автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Широкополосные устройства преобразования частоты с повышенным динамическим диапазоном

Для служебного пользования

2 2 СЕН - я-

Экз. №

На правах рукописи

УДК 621.314.26:621.382

Мелихов Сергей Всеволодович

ШИРОКОПОЛОСНЫЕ УСТРОЙСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ С ПОВЫШЕННЫМ ДИНАМИЧЕСКИМ ДИАПАЗОНОМ

Специальность 05.12.17 - радиотехнические и телевизионные системы и устройства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Томск -1998

Работа выполнена в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Шарыгин Г.С.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Жилин Н.С.

доктор технических наук, профессор Ройтман М.С.

доктор технических наук, профессор Пуговкин А.В.

Ведущая организация:

Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт,

г. Москва

Защита состоится 20 октября 1998 г. в 9 час. на заседании диссертационного совета Д063.05.02 Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники по адресу:

634050, г. Томск, пр. Ленина, 40

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета (634034, г. Томск, ул. Вершинина, 74)

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета

&Я

1998 г.

Кузьмин А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Качественные показатели радиоэлектронных систем (РЭС) передачи, извлечения и разрушения информации существенным образом зависят от характеристик ряда используемых в них аналоговых устройств различного функционального назначения: преобразователей частоты (ПЧ), модуляторов высокочастотных колебаний, умножителей частоты, усилителей мощности радиосигнала и др. ПЧ в этом ряду занимают особое место, поскольку их характеристики в значительной степени определяют чувствительность и помехоустойчивость приемных трактов радиосистем, спектральную чистоту выходного колебания широкополосных синтезаторов частот, уровень мешающих комбинационных компонентов при конвертировании радиосигналов. Характерно, что параметры ПЧ, имеющихся в распоряжении разработчиков, зачастую определяют выбор функциональной схемы разрабатываемой системы.

Постоянное увеличение объемов и скорости обрабатываемой информации, использование в телекоммуникационных системах шумоподобных сигналов при многостанционном доступе с кодовым разделением, создание панорамных устройств радиоразведки и радиопротиводействия требуют разработки и создания широкополосных ПЧ с полосами частот до нескольких сотен и тысяч мегагерц. Актуальность разработки широкополосных ПЧ для различной радиоаппаратуры, удовлетворяющих требованиям по комплексу технических и эксплуатационных параметров, подтверждает большое число публикаций в научно-технической литературе. Темы публикаций отражают вопросы теории, расчета, оптимизации параметров ПЧ, вопросы создания ПЧ разных частотных диапазонов с различными полосами пропускания.

Под комплексом технических и эксплуатационных параметров ПЧ понимаются: полоса рабочих частот и согласование.(по входу сигнала, по входу гетеродина, по выходу промежуточной частоты); коэффициент преобразования; неравномерность АЧХ преобразования; коэффициент шума; динамический диапазон (по побочным каналам приема, по фокусам побочных каналов приема, по интермодуляционным помехам, по блокированию полезного сигнала помехами); подавление гетеродинных колебаний на сигнальном входе и гетеродинных и сигнальных колебаний на выходе ПЧ; энергопотребление; масса; габариты; надежность. Увеличение динамического диапазона ПЧ является важнейшей задачей, решение которой не теряет актуальности с точки зрения улучшения электромагнитной совместимости РЭС различного назначения.

Современные полупроводниковые приборы на арсениде галлия имеют граничные частоты в несколько сот гигагерц и низкую шумовую температуру. Их использование в сочетании с микроисполнением устройств различного функционального назначения в виде гибридно-интегральных схем (ГИС), гибридно-монолитных схем (ГМС) или монолитно-интегральных схем (МИС)

позволяет существенно улучшить технические и эксплуатационные характеристики аппаратуры. Исполнение широкополосных ПЧ в виде ГМС или МИС допускает использование новых схемных решений, что не всегда возможно для ГИС из-за недостаточной степени интеграции. Актуальна, в связи с этим, разработка новых схемных решений широкополосных ПЧ, реализуемых в микросборках с высокой степенью интеграции, в частности, на основе структуры базового матричного кристалла (БМК) с ортогональной сигнальной решеткой [33], допускающего построение широкополосных устройств различного функционального назначения до частот 10 -12 ГГц.

Модуляторы высокочастотных колебаний, умножители частоты, каскады усилителей мощности (УМ) модулированного радиосигнала по физическим процессам образования компонентов с новыми частотами, отсутствующими во входном воздействии, эквивалентны ПЧ. В модуляторах это образование гармонических и комбинационных компонентов (КК) несущей и модулирующей частот, в умножителях - образование гармонических компонентов, в усилительных каскадах - интермодуляционные помехи при усилении сложного сигнала с несколькими несущими частотами (например, интермодуляционные помехи от двух несущих частот и цветовой поднесущей телевизионного сигнала). Подобие физических процессов образования КК компонентов в этих устройствах позволяет использовать некоторые результаты анализа и расчетов, полученные для ПЧ, при создании устройств модуляции высокочастотных колебаний, устройств умножения частоты и устройств усиления радиосигналов с улучшенной линейностью в широком интервале входных воздействий.

Таким образом, проблема анализа, расчета и создания широкополосных ПЧ с повышенным динамическим диапазоном является актуальной.

"Нижняя" граница динамического диапазона определяется шумовыми свойствами, которые достаточно полно изучены для ПЧ на различных преобразующих приборах (ПП), описаны в научно-технической литературе и в настоящей работе не рассматриваются. "Верхняя" граница динамического диапазона может быть разной для различного вида искажений и характеризуется: по неточности передачи огибающей АМ сигнала - допустимой величиной

коэффициента гармоник, по блокированию сигнала помехой и перекрестной модуляции - точкой компрессии коэффициента передачи; по интермодуляционным помехам - точкой 1Р3, соответствующей "фиктивному пересечению" выходной мощности полезного сигнала и выходной мощности интермодуляционного продукта третьего порядка при действии на ПЧ двухтоновой помехи; по комбинационным каналам преобразования, по побочным каналам приема и фокусам побочных каналов приема - отношением сигнала к помехе на выходе. Универсальной характеристикой нелинейных свойств является

»эффициент интермодуляции третьего порядка, однозначно связанный с точкой Ру и косвенно характеризующий чувствительность ПЧ к блокированию и эрекрестным искажениям, а также степень искажений огибающей АМ сигнала !еречисленные характеристики пропорциональны второй производной зраметрической дифференциальной проводимости ПП). Несмотря на большое >личество работ, посвященных анализу, расчету и экспериментальному следованию коэффициента интермодуляции третьего порядка ПЧ на сложных зеобразующих приборах [СПП: диоды-варисторы (ДВР); диоды-варакгоры; чполярные транзисторы (БТ); полевые транзисторы (ПТ) в активном и гзистивном режимах], возможности его повышения путем регулировки злинейности ПП рассмотрены в недостаточной степени (регулировка глинейности ПП может быть проведена изменением положения рабочей точки, зменением угла отсечки гетеродинного воздействия, изменением мощности теродина). Это объясняется сложностью используемых методик анализа и асчета, трудоемкостью экспериментальных исследований и, как следствие, эвозможностью выявления аналитических зависимостей.

