.).

2. Международные молодежные научные конференции «XXVI-XXVII Гагаринские чтения» (Москва, 2000-2001).

3. Конференции Муромского института Владимирского государственного университета и научные семинары кафедры радиотехники МИ ВлГУ (2000-2003 г.г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, включая 8 статей, 7 тезисов докладов.

Результаты внедрения. Результаты и методики расчета интермодуляционных искажений внедрены в промышленности на заводе радиоизмерительных приборов (г. Муром). Методы анализа квадратурных усилителей мощности и методики расчета внедрены в учебном процессе в Муромском институте ВлГУ.

Исследования и практические разработки по теме диссертации были использованы при выполнении хоздоговорной (с Муромским заводом радиоизмерительных приборов), госбюджетных НИР:

- «Исследование методов улучшения тактико-технических характеристик обзорной маловысотной РЛС за счет снижения УБЛ, стабилизации энергетического потенциала и автоматической компенсации помех» (2002 -03 г., №2817/02);

- «Исследование и разработка методов и аппаратуры обработки сигналов» (1999-2002 гг., № гос. рег. 01910036569);

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Общий объем работы составляв 158 страницы машинописного текста, включая 60 рисунков, 27 таблиц. Библиография содержит 76 наименований, в том числе 15 работ автора. В приложении документы, подтверждающие внедрение результатов работы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика работы, обоснована актуальность темы, определены цель, задачи исследования, научная новизна и практическая значимость результатов работы, представлена структура диссертации.

В первой главе проведен обзор литературы по причинам возникновения интермодуляционных колебаний и методам их уменьшения.

Показано, что в полосу частот основного сигнала попадают лишь нечетные разностные порядки интермодуляционных колебаний, а остальные составляющие в необходимой степени уменьшаются фильтром. Поэтому возможен анализ таких ИМК только в полосе основного сигнала, для этого необходимо выбрать или разработать метод анализа выходного сигнала нелинейного устройства, позволяющий анализировать сигнал с интермодуляционными колебаниями в узкой полосе частот относительно основного сигнала.

Предложено и доказано, что при гармоническом анализе нелинейных радиоустройств интермодуляционные колебания в полосе частот основного сигнала можно рассматривать как амплитудные и фазовые искажения.

Математический анализ выходных сигналов нелинейного элемента и квадратурного усилителя мощности при подаче на их вход гармонического или бигармонического сигнала показал, что интермодуляционные составляющие в выходном сигнале можно рассчитать уже при использовании простейшего способа аппроксимации проходной характеристики нелинейного элемента - степенного. На основании этого ставится задача рассмотреть другие виды аппроксимации нелинейных характеристик и выбрать такую, которая бы наилучшим образом отображала реальные физические процессы, происходящие в нелинейном элементе, с наименьшими математическими затратами на вычисление аппроксимирующей функции.

На основании обзора литературы и предварительных исследований предложено использовать для уменьшения интермодуляционных колебаний как амплитудно-фазовых искажений квадратурные усилители мощности с автокомпенсацией искажений.

В результате проведенного анализа сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе проводится сравнительный анализ методов аппроксимации нелинейных характеристик и предлагается полиэкспоненциальная аппроксимация с положительными показателями степени вида

/(«)=í>„e"" ■ (1)

т=О

Такой вид аппроксимации в наибольшей степени отражает сущность физических процессов в нелинейном элементе. Предложен матричный метод определения коэффициентов полиэкспоненциальной аппроксимации, позволивший избежать решения системы (М+1) уравнений, а также разра-

ботана профамма расчета коэффициентов аппроксимации в математической среде MathCAD 2001 Professional Edition.

Проведен сравнительный спектральный анализ выходных сигналов безинерционного усилителя мощности при воздействии на его вход полигармонического сигнала, с использованием полиэкспоненциальных аппроксимацией с положительными и чередующимися знаками показателей степени. Значение комплексной амплитуды тока я-ой гармоники air, для таких аппроксимаций выражается функцией вида

где Ь„,={-\)т - для полиэкспоненциальной аппроксимации с чередующимися знаками показателей степени, Ьт-1 - для полиэкспоненциальной аппроксимации с положительными знаками показателей степени, 1У - модифицированная функция Бесселя.

Результаты моделирования сопоставлены с экспериментальными данными. Оказалось, что анализ на основе полиэкспоненциальной аппроксимации с положительными знаками показателей степени является более точным, так как отличие значений уровней интермодуляционных колебаний от экспериментальных значений составляет 0,6 - 2,3 дБ, а для полиэкспоненциальной аппроксимации с чередующимися знаками показателей степени эта разница в 2..3 раза больше.

Проведено математическое моделирование мостовой схемы сложения мощности при разных фазовых сдвигах в плечах схемы, когда помеховый сигнал воздействует на вход схемы, либо на усилители мощности, либо на выход схемы. Для оценки степени уменьшения интермодуляционных колебаний усилителем мощности рассчитали коэффициент внутриполосных колебаний Квпк только для тех составляющих, которые попадают в полосу основного сигнала, по выражению

где в числителе - сумма квадратов значений уровней помеховой и интермодуляционных составляющих в выходном сигнале устройства, в знаменателе - значение уровня основного колебания.

При воздействии помехового сигнала на вход схемы изменение фазового сдвига в плечах не влияет на коэффициент Квпк■ Однако он в 1,3 раза меньше, чем в одиночном усилителе. При воздействии помехового сигнала на усилители мощности КУМ коэффициент внутриполосных колебаний уменьшается с увеличением фазового сдви1 а. При воздействии помехового сигнала на выход КУМ самое малое значение коэффициент Квпк (0,15%) имеет при фазовом

= 2Х I Л, {Ът .и1/0)П (Ьт •тик ™ I ^ (0),

сдвиге тг/2, а самое большое значение Квпк( 11,6%) - при Такая разница

обусловлена тем, что в первом случае полностью компенсируются составляющие с частотами 2coi - аь, Ъа>2 - 2&>/ и 4<0/ - Зсо2, а во втором - компенсации интермодуляционных колебаний не происходит, однако даже и в этом случае Квпк меньше в 1,2 раза по сравнению с одиночным усилителем.

Предложен метод анализа интермодуляционных колебаний как амплитудно-фазовых искажений в полосе частот основного сигнала, позволяющий получить аналитическое выражение для выходного сигнала нелинейного безинерционного устройства (рис. 1).

спектр выходного сигнала

ах+а2

А

2а>\-а>2

JL

спектр |/ входного ! сигнала

2 CDfCOx

т

c^-a, 3a)r2eo2 <°\ Ъсог-2(ох

2a>i

2 0)2 4 СО

Рис. 1 - Спектр сигнала на выходе нелинейного элемента

При подаче на вход нелинейного устройства поступает сигнал вида

¿(0=С/(г)сО5(Ф(0), (2)

где U(i) - амплитуда входного сигнала, Ф(() = <p(t) + a>{t) - полная фаза входного сигнала, <p(t) - фаза входного сигнала, сф) - несущая частота, и опишем проходную характеристику нелинейного безинерционного устройства предложенной полиэкспоненциальной аппроксимацией вида (I). Выходной ток нелинейного устройства имеет вид

м

mll(t)cos(0{t))+m<Ju

(3)

где и0 - напряжение смещения.

В результате математических преобразований и использования функций Бесселя выражение (3) примет вид

г'(') = £«тио(т^(0) + 2Х[/„(тС/(?))со5(«Ф(/))]1 £ 1„(т1/0), (4)

т-О I п-1 )

где ¡х{у) - модифицированная функция Бесселя, я - целое число.

