автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Разработка широкополосных трансформаторных устройств сложения мощности для передатчиков ВЧ и ОВЧ диапазонов

л£нинградскии электротехнический институт связи им. проф. М. А. бонч-бруевича

РАЗРАБОТКА ШИРОКОПОЛОСНЫХ ТРАНСФОРМАТОРНЫХ УСТРОЙСТВ СЛОЖЕНИЯ МОЩНОСТИ ДЛЯ ПЕРЕДАТЧИКОВ ВЧ И ОВЧ ДИАПАЗОНОВ

Специальность: 05.12.17 — Радиотехнические и телевизионные системы и устройства

На правах рукописи

УДК 621.372.62

КОРОТИН Владимир Евгеньевич

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ЛЕНИНГРАД г-Ш4—-

Работа выполнена и Ленинградском электротехническом институте связи им. проф. М. А. Бонч-Бруевича.

Научный руководитель — доктор технических наук,

профессор С. В. ТОМАШЕВИЧ.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор В. Д. ДМИТРИКОВ,

кандидат технических наук, с. н. с. В. В. ОБРОВЕЦ.

Ведущее предприятие указано в решении совета.

Защита состоится . 1991 г.

па заседании специализированного совета К 118.01.01 при Ленинградском электротехническом институте связи имени профессора М. А. Бонч-Бруевича по адресу: 191065, Ленинград, наб. реки Мойки, д. 61, в . . . час.

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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан » .... 1991 г.

^ Ученый секретарь специализированного совета к. т. н„ доцент

В. X. ХАРИТОНОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Дальнейшее развитие и совершенствование систем передачи информации и аппаратуры для ряда властей физических исследований испытывает потребность в ысокоэффективных передатчиках и мощных усилителях ВЧ, ОВЧ [иапазонов, которые обладали бы:

широкой полосой рабочих частот,

возможностью быстрой перестройки в широком частотном 1иапазоне,

высоким уровнем выходной мощности при КПД, сравнимом с юлучаемым в узкополосных передатчиках, возможностью унификации узлов.

Выполнение этих требований основывается на реализации двух енденций современной техники генерации и усиления высокочастотных олебаний: транзисторизации оборудования и применения [ирокополосных неперестраиваемых усилителей.

Эти же тенденции в конечном счете служат созданию нтегрированных радиопередающих устройств, объединяющих несколько адиочастотных трактов в общую многополюсную систему адиопередающий комплекс, и в наибольшей степени проявляются в остроении усилительных трактов таких систем по блочно-модулъному ринципу. Необходимой составной частью радиопередающих комплексов многомодульных передатчиков, определяющей принцип их построения, еальную осуществимость и основные показатели, являются устройства ложения и распределения мощности, а также согласования мпедансов. В работах О.В. Алексеева, Г.Г.Чавки, С.ЕЛондона, .В.Томашевича и других было установлено, что наиболее овершенными мостовыми устройствами для работы в ВЧ и ОВЧ иапазонах являются устройства, построенные на основе ирокополосных трансформаторов с обмотками, выполненными в виде ногопроводных линий передачи.

К настоящему времени в СССР и за рубежом накоплен начительный опыт по разработке таких устройств. Однако озможности их совершенствования далеко не исчерпаны. При этом озникает ряд проблем, связанных с определением предельных свойств хем сложения мощности и трансформации импедансов, решение которых аправлено на увеличение широкополосности устройств, повышение ровня рабочей мощности, получение произвольных коэффициентов рансформации, а тем самым и на удешевление конструкций и

сокращение габаритов.

Целью настоящей ра 6 о т ы | являете; развитие методов структурно-параметрического синтеза I совершенствование устройств сложения (распределения) мощности н< основе параметричаской оптимизации по частотным свойства» составляющих их цепей; разработка методов конструктивного расчет! и определение конструктивных параметров многопроводных лини] передачи, входящих в состав устройств сложения мощности.

Задачи работы

1. Развитие методов структурно-параметрического синтез: ■рансформаторных сумматоров мощности и их элементной базы широкополосных трансформаторов на линиях, которые позволяли 61 анализировать предельные свойства указанных устройств 1 целенаправленно формировать предельные характеристики.

2. Анализ и синтез трансформаторов и трансформаторны: сумматоров на линиях, а также устройств-на их основе; спределени предельных характеристик этих устройств, нахоуя^^; благодар. этому оптимальных схемных решений, исследование У,\ствнтельност! их характеристик к изменению параметров схемы.

