автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Разработка и исследование методов уменьшения интермодуляционных искажений в усилителях мощности радиосигналов с раздельным усилением

На правах рукописи

КОРОВИН АЛЕКСЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ УМЕНЬШЕНИЯ ИНТЕРМОДУЛЯЦИОННЫХ ИСКАЖЕНИЙ В УСИЛИТЕЛЯХ МОЩНОСТИ РАДИОСИГНАЛОВ С РАЗДЕЛЬНЫМ УСИЛЕНИЕМ

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

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир 2004

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

И.Я. Орлов

кандидат технических наук, доцент В.А Ефимов

Ведущая организация: Владимирское КБ «Радиосвязь»

Защита диссертации состоится 18 июня 2004 года в 14 часов на заседании совета Д 212.025.04 Владимирского Государственного университета по адресу: 600000, Владимир, ул. Горького, 87.

Автореферат разослан 17 мая 2004 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. Существенно возросшие требования к надежности и технико-экономическим показателям радиопередающей аппаратуры на фоне постоянного роста объемов передаваемой информации и количества абонентов систем радиосвязи привели к тому, что для неискаженной передачи сигналов с различными видами модуляции и поддержания необходимых энергетических потенциалов каналов связи требуются высоколинейные передатчики все большей и большей мощности.

Применение транзисторов в радиопередающих устройствах имеет некоторые особенности. В первую очередь это относится к ограничению максимальной мощности транзисторов, обусловленному физическими свойствами, не позволяющими беспредельно увеличивать мощность ВЧ и СВЧ транзисторов. В настоящее время для достижения высоких мощностей усилителей мощности (УМ) радиосигналов широко применяется параллельная работа нескольких мощных транзисторов (нескольких УМ) на одну нагрузку. Особенно сложно обеспечить необходимую мощность в линейных усилителях мощности телевизионных передатчиков и ретрансляторов, системах связи, использующих шумо-подобные сигналы, сигналы с большой базой и в других системах, в которых передаваемый сигнал представляет собой амплитудно-фазомодули-рованное колебание (АФМК). В этом случае от УМ требуется высокая линейность амплитудной характеристики (уровень интермодуляционных составляющих -50 .. - 60 дБ). Столь высокую линейность реализуют в большинстве случаев, используя суперлинейные транзисторы, работающие в классе А. Вследствие низкого КПД такого режима работы максимальная выходная мощность суперлинейных транзисторов значительно меньше, чем у аналогичных, но предназначенных для работы в классах С, В или АВ.

В связи с этим большой интерес представляет разработка структуры линейного усилителя мощности, в котором транзисторы работают в выгодном с точки зрения КПД режиме, а усилитель в целом имеет высокую линейность амплитудной характеристики.

Существует несколько методов построения линейных УМ радиосигналов с высоким КПД. Все их можно условно разделить на две группы:

1.УМ с автоматической регулировкой режимов, в которых повышение КПД достигается за счет выбора оптимальных режимов работы активных элементов линейного усилителя. При этом их режим изменяется в соответствии с изменением параметров усиливаемого сигнала.

2. Многоканальные УМ, в которых входной сигнал преобразуется в несколько сигналов, усиливаемых отдельно и поступающих на преобразователь, восстанавливающий исходный сигнал, но на более высоком уровне мощности. Каждый из преобразованных сигналов имеет такую форму и частотный диапазон, которые позволяют применять для их усиления усилители с высоким КПД. При этом после восстановления выходной сигнал имеет малый уровень нелинейных искажений.

| ' 0ССИБл"штЛЛЬНЛЯ

Эти методы нашли свое применение в основном в узкополосных однока-нальных системах связи с ЛИ! и ОБП. Их использование при построении линейных УМ сигналов с амплитудно-фазовой модуляцией наталкивается на определенные трудности, связанные с увеличением ширины полосы усиливаемого сигнала и предъявлением более жестких требований к линейности.

Таким образом, существует актуальная проблема - разработка методов построения линейных УМ с низким уровнем интермодуляционных искажений и высоким КПД для усиления сигналов с амплитудно-фазовой модуляцией.

Большой вклад в развитие этого направления внесли Артым А.Д., Шах-гильдян В.В., Завражнов Ю.В., Соатов Х.С., Розов В.М. и многие другие авторы. По вопросам построения линейных УМ с высоким КПД и их оптимизации имеются многочисленные научные публикации как зарубежных, так и отечественных авторов. Большая их часть посвящена проработке метода раздельного усиления, позволяющего получить как высокие энергетические характеристики, так и высокую линейность УМ. Однако практически во всех работах линейные усилители с высоким КПД рассматриваются с точки зрения усиления однополосных сигналов и сигналов с амплитудной модуляцией. Причем в обоих случаях передаваемым сообщением является речевой или телеграфный сигнал. В УМ с раздельным усилением при прочих равных условиях увеличение полосы усиливаемого сигнала приводит к существенному возрастанию интермодуляционных искажений.

В научных публикациях вопросы, связанные с определением характеристик амплитудно-фазомодулированных сигналов и влиянием их на уровень интермодуляционных искажений, применением известных УМ с раздельным усилением для усиления других видов сигналов, отражены недостаточно или не рассматриваются.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является разработка методов уменьшения интермодуляционных искажений амплитудно-фазо-модулированных сигналов в усилителях мощности с раздельным усилением. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести обзор методов построения линейных усилителей мощности, в том числе и усилителей мощности с раздельным усилением, а также примененных в них способов получения низкого уровня интермодуляционных искажений при сохранении высокого КПД.

2. Исследовать влияние вида амплитудно-фазомодулированного сигнала на свойства его огибающей амплитуды и фазомодулированной составляющей с точки зрения уровня интермодуляционных колебаний при усилении в усилителе мощности с раздельным усилением.

3. Разработать методы снижения интермодуляционных искажений в УМ с раздельным усилением.

4. Разработать схемы УМ с раздельным усилением с малыми интермодуляционными искажениями амплитудно-фазомодулированных колебаний.

5. Определить влияние параметров узлов предложенных УМ на уровень интермодуляционных искажений амплитудно-фазомодулированных колебаний.

6. Экспериментально проверить теоретические исследования.

Методы исследования. В работе использовались операторный метод, методы комплексных амплитуд, теории автоматического управления, статистической радиотехники, математического моделирования, экспериментального исследования.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

• для уменьшения величины интермодуляционных колебаний предложен метод получения идентичных частотных характеристик каналов усилителя мощности с раздельным усилением, основанный на применении системы ФАПЧ с мощным автогенератором;

• разработан метод уменьшения интермодуляционных колебаний в усилителе мощности с раздельным усилением, основанный на изменении фазы выходного сигнала на за счет работы канала усиления огибающей амплитуды;

• разработан метод уменьшения интермодуляционных колебаний в усилителе мощности с раздельным усилением, основанный на использовании линейных частотных преобразований сигналов;

• исследовано влияние вида амплитудно-фазомодулированного сигнала на свойства его огибающей амплитуды и фазомодулированной составляющей при усилении в усилителе мощности с раздельным усилением. Получено выражение для однозначного определения фазы произвольного амплитудно-фазо-модулированного сигнала;

• разработаны усилители мощности радиосигналов с раздельным усилением на основе предложенных методов, позволяющие снизить уровни интермодуляционных искажений до -50.. - 60 дБ, и исследованы их характеристики.

Практическая значимость полученных в работе результатов заключается в следующем:

• разработан усилитель мощности с раздельным усилением с мощным автогенератором с уровнем интермодуляционных колебаний -50 дБ;

• разработан усилитель мощности с раздельным усилением на основе мощного автогенератора с балансным модулятором, имеющий уровень интермодуляционных колебаний - 60 дБ;

• применение в усилителях мощности с раздельным усилением линейных частотных преобразователей позволило уменьшить уровень интермодуляционных колебаний на 6-25 дБ в зависимости от вида усиливаемого сигнала;

• предложенные математические модели амплитудно-фазомодули-рованного колебания позволяют упростить анализ усилителей мощности с раздельным усилением для различных усиливаемых сигналов.