Упрощая выражение (4) исключением постоянной составляющей, составляющих второго и более высоких порядков гармоник основного сигнала при и=1, для выходного тока нелинейного устройства имеем

НО = 2«и(Ф(/))Х(«„,/,(тЩ1)) ^1„{ти0)\.

(5)

Выражение (5) описывает выходной сигнал нелинейного безинерцион-ного устройства, причем содержит информацию только о первой гармонике и спектре вокруг нее. Полученные соотношения позволяют рассчитывать спектр сигнала в узкой полосе частот относительно несущего (основного) колебания. Предложено использовать полученный метод -для любого входного сигнала, который можно представить комплексной огибающей

и(г) = С/(г)ехр{/р(г)}.

Тогда для комплексной огибающей выходного тока нелинейного устройства будем иметь

а^тЩО) ±1„(ти0)

(6)

т-О

Рассмотрено применение полученного метода для анализа интермодуляционных колебаний выходных сигналов одиночного усилителя на биполярном транзисторе в полосе частот основного сигнала и в узкой полосе частот относительно основного сигнала при воздействии на вход бигармо-нического сигнала.

Л дБ -

ИМ КЗ

N

ИМКэ

N

ИМК7 \

ИМ КЗ /

ИМК5

ИМК7 /

а)

имкэ

N

! \|

I ИМК7

И \

ИМКЭ /

ИМК5

ИМК5 ИМК7

I

/

I

«4Дй>ОАл»-1Д<и о 2&о} ЗЛй» 4Дю кЛео

г)

в)

Рис. 2

На рисунках 2-а) и 2-6), соответственно, приведены спектры выходных сигналов одиночного и квадратурного усилителей в полосе частот основно-

го сигнала, а на рисунках 2-в) и 2-г), соответственно, приведены спектры выходных сигналов одиночного и квадратурного усилителей в узкой полосе частот (Д<у=й)2 - а>]).

Сравнение результатов, полученных при использовании разработанного метода анализа и существующих методов позволяет сделать вывод о том, что разработанный метод анализа интермодуляционных колебаний дает правильные результаты.

Получены выражения для вычисления уровней спектральных интермодуляционных составляющих, находящихся в спектре основного сигнала при воздействии на одиночный и квадратурный усилители мощности бигармо-нического сигнала, что дает возможность рассчитать значение уровня интересующей интермодуляционной составляющей без расчета всего спектра основной гармоники.

В третьей главе в результате анализа существующих реализаций схем усилителей мощности с автокомпснсацией амплитудных и фазовых искажений предложено использовать для уменьшения интермодуляционных колебаний схему с регулировкой назад, которая обеспечивает компенсацию фазовых и амплитудных искажений, возникающих в усилителях мощности, звеньях схемы и из-за воздействия помехового сигнала на нелинейные элементы (рис. 3).

Рис.3

Получена нелинейная система уравнений квадратурного усилителя мощности радиосигналов с автокомпенсацией амплитудно-фазовых искажений, обусловленных наличием интермодуляционных колебаний в спектре выходного сигнала У тр\

и^АП = кф-кф11Чф(р)и}„рф2(о-кА ■ кфт,(Р)иУЧ!4(О,

М г

/ли/ (') = 2 (тА,(/)) X/„(« • (i/o + ^„р,+

/П =0

M *

/77 = 0 /7 = -оО

Эта система описывает нелинейные процессы, протекающие в схеме из-за наличия нелинейностей и воздействия помеховых сигналов на них.

Проведен анализ устойчивости автокомпенсатора интермодуляционных колебаний алгебраическим критерием Рауса-Гурвица, построены годографы на комплексной плоскости для автокомпенсатора с фильтрами нижних частот первого и второго порядков в трактах управления при различных коэффициентах регулирования. Полученные условия устойчивости показали, что устройство является устойчивым при неограниченных сверху коэффициентах регулирования.

Анализ работы схемы квадратурного усилителя мощности с автокомпенсацией интермодуляционных колебаний при воздействии гармонического и частотно-модулированного сигналов на вход схемы при одновременной подаче гармонической помехи на нелинейные элементы управляемых усилителей при Кл=Кф=\ с использованием системы нелинейных уравнений показал, что без автокомпенсатора в квадратурном усилителе мощности гармонического сигнала полностью компенсируются составляющие третьего порядка ИМК с частотой 2<У; - т2 и пятого - с частотой Ъсо2 - 2<У/. При использовании автокомпенсатора в схеме квадратурного усилителя мощности происходит подавление уровней ИМК на 1,8 - 22,4 дБ и уменьшение коэффициента внутрипо-лосных колебаний в 7 раз.

В схеме квадратурного усилителя мощности 4M сигнала с автокомпенсацией ИМК выходной сигнал помимо интермодуляционных составляющих с частотами kcùx - la2 и kmг - 1а>\ - высокочастотных ИМК, содержит интермодуляционные составляющие модулированного 4M сообщения с частотами kœ\ ± IQ ± nàcoi - модуляционные ИМК. Уровни всех ИМК в спектре 4M сигнала уменьшены на 1,0 - 26,6 дБ дБ, а коэффициент внутриполосных колебаний - в 14 раз. В квадратурном усилителе 4M сигнала без автокомпенсации ИМК происходит полная компенсация составляющих с частотами 2йУг - щ и cù\ ± Q ± Дй>2.

Проведен анализ выходного сигнала квадратурного усилителя мощности с автокомпенсацией ИМК при изменении коэффициентов регулирования амплитуды и фазы. Оказалось, что если при коэффициентах регулирования Крег= 1 удается снизить уровни ИМК на 1,0...26,6 дБ, то при Кре?= 50 -на 25,4...51,4 дБ. Зависимость коэффициента внутриполосных колебаний ог коэффициентов регулирования приведена на рис. 4).

Результатом анализа оценки степени компенсации интермодуляционных колебаний автокомпенсатором при изменении частоты среза

амплитудночастотнои характеристики ФНЧ явилась разработка макета программы в среде МаЛСас!, позволяющий определить при конкретных параметрах входных сигналов оптимальное значение частоты среза, при котором происходит наибольшая компенсация интермодуляционных колебаний. Зависимость коэффициента внугриполосных колебаний от от соотношения частот среза ФНЧ /ср и расстройки помехового сигнала А/л (/ср/Д/я) приведена на рис. 5, из .которой видно, что сильное уменьшение КВпк претерпевает при /ср/А/ц=]..50, а при дальнейшем увеличении /ср1к/п он уменьшается лишь на 2%.

Проведена оценка влияния глубины частотной модуляции полезного сигнала /»„„ воздействующего на вход квадратурного усилителя с автокомиенсацией интермодуляционных колебаний. Оказалось, что при изменении индекса частотной модуляции от 0,5 до 5 (для отдельных составляющих- до 3) возрастает и уровень интермодуляционных колебаний в среднем на 4..20 дБ, при увеличении тчи от 5 до 7 происходит снижение уровня ИМК в среднем на 2..11 дБ, а при гпч,р-1 уровни интермодуляционных колебаний вновь увеличиваются. Зависимость коэффициента внутриполосных колебаний от индекса частотной модуляции приведена на рис. 6.

и,щ:-= 10

Кж

Рис.4

КвпкУ»

и,Шг= 10

Рис. 5

К в,

Кре- 0 .

и,/и2= 10

и,/и2=\о

5 6 7 8 И,

Рис.6

Исследование влияния КВпк% соотношения амплитуд воздействующих сигналов показало, что коэффициент внут-риполосных колебаний экспоненциально возрастает при увеличении амплитуды поме-хового сигнала по отношению к амплитуде полезного сигнала. Однако, Квпк в среднем в 10.. 15 раз меньше в схеме с автокомпенсатором, чем без него при тех же значениях амплитуд сигналов (рис. 7).