3. Анализ работы систем сложения мощности большого числ; идентичных генераторов и разработка сумматоров с улучшенным; полосовыми свойствами для одноступенчатых и многоступенчатых (. суммированием по двоичному принципу) систем.

4. Развитие методов конструктивного расчета многопроводны; линий передачи, используемых б ' разрабатываемых устройствах оптимизация их параметров.

5. Разработка методики коррекции частотных характеристи трансформаторных сумматоров на линиях средствами широкополосног согласования.

6. Практическая реализация и анализ результатов испытани разработанных устройств для передатчиков ВЧ, ОВЧ диапазонов.

Методы исследования, в работе использован! методы исследования, базирующиеся на теории линейных электрически: цепей, в частности, теории широкополосного согласования, раздело теории функций комплексного переменного и матричного исчислени при широком применении численных математических методе моделирования с привлечением ЭВМ в качестве инструмент исследования. Результаты теоретического анализа подтвержден! соответствующими экспериментами.

Научная новизна работы

1. Разработан метод оптимизации цепей на элементах о аспределенными параметрами, основанный на сопряжении полиномов ислителей и знаменателей их импедансных функций и тем самым ридания последним постоянства в заданном / диапазоне частот. С омощью этого метода установлены предельные свойства используемых а практике устройств сложения мощности и трансформации опротивлений, а также обоснован подход к оптимизации частотных арактеристик сумматоров, отвечающих разнообразным техническим ребованиям, и трансформаторов на неоднородных линиях о роизвольными коэффициентами передачи, который состоит в частичном обусловленном ограничениями, накладываемыми на варьируемые араметрьО сопряжении полиномов импедансных функций.

2. Получены математические выражения для количественной ценки действующих коэффициентов отражения на входах ногоканальных сумматоров при их рассогласовании с нагрузкой и заимно разбалансированными генераторами, и установлена ависимость импедансных функций многоканальных устройств сложения распределения) мощности от конфигураций цепей генераторов и азвязывающих резисторов Снагрузок).

3. Разработана обобщенная функциональная схема сумматоров [ощности; обладающих поворотной симметрией относительно енераторных входов, и на еэ основе предложен способ коррекции астотных характеристик таких устройств включением в цепь нагрузки ли развязывающую цепь звеньев широкополосных согласующих стройств, а также адаптирована методика расчета последних к строяствам на линиях передачи

4. Получены рекуррентные соотношения для анализа и араметрической оптимизации двухканальных трансформаторных умматоров с разным количеством витков обмоток на. основе редставлеьия их схем замещения регулярным соединением 1естиполюсников.

Практическая ценность работ ы

1. На основе предельных решений с помощью разработанных рограмм оптимизации 'по методу сопряжения полиномов импедансных |ункций получены оптимальные параметры устройств сложения мощности Ч, ОВЧ диапазонов, позволяющие расширить рабочую полосу частот до есятков МГц, достичь простоты их конструкции, создать предпосылки повышению эксплуатационной надежности, полученные результаты

использованы ' при практическом проектировании четырехканальь сумматоров с полосой рабочих частот от зо МГц до 100 МГц суммарной мощностью до 20...зо кВт.

2. Предложен способ снижения коэффициента отражения от вхо сумматора на этапе настройки антенного согласующего устройства многомодульном радиопередатчике.

, 3. Разработаны методы проектирования полосо: трансформаторов на неоднородных линиях с произвольн коэффициентами трансформации, основывающиеся на целенаправлен изменении параметров трансформаторов с целочисленн

коэффициентами передачи.

4.. Проведена коррекция характеристик четырахканалы сумматора включением в развязывающую цепь широкополое согласующих звеньев, рассчитанных, по предложенному в ра способу.

S. Разработана методика конструктивного расчета устройств трехпроводных линиях, совпадающих по конструкции с двухпровод! связанными линиями, что позволило создать широкополс симметрирующее устройство без магнитопровода для мое передатчика ВЧ диапазона.

Р. еалиэация результатов работы

Диссертация является составной частью ■ на} исследовательских работ, проводимых кафедрой ' "Радиопереда устройства" Ленинградского электротехнического института < имени проф.М.А.Бонч-Бруевича. Основные научные положения, вьи рекомендации, алгоритмы анализа рассмотренных в работе использовались на предприятиях при проектировании широкополс устройств сложения мощности, а также при разра дифференциального трансформатора двухтактного УРУ симметрирующэго устройства мощного передатчика ВЧ диапазона.