Особенностью широкополосных ПЧ является отсутствие резонансных цепей а входах и выходе. Как правило, входные и нагрузочные цепи являются периодическими с конечными иммитансами. В широкополосном режиме даже зостой преобразующий прибор (ППП), состоящий из параллельного соединения элинейной проводимости и нелинейной емкости, является взаимным ПП (под ¡заимным" будем понимать ПП, на нелинейных элементах которого происходит заимное преобразование частот различных комбинационных компонентов). На элинейных элементах СПП взаимное преобразование частоты происходит и при зротком замыкании внешних зажимов для токов комбинационных частот. Это зляется следствием того, что эквивалентные схемы СПП содержат несколько злов, и на нелинейных элементах СПП всегда присутствуют напряжения всех эмбинационных компонентов. СПП имеют два и более нелинейных элемента, апример, полевой транзистор в активном режиме работы характеризуется сновным нелинейным элементом - нелинейной прямой проводимостью, и эосновными нелинейными элементами - нелинейной проводимостью канала, элинейными емкостями затвор-исток и затвор-сток. Взаимное преобразование астот происходит одновременно на всех нелинейных элементах СПП, влияет на горичные параметры ПЧ и, следовательно, на его динамический диапазон.

Использование двух и более ПП в сложных схемах (балансных, кольцевых и р.) позволяет дополнительно улучшить параметры ПЧ. В таких схемах еобходимо применение широкополосных фазосдвигающих, разветвляющих, /ммирующих цепей. В ПЧ на транзисторах возможно применение отрицательной братной связи, уменьшающей неравномерность АЧХ преобразования [1]. 1ммитансы нагрузочных цепей могут различным образом трансформироваться

фазосдвигающими, разветвляющими, суммирующими цепями, цепями обратной связи к входным и выходным зажимам ПП не только на частотах сигнала, гетеродина, промежуточной, но и на частотах их гармоник, на комбинационных частотах (в общем случае на всех частотах комбинационных каналов преобразования). Это также приводит к изменению вторичных параметров (коэффициента передачи напряжения, коэффициента передачи тока, входных и выходных проводимостей), коэффициента шума, динамического диапазона ПЧ. Влияние каналов преобразования проявляется не только в изменении указанных характеристик, но и может приводить к неустойчивой работе как "активных" транзисторных ПЧ, так и "пассивных" диодных ПЧ из-за эффекта параметрического возбуждения.

Таким образом, параметры ПЧ, в частности, динамический диапазон определяются рядом факторов. К ним относятся: интенсивности колебаний гетеродина, сигнала, помех; тип и электрический режим работы ПП; схемотехническое решение ПЧ. Исследования возможностей повышения динамического диапазона ПЧ, проводимые в России (СССР) и за рубежом, развили научное направление по созданию ПЧ с улучшенной линейностью. Одна из нерешенных проблем этого направления заключалась в отсутствии обобщенной математической модели (ММ), характеризующей свойства широкополосного ПЧ любой сложности для линейного и нелинейного режимов работы. Создание такой модели позволяет проводить единый подход к анализу различных мешающих продуктов преобразования, выявить закономерности их изменения от перечисленного комплекса факторов, развить научно-технические основы построения ПЧ с улучшенной линейностью.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - развитие научно-технических основ построения, исследование, создание и внедрение устройств преобразования частоты с повышенным динамическим диапазоном.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Цель достигается решением следующих основных задач исследований.

1. Развитие теории линейного (гетеродинное воздействие существенно больше сигнального) и нелинейного (гетеродинное воздействие соизмеримо с воздействиями сигнала и помех) преобразования частоты для создания обобщенной математической модели (в виде системы уравнений) широкополосного ПЧ любой сложности, характеризующей его свойства в линейном режиме и в нелинейном режиме при различном соотношении уровней полигармонического воздействия (ПГВ) с учетом цепей источников сигналов и цепей нагрузок для токов комбинационных частот.

2. Нахождение пути решения системы уравнений нелинейного ПЧ при ПГВ для исследования вторичных параметров, условий устойчивости, динамического диапазона по комбинационным и интермодуляционным помехам.

3. Разработка алгоритмов определения параметров эквивалентных схем СПП при ПГВ.

4. Исследования влияния комбинационных каналов преобразования на вторичные параметры, устойчивость, динамический диапазон широкополосных ПЧ. Исследования влияния на характеристики ПЧ эффектов преобразования частоты на неосновных нелинейных элементах ПП. Исследования эффективности внеполосной коррекции динамического диапазона ПЧ по интермодупяционным помехам. Исследования возможностей повышения динамического диапазона ПЧ регулировкой нелинейности ПП.

5. Поиск новых методов повышения динамического диапазона ПЧ, выполненных на различных ПП.

6. Совершенствование научно-технических основ построения, создание и внедрение в системы различного назначения широкополосных устройств преобразования частоты с повышенным динамическим диапазоном.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. В работе использованы разнообразные методы исследований, основанные на дифференциальном и интегральном исчислении, рядах Фурье, линейной алгебре, теории линейных и нелинейных цепей, теории функций комплексного переменного, свойствах конформных отображений. Широко использовано аналитическое и численное моделирование на ЭВМ.

Достоверность основных теоретических положений и выводов подтверждена как экспериментально в лабораторных условиях, так и при эксплуатации разработанных устройств, внедренных в состав РЭС различного назначения.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

Научной новизной обладают следующие основные результаты работы.

1. Новый подход к анализу широкополосного нелинейного ПЧ на ППП, основанный на представлении дифференциального приращения общего тока ПП в любой момент времени суммой частных дифференциалов по напряжениям попарных комбинационных компонентов с частотами разных знаков с учетом параметрических проводимости и емкости ПП.