В четвертой главе приведены результаты анализа выходного сигнала квадратурного усилителя мощности при подаче на его вход гармонического сигнала и воздействии гармонической помехи на усилители мощности с использованием разработанного метода анализа. Анализ показал, что значения уровней интермодуляционных колебаний при использовании методов анализа во всей полосе частот и в узкой полосе частот при представлении входного сигнала в комплексном виде, совпадают, что доказывает правильность полученных результатов.

Проведено математическое моделирование квадратурного усилителя мощности ЧМ сигналов в узкой полосе частот. Результаты показали, что нелинейность характеристик усилителей мощности, входящих в квадратурный усилитель мощности, не влияет на изменения частоты выходного сигнала. Исследование квадратурного усилителя мощности ЧМ сигналов при воздействии гармонической помехи показало, что уровня интермодуляционных колебаний в модулирующем выходном сигнале уменьшаются на 5,9 - 23,4 дБ, а коэффициент искажений модулирующего сигнала почти в 2 раза меньше в схеме квадратурного усилителя мощности, чем в одиночном.

Введение автокомпенсации в квадратурном усилителе позволяет снизить уровни ИМК-м в модулирующем сигнале на 12 - 48 дБ и коэффициент искажений в 1,7 раз, таким образом, снижаются искажения модулирующего сигнала. На рис. 8 приведены спектры модулирующих сигналов на выходах одиночного усилителя (рис.8-а)), квадратурного усилителя без автокомпенсации (рис.8-б)) и с автокомпенсацией интермодуляционных колебаний (рис.8-в)).

3 4 5

т^-5

- -о

5

и,/и2

Рис. 7

I г = г

К.-М.2'.

-о

а)

б) Рис.8

в)

Приведены методика расчета коэффициентов полиэкспоненциальной аппроксимации, методика расчета интермодуляционных колебаний в спектре основного сигнала и в узкой полосе частот нелинейного безинерцион-ного устройства при воздействии на него полигармонического сигнала и методика расчета интермодуляционных колебаний в выходном сигнале квадратурного усилителя мощности с автокомпенсацией ИМК.

В заключении изложены основные результаты, полученные в процессе диссертационной работы, заключающиеся в следующем:

• разработана математическая модель сигнала с интермодуляционными колебаниями как сигнала с амплитудно-фазовыми искажениями,

• разработан вид полиэкспоненциальной аппроксимации с положительными знаками показателей степени, который в наибольшей степени отражают сущность физических процессов в нелинейном элементе. С увеличением точек аппроксимации от 7 до 10 среднеквадратическая ошибка уменьшается в 1,5...4 раза по сравнению с другими видами аппроксимаций. При этом она имеет повышенную степень приближения к реальной характеристики и существенно меньшую погрешность во всех остальных точках. Предложен матричный метод определения коэффициентов полиэкспоненциальной аппроксимации с положительными знаками показателей степени, обеспечивающий быстрый и удобный их расчет на ЭВМ,

• разработан метод анализа сигнала с интермодуляционными колебаниями в узкой полосе частот относительно основного колебания. Метод позволяет получить аналитическое выражение для выходного сигнала нелинейного безинерционного устройства. Предложено использовать полученный метод для любого входного сигнала, который можно представить комплексной огибающей,

• получены выражения для вычисления уровней спектральных составляющих каждого интермодуляционного колебания, находящегося в спектре основного сигнала при воздействии на нелинейное устройство би-гармонического сигнала, что дает возможное(ь рассчитать значение уровня

отдельной интермодуляционной составляющей без расчета всего спектра сигнала,

• предложено использовать квадратурный усилитель мощности с автокомпенсацией амплитудно-фазовых искажений для уменьшения интермодуляционных колебаний. Анализ такого устройства при воздействии гармонического и 4M сигнала при одновременном воздействии гармонической помехи на нелинейности схемы показал, что уровни интермодуляционных колебаний снижаются на 1..50 дБ в зависимости от порядка интермодуляционных колебаний,

• разработано нелинейное уравнение квадратурного усилителя мощности 4M сигналов с автокомпенсацией интермодуляционных колебаний, позволяющее провести математическое моделирование устройства на ЭВМ. С использование полученного уравнения проведен анализ работы устройства при изменении параметров воздействующих сигналов и параметров схемы,

• разработаны методика расчета коэффициентов полиэкспоненциальной аппроксимации с положительными знаками показателей степени и методика расчета интермодуляционных колебаний в узкой полосе частот относительно несущей выходного сигнала квадратурного усилителя мощности 4M сигналов с автокомпенсацией интермодуляционных колебаний,

• разработаны инструментальные средства в виде математического, алгоритмического и программного обеспечения, реализованного в компьютерной математической среде MathCad 2001.

Основное содержание диссертации отображено в следующих публикациях:

1. Ромашов В.В., Жайворонок Д.А., Шуненкова Е.А. (Жиганова Е.А.) Анализ компенсационных характеристик синтезатора частот с автокомпенсацией амплитудно-фазовых искажений// Обработка и анализ данных/ Под ред. С.С. Садыкова. - Ташкент: НПО «Кибернетика» АН Руз, 1998. - С.182-185.

2. Мошнина E.H., Ромашов В.В., Шуненкова Е.А. (Жиганова Е.А.), Перцева О.В. Методы аппроксимации нелинейных характеристик радиоустройств// Радиотехника, телевидение и связь: Межвуз. сборник науч. тр., посвященный 110-летию В.К. Зворыкина. - Муром: Изд.- полиграфический центр МИ ВлГУ, 1999. - С.77-80.

3. Шуненкова Е.А. (Жиганова Е.А.), Кокорев Ю.В. Сравнительный анализ методов аппроксимации нелинейных характеристик радиоустройств для расчета интермодуляционных колебаний// Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Шестая Междунар. науч.-техн. конф. студ. и аспир. Тез. докл. В 3 т., Т. 1. - М.: Изд-во МЭИ, 2000. - С.31-32.

4. Ромашов В.В., Кривандин С.С., Шуненкова Е.А. (Жиганова Е.А.) Методы уменьшения интермодуляционных колебаний в радиопере-

датчиках// Радиотехника, телевидение и связь: Межвуз. сборник науч. тр., посвященный 110-летию В.К. Зворыкина. - Муром: МИ ВлГУ, 1999. -С.66-71.

5. Шуненкова Е.А. (Жиганова Е.А.), Марусланова H.A. Исследование интермодуляционных колебаний в мостовой схеме сложения мощности радиосигналов// XXVI Гагаринские чтения. Межунар. молодеж. науч. конф. Тез. докл. В 2 т., Т.2.- М.: Изд-во РГТУ-МАТИ, 2000. - С.385-386.

6. Шуненкова Е.А. (Жиганова Е.А.) Анализ интермодуляционных колебаний на основе укороченной полиэкспоненциальной аппроксимации //Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Седьмая Междунар. на-уч.-техн. конф. студ. и аспир.: Тез. докл. В 3 т., Т.1. - М.: МЭИ, 2001. - С.35-36.

7. Шуненкова Е.А. (Жиганова Е.А.), Вяткин С.А. Анализ интермодуляционных колебаний в нелинейных усилителях мощности на основе укороченной полиэкспоненциальной аппроксимации// XXVII Гагаринские чтения: Межунар. молодеж. науч. конф. Тез. докл. В 2 т. Т.2.- М.: Изд-во РГТУ-МАТИ, 2001. - С.20.