Годовой экономический эффект от внедрения результатов р составляет 37,б тыс .рублей.

Апробация р а б о т ы. Основные поло диссертационной работы и полученные результаты докладывалисъ международной конференции "Телевизионная техника - 89" (г.с Болгария), Всесоюзных научно-технических семи?

"Автоматизированная аппаратура дкм радиосвязи" Сг .Москва íeeer., "Автоколебательные системы и усилители в радиотехни» устройствах" (г.Рязань) в 1987г., Всесоюзной школе молодых у

'Автоматизированные системы декаметровой радиосвязи" (г.Самара) в 938г., республиканских научно-технических семинарах в '.Севастополе: "Опыт разработки перспективных транзисторных усилителей мощности" - в сентябре 1986г., "Проблемы и перспективы тостроения широкополосных усилителей в системах передачи и обработки информации"- в августе 3.988г., "Разработка методов и устройств, обеспечивающих электромагнитную совместимость радиоэлектронных средств"- в ноябре 1988г., "Технические средства обеспечения электромагнитной совместимости морской подвижной :лужбы связи"- в апреле 1980г., а также на научно-технических ■сонференциях профессорско-преподавательского состава ЛЭИС в 19S7, 1988 гг.

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации нашли отражение в 2-х статьях, опубликованных в журнале "Техника средств связи" и Сборнике научных трудов учебных институтов связи, 2-х авторских свидетельств на изобретения, в тезисах докладов на всесоюзном научно-техническом семинаре и Международной конференции, в "Методических указаниях по расчету радиопередающих устройств".

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы и приложений. Основной текст содержит 146 машинописных страниц, 36' стр. иллюстраций, 6 таблиц. Список литературы включает lis наименований. Общий объем - ISO страниц.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Предельные свойства - полное согласование и развязка входов при снятом ограничении на электрическую длину линий устройств сложения мощности и трансформации сопротивлений, обладающих структурами цепей нулевого затухания, устанавливаются сопряжением полиномов числителей и знаменателей их импедансных функций посредством решения уравнений, которые задают требуемую пропорциональность коэффициентов указанных полиномов.

2. При реализации разнообразных дополнительных технических требований, предьявляемых на практике к устройствам сложения мощности, наибольшая ширскополосность их частотных характеристик достигается выравниванием максимально возможного числа младших коэффициентов полиномов числителей и знаменателей соответствующих импедансных функций.

3. В рамках принятых схем замещения, учитывающие распространение колебаний противофазного типа, реализаци* предельных и оптимальных характеристик устройств сложения мощносп возможна как увеличением количества пар полюсов развязывающей цепи, так и введением дополнительных связанных проводников I составляющие их фидерные линии. При этом различив конфигураци» цепей развязывающих резисторов и генераторов позволяв-сформировать требуемые для полного согласования и развязки входо! многоканальных сумматоров импедансные функции парциальных цепей замещающих схему сумматора при анализе его по методу многофазной возбуждения. д параметрическая оптимизация этих цепей ■ конструктивный расчет устройств в случае использования в и: составе трехпроводных линий передачи могут быть выполнены н< основе известных методик конструктивного расчета двухпроводны: связанных линий, аналогичных по конструкции трехпроводным, | учетом установленной в работе взаимосвязи их волновы: сопротивлений при синфазном и противофазном возбуждении связанны: проводников с волновыми параметрами трехпроводных линий.

4. Полосовые трансформаторы с произвольными коэффициентам: передачи, используемые в качестве элементной базы трансформаторны: сумматоров мощности, реализуемы на неоднородных линиях и; трансформирующих структур, которые обладают целочисленным: коэффициентами трансформации. Для этого достаточно обеспечит равную требуемому коэффициенту трансформации пропорциональност всех, кроме свободных членов, коэффициентов полиномов числителя знаменателя функции входного сопротивления трансформатора.

5. коррекция частотных характеристик трансформаторны: устройств на линиях передачи достигается включением в цеп развязывающих резисторов или в цепь нагрузки звенье широкополосных согласующих устройств.