2. Закон перекрестных связей коэффициентов Фурье параметрической проводимости (емкости) ППП и воздействующих на него гармонических напряжений.

3. Математическая модель широкополосного нелинейного ПЧ на ППП в режиме сильного ПГВ в виде У-матричного уравнения * с двухкомпонентной матрицей проводимости (МП) на основе многократных коэффициентов Фурье параметрических элементов ППП, зависящих от уровней

* Здесь и далее термин "Г—матричное уравнение" характеризует систему уравнений с коэффициентами, имеющими размерность проводимости.

входных воздействий и характера нелинейности ПП.

4. Математические модели (в виде блочных матриц проводимости и алгоритмов их формирования) СПП, содержащих в своем составе любое количество нелинейных элементов, для линейного и нелинейного режимов работы.

5. Обобщенная математическая модель (в виде У-матричного уравнения) широкополосного нелинейного сложного ПЧ, содержащего в своем составе любое количество СПП, фазосдвигающие и трансформирующие цепи, цепи обратной связи, цепи коррекции и пр.

6. Математические выражения и методики исследования вторичных параметров, условий устойчивости, динамического диапазона по комбинационным и интермодуляционным компонентам нелинейного многополюсного устройства при произвольном соотношении уровней ПГВ с использованием графоаналитического метода конформных отображений.

7. Результаты оценки степени влияния комбинационных каналов преобразования на вторичные параметры, устойчивость и динамический диапазон широкополосных ПЧ на различных СПП. Результаты оценки влияния на характеристики ПЧ эффектов преобразования частоты на неосновных нелинейных элементах СПП.

8. Результаты сравнительного анализа бесфильтрового подавления комбинационных и интермодуляционных помех любого порядка сложными схемами ПЧ с фазоинверсными трансформаторами, квадратурными мостами, разветвителями, сумматорами.

9. Условия получения повышенного динамического диапазона широкополосных ПЧ на различных ПП по фокусам дополнительных каналов приема, по интермодуляционным помехам, по блокированию, а также условия получения повышенного динамического диапазона по интермодуляционным помехам мощных каскадов усиления радиосигнала на биполярных транзисторах.

НАРОДНОХОЗЯЙСТВЕННОЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ заключается в разработке, создании и внедрении устройств преобразования частоты и усиления радиосигналов с повышенной линейностью в радиотехнические м телекоммуникационные системы различного назначения, что позволило улучшить электромагнитную совместимость этих систем.

Созданы новые теоретические и практические методы анализа и проектирования широкополосных устройств линейного и нелинейного преобразования частоты любой сложности, включающие следующее.

1. Методику расчета вторичных параметров, условий устойчивости линейных и нелинейных ПЧ. Методику расчета динамического диапазона по комбинационным компонентам нелинейного ПЧ при сильном БГВ (сильный сигнал и сильный гетеродин). Методику расчета динамического диапазона по

интермодуляционным компонентам нелинейного ПЧ при сильном трехчастотном воздействии-(сильная двухтоновая помеха и сильный гетеродин).

2. Пакет прикладных программы для ЭВМ, разработанных по алгоритмам перечисленных методик, с выводом на экран монитора графических построений изменения исследуемых параметров ПЧ на основе свойств конформных отображений комплексных плоскостей варьируемых нагрузок для токов различных комбинационных частот.

3. Банк данных двукратных и трехкратных коэффициентов Фурье параметрических элементов СПП (диода-варистора, биполярного и полевого транзистора).

4. Банк схемных решений сложных ПЧ с фазоинверсными трансформаторами, квадратурными мостами, разветвителями, сумматорами.

5. Рекомендации по регулировке нелинейности различных СПП (выбор оптимального положения рабочей точки, угла отсечки, мощности гетеродина) для получения повышенного динамического диапазона ПЧ.

6. Новые методы повышения динамического диапазона широкополосных ПЧ по фокусам дополнительных каналов приема, по интермодуляционным помехам, по блокированию, а также мощных каскадов усилителей радиосигнала на биполярных транзисторах по интермодуляционным помехам.

7. Новые схемные решения для повышающего преобразования частоты с фазовым подавлением зеркального канала приема. Новые схемные решения субмодулей преобразования частоты с преобразующими элементами на основе полевого транзистора в активном и резистивном режимах работы в составе БМК, имеющего кросс-структуру входных и выходных линий передачи.

На 7 новых схемотехнических решений ПЧ с повышенным динамическим диапазоном (полезные модели) получены положительные решения ВНИИГПЭ Российского агентства по патентам и товарным знакам [52-57].

Часть полученных результатов (пункты 1-6) распространена на другие устройства, изменяющие состав спектра входного воздействия: модуляторы, умножители, мощные каскады усиления радиосигнала на БТ.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Результаты исследований и разработок диссертации использованы при проектировании и создании ПЧ и устройств другого функционального назначения в соответствии с техническими заданиями на хоздоговорные и госбюджетные НИР по заказам НИИ и предприятий АН СССР, Министерства радиопромышленности СССР, Министерства промышленности средств связи СССР (Государственного комитета по оборонным отраслям промышленности РФ), Министерства общего и профессионального образования РФ и др.

Под руководством и при непосредственном участии автора созданы и внедрены следующие основные разработки.

1. Широкополосный смеситель 1СМ01 модуля СМОПЧ ГИС для блока 22М (предприятие п/я В-8616, г.Новосибирск).

2. Модуль преобразования частоты 1СМ0ПЧМ для партии ГИС (предприятие п/я В-8616, г.Новосибирск).

3. Широкополосный смеситель сдвига для блока 4БГВ (предприятие п/я В-8616, г.Новосибирск).

4. Универсальный преобразователь частоты для синтезатора частот (предприятие п/я В-8616, г.Новосибирск).

5. Широкополосные модули преобразования частоты нелинейного локатора (НИИ "Проект", г. Томск).

6. Широкополосный преобразователь частоты конвертера телевизионных радиосигналов (государственное предприятие "Промсвязь", г. Алматы).

7. Шестиканальный смесительный блок (предприятие п/я В-2965, г. Омск).

8. Усилительно-преобразовательный тракт широкодиапазонного радиоприемника для пассивных радиолокационных систем (проблемная лаборатория радиотехнических систем ТИАСУР, г.Томск).

9. Сверхширокополосный усилительно-преобразовательный тракт для радиофизических измерений (проблемная лаборатория радиотехнических систем ТИАСУР, г.Томск).