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

1. НТК "Повышение помехоустойчивости систем технических средств охраны". Воронеж, 1995.

2. НТК «Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем». Пенза, 1996.

3. НТК «Перспективные технологии в средствах передачи информации». Гаврилов-Посад: Институт оценки земли, 1997.

4. XXIV, XXVI Гагаринские чтения. Москва, 1998, 2000.

5. НТК студентов и аспирантов вузов России «Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве». Москва, 1998.

6. НТК «Перспективные технологии в передаче информации - ПТСПИ-99». Владимир, 1999г.

7. НТК муромского института ВлГУ. 1999 - 2002.

Публикации по теме диссертации. По материалам, изложенным в диссертации, опубликовано 22 работы, включая 10 статей, 11 тезисов докладов, 1 авторское свидетельство на полезную модель.

Результаты внедрения. Математические модели АФМК и усилителей мощности с раздельным усилением, а также методики моделирования в пакетах программ DesignLab, Matcad и Microwave Office внедрены в учебном процессе в Муромском институте (филиале) ВлГУ.

Разработанные методы уменьшения интермодуляционных искажений в УМ с раздельным усилением и созданные на их основе функциональные схемы были использованы при выполнении хоздоговорных (с Муромским заводом радиоизмерительных приборов и ООО «Радиотех»), госбюджетных НИР:

• «Исследование методов улучшения тактико-технических характеристик обзорной маловысотной РЛС за счет снижения УБЛ, стабилизации энергетического потенциала и автоматической компенсации помех» (2002-2003 гг., № 2817/02);

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

• «Исследование методов построения и схем усилителя низкой частоты с ШИМ, работающего на емкостную нагрузку и методов уменьшения его электромагнитного излучения» (2003-2004 гг. № 2946/03).

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Объем диссертации составляет 153 страницы машинописного текста, включая 72 рисунка, 1 таблицу, список литературы из 78 наименований, включая 22 работы автора, в том числе 1 свидетельство на полезную модель.

Основные результаты и научные положения, выносимые на защиту:

• результаты анализа свойств огибающей амплитуды и фазомодулирован-ной составляющей амплитудно-фазомодулированного сигнала при усилении в усилителе мощности с раздельным усилением;

• методы уменьшения интермодуляционных колебаний в усилителях мощности с раздельным усилением;

• схемы усилителей мощности радиосигналов с раздельным усилением, основанные на предложенных методах, и результаты их анализа;

• экспериментальное подтверждение теоретических выводов и результатов математического моделирования на макетах реальных устройств.

Краткое содержание работы Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулирована цель работы и основные задачи, показана практическая значимость и реализация результатов работы, перечислены новые результаты и положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор методов построения линейных усилителей мощности, в том числе и усилителей мощности с раздельным усилением, а также примененных в них способов получения низкого уровня интермодуляционных искажений при сохранении высокого КПД. Составлена декомпозиция методов построения линейных усилителей мощности с высоким КПД (рисунок 1). Делается вывод, что для усиления амплитудно-фазомодулированных колебаний (АФМК) с точки зрения реализуемости узлов наиболее оптимальным является усилитель мощности с раздельным усилением.

Рисунок 1

Однако непосредственное использование принципов построения УМ с раздельным усилением, разработанных для использования в передатчиках с однополосной модуляцией, при синтезе УМ амплитудно-фазомодулированного сигнала (шумоподобных сигналов и сигналов с большой базой) наталкивается на определенные трудности. В первую очередь это связано с широким спектром огибающей амплитуды и фазомодулированной составляющей сигнала.

Для выработки требований, предъявляемых к УМ с раздельным усилением, и определения их качественных показателей в случае усиления произвольного АФМК проведен анализ таких сигналов, определены частотные характеристики огибающей амплитуды и фазы АФМК.

Математическая модель АФМК строится на представлении его в виде аналитического сигнала S(t) = S(t) + jS(t), где S(t) — сопряженный по Гильберту с S(t) сигнал. Огибающая амплитуды

Предложено полную фазу такого сигнала представлять в виде

t

T(t) = -SIGN[s(t)S(t)]--SIGN[§(t)^rctg—, или 4>(t)= j±i!<!

2 2 S(t) J g

S'(t)S(t)-S'(t)S(t)

0

S2(t) + S2(t)

<Jt-

Последнее выражение может быть использовано только при непрерывной функции ЧЧО- Использование такого описания фазы позволяет решить проблему ее неоднозначного определения.

Спектры огибающей амплитуды и фазы ф(1) = Ч,(1)-«о1 детерминированных АФМК находятся по их известным функциям времени с использованием преобразования Фурье.

В случае узкополосного случайного сигнала спектральная плотность огибающей амплитуды Бд (со) и фазы 5ф(ю) может быть найдена через корреляционные функции

= + (т) + -^-Го(т) + ---, - корреляционные функции узкополос-

ного случайного сигнала с равномерным спектром, его огибающей амплитуды и фазы, соответственно.

Получено выражение для несущей частоты узкополосного случайного

АФМК с равномерным спектром coq =

2 2 ¡ан +сонюв +(а в

-10

-20 -30 -40

А.

L

1/

к:

А

N

= 5

чл

Л

W1

Сл>чайнь

N=2

.....1

VN':

исигнал

-20

-40

-60

с л у 'луча! N ¡ный = 5 ¡Mrnaj N =

1/ / Г /* WI ........./ <

И 1 h w

о

I

(o/Q

о

1

2 3 б)

ю/а

2 3 4 а)

Рисунок 2

На рисунке 2 показаны огибающие спектров фазы cp(t) (а) и огибающей амплитуды A(t) (б) в случае бигармонического сигнала (число гармонических колебаний N=2), многочастотного (N=5) и случайного узкополосного сигнала с полосой П.

Из рисунка 2 следует, что ширина спектров огибающей амплитуды и фазы в несколько раз превосходит полосу частот П, занимаемую АФМК. При увеличении количества гармонических колебаний N, входящих в сигнал S(t), спектры огибающей амплитуды и фазы сужаются, и основная часть их энергии концентрируется в низкочастотной области.

Сделаны следующие выводы:

• вследствие широкой полосы спектров огибающей амплитуды и фазы, а следовательно, и фазомодулированной составляющей, интермодуляционные искажения в усилителе мощности с раздельным усилением возникают в основном из-за частотных искажений в каналах усилителя и из-за различия их ФЧХ;

• расширение спектра огибающей амплитуды и фазомодулированной составляющей происходит вследствие того, что во временной области входной сигнал представляет биения, и огибающая амплитуды имеет изломы. В эти же моменты фаза входного сигнала быстро меняет свое значение на величину, близкую к

• чем меньшее число гармонических колебаний образует входной сигнал УМ, тем ярче выражены изломы огибающей амплитуды и тем шире ее спектр и спектр фазомодулированной составляющей;

• огибающая амплитуды и фазомодулированная составляющая имеют самую широкую полосу частот в случае, когда входной сигнал имеет" равномерную спектральную плотность в некоторой полосе и нулевую вне этой полосы.

На основе этих выводов разработаны два метода, позволяющие уменьшить полосы спектров огибающей амплитуды и фазы:

1) скачки фазы на Л представляются как изменения полярности мгновенного значения входного сигнала. Тогда можно синтезировать УМ с раздельным усилением, в котором резкое изменение фазы входного сигнала на п отрабатывается не в тракте усиления фазомодулированной составляющей, а в тракте усиления огибающей амплитуды;

2) в случае равномерного спектра входного сигнала на входе УМ необходимо включить линейный частотный корректор, изменяющий форму спектральной плотности входного сигнала, а на выход УМ добавить линейный частотный корректор, производящий обратную коррекцию.