6. Рассогласование, вносимое в тракт многомодульног передатчика многоканальным сумматором мощности, определяется ег рассогласованием с нагрузкор и генераторами, а также их взаимно разбалансировкой. Оно может быть снижено на этапе настройк антенного согласующего устпойства уменьшением числа складываемы усилительных блоков и шунтированием их выходов номинальными дл входа сумматора нагрузками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность т'ем;

диссертационной работы, перечислены новые научные результаты, полученные в настоящем исследовании, приведены основные научные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе освещено состояние

проблемы. Проводится анализ перспективных направлений развития радиопередатчиков ВЧ и ОВЧ диапазонов, а также применяемых при их построении устройств сложения мощности высокочастотных .колебаний. Показано, что широкополосные устройства сложения мощности различного функционального назначения являются важнейшими элементами как отдельных радиочастотных трактов, так и радиопередающих комплексов. Они позволяют создавать качественно новую аппаратуру, отвечающую современным и перспективным требованиям.

Рассматриваются общие характеристики широкополосных трансформаторных устройств сложения мощности, метод их анализа и синтеза. Отмечается, что расширение рабочей полосы частот этого класса устройств связано с использованием в качестве элементного базиса для входящих в их состав трансформаторов многопроводных линий передачи. Предельно достижимые параметры широкополосных трансформаторных устройств суммирования мощности (по аналогии с трансформаторами) определены как сочетание нулевого рассогласования на входах и полной развязки между ними, связанных с распространением всех колебаний противофазной моды передачи, и минимальных напряжений на проводниках линий, обусловленных синфазной модой передачи. На основе анализа электромагнитных процессов в многопроводных линиях передачи сделан вывод о возможности решения задачи синтеза устройств без учета синфазной моды колебаний, что позволяет формализовать принципы построения широкополосных трансформаторных устройств сложения . мощности. Учитывая симматри(о рассматриваемого класса устройств, для их анализа был принят метод, заключающийся в изучении характеристик схемы при возбуждении ее напряжениями, соответствующими собственным векторам [И]'1" матрицы рассеяния [Б] сумматора мощности. Если совокупность N источников (по одному на каждом из входов) составляет вектор [о]'1", при воздействии которого всю схему' можно разделить на N идентичных парциальных цепей с коэффициентами отражения Б<и\ то система уравнений [Ь]»[Б] [а], связывающая векторы [а] и [Ь], соответственно падающих и отраженных волн, принимает вид [Ь]«[Б] [С]<1"=Б<1,> [О]'1", где б"" называется к-м (и=1,2,3,...,Ю собственным значением матрицы СБ] и

ему соответствует собственный вектор [О]'1", по физическому смысл являющийся комплексным коэффициентом отражения, одинаковым дх всех входов многополюсника. Таким образом, анализируемь многополюсник распадается на ряд независимых парциальных схем, чп существенно упрощает анализ. В заключение раздела в развернутс виде формулируются задачи диссертационной работы.

во втором разделе излагаются общ!

направления повышения эффективности устройств и систем слозкеш (распределения) мощности, которая выражается в таких показателя: как низкий уровень вносимого рассогласования и широкая поло( рабочих частот. Определены подходы к структурному параметрическому синтезу устройств сложения, распределения передачи мощности, а также функциональной организации сист! сложения (распределения) мощности, которые на этапе проектирован создают предпосылки к повышению их эффективности.

Исследуется проблема повышения надежности транзисторн! радиопередатчиков блочно-модульной организации на этапе настрой антенно-согласуюиего устройства (АнСУ). Анализ рабе

многоканального сумматора мощности, обладающего матрицей рассеян [3. .), в условиях рассогласования о нагрузкой (характеризуем коэффициентом отражения Гн ) и взаимно разбалансированны генераторами, описываемых падающими от них волнами в согласована а. , ако и рассогласованном а^, а^ режимах работы, а так коэффициентами отражения г , Гк позволил установить действуем коэффициенты отражения для каждого из складываемых усилитальн модулей с идентичными параметрами:

(а. /а. 1G . . +(G. . G. . -G. Gir. +G.