8. Шуненкова Е.А. (Жиганова Е.А.) Анализ квадратурных усилителей мощности ЧМ-сигналов на основе укороченной полиэкспоненциальной аппроксимации // XXVII Гагаринские чтения: Межунар. молодеж. науч. конф. Тез. докл. в 2 т., Т.2.- М.: Изд-во РГТУ-МАТИ, 2001. - С.21.

9. Шуненкова Е.А. (Жиганова Е.А.) Причины возникновения интермодуляционных колебаний в усилителях мощности радиопередающих устройств // Научные труды муромских ученых/ Под ред. Н.В. Чайковской. - Муром, Изд.- полиграфический центр МИ ВлГУ, 2001. - С.75-77.

10. Ромашов В.В., Шуненкова Е.А. (Жиганова Е.А.) Метод анализа интермодуляционных колебаний в усилителях мощности в узкой-полосе частот/ Деп. в ВИНИТИ 27.11.01, № 2474-В2001.

11. Ромашов В.В., Мошнина E.H., Шуненкова Е.А. (Жиганова Е.А.) Использование полиэкспоненциальной аппроксимации для анализа комплексной огибающей выходного сигнала нелинейного безинерционного устройства// Методы и устройства передачи и обработки информации: Межвуз. сб. науч. тр. / Под ред. В.В. Ромашова. - СПб.: Гидрометеоиздат, 2001. - С.40-41.

12. Ромашов В.В., Шуненкова Е.А. (Жиганова Е.А.) Оценка возможности снижения интермодуляционных колебаний в квадратурных усилителях мощности 4M сигналов// Методы и устройства передачи и обработки информации: Межвуз. сб. науч. тр. / Под ред. В.В. Ромашова. - СПб.: Гидрометеоиздат, 2001. - С.42-44.

13. Ромашов В.В., Жиганова Е.А. Нелинейное уравнение квадратурного усилителя мощности с автокомпенсацией интермодуляционных колебаний// Методы и устройства передачи и обработки информации:

Межвуз. сб. науч. гр. / Под ред. В.В. Ромашова. - СПб.: Гидрометеоиздат, 2002.-С. 189-194.

14. Жшанова Е.А. Исследование влияния коэффициентов регулирования амплитуды и фазы на уменьшение уровней интермодуляционных колебаний в квадратурном усилителе ЧМ сигналов// Методы и устройства передачи и обработки информации: Межвуз. сб. науч. тр. / Под ред. В.В. Ромашова. - СПб.: Гидрометеоиздат, 2003. - С.56-61.

15. Ромашов В.В., Шуненкова Е.А. (Жиганова Е.А.) Исследование интермодуляционных колебаний в квадратурных усилителях мощности/ Методы и системы передачи, приема и обработки информации.- Муром: Изд.- полиграфический центр МИ ВлГУ, 2002. - С. 46-48.

Подписано в печа1ь 15 09.03. Формат 60x84/16. Бумага для множит, техники. Гарнитура Тайме Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100 ->кз Заказ №474. Муромский институ г (филиал) Владимирского государственного университета Издательско-полшрафического центра Адрес: 602264, Владимирская область, г. Муром, ул. Орловская, 23

> -ft

о

»147 5 0 '

i

I ,

Введение

1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ АНАЛИЗА

ИНТЕРМОДУЛЯЦИОННЫХ КОЛЕБАНИЙ И ПОСТРОЕНИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ ЧМ СИГНАЛОВ

1.1 Причины возникновения и методы уменьшения интермодуляционных колебаний ^

1.2 Назначение, структурные схемы и принцип действия квадратурных усилителей мощности

1.3 Математическая модель сигнала с интермодуляционными колебаниями как сигнала с амплитудно-фазовыми искажениями

1.4 Гармонический анализ сигналов квадратурных усилителей мощности при использовании упрощенной модели сигналов с интермодуляционными колебаниями как сигнала с амплитудно-фазовыми искажениями

1.5 Выводы. Постановка задач исследования

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА АНАЛИЗА ИНТЕРМОДУЛЯЦИОННЫХ КОЛЕБАНИЙ В УСИЛИТЕЛЯХ МОЩНОСТИ РАДИОСИГНАЛОВ В УЗКОЙ ПОЛОСЕ ЧАСТОТ ОТНОСИТЕЛЬНО ОСНОВНОГО СИГНАЛА

2.1 Сравнительный анализ методов аппроксимации нелинейных характеристик

2.1.1 Полиномиальная аппроксимация

2.1.2 Полиэкспоненциальные аппроксимации

2.1.2.1 Полиэкспоненциальные аппроксимации с чередующимися знаками показателей степени

2.1.2.2 Полиэкспоненциальные аппроксимации с положительными знаками показателей степени

2.2 Спектральный анализ сигналов усилителей мощности на основе полиэкспоненциальной аппроксимации нелинейных характеристик

2.3 Применение полиэкспоненциальной аппроксимации для оценки возможности снижения интермодуляционных колебаний в квадратурных усилителях мощности

2.4 Разработка метода анализа интермодуляционных колебаний в узкой полосе частот

2.4.1 Постановка задачи

2.4.2 Вывод аналитического выражения для анализа интермодуляционных колебаний в полосе частот основного сигнала ^

2.4.3 Вывод аналитических выражений для расчета отдельных интермодуляционных колебаний в полосе частот выходного сигнала одиночного усилителя

2.4.4 Вывод аналитических выражений для расчета отдельных интермодуляционных колебаний в полосе частот выходного сигнала квадратурного усилителя мощности

2.4.5 Анализ интермодуляционных колебаний в узкой полосе частот при входном сигнале, представленном комплексной огибающей

2.4.6 Анализ интермодуляционных колебаний выходного сигнала одиночного усилителя на биполярном транзисторе в полосе частот основного сигнала

2.4.7 Анализ интермодуляционных колебаний выходного сигнала квадратурного усилителя мощности в полосе частот основного сигнала

2.4.8 Анализ интермодуляционных колебаний выходного сигнала одиночного усилителя в узкой полосе частот

2.5 Выводы. Результаты исследования ^

3. ИССЛЕДОВАНИЕ КВАДРАТУРНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ ЧМ СИГНАЛОВ С АВТОКОМПЕНСАЦИЕЙ ИНТЕРМОДУЛЯЦИОННЫХ КОЛЕБАНИЙ

3.1 Обобщенная структурная схема квадратурного усилителя мощности с автокомпенсацией интермодуляционных колебаний g^

3.2 Нелинейное уравнение квадратурного усилителя мощности ЧМ сигналов с автокомпенсацией интермодуляционных колебаний gg

3.3 Анализ устойчивости квадратурного усилителя мощности с автокомпенсацией интермодуляционных колебаний ^

3.4 Анализ автоматической компенсации интермодуляционных колебаний в квадратурных усилителях мощности ^ qq

3.4.1 Исследование автоматической компенсации интермодуляционных колебаний при гармоническом входном сигнале j qq

3.4.2 Исследование автоматической компенсации интермодуляционных колебаний при частотно-модулированном входном сигнале ^ ^

3.5 Исследование влияния параметров квадратурного усилителя ЧМ сигнала с автокомпенсацией на степень уменьшения интермодуляционных колебаний ^ ^

3.5.1 Влияние коэффициентов регулирования амплитуды и фазы на степень уменьшения интермодуляционных колебаний ^ ^

3.5.2 Влияние частоты среза фильтра нижних частот на степень уменьшения интермодуляционных колебаний ^^

3.6 Исследование влияния параметров сигналов, воздействующих на схему квадратурного усилителя ЧМ сигнала с автокомпенсацией, на степень уменьшения интермодуляционных колебаний ^ 2q

3.6.1 Влияние глубины модуляции ЧМ сигнала на уровень интермодуляционного излучения ^q

3.6.2 Влияние соотношения воздействующих сигналов на уровень интермодуляционного излучения

3.7 Выводы. Результаты исследования

4. РАСЧЕТ ИНТЕРМОДУЛЯЦИОННЫХ КОЛЕБАНИЙ В КВАДРАТУРНЫХ УСИЛИТЕЛЯХ МОЩНОСТИ {2?