На основе анализа полученных результатов предложены три метода уменьшения интермодуляционных искажений в УМ с раздельным усилением, предназначенных для усиления АФМК, которые отображены на рисунке 3.

Во второй главе для уменьшения величины интермодуляционных колебаний разработан метод получения идентичных частотных характеристик каналов усилителя мощности с раздельным усилением, основанный на применении системы ФАПЧ с мощным автогенератором (МАГ). Разработана схема усилителя мощности с раздельным усилением с использованием мощного автогенератора (рисунок 4).

Разработана математическая модель такого усилителя мощности. Показано, что в случае, когда амплитудные и фазочастотные характеристики всех узлов усилителя мощности линейные, а амплитудночастотные - линейные горизонтальные, усилитель мощности с раздельным усилением на мощном генераторе, охваченным петлей ФАПЧ, является абсолютно линейным устройством с коэффициентом передачи

где Кд, Кр и т - модули коэффициентов передач и время задержки каналов усиления огибающей амплитуды и фазомодулированной составляющей, соответственно, «о — несущая частота входного сигнала.

Рисунок 4

Показано, что применение системы ФАПЧ и введение в канал усиления огибающей амплитуды обратной связи по огибающей позволяет получить идентичные фазочастотные характеристики каналов усиления огибающей амплитуды и фазомодулированной составляющей. Принимая во внимание тот факт, что оба канала усиления должны быть широкополосными, в целях обеспечения устойчивости ставится условие, чтобы канал усиления огибающей амплитуды и система ФАПЧ являлись инерционными звеньями второго порядка. При этом частотные коэффициенты передач

1 +j(l)•m^ -Т)_

К<р0со) = -

1

-со2Тс-Т1+]со(Тс+тгТ1)

где К<р^со) И Кл^ю) - коэффициенты передачи системы ФАПЧ и канала усиления огибающей амплитуды, соответственно, Тс- постоянная времени системы ФАПЧ, Т] И 1Т1] - параметры ФНЧ системы ФАПЧ,

- параметры ФНЧ 2-го порядка канала усиления огибающей

амплитуды,

- коэффициент усиления канала огибающей амплитуды на низкой частоте без ОС,

Зд- коэффициент передачи цепи ОС по огибающей амплитуды. Для получения идентичных фазочастотных свойств каналов необходимо выполнение условий

Выполнение условий идентичности фазочастотных характеристик канала усиления огибающей амплитуды и фазомодулированной составляющей позволяет полностью устранить интермодуляционные искажения, вызванные их различием.

Показано, что увеличение полосы пропускания каналов в 2 раза приводит к уменьшению уровня интермодуляционных колебаний в выходном сигнале усилителя на 12 - 16 дБ. Отмечается, что максимальный уровень имеют комбинационные составляющие с частотами, близкими к значениям ±0.7 -СОсц (О

нормированная относительно полосы входного сигнала верхняя

частота полосы пропускания каналов) от центральной частоты усиливаемого сигнала С0Ц (рисунок 5).

Для анализа влияния амплитудно-фазовой конверсии в амплитудных ограничителях и амплитудном модуляторе на уровень интермодуляционных искажений составлены эквивалентные схемы каналов усилителя. Амплитудно-фазовая конверсия в ограничителях приводит к возникновению интермодуляционных колебаний с уровнем -26 дБ до -50 дБ, пропорциональных разности амплитуд сигналов в обоих ограничителях.

Коэффициент передачи разностной паразитной фазовой модуляции в амплитудных ограничителях на выход системы ФАПЧ

Показано, что применение системы ФАПЧ позволяет практически полностью устранить последствия амплитудно-фазовой конверсии в амплитудном модуляторе.

Показано, что для малой величины интермодуляционных искажений необходимо, чтобы линейный участок характеристики фазового детектора составлял 2 ТС. При этом уровень интермодуляционных колебаний на 15-20 дБ ниже, чем в случае применения детектора с характеристикой

Составлена эквивалентная схема и дифференциальное уравнение системы ФАПЧ, позволяющие учесть неидеальность характеристик амплитудных ограничителей. Уровень интермодуляционных составляющих линейно уменьшается при увеличении уровня ограничения D до некоторого порогового значения и составляет от - 27 дБ до - 67 дБ. Увеличение полосы пропускания петли ФАПЧ и канала огибающей приводит к заметному уменьшению величины интермодуляционных искажений, возникающих из-за неидеальных характеристик ограничителей (рисунок 6).

В третьей главе исследован метод уменьшения интермодуляционных искажений основанный на изменении фазы выходного сигнала на за счет работы канала усиления огибающей амплитуды и разработан усилитель мощности с раздельным усилением с балансным модулятором БМ (авторское свидетельство на полезную модель № 11421, рисунок 7).

В усилителе выполняются следующие фазовые соотношения: - фаза выходного сигнала УМ ^вычУмО)= ^вхУМ + Уош С^) + тг/2, где - остаточная фазовая ошибка системы

л/2 - фазовый сдвиг, вносимый системой ФАПЧ. - фазы опорных сигналов синхронных амплитудных детекторов и

САД2 принимают значения:

0П2 1ч'выхУм(1) + я'

где Ц/уфв(0 = _Ч'ошО)- т/2 - сдвиг фазы в управляемом фазовращателе УФВ.

В разработанном усилителе мощности уровень интермодуляционных искажений, вызванных ограничением полосы пропускания каналов огибающей амплитуды и фазомодулированной составляющей, составляет около - 60 дБ. и, дБ и, дБ

•1 1 1 ^

- — ^ УМ с АМ-

1 \ УМсБМ

а) шсн=12

5, дБ' 0

-20

#

I

|,1' до

Рисунок 8

5, дБ-0

—'<----

\ УМ с АМ ^ УМ с БМ

J_1_

10 И

б) шс„=3

.1,1 лн

-20

К

-40ЫШ1 Нант, -40ЖШ МЙ

90 95 100 105 Г. МГц 90 95 100 105 £ МГц УМсБМ УМ САМ

Рисунок 9

В предложенном усилителе по сравнению с известными из литературы усилителями мощности с раздельным усилением с AM уровень интермодуляционных искажений уменьшается на 20 - 40 дБ при многочастотном детерминированном сигнале (рисунок 8) и на 3 - 6 дБ при случайном узкополосном сигнале (рисунок 9)

Показано, что в усилителе мощности с раздельным усилением с балансным модулятором канал усиления огибающей амплитуды может не пропускать постоянную составляющую. При этом, в отличие от других схем усилителей мощности не происходит значительного увеличения интермодуляционных искажений. Этот эффект позволяет существенно упростить требования, предъявляемые к каналу усиления огибающей амплитуды. Отпадает необходимость с высокой точностью поддерживать нулевой уровень сигнала, облегчается синтез амплитудного модулятора, так как отсутствие постоянной составляющей в модулирующем сигнале позволит применить трансформаторы, а также использовать схемы с автомодуляцией.

В четвертой главе проведено исследование влияний линейных частотных преобразований на характеристики огибающей амплитуды и фазомодули-рованной составляющей амплитудно-фазомодулированного сигнала. Указывается, что самым неблагоприятным с точки зрения уровня интермодуляционных колебаний является узкополосный сигнал с равномерным спектром. Предложено для уменьшения полосы спектра огибающей амплитуды и фазы применять частотное корректирование с помощью линейных частотных корректоров (ЛЧК) в усилителях мощности с раздельным усилением (рисунок 10), которое позволяет сформировать сигнал с явно выраженным максимумом спектральной плотности (рисунок 11).