LO ко vk кi iк i к l' к

Г

ВХк

1-r.G.+(а /а, )Г, G. , il Ю ко к ik

и любого из них при разбалансировке его режима по отношению остальным:

г.х1

(а, /а )G . + (G . G, -G G, )Г, +G * ко Ю ki ki ik i к к i

1-Г G + (а /а. )Г. G к к ко ю l ki

В этих выражениях обозначено:

G = S . + S. Г S . , G. = s.+srs.

i ii lH н hi vk ik lH и Ki

G = -S, * S S. Г S , G. ■ -5. »\s, Г S ,

к ik , L кн И Hk ki ii , L кн и Ш

к = 1 к = 1

На основании разработанной модели предложен способ снижения действующего коэффициента отражения от входов сумматора в многомодульном передатчике на этапе настройки АнСУ. Он состоит в запирании по высокой частоте или отключении от входов сумматора части модулей, вместо которых подключаются номинальные нагрузки. Разработана функциональная схема передатчика, позволяющая применить при настройке АНСУ указанный способ снижения рассогласования и тем самым повысить его надежность.

Исследовано влияние конфигураций цепей генераторов и развязывающих резисторов (нагрузок) на импедансные функции устройств сложения (распределения) мощности. Обоснован подход к структурному синтезу систем сложения и распределения мощности, состоящий в целенаправленном выборе конфигураций взаимного соединения генераторов и нагрузок сумматоров (распределителей) мощности. Получена формула пересчета "звезды" резисторов в "многоугольник" без изменения числа резисторов, что позволяет применить метод многофазного возбуждения к анализу сумматоров (распределителей) мощности с взаимно различающимися конфигурациями цепей генераторов и развязывающих резисторов (нагрузок), а также осуществить параметрический синтез сумматоров по собственным значениям их матриц рассеяния.

Разработан метод параметрического синтеза цепей на элементах с распределенными постоянными, основанный на представлении их импедансных функций - в частности, входных сопротивлений самих устройств для трансформаторов или парциальных цепей для сумматоров модности - отношением полиномов переменной ^^дх:

г(Р,Г) = - = - ,

коэффициенты ак (р) и & (Р) которых определяются варьируемыми параметрами Р этих устройств. Установление предельных свойств, матоматически выражаемых равенством для любых ' !:<= (0,оо),

сводится к решению уравнений вида: а^ - =0. В случае задания оптимизируемой импедансной функции системой уравнений, связывающих напряжения и токи в анализируемой цепи, показано, что для • решения задачи достаточно знать г(Р.(:) и к производных г(Р^) в точко при каждом значении, вектора оптимизируемых параметров Р. Система решаемых уравнений принимает вид:

' г(р.г)-}' ■ о , вг(р,г)/«|1=о- о ,

• олг(о ,

дкг(Р,1:)/«к 11ж0- о .

Фактически суть изложенного метола состоит в том, чтобы, потребовав опрелеленного значения входного сопротивления цепи при с «О, обеспечить минимальное отклонение от этого значения в диапазоне t посредством приравнивания нулю максимально возможного числа производных в этой точке. Поэтому рассматриваемый метод параметрической оптимизации можно считать ориентированным на формирование максимально плоской частотной характеристики входного сопротивления анализируемой цепи. важным достоинством разработанного метода оптимизации, дающим основание отнести его к методам параметрического синтеза устройств на линиях, является то, что он позволяет путем определения степени сопрягаемых полиномов установить необходимое для предельного решения количество независимо варьируемых параметров. К достоинствам метода можно также отнести и полное абстрагирование от частотной переменной при оптимизации частотной характеристики, что снижает затраты машинного времени на вычисления в пределах одного итерационного цикла.

Третий раздел работы посвящен исследованиям элементной базы трансформаторных устройств сложения мощности широкополосных трансформаторов на линиях. Здесь же описывается апробация разработанного во втором разделе метода параметрической оптимизации сопряжением полиномов импедансных функций. Применение метода к установлению предельных свойств трансформаторов на неоднородных линиях с целочисленными коэффициентами трансформации дало результаты, совпадающие с полученными традиционными для таких задач средствами нелинейного программирования.

Классификация трансформаторов, проводимая с целью выявления перспективных по критерию широкополосности структурных решений широкополосных трансформаторов и используемых ими типов линий, показала целесообразность применения в схемах согласования сопротивлений, обладающих структурами трансформаторов на согласованных двухпроводных линиях, неоднородных линий передачи.