10. Сверхширокополосный усилительно-преобразовательный блок аппаратуры радиофизических измерений (проблемная лаборатория радиотехнических систем ТИАСУР, г.Томск).

11. Устройство обработки радиоимпульсных сигналов дециметрового диапазона (проблемная лаборатория радиотехнических систем ТИАСУР, г.Томск).

12. Широкополосный модулятор (Тихоокеанский океанологический институт ДВНЦ АН СССР).

13. Широкополосный балансный модулятор устройств нелинейной локации (НИИ "Проект", г. Томск).

14. .Широкополосные усилители мощности устройств нелинейной локации (НИИ "Проект", г. Томск).

15. Широкополосный усилитель передатчика телевизионных радиосигналов (государственное предприятие "Промсвязь", г. Алматы).

Документы о внедрении разработанных устройств приведены в приложении к диссертационной работе.

Результаты работы используются в учебном процессе в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники при дипломном проектировании, учебно- и научно-исследовательской работе

студентов, в лекциях, лабораторных практикумах и при курсовом проектировании по базовым дисциплинам "Основы автоматизированного проектирования радиоэлектронных устройств", "Аналоговые электронные устройства", "Устройства приема и обработки сигналов", "Радиосвязь и радиовещание" и по специальной дисциплине "Микроэлектронные модули усиления сигналов и преобразования частоты". С использованием результатов работы для студентов специальностей 200700 "Радиотехника" и 201600 "Радиоэлектронные системы" изданы методические указания "Оптимальные условия преобразования частоты в смесителях на биполярных транзисторах" (1981 г.), учебное пособие "Чувствительность радиоприемных устройств" (1995 г.), поставлена лабораторная работа "Преобразователь частоты и каналы приема супергетеродинного приемника" и издано руководство к ней (1983 г., 1993г.).

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ , ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.

1. Широкополосный нелинейный ПЧ на ППП, состоящем из параллельного соединения нелинейной проводимости и нелинейной емкости, в режиме сильного полигармонического воздействия может быть представлен эквивалентным многополюсником и описан У-матричным уравнением.

Защищается новый подход к анализу широкополосного нелинейного ПЧ на ППП, основанный на следующих математических действиях: представление дифференциального приращения общего тока ППП в любой момент времени суммой частных дифференциалов по напряжениям попарных комбинационных компонентов с частотами разных знаков с учетом параметрических проводимости и емкости; группировка слагаемых суммы частных дифференциалов по попарным комбинационным частотам; почленное интегрирование по времени сгруппированных слагаемых; составление Г-матричного уравнения, связывающего комплексные амплитуды токов и напряжений комбинационных компонентов на зажимах ППП.

Защищается математическая модель широкополосного нелинейного ПЧ на ППП для режима полигармонического воздействия в виде 7-матричного уравнения, имеющего двухкомпонентную матрицу проводимости с многократными коэффициентами Фурье параметрических элементов ППП. Величины коэффициентов Фурье зависят от уровней полигармонического воздействия и характера нелинейностей параметрических элементов ППП. Порядок матрицы равен числу комбинационных частот.

Защищается выявленный закон перекрестных связей коэффициентов Фурье параметрической проводимости (емкости) ППП и воздействующего на него сколь угодно большого числа гармонических напряжений, с помощью которого получено У-матричное уравнение широкополосного нелинейного ПЧ на ППП. Закон перекрестных связей при полигармоническом воздействии на ППП характеризуется бесконечным числом уравнений, каждое из которых связывает

два любых из воздействующих напряжений и попарную разность четырех соответствующих коэффициентов Фурье.

2. Широкополосный сложный ПЧ, содержащий несколько СПП, фазосдвигающие и трансформирующие цепи, цепи обратной связи, цепи коррекции, как в линейном режиме, так и в нелинейном режиме при сильном полигармоническом воздействии может быть представлен эквивалентным многополюсником и описан У- матричным уравнением.

Защищаются математические модели (в виде блочных матриц проводимости) СПП: диода-варистора, диода-варактора, биполярного транзистора, полевого транзистора в активном и резистивном режимах работы. Порядок матриц-блоков равен числу узлов эквивалентных схем СПП, элементы матриц-блоков для линейного режима являются однокомпонентными с однократными коэффициентами Фурье параметрических элементов, для нелинейного режима при полигармоническом воздействии - двухкомпонентными с многократными коэффициентами Фурье параметрических элементов. Величины коэффициентов Фурье зависят от уровней сильных воздействий и характера нелинейностей параметрических элементов СПП.

Защищается обобщенная математическая модель широкополосного сложного ПЧ для режима полигармонического воздействия в виде Г - матричного уравнения, имеющего блочную матрицу проводимости. Порядок матриц-блоков равен числу узлов эквивалентной схемы ПЧ. Порядок общей матрицы равен произведению числа узлов эквивалентной схемы ПЧ и числа комбинационных частот. Матрицы-блоки СПП для линейного или нелинейного режимов аддитивно входят в матрицы-блоки сложного ПЧ. Такое описание позволяет анализировать эффекты линейного или нелинейного преобразования частоты в схемах ПЧ любой сложности, содержащих любое количество СПП.

3. Вторичные параметры многополюсников, характеризующих нелинейный ПЧ и другие устройства, в которых происходит изменение спектрального состава входного воздействия, являются дробно-линейными функциями проводимостей внешних нагрузок или проводимостей эквивалентной схемы многополюсного устройства. Это позволяет проводить анализ и расчет вторичных параметров нелинейных устройств, а также оценивать степень влияния на вторичные параметры различных каналов преобразования с использованием наглядного графического метода конформных отображений.

Защищаются математические выражения, полученные для расчета вторичных параметров нелинейного многополюсника (коэффициента передачи напряжения, коэффициента передачи тока, входных и выходных проводимостей) при условии воздействия на него любого числа гармонических сигналов с различным соотношением амплитуд. Выражения являются дробно-линейными функциями от проводимостей внешних нагрузок или проводимостей

эквивалентной схемы многополюсного устройства и содержат величины амплитуд ЭДС воздействующих сигналов.

Защищаются методика оценки степени влияния на вторичные параметры линейных и нелинейных ПЧ различных каналов преобразования с помощью метода конформных отображений и результаты этой оценки.

4. Оценку устойчивости линейных и нелинейных ПЧ целесообразно проводить на основе иммитансного критерия устойчивости на комплексных плоскостях внешних нагрузок с использованием новых понятий: радиального коэффициента запаса устойчивости по области потенциальной неустойчивости и радиального коэффициента запаса устойчивости по области неустойчивости.