Проведен синтез линейных частотных корректоров для двухканального усилителя мощности с раздельным усилением (рисунок 12) на основе направленных ответвителей и линии задержки.

Частотный коэффициент передачи с входа на Выход 1 и Выход 2

Показано, что применение двух идентичных корректоров на входе и выходе усилителя мощности не вносит частотных искажений.

Разработана схема двухканального усилителя мощности с линейными частотными корректорами (рисунок 13).

-

НО 2_| лз М НО УМ1

3 4 3 УМ2

2 г-п 2

НО но

3 3

-

-О

1

Рисунок 13

Б, дБ -30

-50

-70

-90

^зЛЧК

.____ __с ЛЧЬ

Д А : /V! * ' » 1 \ V ' АД--, \ * А Л мДи л А '"' 'А/\ ¥

-20

-10

10 (И-о „)/П

Рисунок 14

Показана возможность синтеза корректоров с полосой пропускания 15-20 % от центральной частоты. Получено, что применение синтезированных линейных частотных корректоров позволяет

уменьшить полосу частот огибающей амплитуды и фазы в 3-5 раз, что снижает уровень интермодуляционных колеба ний на 25-30 дБ (рисунок 14).

В пятой главе проведен выбор схемотехнических решений амплитудного модулятора, амплитудных детекторов, амплитудных ограничителей. Путем экспериментального исследования получены их характеристики.

Синтезирована схема мощного автогенератора. Показано, что для работы на частотах более 50 МГц использовать в нем составные транзисторы нецелесообразно. Для управления частотой генератора предложено использовать синтезированный реактивный элемент на СВЧ полевом транзисторе с двумя затворами. При выходной мощности 6 Вт на частоте 100 МГц коэффициент полезного действия автогенератора составил 55 %, диапазон перестройки частоты -12.5 МГц, максимальная частота модулирующего сигнала МАГ 8.5 МГц.

В качестве фазового детектора предложена схема на основе двойного балансного перемножителя с делителями частоты на входах. Линейный участок детекторной характеристики ФД составил 320°.

Используя характеристики узлов, полученные экспериментальным путем, проведено моделирование усилителя мощности. Найдены его энергетические характеристики и частотные свойства. При выходной мощности в пике оги-

бающей 50 Вт КПД усилителя составил 55 %. Ширина полосы пропускания каналов усилителя равна 7 МГц

Проведено сравнение характеристик разработанного усилителя мощности с раздельным усилением на МАГ с характеристиками известных схем усилителей мощности (таблица 1). По сравнению с линейным усилителем мощности класса А разработанный УМ имеет почти в 3 раза лучший КПД, но на 18 дБ больший уровень интермодуляционных колебаний. Если предпринять дополнительные меры по улучшению линейности амплитудных детекторов, уровень интермодуляционных колебаний УМ снижается до минус 50 дБ.

Таблица 1

Тип усилителя Потребляемая мощность, Вт Рвых, Вт кпд, % ИМК, дБ Полоса сигнала (а/со0), %

УМ с раздельным усилением 85 50 60 -30 0.36

линейный УМ класса АВ М57727 (Mitsubishi) 90 30 35 -30 5.5

линейный УМ класса А THV15-V2 (RFGain) 80 15 20 -52 5

УМ с раздельным усилением с МАГ 90 50 55 -34 4

УМ с раздельным усилением с МАГ с идеальными АД 90 50 55 -50 1

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

для уменьшения величины интермодуляционных колебаний предложен метод получения идентичных частотных характеристик каналов усилителя мощности с раздельным усилением, основанный на применении системы ФАПЧ с мощным автогенератором. На его основе разработана схема усилителя мощности и его математическая модель. Получены условия идентичности фа-зочастотных характеристик канала усиления огибающей амплитуды и фазомо-дулированной составляющей, что позволило устранить интермодуляционные искажения, вызванные их различием;

разработан метод уменьшения интермодуляционных колебаний в усилителе мощности с раздельным усилением, основанный на изменении фазы выходного сигнала на за счет работы канала усиления огибающей амплитуды. Синтезирована схема усилителя, использующего данный метод. Получено, что в предложенном усилителе по сравнению с известными схемами усилителей мощности с раздельным усилением с амплитудным модулятором уровень интермодуляционных искажений уменьшается на 20 дБ;

проведено исследование влияний линейных частотных преобразований на характеристики огибающей амплитуды и фазомодулированной составляющей амплитудно-фазомодулированного сигнала. Разработаны метод уменьше-

ния интермодуляционных колебаний и схема двухканального усилителя мощности, в основе которых лежит применение линейных частотных преобразований амплитудно-фазомодулированных колебаний. Произведен синтез линейных частотных корректоров. Получено, что их применение уменьшает уровень интермодуляционных искажений на 25 - 30 дБ;

" исследовано влияние вида амплитудно-фазомодулированного сигнала на свойства его огибающей амплитуды и фазомодулированной составляющей при усилении в усилителе мощности с раздельным усилением. Получено выражение для однозначного определения фазы произвольного амплитудно-фазомоду-лированного сигнала;

• получены выражения и построены зависимости, позволяющие определить влияние характеристик функциональных узлов разработанных усилителей мощности на уровень интермодуляционных колебаний в них. Показано, что увеличение полосы пропускания каналов в 2 раза приводит к уменьшению уровня ИМК на 12 - 16 дБ. Применение системы ФАПЧ позволяет практически полностью устранить влияние амплитудно-фазовой конверсии в амплитудном модуляторе на ИМК;

• разработан и изготовлен образец усилителя мощности с раздельным усилением на мощном автогенераторе ОВЧ диапазона с выходной мощностью в пике огибающей 50 Вт, КПД 55 % и с уровнем интермодуляционных колебаний минус 50 дБ.

Основное содержание диссертации отображено в следующих публикациях:

1. Ромашов В.В., Коровин А.Н., Ивушкин М.Ю. Линейные усилители мощности многочастотных сигналов // Системы, методы обработки и анализа данных: / Под ред. С.С.Садыкова. - Ташкент: НПО "Кибернетика" АН РУз, 1997. -С. 163-166.

2. Ромашов В.В., Коровин А.Н. Линейный усилитель мощности на основе мощного автогенератора // Научные достижения муромских ученых: / Под ред. Н.В.Чайковской. - Владимир, 1997.-С. 177-181.

3. Ромашов В.В., Коровин А.Н., Дедов А.И. Высокоэффективные линейные высокочастотные усилители мощности // Вестник ВВШ МВД России. - Воронеж: Изд-во Воронеж, высш. школы МВД России - 1998. - № 2. - С. 74-78.

4. Ромашов В.В., Коровин А.Н. Влияние амплитудно-фазовой конверсии в элементах ФАПЧ на работу усилителя с раздельным усилением // Обработка и анализ данных: / Отв. ред. С.С. Садыков, Р.С. Садуллаев. - Ташкент: НПО "Кибернетика" АН РУз, 1998. - С. 172-177.

5. Ромашов В.В., Коровин А.Н. Усилитель мощности с раздельным усилением на основе мощного автогенератора с балансным модулятором // Радиотехника, телевидение и связь: / Межвуз. Сб. науч. тр. посвященный 110-летию В.К. Зворыкина.- Муром, 1999. - С. 72-76

6. Ромашов В.В., Коровин А.Н. Применение мощных автогенераторов на составных транзисторах в радиоохранных устройствах // НТК "Повышение по-

мехоустойчивости систем технических средств охраны".- Воронеж, 1995. -С.42-43.

7. Афанасьев В.В., Ромашов В.В., Коровин А.Н. Моделирование формирующих каналов автокомпенсационных систем // Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: Сб. докл. науч. конф. Ч.1 / Под ред. A.M. Тартаковского, А.В. Блинова. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. техн. ун-та, 1996. - С. 142-144.