этот подход к синтезу широкополосных трансформаторов позволяет устранить фазокомпенсирующие линии из состава устройств и т )м самым уменьшить разброс значений продольных напряжений и соответственно расширить диапазон рабочих частот вниз, оптимизацией же волновых сопротивлений участков неоднородных линий удалось достичь предельных свойств трансформаторов 1:3 (с симметричными и несимметричными входными, выходными зажимами), 28 3, 4:3 (с несимметричными входными, выходными зажимами), то есть снять в рамках принятых схем замещения, отвечающих распространению противофазной моды колебаний, огоаничение на электрическую длину линий устройств.

Предложено, используя возможнистн, предоставляемые методом оптимизации частотных характеристик, и сопрягая полиномы импедансных функций, проводить параметрический синтез трансформаторов с ограниченной полосой пропускания, используя при этом структуры трансформаторов, обладающих предельными свойствами. Оптимальные для этого параметры определяются решением уравнений, составленных из соответствующих коэффициентов полиномов числителя и знаменателя импедансной функции и задающих их пропорциональность, равную требуемому коэффициенту трансформации. Невозможность выравнивания таким образом свободных Членов полиномов, определяемых структурой трансформатора, приводит к ограничению диапазона рабочих частот снизу. Приведены результаты синтеза по изложенной методике трансформаторов циклической структуры на неоднородных линиях передачи.

Разработано программное обеспечение для . исследования результатов и анализа эффективности такого средства борьбы с резонансными проявлениями колебаний синфазного типа в трансформаторных устройствах, в частности - инвертирующем трансформаторе, как балластирование этих колебаний с помощью резисторов, включаемых между внешним проводником линии и шасси устройства.

В четвертом разделе исследуются

предельные свойства двух типов двухканальных сумматоров: с многополюсной развязывающей цепью и включающих в свой состав трехпроводные линии передачи. Различные модификации первого из них, отличающиеся числом витков обмотки и количеством резисторов в развязывающей цепи, необходимых для существования предельного решения, представлены общей схемой замещения. Ее основу составляет выделенная из схемы сумматора повторяющаяся в различных

модификациях цэпь в виде шестиполюсника. Представление схемы замещения регулярным соединением шестиполюсников позволило получить рекуррентные соотношения для вычисления импедансных функций ряда модификаций и с помощью разработанного метода параметрического синтеза установить их предельные свойства, а также исследовать влияние на частотные характеристики согласования и развязки исключения тех или иных резисторов из развязывающей цепи. Разработано программное обеспечение для решения этих задач, широко использующее при вычислении полиномов импедансных функции пакет прикладных программ математического обеспечения ЕС ЭВМ.

Установлены предельные свойства сумматора на от резка> трехпроводных линий. Получены формулы для конструктивного расчете следующих трехпроводных линий: с прямоугольным поперечным сечение), внешнего проводника и внутренними проводниками в виде компланарные пластин, а также линий по конструкции совпадающих с двухпроводным!

связанными линиями. Для последних волновые проводимости д между проводниками' трехпроводной линии и сопротивления двухпроводной линии при синфазном противофазном возбуждении связанных проводников

следующим образом:

9.

g

10 20

волновы«

оо

соотносятся

" 9,

2Z

4Z

Последовательное применение ' схемных решений и

результата позволил

параметрической оптимизации двухканальных сумматоров разработать симметрирующее устройство без магнитопровода дл передатчика ВЧ диапазона мощностью 250 кВт, а такзк дифференциальный выходной трансформатор двухтактного УРУ [i; служащий согласованию нагрузки и балласта с различаюиимис волновыми сопротивлениями анодной линии для первой и вторе гармоник. Приведены описание и результаты натурного эксперимента макетом симметрирующего устройства. При подключенных к выходны зажимам эквивалента антенны сопротивлением 120 ом, а к входным фильтра гармоник полоса пропускания при ксв не хуже 1.25 составш 4 .о.. .28.0 МГц. Исследована чувствительность его частотнь характеристик к отклонению волновых сопротивлений msxj проводниками трехпроводной линии от оптимальных, на основании чв!

Z

1

о*

оо

заложены требования в заданно , на конструкторскую разработку устройства.

В пятом разделе на разе разработанной обобщенной функциональной схемы устройств сложения мощности с поворотной симметрией относительно генераторные входов выработаны рекомендации по построению и взаимному соединению цепей, осуществляющих передачу мощности в нагрузку и развязывающую цепь сумматора. Этим конкретизированы необходимые условия существования предельного решения и установлены требования к парциальным цепям, через функции входных сопротивлений г'которых сражаются собственные значения

1 +

и элементы матриц рассеяния 1 м

1 N

5 в - \ в'1" ¿г™-» МИ

1к N С

1?<к

устройств такого типа.