Защищается графоаналитическая методика оценки устойчивости линейных и нелинейных активных ПЧ, представляемых многополюсниками, с использованием свойств конформного отображения дробно-линейной функцией комплексных полуплоскостей собственных и полных входных проводимостей со стороны любого зажима многополюсника.

5. Характер зависимости динамического диапазона ПЧ по комбинационным и интермодуляционным помехам от электрического режима ПП может быть выявлен по однократным и многократным коэффициентам Фурье параметрических элементов.

Защищаются условия получения повышенного динамического диапазона ПЧ на различных преобразующих приборах (диодах-варисторах, биполярных транзисторах, полевых транзисторах в активном и резистивном режимах) по побочным каналам приема, по фокусам побочных каналов приема, по интермодуляционным помехам, а также условия получения повышенного динамического диапазона по интермодуляционным помехам мощных каскадов усилителей радиосигнала на биполярных транзисторах, выявленные на основе анализа зависимостей однократных и многократных коэффициентов Фурье параметрических элементов этих устройств от интенсивности воздействующих сигналов и положения рабочей точки преобразующих и усиливающих приборов.

6. Ни одна из восемнадцати известных схем сложных ПЧ не обладает свойством фазового подавления интермодуляционных помех нечетного порядка.

Защищается утверждение, что все известные разновидности построения сложных ПЧ (в том числе - двухканальных), содержащих два или более ПП, фазоинверсные трансформаторы, квадратурные мосты, разветвители, сумматоры, представляются восемнадцатью вариантами схем.

Защищаются результаты анализа свойств бесфильтрового подавления комбинационных и интермодуляционных помех любого порядка сложными схемами ПЧ и утверждение, что ни одна из схем сложных ПЧ не обладает свойством фазового подавления интермодуляционных помех нечетного порядка, в частности, наиболее опасных интермодуляционных помех третьего порядка.

7. Широкополосные ПЧ диапазонов ОВ-УВ-СВЧ с улучшенными техническими характеристиками целесообразно строить на основе монолитного арсенид-галлиевого БМК с кросс-структурой входных и выходных линий передачи.

Защищается структура внутрикристальных соединений субмодулей усиления и субмодулей преобразования частоты, дающая возможность построения сложных ПЧ любого вида на основе БМК.

Защищаются схемные решения субмодулей преобразования частоты БМК на полевых транзисторах в активном и резистивном режимах работы.

8. Результаты расчетов и экспериментальных исследований, результаты практической разработки устройств преобразования частоты, модуляции высокочастотных колебаний, умножения частоты, усиления радиосигналов, подтверждающие эффективность и достоверность проведенных научных исследований.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные разделы и результаты работы докладывались и обсуждались на всесоюзном семинаре ЦП НТОРЭС им. A.C. Попова (Москва, 1975, 1978, 1987, 1989, 1990), на международных научно-технических конференциях (НТК) и симпозиумах "Конверсия науки -международному сотрудничеству, СИБКОНВЕРС'95, СИБКОНВЕРС'97" (Томск, 1995, 1997), "Направления развития систем и средств радиосвязи" (Воронеж, 1996), "Актуальные проблемы электронного приборостроения, АПЭП - 96" (Новосибирск, 1996), "Микроволновая электроника больших мощностей: измерения, идентификация, применение, ИИП-МЭ'97" (Новосибирск, 1997), "Спутниковые системы связи и навигации" (Красноярск, 1997), на всероссийской НТК с международным участием "Электроника и информатика" (Москва-Зеленоград, 1995), на научно-техническом семинаре "Наносекундные и субнаносекундные усилители" (Томск, 1976), на НТК, посвященной 25-летию РТФ (Томск, 1976), на НТК "Разработка и исследование радиотехнических систем и устройств" (Томск, 1981), на НТК "Радиотехнические методы и средства измерений" (Томск, 1985), на НТК "Проблемы создания аппаратуры радиосвязи и радиоэлектронных устройств народнохозяйственного и бытового назначения" (Омск, 1990), на 7-й Юбилейной НТК предприятия п/я В-2965 (Омск, 1974).

ПУБЛИКАЦИИ. Результаты диссертации опубликованы в 93 работах: 32 статьях и сообщениях в центральных периодических журналах (в том числе 5 статей - в переводных изданиях); 9 статьях в сборниках трудов международных научно-технических конференций; 15 статьях в сборниках научных трудов издательства Томского государственного университета и Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, 4 информационных листках Томского МТЦ НЦТИП; 7 описаниях полезных моделей; 17 научно-технических отчетах; 9 тезисах докладов НТК.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, шести приложений, списка использованных источников, включающего 238 наименований отечественных и 83 наименований зарубежных публикаций, содержит 374 страниц текста (в том числе основного -260 страниц), 171 рисунок и 21 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна основных результатов, обосновано народнохозяйственное и практическое значение работы, описана реализация результатов работы в народном хозяйстве, сформулированы положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации работы и публикациям, приведена структура диссертации. Работа выполнена в рамках ряда хоздоговорных и госбюджетных НИР по комплексно-целевым программам "Осина", "Линза", "Плотва", "Багульник", "Тюбук-РВО", "Тауш-РВО", а также по научно-техническим программам Минобразования РФ "Конверсия", "Конверсия и высокие технологии". Непосредственными Заказчиками выступали НИИ и предприятия Академии наук, Министерства радиопромышленности, Министерства промышленности средств связи (Государственного комитета по оборонным отраслям промышленности РФ), Министерства общего и профессионального образования РФ.

В первом разделе на основе обзора отечественной и зарубежной литературы рассмотрены вопросы теоретического анализа широкополосных ПЧ, а также уровень технического развития лучших отечественных и зарубежных ПЧ диапазонов ОВ-УВ-СВЧ с описанием их технических характеристик, используемой элементной базы, конструктивного исполнения.

Большой вклад в теорию и практику техники преобразования частоты внесли: Л.Б.Слепян, В.И.Сифоров, Л.С.Гуткин, А.А.Колосов, В.В.Крохин, Г.В.Войшвилло, Н.Д.Порошин, Ю.А.Немлихер, И.А.Струков, В.С.Эткин, Ю.Л.Хотунцев, Е.Н.Анисимов, Б.А.Асташкевич, М.Е.Мовшович, Б.М.Богданович, В.В.Палшков, Е.А.Волков, Э.Б.Грибов, J.M.Manley, H.E.Rowe, K.M.Johnson, J.G.Gardiner, H.K.V. Lotsch, A.R.Kerr, D.N. Held, S.A.Maas, R.A. Pucel, E.W.Lin, W.H.Ku, E.F.Beane, M.T.Faber, W.K.Gwarek, A.Madjar, J.Dreifuss, A.Bar-Lev, S.Egami, A.M.Yousif и многие другие.