8. Афанасьев В.В., Ромашов В.В., Коровин А.Н. Моделирование мощных ВЧ автогенераторов с помощью пакета PSPICE // Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: Сб. докл. науч. конф. Ч.1 / Под ред. A.M. Тартаковского, А.В. Блинова. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. техн. ун-та, 1996. - С. 144-145.

9. Ромашов В.В., Коровин А.Н., Шульпин О.В. Оптимизация структуры усилителя с ШИМ при низковольтном питании // Перспективные технологии в средствах передачи информации: Материалы конф. // Под ред. А.Г.Самойлова. -Гаврилов-Посад: Институт оценки земли, 1997. -С.236-237.

10. Ромашов В.В., Коровин А.Н. Пути повышения КПД линейных усилителей мощности // Перспективные технологии в средствах передачи информации: Материалы конф. // Под ред. А.Г.Самойлова. - Гаврилов-Посад: Институт оценки земли, 1997. - С 237-240.

И.Ромашов В.В., Коровин А.Н., Шульпин О.В. Особенности построения усилителей с ШИМ // XXIV Гагаринские чтения: Тез. докл. Всероссийской молодежной науч. конф. - М.: МГАТУ, 1998. - С. 85.

12. Коровин А.Н. Повышение линейности усилителей мощности с раздельным усилением: Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве // НТК студентов и аспирантов вузов России Т.1 - М.: Изд-во МЭИ, 1998. - С. 4748.

13. Ромашов В.В., Коровин А.Н. Линейный усилитель мощности с раздельным усилением и идентичными ФЧХ каналов // XXIV Гагаринские чтения: Тез. докл. Всероссийской молодежной науч. конф. - М.: МГАТУ, 1998. - С. 86.

14. Ромашов В.В., Коровин А.Н. Математическое описание суммы канальных сигналов при ЧРК / Тр. XXXIII науч. конф. Муром, ин-та ВлГУ. - Владимир, 1999.-С. 56-58.

15. Ромашов В.В., Коровин А.Н. Оценка параметров радиосигнала при раздельном усилении его составляющих // Научные труды муромских ученых: Материалы XXXIV науч. техн. конф. преподавателей, сотрудников и аспирантов Муром, ин-та ВлГУ / Под ред. Н.В.Чайковской. - Муром, 2000. - С. 193-195.

16. Коровин А.Н., Кузнецов В. В., Ромашов В. В., Шульпин О.В. Система голосового радиооповещения // Перспективные технологии в передаче информации: Материалы науч. техн. конф. - Владимир, 1999г. С. 48-49.

17. Коровин А.Н., Маслов А.В., Ромашов В.В. Синтез широкополосных амплитудных модуляторов для усилителей мощности радиосигналов с раздельным усилением // XXVI Гагаринские чтения: Тез. докл. Всероссийской молодежной науч. конф. - М.: МГАТУ, 2000. - С. 73.

18. Коровин А.Н., Морозов А.А., Ромашов В.В. Применение частотных преобразователей в усилителях мощности с раздельным усилением для уменьшения ИМИ // XXVI Гагаринские чтения: Тез. докл. Всероссийской молодежной науч. конф. - М.: МГАТУ, 2000. - С. 74.

19. Ромашов В.В., Коровин А.Н. Влияние характеристики фазового детектора системы фапч на работу усилителей мощности с раздельным усилением // Научные труды муромских ученых: Материалы XXXV науч. техн. Конф. Преподавателей, сотрудников и аспирантов Муром, ин-та ВлГУ. / Под ред. Н.В.Чайковской. - Муром, 2001. - С. 77-79.

20. Коровин А.Н. Синтез линейных частотных корректоров для усилителей мощности с раздельным усилением // Методы и устройства передачи и обработки информации: Межвуз. сб. науч. тр. / Под ред. В.В. Ромашова. - СПб.: Гидрометеоиздат, 2001. - С. 45-46.

21. Коровин А.Н., Морозов А.А., Ромашов В.В. Применение линейных частотных корректоров в усилителях мощности с раздельным усилением // Методы и устройства передачи и обработки информации: Межвуз. сб. науч. тр. / Под ред. В.В. Ромашова. - СПб.: Гидрометеоиздат, 2001. - С. 47-49.

22. Ромашов В.В., Коровин А.Н. Линейный усилитель мощности с раздельным усилением. Свидетельство на полезную модель № 11421, 1999.

Подписано в печать 12.05.2004. Формат 60x84/16 Бумага для множит. Техники. Гарнитура Тайме. Усл. печ.л. 1,1. Уч. изд. Л. 1.,16. Тираж 100 экз.

Муромский институт (филиал) Владимирского Государственного университета Адрес: 602264, Владимирская область, г. Муром, ул. Орловская, 23

»1010$

ВВЕДЕНИЕ.

1. МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ РАДИОСИГНАЛОВ.

1.1 Обзор методов построения линейных усилителей мощности с высоким КПД.

1.2 Усилители мощности с раздельным усилением.

1.3 Особенности применения усилителей с раздельным усилением в качестве усилителей мощности амплитудно-фазомодулированного колебания.

1.4 Математическое описание амплитудно-фазомодулированного колебания.

1.4.1 Математическая модель амплитудно-фазомодулированного колебания, образованного суммой гармонических колебаний.

1.4.2 Особенности математического описания фазы амплитуднофазомодулированного колебания.

1.4.5 Влияние параметров сигнала на спектр его амплитуды и фазы

1.5 Анализ методов уменьшения полосы спектра огибающей амплитуды и фазы.

1.6 Постановка задач исследования.

2. УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ С РАЗДЕЛЬНЫМ УСИЛЕНИЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОЩНЫХ АВТОГЕНЕРАТОРОВ.

2.1 Принцип работы усилителя мощности с раздельным усилением на основе мощного автогенератора.

2.2 Исследование влияния фазочастотных характеристик каналов усилителя на уровень интермодуляционных искажений.

2.3 Определение зависимости уровня интермодуляционных колебаний от полосы пропускания каналов.

2.4 Анализ влияния аплитудно-фазовой конверсии в звеньях усилителя мощности на уровень интермодуляционных искажений.

2.5 Анализ работы системы фазовой автоподстройки частоты с реальной характеристикой фазового детектора.

2.6 Определение влияния неидеальности амплитудных характеристик ограничителей на линейность УМ.

2.7 Сравнительная оценка параметров усилителей мощности с раздельным усилением.

2.8 Выводы.

3. УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ С РАЗДЕЛЬНЫМ УСИЛЕНИЕМ НА ОСНОВЕ МОЩНОГО АВТОГЕНЕРАТОРА С БАЛАНСНЫМ МОДУЛЯТОРОМ.

3.1 Принцип работы усилителя мощности с раздельным усилением на основе мощного автогенератора с балансным модулятором.

3.2 Анализ интермодуляционных искажений в усилителе мощности с балансным модулятором.

3.3 Анализ работы усилителя мощности с балансным модулятором с

ФВЧ в канапе усиления огибающей амплитуды.

3.4 Определение уровня интермодуляционных колебаний в усилителе мощности с балансным модулятором при усилении узкополосного случайного сигнала.

3.5 Выводы.

4. ПРИМЕНЕНИЕ ЛИНЕЙНЫХ ЧАСТОТНЫХ КОРРЕКТОРОВ В

УСИЛИТЕЛЯХ МОЩНОСТИ С РАЗДЕЛЬНЫМ УСИЛЕНИЕМ.

4.1 Исследование влияния линейных частотных преобразований на характеристики огибающей амплитуды и фазомодулированной составляющей амплитудо-фазомодулированного сигнала.

4.2 Синтез линейных частотных корректоров.

4.3 Двухканальный линейный усилитель мощности.