Практическое применение нашли вопросы, рассмотренные во втором раздела и связанные с нселэдозанием влияния конфигураций развязывающих резисторов на импедансныэ функции устройств сложения мощности. Заменой "многоугольника" развязывающих резисторов на "звезду" удалось снять (в рамках схемы замещения по противофазной модэ колебаний) ограничение на электрическую длину линий конкретного сумматора.

На основании апробированного в четвертом раздела подхода к реализации продэльных сеойстэ сумматоров усложненном развязывающая цепи и введением дополнительных проводников в составляющие их линии разработана схема чотырэхканального сумматора [2] на трехпрозодных линиях. Применение разработанного во втором раздела метода к параметрической оптимизации парциальных цепей этого сумматора позволило • установить его предельные свойства, базирующиеся на равенства нулю собственных значений матрицы рассэяния 5е1".

Благодаря предоставляемым методом сопряжения полиномоз импедансных функций возможностям были разработаны пять модификация

устройства, обладающих приемлимыми полосовыми свойствами при ограниченной вариации значений части параметров схемы. Для этого приравнивалось нулю максимально возможное количество коэффициентов при младших степенях полинома числителя функции собственного значения в'и>, определяемое числом свободно варьируемых параметров. Полученные решения выгодно отличаются от предельного возможностью применения в схеме сумматора развязывающих резисторов номинального ряда сопротивлений, стандартных кабелей,

трехпроводных линий легко рассчитываемых и реализуемых конструкций. Приведены данные экспериментального исследования макета одного из разработанных устройств на суммарную мощность 20 кВт. Характеристики согласования и развязки сумматора были сняты на низком уровне мощности посредством измерения входного сопротивления на каждом из входов и коэффициента передачи между соответствующими входами. Для проведения экспериментов параметры схемы сумматора были выбраны под выходное сопротивление генераторов 50 Ом. В диапазоне частот до 100 МГц (х<90*) сумматор обеспечивает развязку между входами не хуже 30 дБ. Предложен алгоритм оптимизации устройств такого типа повышенной канальности при использовании в их составе четырехпроводных линий, основанный на неявном задании импедансных функций парциальных цепей.

Предложена методика коррекции частотных характеристик многоканальных сумматоров мощности включением в их состав звеньев широкополосных согласующих устройств (ШСУ). проведена коррекция однозвенным ШСУ частотной характеристики развязки используемого на практике сумматора по изложенной методике включением последовательно с развязывающим резистором конденсатора емкостью 140 ПФ и индуктивности 75 нг (роль которой играли соединительные проводники), что позволило увеличить развязку до 35 дБ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработан метод параметрической оптимизации устройств на линиях передачи, обладающих структурами цепей нулевого затухания, который заключается в сопряжении полиномов числителей и знаменателей их импедансных функций на основе решения системы нелинейных уравнений, определяющих требуемую пропорциональность коэффициентов указанных полиномов. Применение этого метода позволило установить предельные свойства используемых на практике устройств сложения мощности и трансформации сопротивлений: трансформаторов 1:3, 2:3, 4:3, двухканальной и четырехканальной

модификаций сумматора на трехпроводных линиях по схеме, защищенной авторским свидетельством на изобретение [2 ], ряда модификаций двухканального сумматора с возрастающим количеством витков обмоток.

2. Предложено проводить параметрический синтез трансформаторных устройств на линиях передачи, способных удовлетворять разнообразным техническим требованиям, путем частичного сопряжения полиномов импеданасных функций при фиксации тех параметров синтезируемых цепей, которые определяют выполнение этих требований. Это позволило на основе структурных решений трансформаторов с целочисленными коэффициентами трансформации разработать трансформаторы, обладающие произвольными коэффициентами передачи, а также предложить к практическому использованию ряд схемных реализаций четырехканального сумматора, которые выгодно отливаются от предельного решения легко реализуемой конструкцией используемых в схеме трехпроводных линий и возможностью вынесения развязывающих резисторов за пределы устройства с помощью стандартных кабелей.

3. На основе структурных реализаций и результатов параметрической оптимизации исследованных в работе устройств сложения мощности и трансформации сопротивлений разработаны: дифференциальный выходной трансформатор двухтактного УРУ, а также симметрирующее устройство для мощного передатчика ВЧ диапазона и четырехканальный сумматор мощности на трехпроводных линиях, с макагами которых проэедены натурные эксперименты.