Особенности теоретического анализа и практического расчета ПЧ связаны со спецификой их работы. ПЧ работают при двух основных входных воздействиях - гетеродинном и сигнальном. Гетеродин должен иметь достаточную интенсивность, чтобы обеспечивать изменение параметров нелинейных

элементов ПП. Для сильного гетеродинного воздействия ПЧ всегда является нелинейным. Если гетеродинное воздействие превалирует над сигнальным, то для слабого сигнального воздействия ПЧ является линейным (квазилинейным). Если гетеродинное и сигнальное воздействия соизмеримы (сильное внешнее бигармоническое воздействие), ПЧ является нелинейным и для сигнала. Кроме основных воздействий на входе ПЧ могут присутствовать помехи различной интенсивности. Если интенсивность помех относительно велика, то ПЧ является нелинейным и для воздействующих помех.

В соответствии с этим в анализе и расчете ПЧ выделено три направления:

1) анализ линейного ПЧ, результатом которого являются методики расчета вторичных параметров ПЧ;

2) анализ нелинейного ПЧ относительно сильного гетеродинного воздействия, результатом которого являются методики расчета первичных параметров ПЧ (однократных коэффициентов Фурье параметрических элементов);

3) анализ нелинейного ПЧ при трехсигнальном воздействии, результатом которого являются методики оценки двухсигнальной избирательности (блокирование полезного сигнала помехой, перекрестная модуляция), или методики оценки уровней интермодуляционных компонентов третьего порядка.

Основа первого направления - теория линейного преобразования частоты В.И.Сифорова, суть которой заключается в представлении ПЧ на ППП с периодически меняющимся параметром многополюсником и описании его линейным У-матричным уравнением. По сложившейся к настоящему времени терминологии метод В.И.Сифорова является спектрально-комбинационным методом определения стационарного режима параметрической цепи с использованием однократных коэффициентов Фурье нелинейного элемента. Достоинством метода при нахождении вторичных параметров ПЧ является "алгебраизация решения" У- матричного уравнения, то есть возможность его решения с использованием хорошо развитых методик для линейных цепей на основе правил и законов линейной алгебры.

Основы описания линейным Г-матричным уравнением ПЧ на СПП, представляемого эквивалентной схемой с несколькими узлами, были заложены Г.В.Войшвилло и Н.Д.Порошиным в начале 60-х годов и развиты в работах И.А.Колесова и С.В.Мелихова [5,40]. В этих работах предложен алгоритм нарастающей блочной матрицы проводимости (МП), составляемой на основе полной эквивалентной схемы ПЧ. При этом порядок матриц-блоков равен числу узлов эквивалентной схемы ПЧ, а порядок общей МП равен произведению числа узлов эквивалентной схемы ПЧ и числа комбинационных частот. В работах [4,32,35,37-39,42,46,47] сформулированы методики расчета вторичных параметров, условий устойчивости, чувствительности характеристик к изменению внешних нагрузок и элементов эквивалентной схемы линейных и нелинейных ПЧ

с использованием графоаналитического метода конформных отображений комплексного переменного дробно-линейной функцией. Очевидным достоинством графоаналитического метода является наглядность получаемых результатов. Основные положения анализа и расчета широкополосных линейных и нелинейных ПЧ любой сложности на основе спектрально-комбинационного метода определения стационарного режима параметрической цепи изложены в разделах 2, 3, 4 диссертационной работы.

Анализ нелинейного ПЧ относительно сильного гетеродинного воздействия проводится различными методами: путем численного решения системы нелинейных дифференциальных уравнений методом Рунге-Кутта (D.A. Fieri и L.D.Cohen); спектрально-гармоническим методом определения стационарного режима параметрического ПЧ путем итерационного решения линейного матричного уравнения (Е.Н.Анисимов, S.Egami, C.Camacho-Penalosa); итерационным методом отраженных волн (A.R.Kerr, W.K.Gwarek) и др. Перечисленные методы представляют большой теоретический интерес, однако достаточно сложны. При практических разработках ПЧ для быстрого прогноза получаемых параметров желательно применение простой методики определения коэффициентов Фурье параметрических элементов. Такая методика для безынерционных ПЧ разработана М.Е.Мовшовичем и заключается в непосредственном интегрировании временной зависимости дифференциальной проводимости р-п- перехода с учетом влияния внешних целей, характеризуемого величиной "линеаризующего параметра". В разделе 5 данной работы показано, что методика М.Е.Мовшовича может быть использована для инерционных ПЧ на различных ПП с учетом изменения с частотой гетеродина модуля линеаризующего параметра. Такой подход существенно упрощает расчет первичных параметров ПЧ и обладает достаточной для практических расчетов точностью.

Анализ по третьему направлению в подавляющем большинстве случаев проводится в направлении расчета коэффициента интермодуляции третьего порядка, поскольку по его величине просто определяется точка 1Р3, характеризующая нелинейные свойства ПЧ. Расчет коэффициента интермодуляции третьего порядка может быть проведен: методом комбинационных токов по многомерным рядам Фурье или Маклорена (Е.А.Волков); методом модуляционных характеристик (А.Н.Бруевич, С.И.Евтянов); методом специальных функций (Э.Б.Грибов, Э.Б.Липкович); методом гармонического баланса (T.Doi); методом функциональных рядов Вольтерра-Винера (Б.М.Богданович, R.B.Swerdlow); методом функциональных рядов Вольтерра-Пикара (К.В.Головинский); методом нелинейного тока (Е.Н.Анисимов, Ю.Л.Хотунцев, Б.А.Асташкевич) и др. Наиболее пригодными для анализа широкополосных слабонелинейных устойчивых ПЧ являются метод Вольтерра-

Винера и метод нелинейного тока Анисимова-Асташкевича, позволяющие провести оценку нелинейных искажений с учетом иммитансов внешних цепей для токов различных комбинационных компонентов преобразования. Недостатком метода Вольтерра-Винера является возможность его использования не только при слабых сигналах, но и при слабом гетеродине. Модернизированный метод нелинейных токов от этого недостатка избавлен (возможны расчеты при сильном гетеродинном воздействии), однако при увеличении амплитуды входного сигнала сложность и громоздкость расчетов использованием этого метода существенно возрастает.