4.3.1 Частотные свойства неидеальных линейных частотных корректоров.

4.3.2 Анализ эффективности применения JJ4K в деухканалъных усилителях мощности.

4.4 Выводы.

5. ЭКС ПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ С РАЗДЕЛЬНЫМ УСИЛЕНИЕМ С

ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОЩНЫХ АВТОГЕНЕРАТОРОВ.

5.1 Постановка задач исследований.

5.2 Выбор схемотехнических решений функциональных узлов усилителей мощности с раздельным усилением с использованием мощных автогенераторов.

5.2.1 Амплитудный модулятор.

5.2.2 Мощный автогенератор.

5.2.3 Амплитудные и фазовый детекторы.

5.2.4 Амплитудные ограничители.

5.3 Математическое моделирование усилителя мощности с раздельным усилением на основе мощного автогенератора.

5.4 Сравнительная оценка параметров усилителей мощности.

5.5 Выводы.

В последние годы существенно возросли требования к надежности и технико-экономическим показателям радиопередающей аппаратуры. Наблюдается тенденция постоянного роста объемов передаваемой информации и количества абонентов систем радиосвязи. Увеличение информационных потоков приводит к тому, что для поддержания необходимых энергетических потенциалов каналов связи требуются передатчики все большей и большей мощности. Кроме этого разработано большое количество различных видов модуляции, требующих высокой линейности от радиочастотных усилителей мощности.

При создании передатчиков для систем радиосвязи в основном используется твердотельная элементная база [1]. Применение транзисторов в радиопередающих устройствах имеют некоторые особенности. В первую очередь это относится к ограничению максимальной мощности транзисторов, обусловленному физическими свойствами, не позволяющими беспредельно увеличивать мощность ВЧ и СВЧ транзисторов. Три основных фактора ограничивают мощность полупроводникового прибора: максимально допустимое значение напряженности электрического поля в полупроводнике, максимальная дрейфовая скорость движения носителей заряда в твердом теле и максимально допустимая температура полупроводниковой структуры и связанная с этим проблема отвода тепла от прибора. Развитие планарно-эпитаксиальной технологии и создание на ее основе СВЧ многоэмиттерных биполярных и многоканальных полевых транзисторов позволило приблизиться к теоретическому пределу максимальной мощности полупроводникового прибора. Однако даже при размещении в одном корпусе несколько транзисторных структур и специальных согласующих цепей, выполненных по интегральной технологии, мощность транзисторов в непрерывном режиме не будет превышать 100 Вт на частоте 1 ГГц и 10 Вт на частоте 10 ГГц. На более низких частотах эта мощность может быть увеличена до 200-300Вт [2].

В настоящее время для достижения более высоких мощностей усилителей мощности (УМ) радиосигналов широко применяется параллельная работа нескольких мощных транзисторов (нескольких УМ) на одну нагрузку. В некоторых случаях число параллельных каскадов может быть достаточно большим, что усложняет схему передатчика. Особенно сложно обеспечить необходимую мощность в линейных усилителях мощности для базовых станций сотовых систем связи, телевизионных передатчиков и ретрансляторов с одновременным усилением сигналов изображения и звука, системах связи, использующих шу-моподобные сигналы, сигналы с большой базой и в других системах, в которых передаваемый сигнал представляет собой амплитудно-фазомодулированное колебание (АФМК). В этом случае от УМ требуется высокая линейность амплитудной характеристики (уровень интермодуляционных составляющих -50. -60 дБ). Столь высокую линейность реализуют в большинстве случаев, используя суперлинейные ВЧ и СВЧ транзисторы, работающие в классе А. Вследствие низкого КПД такого режима работы максимальная выходная мощность суперлинейных транзисторов значительно меньше, чем у аналогичных, но предназначенных для работы в классах С, В или АВ. Так, например, разработанные Воронежским НИИ электронной техники (НИИЭТ) суперлинейные СВЧ транзисторы имеют максимальную мощность в пике огибающей до 50 Вт (прибор КТ9173А), а линейные транзисторы, работающие в классе АВ позволяют получить максимальную выходную мощность в непрерывном режиме до 300 Вт (прибор КТ9174А) [3], [4].

В связи с этим большой интерес представляет разработка структуры линейного усилителя мощности, в котором транзисторы работают в выгодном с точки зрения КПД режиме, а усилитель в целом имеет высокую линейность амплитудной характеристики.

Существует несколько методов построения линейных УМ радиосигналов с высоким КПД. Все их можно условно разделить на две группы:

КУМ с автоматической регулировкой режимов, в которых повышение КПД достигается за счет выбора оптимальных режимов работы активных элементов линейного усилителя. При этом их режим изменяется в соответствии с изменением параметров усиливаемого сигнала.

2. Многоканальные УМ, в которых входной сигнал преобразуется в несколько сигналов, усиливаемых отдельно и поступающих на преобразователь, восстанавливающий исходный сигнал, но на более высоком уровне мощности. Каждый из преобразованных сигналов имеет такую форму и частотный диапазон, которые позволяют применять для их усиления усилители с высоким КПД. При этом после восстановления выходной сигнал будет иметь малый уровень нелинейных искажений.

Все эти методы достаточно хорошо изучены и нашли свое применение в основном в узкополосных одноканальных системах связи с АМ и ОБП [14]. Их использование при построении линейных УМ сигналов с амплитудно-фазовой модуляцией, применяемых в многоканальных системах связи, систем связи с шумоподобными сигналами, сигналами с большой базой, телевизионных передатчиков и ретрансляторов и др., наталкивается на определенные трудности, связанные с увеличением ширины полосы усиливаемого сигнала и предъявлением более жестких требований к линейности.

Таким образом, существует актуальная проблема - разработка методов построения линейных УМ с низким уровнем интермодуляционных искажений и высоким КПД для усиления сигналов с амплитудно-фазовой модуляцией.

Большой вклад в развитие этого направления внесли Артым А.Д., Шах-гильдян В.В., Завражнов Ю.В., Соатов Х.С., Розов В.М. и многие другие авторы. По вопросам построения линейных УМ с высоким КПД, их оптимизации и практического использования имеются многочисленные научные публикации как зарубежных, так и отечественных авторов. Большая их часть посвящена проработке метода раздельного усиления, как наиболее перспективного и позволяющего получить как высокие энергетические характеристики, так и высокую линейность УМ [1], [15], [26]. Однако практически во всех работах линейные усилители с высоким КПД рассматриваются с точки зрения усиления однополосных сигналов и сигналов с амплитудной модуляцией. Причем в обоих случаях передаваемым сообщением является речевой или телеграфный сигнал, то есть ширина спектра усиливаемого сигнала составляет не более 10 кГц. В научных публикациях мало отражены или вообще отсутствуют:

-вопросы, связанные с определением характеристик амплитудно-фазомодулированных сигналов и их особенностями,

-рекомендации о возможности применения известных схем линейных УМ с высоким КПД для усиления амплитудно-фазомодулированных сигналов

-данные о характеристиках УМ при усилении амплитудно-фазомодулированных сигналов.

Поэтому целью работы является разработка методов уменьшения интермодуляционных искажений амплитудно-фазомодулированных сигналов в усилителях мощности с раздельным усилением. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести обзор методов построения линейных усилителей мощности, в том числе и усилителей мощности с раздельным усилением, а также примененных в них способов получения низкого уровня интермодуляционных искажений при сохранении высокого КПД.

2. Исследовать влияние вида амплитудно-фазомодулированного сигнала на свойства его огибающей амплитуды и фазомодулированной составляющей с точки зрения уровня интермодуляционных колебаний при усилении в усилителе мощности с раздельным усилением.

3. Разработать методы снижения интермодуляционных искажений в УМ с раздельным усилением.