4. Исследована работа многоканального сумматора на рассогласованную нагрузку при взаимной разбалансировке генераторов, получены математические выражения, поэт ^.-¡яющие рассчитать действующие коэффициенты отражения от его входов. и предложены пути уменьшения рассогласования генераторов со входами сумматора на этапе настройки антенного согласующего устройства в многомодульном передатчике.

3. Математически списано влияние конфигураций цепей генераторов и развязывающих резисторов (нагрузок) на импедансные функции устройств сложания (распределения) мощности, что поэеолило заменой "многоугольника" развязызающих резисторов на эквивалентную "звезду" конкретного многоканального сумматора устранить (в рамках его схвмы замечания по противофазной моде колебаний) зависимость характеристик от электрической длины линий.

6. разработана обобщенная функциональная схема многоканальных

одноступенчатых сумматоров мощности с, поворотной симметрией относительно генераторных входов и на ее основе предложено проводить коррекцию частотных характеристик тех из них, которые не обладают структурами цепей нулевого затухания, используя включение в цепь нагрузки либо в цепь развязывающих резисторов звеньев широкополосных согласующих устройств (ШСЮ, которые рассчитываются по классической теории широкополосного согласования с учетом предложенной адаптации ее к устройствам на элементах с распределенными параметрами. Проведена коррекция частотных зависимостей развязки используемого на практике четырехканального устройства сложения мощности включением однозвенных ШСУ в развязывающую цепь.

7. Путем представления схемы замещения двухканального трансформаторного сумматора .регулярным соединением структурно-обусловленного количества вложенных друг в друга шестиполюсников получены рекуррентные, соотношения для анализа, параметрического синтеза сопряжением' полиномов импедансных функций, расчета частотных характеристик вносимого затухания и развязки входов устройства такого типа с любым числом витков обмотки. В' результате удается создать требуемую индуктивность намагничивания на низких частотах без использования магнитопровода.

8. Разработана методика конструктивного расчета трехпроводных линий передачи, используемых в предложенных устройствах сложения мощности и трансформации сопротивлений.

в. Предложен алгоритм параметрической оптимизации шестиканального сумматора мощности на четырехпроводных линиях по методу сопряжения полиномов импедансных функций для случая не явно определенных собственных значений его матрицы рассеяния, а задаваемых системой уравнений, которые связывают токи и напряжения в парциальных цепях, соответствующих собственным векторам возбуждения.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. A.c. 1420201 СССР. Усилитель с распределенным усилением / В.Е.Коротин, с £ Лондон, СЛ.Томашевич // - Открытия. Изобретения. - 1988. - № 37.

2. A.c. 155S821 СССР. Устройство сложения мощностей электрических колебаний / в.Е-Коротин, С.ЕЛондон, С.В.Томашевич // - открытия. Изобретения. - ieoo. - № 13.

3. К о р о т н н В. Е., Лондон С. Е., Т о м а ш е в и ч С. В. Широкополосные многоканальные сумматоры мощности ВЧ и ОВЧ диапазонов// Всесоюзный научно-технический семинар «Автоматизированная аппаратура ДКМ радиосвязи». — Москва, октябрь 1986.

4. Коротин В. Е., Сивер с'М. А., Томашевич С. В. Системы суммирования мощностей произвольного числа генераторов для телевизионных передатчиков// Международная конференция «Телевизионная техника—89». — София, октябрь 1989.

5. Коротин В. Е., Лондон С. Е., Томашевич С. В. Оптимизация параметров двухканального сумматора мощности.//Техника средств связи. Техника радиосвязи.— 1989. — № 8.

6. Коротин В. Е. Согласование многомодульных передатчиков с антенной// Системы и средства передачи информации по каналам связи: Сб. науч. тр. учеб. ин-тов связи/ЛЭИС.— Л., 1990.— № 150.

7. Методические указания по расчету радиопередающих устройств: ч. 3/В. Е. Коротин, О. В. Воробьев, Э. С. Забал-к а некий н др.; ЛЭИС.— Л., 1989.

Подписано к печати 27.С3.91 г. Объем 1 п. л. Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ 889.

Ротапринт тип. ЛЭИС. 198J20, Ленинград, Свободы, 31