Наши исследования показали, что возможно существенное упрощение расчета нелинейных эффектов ПЧ (динамического диапазона по комбинационным продуктам преобразования с высшими гармониками сигнала и гетеродина, динамического диапазона по фокусам дополнительных каналов приема, динамического диапазона по интермодуляции второго и третьего порядка) при использовании спектрально-комбинационного метода определения стационарного режима на основе У-матричного уравнения с многократными коэффициентами Фурье параметрических элементов [7,26-30,32,35,45,46,62]. Предложенный метод является модификацией (объединением) метода многократных коэффициентов Фурье (метод Волкова) и спектрально-комбинационного метода определения стационарного режима (метод Сифорова). Его использование позволяет с единых идеологических позиций проводить исследование нелинейных характеристик широкополосных ПЧ на различных ПП с применением конформных отображений варьируемого параметра в комплексную плоскость коэффициентов нелинейных искажений. Основные положения анализа и расчета нелинейных характеристик ПЧ любой сложности с применением предложенного метода, технические приемы повышения динамического диапазона ПЧ (а также возможности повышения динамического диапазона мощных каскадов усиления радиосигнала) изложены в разделе 6 настоящей работы.

Во втором разделе проведен анализ широкополосного нелинейного ПЧ на основе ППП (рис.1) и получены его математические модели в виде У - матричных уравнений для режима сильного БГВ и для режима сильного ПГВ.

На основе теории линейного преобразования частоты В.И.Сифорова ММ широкополосного (Усо^00 для токов преобразованных частот, см. рис.1) линейного (|/'/+£?| <<|/'0+/|) ПЧ на ППП записывается в виде Г-матричного уравнения (1 + 2Ы)- го порядка:

где <?//+„, 8У1+г - 8— приращения комплексных амплитуд токов и напряжений на зажимах "а"-"а" ППП комбинационных компонентов (КК) с частотами

= (2) = а,., 0)ду1 = - частоты сигнала и гетеродина соответственно;

ЛГ - наибольший номер гармоники гетеродина, образующей рассматриваемые токи и напряжения КК.

При Уд+1 » Уи„, (где Уио, К/+„ -амплитуды напряжений гетеродина и КК с частотами вида (2) на зажимах ППП) элементы МП уравнения (1):

= +ХсоП0+па>0+1)Сп_г= [Ок , (3)

где <рр+) - начальная фаза гетеродинного воздействия на зажимах ППП;

[С,] \ске^\ 2п>п\СМП]\ 0

Рис. 1 - Эквивалентная схема широкополосного ПЧ на ППП с внешними цепями

Коэффициенты (4) являются однократными коэффициентами Фурье параметрических проводимости и емкости ППП. Их величины зависит от характеристик нелинейностей вольтсименсной 0[Е] и вольтфарадной С[Е] характеристик проводимости и емкости, от величины и формы напряжения гетеродина на зажимах ППП. МП уравнения (1) - однокомпонентная с однократными коэффициентами Фурье, так как каждый ее элемент состоит из одного коэффициента Фурье проводимости и одного коэффициента Фурье емкости. Матричному уравнению (1) соответствует эквивалентный 2(1 + 2Ы )-пог\юснш с внешними нагрузками подключенными к зажимам

ППП через идеальные полосовые фильтры Ф;+л с центральными частотами

а1+п ■

С использованием аппарата линейной алгебры и уравнения (1) возможен анализ и расчет вторичных параметров, условий устойчивости, а также оценка влияния вариаций внешних нагрузок для токов КК на характеристики ПЧ наглядным графоаналитическим методом конформных отображений (см., например, [4,37-39,42,45,46,47 и др.]).

В режиме нелинейного преобразования частоты при сильном внешнем БГВ и 0+/| соизмеримы) на зажимах ППП присутствуют КК с частотами

а)т+п -та1+0 +па0+1 ; т=0,±1,±2,...,±М;п = 0,±1,±2,...,±М;тФп = 0;п*т = 0.

Для получения ММ широкополосного нелинейного ПЧ в этом случае в диссертации применен новый подход [7,28,29,30,45,62], заключающийся в проведении следующих математических действий: представление дифференциального приращения тока ППП в любой момент времени суммой частных дифференциалов по напряжениям КК с учетом изменяющихся во времени проводимости и емкости; группировка слагаемых суммы частных дифференциалов по частотам й)т+п\ почленное интегрирование по времени

сгруппированных слагаемых; составление 7-матричного уравнения,

связывающего комплексные амплитуды токов и напряжений КК на зажимах ППП.

Отметим, что формула (5) определяет попарные комбинационные частоты -одинаковые по величине, но противоположные по знаку: (а>1+0) и

{<о_ио = -<оио)\ (щ?+/) и (со (¡^ =-а д+1У, (СОи0+(О0+,) и (со_1+о+сО()_1 =-а>1+д-соо+1) и Т.д. Комплексные амплитуды напряжений (токов) попарных частот являются комплексно-сопряженными величинами

(К„+П = Ут+пе}1Рт+" • Ут+п = Кп+п е 19т*л )■ посредством которых представляется реальное колебание напряжения (тока) любого КК:

= Гт+п соз(0)т+п /+ срт+п) = (1/2)(¥т+п е1с°™' + С„ ^^') ■ (6)

При анализе линейных ПЧ (т = /) с помощью комплексно-символического метода учет КК с попарными частотами приводит к двум комплексно-сопряженным системам линейных уравнений [одна из них - выражение (1)], решение которых приводит к одному результату. Поэтому, например, в работах Ю.А.Немлихера, И.А.Струкова, ОЖНеЮ, А.Я.Кегг и др. при анализе ПЧ в рассмотрение

принимаются только КК с временным множителем . При анализе

нелинейного ПЧ в настоящей работе учтены как КК, имеющие временной

множитель е7<Уи+"' с частотой одного знака (сот+п), так и сопряженные КК,

имеющие временной множитель е~]0>т*п' с частотой другого знака (—сот+п). Это в совокупности с новым подходом к анализу нелинейного ПЧ привело к возможности описания нелинейного ПЧ системой уравнений:

м £

т=0 п--Ы

т*п=0 п>0\т=о

N 2

М N

£ Г//«;

т=/ „=_ЛГ

Ст-1,г, ~ °т+1,п) +

1[(т-1)(ри0 + п(р0+,] ■ е '1+0 +

+ ](т(оио +па>0+1)(си_,„ ~Ст+1п)