4. Разработать схемы УМ с раздельным усилением с малыми интермодуляционными искажениями амплитудно-фазомодулированных колебаний.

5. Определить влияние параметров узлов предложенных УМ на уровень интермодуляционных искажений амплитудно-фазомодулированных колебаний.

6. Экспериментально проверить теоретические исследования.

Методы исследования. В работе использовались операторный метод, методы комплексных амплитуд, теории автоматического управления, статистической радиотехники, математического моделирования, экспериментального исследования.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

• для уменьшения величины интермодуляционных колебаний предложен метод получения идентичных частотных характеристик каналов усилителя мощности с раздельным усилением, основанный на применении системы ФАПЧ с мощным автогенератором;

• разработан метод уменьшения интермодуляционных колебаний в усилителе мощности с раздельным усилением, основанный на изменении фазы выходного сигнала на я за счет работы канала усиления огибающей амплитуды.

• разработан метод уменьшения интермодуляционных колебаний в усилителе мощности с раздельным усилением, основанный на использовании линейных частотных преобразований сигналов;

• исследовано влияние вида амплитудно-фазомодулированного сигнала на свойства его огибающей амплитуды и фазомодулированной составляющей при усилении в усилителе мощности с раздельным усилением. Получено выражение для однозначного определения фазы произвольного амплитудно-фазомодулированного сигнала;

• разработаны усилители мощности радиосигналов с раздельным усилением на основе предложенных методов, позволяющие снизить уровни интермодуляционных искажений, и исследованы их характеристики.

Практическая значимость полученных в работе результатов заключается в следующем:

• разработан усилитель мощности с раздельным усилением с мощным автогенератором с уровнем интермодуляционных колебаний -50 дБ;

• разработан усилитель мощности с раздельным усилением на основе мощного автогенератора с балансным модулятором, имеющий уровень интермодуляционных колебаний -60 дБ;

• предложенные математические модели амплитудно-фазомодулированного колебания позволяют упростить анализ усилителей мощности с раздельным усилением для различных усиливаемых сигналов;

• применение в усилителях мощности с раздельным усилением линейных частотных преобразователей позволило уменьшить уровень интермодуляционных колебаний на 6-30 дБ в зависимости от вида усиливаемого сигнала.

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

1. Научно-техническая конференция "Повышение помехоустойчивости систем технических средств охраны". Воронеж, 1995.

2. Научно-техническая конференция "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем". Пенза,

1996.

3. Научно-техническая конференция «Перспективные технологии в средствах передачи информации». Гаврилов-Посад: Институт оценки земли,

1997.

4. XXIV, XXVI Гагаринские чтения. Москва, 1998, 2000.

5. Научно-техническая конференция Студентов и аспирантов вузов России «Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве». Москва, 1998.

6. НТК "Перспективные технологии в передаче информации -ПТСПИ-99". Владимир, 1999г.

7. Научно-техническая конференция Муромского института ВлГУ. 1999 - 2002.

Публикации по теме диссертации. По материалам, изложенным в диссертации, опубликовано 22 работы, включая 10 статей, 11 тезисов докладов, 1 авторское свидетельство на полезную модель.

Результаты внедрения. Математические модели АФМК и усилителей мощности с раздельным усилением, а также методики моделирования в пакетах программ DesignLab, Matcad и Microwave Office внедрены в учебном процессе в Муромском институте ВлГУ.

Разработанные методы уменьшения интермодуляционных искажений в УМ с раздельным усилением и созданные на их основе функциональные схемы были использованы при выполнении хоздоговорной (с Муромским заводом радиоизмерительных приборов и ООО «Радиотех»), госбюджетных НИР:

• «Исследование методов улучшения тактико-технических характеристик обзорной маловысотной PJ1C за счет снижения УБЛ, стабилизации энергетического потенциала и автоматической компенсации помех» (2002-2003 г., №2817/02);

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

• «Исследование методов построения и схем усилителя низкой частоты с ШИМ, работающего на емкостную нагрузку и методов уменьшения его электромагнитного излучения» (2003-2004 гг. №2946/03)

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Объем диссертации составляет 153 страницы машинописного текста, включая 72 рисунка, 1 таблицу, список литературы из 78 наименований, включая 22 работы автора, в том числе 1 свидетельство на полезную модель.

Основные результаты диссертационной работы: для уменьшения величины интермодуляционных колебаний предложен метод получения идентичных частотных характеристик каналов усилителя мощности с раздельным усилением, основанный на применении системы ФАПЧ с мощным автогенератором. На его основе разработана схема усилителя мощности и его математическая модель. Получены условия идентичности фа-зочастотных характеристик канала усиления огибающей амплитуды и фазомо-дулированной составляющей, что позволило устранить интермодуляционные искажения, вызванные их различием; разработан метод уменьшения интермодуляционных колебаний в усилителе мощности с раздельным усилением, основанный на изменении фазы выходного сигнала на % за счет работы канала усиления огибающей амплитуды. Синтезирована схема усилителя, использующего данный метод. Получено, что в предложенном усилителе по сравнению с известными схемами усилителей мощности с раздельным усилением с амплитудным модулятором уровень интермодуляционных искажений уменьшается на 20 дБ; проведено исследование влияний линейных частотных преобразований на характеристики огибающей амплитуды и фазомодулированной составляющей амплитудно-фазомодулированного сигнала. Разработаны метод уменьшения интермодуляционных колебаний и схема двухканального усилителя мощности, в основе которых лежит применение линейных частотных преобразований амплитудно-фазомодулированных колебаний. Произведен синтез линейных частотных корректоров. Получено, что их применение уменьшает уровень интермодуляционных искажений на 25 - 30 дБ; исследовано влияние вида амплитудно-фазомодулированного сигнала на свойства его огибающей амплитуды и фазомодулированной составляющей при усилении в усилителе мощности с раздельным усилением. Получено выражение для однозначного определения фазы произвольного амплитудно-фазомодулированного сигнала; получены выражения и построены зависимости, позволяющие определить влияние характеристик функциональных узлов разработанных усилителей мощности на уровень интермодуляционных колебаний в них. Показано, что увеличение полосы пропускания каналов в 2 раза приводит к уменьшению уровня ИМК на 12 - 16 дБ. Применение системы ФАПЧ позволяет практически полностью устранить влияние амплитудно-фазовой конверсии в амплитудном модуляторе на ИМК; разработан и изготовлен образец усилителя мощности с раздельным усилением на мощном автогенераторе ОВЧ диапазона с выходной мощностью в пике огибающей 50 Вт, КПД 55% и с уровнем интермодуляционных колебаний минус 50 дБ;

Результаты диссертационной работы нашли применение в промышленности и учебном процессе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации проведен обзор методов построения линейных усилителей мощности. Составлена декомпозиция методов построения линейных усилителей мощности с высоким КПД. Исследовано влияние вида амплитудно-фазомодулированного сигнала на свойства его огибающей амплитуды и фазо-модулированной составляющей. Составлена декомпозиция методов повышения линейности усилителей мощности с раздельным усилением. На ее основе разработано три схемы усилителей мощности с раздельным усилением.

Разработанные математические модели синтезированных усилителей мощности с раздельным усилением позволили оптимизировать параметры их функциональных узлов по минимуму интермодуляционных искажений. Предложенные усилители имеют уровни интермодуляционных колебаний -50. -бОдБ, что сравнимо с уровнями интермодуляционных колебаний в линейных усилителях мощности класса А. При этом КПД разработанных усилителей в 2.7 раза превосходит КПД усилителей класса А.

1. Завражнов Ю.В., Аралов В.Т., Волков А.Н. Современное состояние, тенденции и перспективы развития усилителей мощности радиопередающих устройств // Техника средств связи, 1978, вып. 7, с. 3-21.