4.1 Анализ интермодуляционных колебаний выходного сигнала квадратурного усилителя мощности в узкой полосе частот

4.2 Исследование возможности снижения интермодуляционных колебаний в квадратурных усилителях мощности ЧМ сигналов ^ ^g

4.2.1 Спектральный анализ квадратурного усилителя мощности ЧМ сигналов

4.2.2 Спектральный анализ КУМ ЧМ сигналов при воздействии гармонической помехи на усилители мощности

4.2.3 Спектральный анализ усилителя ЧМ сигналов при воздействии гармонической помехи на усилители мощности и изменении фазовых сдвигов в его плечах ^ ^

4.2.4 Спектральный анализ КУМ ЧМ сигналов с автокомпенсацией интермодуляционных колебаний ^g

4.3 Методика расчета коэффициентов полиэкспоненциальной аппроксимации реальной характеристики нелинейного устройства с положительными знаками показателей степени

4.4 Методика расчета интермодуляционных колебаний в полосе частот основного сигнала усилителя мощности

4.5 Методика расчета интермодуляционных колебаний в узкой полосе частот выходного сигнала квадратурного усилителя мощности радиосигналов с автокомпенсацией интермодуляционных колебаний ^^

4.6 Выводы. Результаты исследования ^^

Актуальность проблемы: Интенсивное использование различного рода радиоэлектронных устройств в различных сферах человеческой деятельности приводит к ухудшению электромагнитной обстановки. Основной задачей при обеспечении электромагнитной совместимости является обеспечение минимального уровня побочного излучения, так как оно влияет на работу близкорасположенных по частоте и местоположению радиосистем. Однако характеристики усилительных приборов нелинейны, поэтому усиление сигнала происходит с искажениями, что приводит к появлению побочных составляющих в выходном сигнале: гармоник, субгармоник, комбинационных, интермодуляционных, паразитных. Все эти колебания подавляются в необходимой степени фильтрующими устройствами на выходе радиопередающего тракта.

Однако наибольшую опасность из них представляют интермодуляционные колебания (ИМК), которые могут быть не только побочными, но и внутрипо-лосными. Такие ИМК занимают относительно небольшие полосы частот, и могут быть достаточно близкими по частоте к частотам основного излучения и попадать в полосу усиления сигнала. Поэтому их устранение в выходном сигнале радиоустройства оказывается затруднительным.

Согласно ГОСТу 24375-80 на термины и определения, используемые в радиосвязи, интермодуляционное радиоизлучение — это побочное радиоизлучение, возникающее в результате воздействия на нелинейные элементы высокочастотного тракта радиопередающего устройства генерируемых колебаний и внешнего электромагнитного поля [1,2]. В настоящей работе под интермодуляционным радиоизлучением (колебанием) будем понимать только то, которое является внутриполосным.

К внутриполосным ИМК относятся нечетные разностные порядки интермодуляции с частотами: 2сй\-сса, 2с0гсс\ - третий порядок ИМК (ИМК-3), Ъсс\-2 а2, 3&2-2&1 - пятый порядок ИМК (ИМК-5), 4а>\-Ъ(Ха, Ао^-Ъссх - седьмой порядок ИМК (ИМК-7) и т.д. Здесь сь\ и &2 — частоты сигналов, воздействующих на нелинейные элементы РПдУ.

Допустимый уровень интермодуляционного излучения связных радиопередающих устройств (РПдУ) регламентируется стандартами. Так для радиостанций с угловой модуляцией сухопутной подвижной службы требуется обеспечить уровень ИМК минус 63.70 дБ [3], а для передатчиков магистральной радиосвязи - не более минус 80 дБ [4, 5].

При анализе интермодуляции наибольшее внимание уделяется колебаниям третьего порядка (ИМК-3), поскольку они имеют большой уровень и близко расположены к частоте основного излучения. В широкополосных радиопередающих трактах опасны составляющие второго (ИМК-2), а также пятого и более высоких порядков (ИМК-5, ИМК-7 и т.д.).

В последнее время большое внимание уделяется разработке новых и развитию известных методов анализа нелинейных цепей при многочастотном воздействии. Выбор конкретного метода исследования интермодуляционных колебаний зависит от многих факторов: типа нелинейного элемента, параметров РПдУ и воздействующих сигналов, сложности расчета, удобства и точности.

Среди методов анализа спектральных составляющих основными являются временной метод, метод функциональных рядов и гармонический метод.

Недостаток временного метода состоит в том, что возникают трудности со спектральным анализом сложного колебания на выходе нелинейного радиоустройства, недостатком метода функциональных рядов является резкое усложнение всех расчетов по мере увеличения порядка рассчитываемого ядра, плохая сходимость ряда при возрастании степени нелинейности цепи или при увеличении входного воздействия.

При расчете спектральных составляющих наиболее эффективным является гармонический метод, который позволяет быстро и точно с применением ЭВМ осуществить спектральный анализ выходного сигнала нелинейного элемента при воздействии на него полигармонического сигнала. Однако он позволяет проводить полный расчет всех спектральных составляющих, включая и гармоники воздействующих частот.

Метод анализа, который бы позволил произвести спектральный анализ выходного сигнала нелинейного устройства как узкополосного процесса и записать в аналитическом виде выражение, содержащее информацию только о первой гармонике основного сигнала и интермодуляционных колебаниях нечетных порядков разностных частот, отсутствует.

Методам уменьшения интермодуляционных колебаний посвящено множество теоретических и экспериментальных исследований. Большой вклад в разработку таких методов внесли Хотунцев Ю.Л., Завражнов Ю.В., Громов М.В., Бурков И.А., Трухин Н.А. и др. Фундаментальные обзоры работ в этой области сделаны Хотунцевым Ю.Л., Громовым М.В., Аблином А.Н., Могилевской Л.Я. и др. в [6-12]. Выбор конкретного метода уменьшения интермодуляционных колебаний в передающих устройствах различных диапазонов волн и его эффективность зависит от многих факторов: структуры устройства, его назначения, рабочего диапазона частот, причины возникновения интермодуляции, норм на уровень ИМК и др.

Наиболее универсальными методами являются фильтрация и развязка [13,14], выбор режима работы и типа активного элемента [6-9, 15-17], оптимизация нагрузки и выбор вида согласования [6,7,18-21]. Однако основными являются схемотехнические методы, так как введение специальных устройств обеспечивает работу на более линейных участках характеристик нелинейных элементов и уменьшает амплитуду колебаний, и, следовательно, уменьшает уровни продуктов интермодуляции [8,17,20-28].

Выбор какого-то конкретного способа уменьшения интермодуляционных колебаний из указанных выше является затруднительным, так как при этом следует учитывать природу возникновения интермодуляции и уровень ИМК, изменяющийся случайным образом.

В современных широкополосных системах радиосвязи широко используется мостовая схема сложения мощности, в которой за счет подбора фазовых сдвигов мостовых делителя и сумматора происходит уменьшение уровня или подавление интермодуляционных колебаний некоторых порядков, а также гармоник [22,26-29]. В квадратурном усилителе мощности (фазовый сдвиг сигналов в плечах равен 90°) при полной симметрии схемы и воздействии помехово-го сигнала на излучающую антенну теоретически возможно подавление четных гармоник и третьего и пятого порядков интермодуляции - ИМК-3 и ИМК-5. Однако уровни остальных комбинационных составляющих, в том числе и интермодуляционных, не удовлетворяют нормам на побочное излучение. С целью решения этой задачи в [27,28,30-32] предлагается использовать для уменьшения комбинационных колебаний методы автоматической компенсации амплитудно-фазовых искажений, однако отсутствует полный анализ таких устройств.

Целью диссертационной работы является разработка метода анализа интермодуляционных колебаний и исследование возможности уменьшения интермодуляционных колебаний в усилителях мощности радиосигналов методами автоматической компенсации.

Исходя из цели работы, задачами исследования являются:

1. Обоснование представления сигнала с интермодуляционными колеба-" ниями как сигнала с амплитудно-фазовыми искажениями (АФИ) и построение его математической модели.

2. Разработка метода анализа прохождения сигнала с интермодуляционными колебаниями, представленного в виде сигнала с АФИ, через нелинейный элемент.

3. Анализ структурных схем квадратурного усилителя мощности с автокомпенсацией АФИ и определение возможностей их применения для автокомпенсации интермодуляционных колебаний.

4. Вывод уравнения квадратурного усилителя с автокомпенсацией интермодуляционных колебаний, которое описывало бы его работу в нелинейном режиме при воздействии помеховых сигналов и позволяло бы провести расчет уровней ИМК и степень их компенсации.

5. Анализ работы усилителя с автокомпенсацией интермодуляционных колебаний при различных параметрах схемы и воздействующих сигналов.

6. Оценка соответствия полученных теоретических результатов реальным устройствам методами математического моделирования и экспериментального исследования.

Методы исследования. При проведении исследований в диссертационной работе использовались методы комплексной огибающей амплитуды и фазы, теории спектрального анализа, численных методов и математического моделирования, а именно: методы аппроксимации зависимостей, аппарат рядов Фурье и функции Бесселя. Анализ полученных решений проводился с использованием методов вычислительной математики и математического моделирования на ЭВМ, для проверки теоретических результатов проводились экспериментальные исследования.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые

• предложено рассматривать сигнал с интермодуляционными колебаниями как сигнал с амплитудно-фазовыми искажениями,

• предложен вид полиэкспоненциальной аппроксимации нелинейных характеристик;

• предложен метод анализа сигнала с интермодуляционными колебаниями в узкой полосе частот относительно основного колебания,

• предложено использовать квадратурный усилитель мощности с автокомпенсацией амплитудно-фазовых искажений для снижения интермодуляционных колебаний,

• получены выражения для вычисления уровней отдельных нечетных разностных порядков интермодуляционных колебаний в выходном сигнале одиночного и квадратурного усилителей при воздействии бигармонического сигнала,

• получено нелинейное уравнение для квадратурного усилителя мощности радиосигналов с автокомпенсацией интермодуляционных колебаний,

• теоретически исследован квадратурный усилитель ЧМ сигналов с автокомпенсацией интермодуляционных колебаний,

• разработаны методики расчета интермодуляционных колебаний в выходном сигнале усилителя мощности при различных параметрах входных сигналов.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Предложена полиэкспоненциальная аппроксимация с положительными показателями степени, позволяющая уменьшить среднеквадратическую ошибку в 1,5.4 раза по сравнению с другими видами аппроксимациями. Предложен матричный метод определения коэффициентов аппроксимации, обеспечивающий быстрый и удобный их расчет на ЭВМ.

2. Предложен метод анализа сигнала с интермодуляционными колебаниями в узкой полосе частот относительно основного сигнала. Метод позволяет получить аналитическое выражение для выходного сигнала нелинейного безинерци-онного устройства. Предложено использовать полученный метод для любого входного сигнала, который можно представить комплексной огибающей.

3. Получены выражения для вычисления уровней спектральных составляющих каждого интермодуляционного колебания, находящегося в спектре основного сигнала при воздействии на нелинейное устройство (НУ) бигармони-ческого сигнала, что дает возможность рассчитать значение уровня отдельной интермодуляционной составляющей без расчета всего спектра сигнала.

4. Разработан квадратурный усилитель мощности ЧМ сигналов с автокомпенсацией интермодуляционных колебаний, позволяющий дополнительно снизить уровни интермодуляционных колебаний некоторых порядков на 1 - 50 дБ в зависимости от порядка интермодуляционных колебаний.

5. Разработана методика расчета интермодуляционных колебаний в узкой полосе частот относительно несущей выходного сигнала квадратурного усилителя мощности ЧМ сигналов с автокомпенсацией интермодуляционных колебаний.

6. Разработаны инструментальные средства в виде математического, алгоритмического и программного обеспечения, реализованного в компьютерной математической среде MathCad 2001.

Основные результаты и научные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель сигнала с интермодуляционными колебаниями как сигнала с амплитудно-фазовыми искажениями.

2. Полиэкспоненциальная аппроксимация с положительными знаками показателей степени.

3. Метод анализа выходного сигнала с интермодуляционными колебаниями нелинейного устройства в узкой полосе частот относительно основного сигнала.

4. Применение квадратурного усилителя мощности с автокомпенсацией амплитудно-фазовыми искажениями для уменьшения интермодуляционных колебаний и результаты анализа квадратурного усилителя с автокомпенсацией интермодуляционных колебаний.

5. Методика расчета интермодуляционных колебаний в узкой полосе частот, относительно несущей, выходного сигнала квадратурного усилителя мощности ЧМ сигналов с автокомпенсацией интермодуляционных колебаний.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и семинарах:

1. VI-VII Международные научно-технические конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 20002001 г.г.).

2. Международные молодежные научные конференции «XXVI-XXVII Га-гаринские чтения» (Москва, 2000-2001).

3. Конференции Муромского института Владимирского государственного университета и научные семинары кафедры радиотехники МИ ВлГУ (20002003 г.г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, включая 8 статей, 7 тезисов докладов.

Результаты внедрения. Результаты и методики расчета интермодуляционных искажений внедрены в промышленности на заводе радиоизмерительных приборов (г. Муром). Методы анализа квадратурных усилителей мощности и методики расчета внедрены в учебном процессе в Муромском институте ВлГУ.

Исследования и практические разработки по теме диссертации были использованы при выполнении госбюджетных и хоздоговорных НИР (с Муромским заводом радиоизмерительных приборов):

- «Исследование методов улучшения тактико-технических характеристик обзорной маловысотной PJIC за счет снижения УБЛ, стабилизации энергетического потенциала и автоматической компенсации помех» (2002 - 03 г., № 2817/02);

- «Исследование и разработка методов и аппаратуры обработки сигналов» (1995-2000 гг., № гос. per. 01910036569).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Общий объем работы составляет 158 страниц машинописного текста, включая 60 рисунков, 27 таблиц. Библиография содержит 76 наименований, в том числе 15 работ автора. В приложении документы, подтверждающие внедрение результатов работы.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработана математическая модель сигнала с интермодуляционными колебаниями как сигнала с амплитудно-фазовыми искажениями.

2. Разработан вид полиэкспоненциальной аппроксимации с положительными знаками показателей степени, который в наибольшей степени отражают сущность физических процессов в нелинейном элементе. С увеличением точек аппроксимации от 7 до 10 среднеквадратическая ошибка уменьшается в 1,5.4 раза по сравнению с другими видами аппроксимаций. При этом она имеет повышенную степень приближения к реальной характеристики и существенно меньшую погрешность во всех остальных точках. Предложен матричный метод определения коэффициентов полиэкспоненциальной аппроксимации с положительными знаками показателей степени, обеспечивающий быстрый и удобный их расчет на ЭВМ.