2. Полупроводниковая электроника в технике связи: Сб. статей. Вып. 25/ Под ред. И.Ф.Николаевского. — М.: Радио и связь, 1985. 248 е., ил.

3. Асессоров В., Кожевников В., Косой А. Научный поиск российских инженеров. Тенденция развития мощных СВЧ транзисторов. Радио, 1994, № 6, с. 2, 3.

4. Асессоров В., Кожевников В., Косой А. Новые транзисторы СВЧ. Радио, 1996, №5, с. 57, 58.

5. Розов В.М. К теории мощного усиления многоканальных сигналов в передатчиках ОБП.- Электросвязь, 1969, №1.

6. Бочаров М.И. Новожилов О.П. Синтезированные нелинейные реактивные элементы и их применение. Радиотехника, 1986, №5.

7. Котляров В.М. Линейный каскодный усилитель мощности диапазона 1.5.60 МГц. М.: Радиотехника, 1995, №1-2, с.114-115.

8. Линейный передатчик. Заявка 334709 Япония, MKU НОЗ F1/02. Заявлен 30.06.89.; опубл. 14.02.91.

9. Многоканальный усилитель мощности. Есин С.В., Каганов В.И., Пирхавка

10. A.П. А.с.1401558, СССР. Опубл. в Б.И. 1988.

11. Многоканальный усилитель мощности (10В70П, 1988). Есин С.В., Каганов

12. B.И., Пирхавка А.П. Опубл. в Б.И. 1988.

13. Верзунов М.В., Лобанов И.В., Семенов А.Н. Однополосная модуляция. М.: Связьиздат, 1962 - 300с.

14. Левин Б.Р. Теория случайных процессов и ее применение в радиотехнике. -М: Советское радио, I960.- 664с.

15. Шахгильдян В.В., Розов В.М., Козырев В.Б. Методы построения усилителей однополосных транзисторных радиопередатчиков. Электросвязь, 1976, №Ю.

16. Соатов Х.С. Нелинейные искажения при раздельном усилении составляющих однополостного сигнала. М.: Электросвязь, 1985, №6 - с.57-60.

17. Новиков Г. В., Тенякшев А.Н. Оценка искажений в усилителях с раздельным усилением составляющих однополосного сигнала// Радиотехника, 1978, №6, с. 33-38.

18. Повышение эффективности мощных радиопередающих устройств/А.Д. Артым, А.Е. Бахмутский, Е.В. Козин и др.; Под ред. устройств/А.Д. Артыма. М.: Радио и связь, 1987. - 176 е.: ил.

19. Козырев В.Б., Харитонов A.B. Выходной каскад НЧ тракта системы раздельного усиления составляющих однополосно модулированного сигнала // Радиотехника, 1978, №10, с. 30-35.

20. Каганов В.И., Голицин М.В., Табаков A.B. Уменьшение нелинейных искажений и расчет спектра сложного сигнала транзисторного усилителя// Радиотехника, 1983, №5, с. 36-39.

21. Шахгильдян В.В., Ляховкин A.A. Системы фазовой автоподстройки частоты. M.: Связь, 1992, - 448 с.

22. Крылов Г.Н., Пруслин В.З. Амплитудно-фазовая конверсия. М.: Связь, 1979,-256с.

23. Судаков Ю.И. Амплитудная модуляция и автомодуляция транзисторных генераторов. М.: Энергия, 1968, - 392 с.

24. Есин C.B., Каганов В.И. Усилитель. A.c. 12904474, СССР, Заявл. 08.04.85. №3881372/24-09, опубл. в Б.И. 1987, №6 МКИ НОЗ F1/02.26.'Генякшев A.M. Исследование показателей транзисторных передатчиков с раздельным усилением. Дис. канд. техн. наук. М., 1975.

25. Розов В.М., Кузьмин В.Ф. Использование схемы Догери в однополосных передатчиках. «Электросвязь», 1971, №4.

26. Завражнов Ю.В., Аралов В.Т. Мощный автогенератор на полевом транзисторе // Электросвязь, 1982, №6, с. 42-44.

27. ВЧ-усилитель. Заявка 1225207 Япония МКИ НОЗ С1/00. Заявл. 04.03.88. опубл. 08.09.89.

28. Высокоэффективный линейный усилитель мощности. High effeciency UHF linear power amplifier. Пат. 5105164 США, МКИ НОЗ Fl/26, НОЗ Cl/06, НКИ 330/149, 1993.

29. Бочаров М.И., Новожилов О.П. Фазовые модуляторы на синтезированных нелинейных реактивных элементов // Радиотехника, 1988, №1, с. 19-22.

30. Каганов В.И., Рыжонков И.А. Высокоэффективный режим работы ВЧ усилителя мощности класс Е // Зарубежная радиоэлектроника, 1988.

31. Лондон С.Е., Танашевич C.B. Многоканальный усилитель мощности. A.c. 1224962, СССР, Заявл.02.01.84., №3684573/24-09, опубл. в Б.И. 1986, №14 МКИ НОЗ M 7/46.

32. Каганов В.И., Замурцев С.Н. Определение фазовых характеристик высокочастотного усилителя // Радиотехника, 1986, №1, с. 34-37.

33. Каганов В.И. Линеаризация свойств нелинейного устройства // Радиотехника, 1987, №1, с. 34-37.

34. Каганов В.И., Кулаков С.Т., Есин C.B., Замурцев С.Н. Балансный усилитель мощности. A.c. 1252914, СССР. Заявл. 24.12.84. №3828391/24-09. Опубл. в Б.И. 1986, №31 МКИ НОЗ F3/60.

35. Усовершенствование ОС в линейном усилителе мощности. Пат 4591800. Заявл. 01.10.84., №656552 опубл. 27.05.86. МКИ НОЗ F1/35 НКИ 330/86.

36. Розов В.М., Тараненко А.Д., Ермистов В.В. Измерения и контроль в однополосном радиооборудовании. М., «Связь», 1974

37. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1989. - 656 е.: ил.

38. Полосковые линии и устройства сверхвысоких частот./Под ред. В.М. Седых. Харьков: Высшая школа, 1974. - 276 с.

39. Бочаров М.И., Новожилов О.П. Амплитудный модулятор на синтезированных нелинейных реактивных элементах.// Радиотехника, 1988, №5.

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

41. Berman L., Cheillan J. Dispositif amplificateur de puissance a'rendement ame'liore/ Фран. пат. НОЗК, №1586550, февраль 1970.

42. Транзисторные генераторы гармонических колебаний в ключевом режиме/В.Б. Козырев, В.Г. Лаврушенков, П.П. Леонов и др.; Под ред. И.А. Попова. М.: Радио и связь, 1985. - 192 е., ил.

43. Асессоров В., Асессоров А., Кожевников В., Матвеев С. Линейные СВЧ транзисторы для усилителей мощности. Радио, 1998, № 3, с. 49-51.

44. Ромашов В.В. Теория и применение усилителей радиосигналов с автоматической компенсацией амплитудно-фазовых искажений. Дис. доктора техн. наук. М., 1999

45. Дьяконов В.П. Системы компьютерной алгебры Derive. Самоучитель и руководство пользователя.- СК Пресс, 1998, 256 с.

46. Ред Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике: Схемы, блоки, 50-омная техника: Пер. с нем.-М.: 1990.-256 с.

47. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования и проектирования печатных плат Design Center (PSpice). M.: СК Пресс, 1996. - 272 е., ил.

48. Радиоэлектронные компоненты Mitsubish. Версия 1.1: ДОДЭКА, 1999.

49. Motorola: Электронные компоненты (техническая документация). Версия 1.0: ДОДЭКА, 1998.

50. Кибакин В.М. Основы теории и расчета транзисторных низкочастотных усилителей мощности. М.: Радио и связь, 1988 г. - 240 с.