3. Разработан метод анализа сигнала с интермодуляционными колебаниями в узкой полосе частот относительно основного колебания. Метод позволяет получить аналитическое выражение для выходного сигнала нелинейного безинерционного устройства. Предложено использовать полученный метод для любого входного сигнала, который можно представить комплексной огибающей.

4. Получены выражения для вычисления уровней спектральных составляющих каждого интермодуляционного колебания, находящегося в спектре основного сигнала при воздействии на нелинейное устройство бигармонического сигнала, что дает возможность рассчитать значение уровня отдельной интермодуляционной составляющей без расчета всего спектра сигнала.

5. Предложено использовать квадратурный усилитель мощности с автокомпенсацией амплитудно-фазовых искажений для уменьшения интермодуляционных колебаний. Анализ такого устройства при воздействии гармонического и ЧМ сигнала при одновременном воздействии гармонической помехи на нелинейности схемы показал, что уровни интермодуляционных колебаний снижаются на 1 — 50 дБ в зависимости от порядка интермодуляционных колебаний.

6. Разработано нелинейное уравнение квадратурного усилителя мощности ЧМ сигналов с автокомпенсацией интермодуляционных колебаний, позволяющее провести математическое моделирование устройства на ЭВМ. С использование полученного уравнения проведен анализ работы устройства при изменении параметров воздействующих сигналов и параметров схемы.

7. Разработаны методика расчета коэффициентов полиэкспоненциальной аппроксимации с положительными знаками показателей степени и методика расчета интермодуляционных колебаний в узкой полосе частот относительно несущей выходного сигнала квадратурного усилителя мощности ЧМ сигналов с автокомпенсацией интермодуляционных колебаний.

8. Разработаны инструментальные средства в виде математического, алгоритмического и программного обеспечения, реализованного в компьютерной математической среде MathCad 2001.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В представленной работе была рассмотрена актуальная проблема снижения побочного излучения радиопередающих устройств в сложной электромагнитной обстановке. Приведены результаты обзора причин возникновения, методов анализа и уменьшения внутриполосных интермодуляционных колебаний, уровни которых вносят наибольший вклад побочное излучение, так как занимают относительно небольшие полосы частот, и могут быть достаточно близкими по частоте к частотам основного излучения и попадать в полосу усиления сигнала.

1. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и систем / Под ред. Н.М. Царькова. - М.: Радио и связь, 1985. - 272 с.

2. Бадалов А.Л., Михайлов А.С. Нормы на параметры электромагнитной совместимости РЭС: Справочник. М.: Радио и связь, 1990. - 272 с.

3. ГОСТ 25579-86. Радиостанции с однополосной модуляцией сухопутной подвижной службы. Типы, основные параметры, технические требования и методы измерений.

4. ГОСТ 13420-79. Передатчики для магистральной радиосвязи. Основные параметры, технические требования и методы измерений.

5. ГОСТ 12252-86. Радиостанции с угловой модуляцией сухопутной подвижной службы. Типы, основные параметры. Технические требования и методы измерений.

6. Хотунцев Ю.Л. Интермодуляционные искажения в приемных и передающих СВЧ полупроводниковых устройствах (обзор)// Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1983. - Т. 26, № Ю. - С.28-37.

7. Громов М.В., Захаров А.А., Петров Г.В., Сыромятников В.П. Интермодуляционные искажения в СВЧ усилителях мощности на полевых транзисторах с барьером Шоттки // Зарубежная радиоэлектроника. 1982. - № 11. - С.11-23.

8. Гринберг Г.С., Дроздов Н.Б., Могилевская Л.Я., Хотунцев Ю.Л. Возможности уменьшения интермодуляционных искажений третьего порядка в усилителя на полевых транзисторах // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1986. - Т. 29, № 8. - С.67-69.

9. Ляпунов В.Г., Могилевская Л.Я., Хотунцев Ю.Л. Интермодуляционные искажения в СВЧ усилителях на биполярных транзисторах // Радиотехника. -1988. № 9. - С.35-36.

10. Аблин А.Н., Могилевская Л.Я., Хотунцев Ю.Л. Транзисторные и ва-ракторные устройства. Анализ и синтез / Под ред. Ю.Л. Хотунцева. М.: Радио и связь, 1995.-160 с.

11. Лисицкий А.П., Никифоров В.В. Методы уменьшения нелинейных искажений сигналов в радиопередающих трактах // Полупроводниковая электроника в технике связи / Под ред. И.Ф. Николаевского. М.: Радио и связь, 1990. -Вып. 28.

12. Дмитриенко А.Г. Развязка антенн с помощью диэлектрической пластины // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1976.- том XIX - № 2. - С.123-125.

13. Завражнов Ю.В., Трухин Н.А. Подавление нежелательных колебаний в радиопередатчике // Радиотехника. 1985. - № 10. - С.84-85.

14. Данюк Д.Л., Пилько Г.В. Предотвращение жестких переходных интермодуляционных искажений в усилительных структурах с обратными связями // Радиотехника. 1997. - №3. - С.38-41.

15. Ляпунов В.Г., Хотунцев Ю.Л. Температурная зависимость интермодуляционных искажений в СВЧ усилителях на биполярных транзисторах // Радиотехника. 1989. - № 2. - С.27-28.

16. Рычков А.К. Серия усилителей мощности ОВЧ диапазона // Техника средст связи. Сер. Техника радиосвязи. 1991.- Вып.З. - С. 125-129.

17. Пурий А.Л., Малевич А.П. Оптимизация нагрузки широкополосного усилителя диапазона ОВЧ по минимальному уровню интермодуляционных искажений третьего порядка // Техника средств связи. Сер. ТПС. 1991. - Вып. 4. -С.40-44.

18. Малевич И.Ю., Горбачев K.JI. Оптимизация интермодуляционных характеристик широкополосных согласованных усилительных трактов в базисе присоединительных параметров // Радиотехника. 1992. - № 3. - С.26-28.

19. Завражнов Ю.В., Аралов В.Т., Бурков И.А. и др. Радиопередатчик с низким уровнем нежелательных колебаний // Техника средств связи. Сер. Техника радиосвязи. Вып. 4. - 1983. - С. 83-92.

20. Аралов В.Т., Бурков И.А., Завражнов Ю.В., Пупыкин Г.А. Пути снижения шумовых излучений радиопередатчиков // Полупроводниковая электроника в технике связи / Под ред. И.Ф. Николаевского. М.: Радио и связь, 1983. -Вып. 23. С. 5-11.

21. Широкополосные радиопередающие тракты (радиочастотные тракты на полупроводниковых приборах) / О.В. Алексеев, А.А. Головков, В.В. Полевой и др./ Под ред. О.В. Алексеева. М.: Связь, 1978, 302 с.

22. Патент 5027082 США, МКИ5 Н03 F3/193. Solid state RF power amplifier having improved effeciency and reduced distortion / Wisherd David S., Burtlow Howard D., D'Anna Pablo E. (США). № 517328; Заявлено 01.05.90; Опубл. 25.06.91, НКИ 330/277.

23. Самойлов И.В. Анализ и разработка усилителей мощности на полевых транзисторах для передатчиков с ОМ. Дис. канд. техн. наук. Воронеж, 1992. - 107с.

24. Патент 2245115 Великобритания, МКИ5 G01 R 23/20, НОЗ Fl/32. Measuring distortion / Andrews Christopher John (Великобритания). № 91098988; Заявлено 28.04.87; Опубл. 18.12.91, НКИ H3W.

25. Бурков И.А., Трухин Н.А. Оценка возможности снижения некоторых видов нежелательных колебаний в широкополосных усилителях мощности ОВЧ диапазона // Радиотехника. 1984. - № 2. - С.86-89.

26. Ромашов В.В. Принцип квадратурного усиления радиосигналов с автокомпенсацией искажений / Научные труды муромских ученых. Под ред. Н.В. Чайковской. Владимир, 1999. - С. 121-123.

27. Ромашов В.В. Теория и применение усилителей радиосигналов с автоматической компенсацией амплитудно-фазовых искажений: Дис. . док. техн. наук. Муром, 1999. - 267с.

28. Радиопередающие устройства / JI.A. Белов, М.В. Благовещенский, В.М. Богачев и др.; Под ред. М.В. Благовещенского, Г.М. Уткина. М.: Радио и связь, 1982-408 с.

29. Попов П.А. Компенсационные методы и устройства нелинейного преобразования сигналов. Дис. док. техн. наук. Муром, 1984. - 469 с.

30. Курилов И.А. Устройства автокомпенсации фазовых помех на основе автоподстройки фазы. Дис. канд. техн. наук. Муром, 1985. - 263 с.

31. Афанасьев В.В. Разработка автокомпенсационных устройств ослабления амплитудных искажений в трактах формирования радиосигналов. Дис. . канд. техн. наук. Муром, 1990. - 319 с.

32. Общесоюзные нормы на ширину полосы радиочастот и внеполосные излучения радиопередатчиков гражданского назначения: Нормы 19-86 Утв. ГКРЧ СССР 02.06.86. М.: Воениздат, 1987. - 64 с.

33. Бурков И.А. Оценка требований к допустимому уровню шумового излучения связных передатчиков // Радиотехника. 1984. - № 7. - С. 34-36.

34. Шуненкова Е.А. (Жиганова Е.А.) Причины возникновения интермодуляционных колебаний в усилителях мощности радиопередающих устройств/Научные труды муромских ученых. Под ред. Н.В. Чайковской. Муром, 2001. - С.75-77.

35. Спутниковая связь и вещание: Справочник/ В.А. Бартенев, Г.В. Болотов, B.JI. Быков и др; Под ред. Л .Я. Кантора. М.: Радио и связь, 1997. - 528 с.

36. Устройства сложения и распределения мощностей ВЧ колебаний / В.В. Заенцев, В. М. Катушкина, С.Е. Лондон, З.И. Модель; Под ред. З.И. Моделя. -М.: Сов. Радио, 1980. 296 с.

37. Судаков Ю.И., Нагорный Д.Я. Мощные транзисторные LC-автогенераторы на основе фазированных усилителей мощности // Радиотехника. 1989. - №4. - С. 26-28.

38. Судаков Ю.И. Теоретический анализ энергетических соотношений в мощных кварцевых автогенераторах и генераторах на составных транзисторах // Электросвязь. 1992. - № 4. - С. 32-36.

39. Богданов А.С., Другов С.А., Судаков Ю.И. Транзисторный генератор с разделенной нагрузкой // Радиотехника. 1989. - № 2. - С. 83-85.

40. Устройства генерирования и формирования радиосигналов: Учебник для вузов / JI.A. Белов и др.; Под ред. Г.М. Уткина, В.Н. Кулешова и М.В. Благовещенского. — 2-е изд., перераб. И доп. — М.: Радио и связь, 1994. 416 с.

41. Князев А.Д. Элементы теории и практики обеспечения ЭМС РЭС. М.: Радио и связь, 1984.- 336 с.

42. Защита от радиопомех/Под ред. М.В. Максимова. М.: Сов. радио, 1976.-496 с.

43. Князев А.Д., Пчелкин В.Ф. Проблемы обеспечения совместной работы РЭА.-М.: Сов. радио, 1971, 200 с.

44. Кремер И.Я., Владимиров В.И., Карпухин В.И. Модулирующие (мультипликативные) помехи и прием радиосигналов / Под ред. И.Я. Кремера. М.: Сов. радио, 1972. -480 с.

45. Котельников В.А. Теория потенциальной помехоустойчивости. М.: Госэнергоиздат, 1956.

46. Попов П.А., Мошнина Е.Н. Принципы автокомпенсации амплитудных помех // Вопр. радиоэлектроники. Сер. ОВР. 1983. - Вып. 13. - С. 72-76.

47. Попов П.А., Мошнина Е.Н. Исследование методов автокомпенсации амплитудных искажений в радиотехнических системах с фазовой модуляцией. -В кн.: Тезисы докладов XXXIX Всесоюзной сессии, посвященной Дню радио, ч. 2 М.: Радио и связь, 1984. - С. 40-41.

48. Ценков Н.П. Исследование возможности построения комбинированной системы автоматической компенсации активных помех с раздельным управлением фазой и амплитудой компенсационного сигнала. Дис. канд. техн. наук. -Киев, 1979. 145 с.

49. Уланов Г.М. Регулирование по возмущению (компенсация возмущений и инвариантность). М. - JL: Госэнергоиздат, 1960. - 110 с.

50. Зайцев Г.Ф., Костюк В.И., Чинаев П.И. Основы автоматического управления и регулирования. 2-е изд. - Киев: Техника, 1977. - 472 с.

51. Зайцев Г.Ф. Теория автоматического управления и регулирования. -Киев: Выш. Школа, 1975. 424 с.

52. Бруевич А.Н., Евтянов С.И. Аппроксимация нелинейных характеристик и спектры при гармоническом воздействии. М.: Сов. радио, 1965. С. 28 -33.

53. Попов П.А. Нелинейное преобразование полигармонических сигналов / Учеб. пособие. Владимир: ВПИ, 1984. - 84 с.

54. Кобзарев Ю.Б. О представлении характеристики лампы степенным рядом // Журнал технической физики 1933., Т.З - №6. С. 940 - 949.

55. Попов П.А., Анучин А.Н. Использование экспоненциальной аппроксимации для гармонического анализа на ЦЭВМ // Радиотехника — 1980. Т.З5, №12-С. 34-37.

56. Попов П.А., Мошнина Е.Н. Метод анализа комбинационных колебаний нелинейной системы преобразования спектра // Радиотехника 1984.- №1 - С. 48-49.

57. Перцева О.В. Анализ возможностей использования математических моделей приборов полупроводниковой электроники для расчета преобразований спектров в безинерционных нелинейных цепях. // Вестник ВИ МВД России 1999-№2-С. 98 — 101.

58. Заездный A.M. Гармонический синтез в радиотехнике и электросвязи. -Л.: Энергия, 1971.-528 с.

59. Ромашов В.В., Шуненкова Е.А. (Жиганова Е.А.) Метод анализа интермодуляционных колебаний в усилителях мощности в узкой полосе частот/ Деп. в ВИНИТИ 27.11.01 , № 2474-В2001.

60. Борисов Ю.П. Математическое моделирование радиосистем. Учебное пособие для вузов. М.: «Советское радио», 1976. — 296 с.

61. Быков В.В. Цифровое моделирование в статистической радиотехнике. -М.: Сов. Радио, 1971. 328 с.

62. Полляк Ю.Г. Вероятностное моделирование на электронно-вычислительных машинах. М.: Сов. радио, 1971. - 400 с.

63. Тихонов В.И. Нелинейные преобразования случайных процессов. М.: Радио и связь, 1986. - 295 с.

64. Ромашов В.В., Шуненкова Е.А. Исследование интермодуляционных колебаний в квадратурных усилителях мощности/ Методы и системы передачи, приема и обработки информации.- Муром: Изд.- полиграфический центр МИ ВлГУ, 2002. С. 46-48.