(Со,п-1 - С0,п+1) + М<°0+1(С0,п-1 - С0,п--1)

N

I (1/п) ( С0,п-1

М N М

I ъ Е

т-0 п=-И

т*п=0 п>0\м= о <Иг=0

,](п-1)9о+1

0+1 '

N

-'т-д.п-г

+ ;(тй)и0+псо0+})С,

+ ](™(ои0 + псо0+1)Ст+яп+г

хе

][(т+д)<ри0+(п+2)<р0+1] рг ^

(8)

При выводе (7) использован закон перекрестных связей коэффициентов Фурье параметрических проводимости и емкости ППП с воздействующими напряжениями, который в общем виде (при сильном ПГВ) сформулирован в [32,35,45], а для случая БГВ ограничивается двумя подобными выражениями:

п(Ст-1,п - Ст+1,п^1+0 = т(°т,п-1 ~ °т,п+1)У0+1' 1 п(Ст-1,п ~ Ст+1,п)У1+0 = т(Ст,П-1 ~ Ст,п+1)^0+1- \

Система уравнений (7) эквивалентна У-матричному уравнению:

[4ч„]«„-.- . о)

где т' =0,1,2,..., М; ^=0,1,2,...,М; т'Фп = 0; п>0, если т = 0.

Уравнение (9) характеризует нелинейный ПЧ в режиме сильного БГВ, который эквивалентен [(1 + 2М)(1 + 2И )-1 ]-тпкзснту с внешними нагрузками, подключенными к зажимам ПЧ через идеальные полосовые фильтры с центральными частотами в>т'+„ — т'о))+о +псо0+1 , имеющими

положительный первый индекс (т'> 0).

Каждый элемент Ут'-д',п-2(С0т'+п) МП уравнения (9) состоит из разности

+

или суммы двух коэффициентов Фурье проводимости и

двух коэффициентов Фурье емкости Ст-+д,_„+2), определяемых

двукратным интегрированием временных зависимостей )], С[у(1)]\

М—!-,) )\т:>!}«°>

К»/

Поэтому МП уравнения (9) является двухкомпонентной с двукратными коэффициентами Фурье. Алгоритм формирования МП для ЭВМ приведен в [32,35,45].

У-матричное уравнение (9) является ММ нелинейного ПЧ при сильном БГВ.

Если предположить, что У^+о «У^/, то слабое напряжение сигнала не

изменяет проводимости и емкости ПЧ. При этом От>±ч^п±1 =0, Ст,±ч, п±г -0,

если \т'±^\>1, и двухкомпонентные элементы У0 п_г(сотЧ„) МП уравнения

(9) становятся равными однокомпонентным элементам Уп_7.(аз1+п) МП

уравнения (1). Тогда уравнение (9) приобретает вид, подобный уравнению (1), имея, однако, в своем составе строку гетеродинного тока и столбец гетеродинного напряжения с нулевыми элементами, кроме диагонального. В этом случае решение уравнения (1) относительно приращений комплексных амплитуд, и решение уравнения (9) относительно комплексных амплитуд малосигнальных КК с частотами со1+п дают одинаковые результаты. Переход матричного уравнения (9)

нелинейного ПЧ при Уи0 «У0+1 в матричное уравнение (1) линейного ПЧ указывает на адекватность описания нелинейного ПЧ 7- матричным уравнением.

Матричным уравнением (9) можно описать не только ПЧ, но и другие нелинейные устройства, в которых происходят изменения частоты входного воздействия: умножитель частоты, модулятор сигнала по амплитуде, усилительный каскад в режиме сильных сигналов. Например, в [35] на основе (9) при п = 0 получены формулы для расчета гармонических токов умножителей частоты на нелинейных элементах с различными ВАХ, в частности, для нелинейного элемента с линейно-ломаной ВАХ при Ую = со - формулы коэффициентов Берга. Этот результат также доказывает адекватность описания нелинейного ПЧ Г - матричным уравнением.

Развернутый вид (9) при воздействии на безынерционный ППП (С[у] = 0) сильного сигнала и сильного гетеродина (для упрощения записи принято, что (Рио = <Ро+1 ~ °У-

{но ¿0+1 Т-1

ч-з

°00 0 С01+С21 I I ■ • 1 0(3 +&23 1 — Г Уш

о ! в00 20 ! ви+вю ! + Ст12 1 1 ■ ■ 1 +с12 \... У0+1

-С21 \ 0 1 с^+с^ ] °02+С20 1 1 ' ■\СО2+С2^\ ...

°0) 0 ! С02+&20 | воо+Оя 1 1 • I | ... Ун,

' - 1 Г" 1 1 1 . г ~~ I

Ооз -С23 ! 0 1С02+С24\ С04+&22 1 1 . • ! С00+С2б\ - Унз

1 1 1 II 1

Заметим, что на основе (11) токи КК с частотами со±1±3 в первом приближении пропорциональны:

41±3 ~(С03~С23)УП0- (12)

На основе алгоритма структуры уравнения (7) и закона перекрестных связей матричное уравнение нелинейного ПЧ при сильном ПГВ записывается в виде:

[Лл'+и'+ ... +и] [^т'-?'.»-«,... ,п-х (1^)

В (13) входят КК с частотами

со „+„+..+„ = та>1+о+о+... + 'та>о+ио+...+- + п(0о+...+о+1 • где т,ч>,...,п- любые целые числа, но

тФу» = ...=-п—0\ у?Фт=..,= п = 0\ ...; пФт = м>=...= 0\ СО1+0+0+ , со о+1+о+..> ••■ - частоты сильных входных сигналов; оз о+...+0+1 - частота гетеродина.

МП матричного уравнения (13) является двухкомпонентной с многократными коэффициентами Фурье и имеет порядок

(1 / 2)[(1 + 2М)(1 + 2Ш)...(1 + 2Н)-1]. Следовательно, и в этом случае нелинейный ПЧ эквивалентен [(1 + 2М)(1 + 2Ш)...(1 л- 2Ы)-17-полюснику с внешними нагрузками, подключенными к ППП через идеальные полосовые фильтры с центральными частотами б)т,+М1+ +п . Коэффициенты Фурье параметрических проводимости и емкости ППП для уравнения (13) определяются многократными интегралами Фурье от функций , С[г)] [по аналогии с

(10)]. Алгоритм формирования МП уравнения (13) для ЭВМ подобен алгоритму формирования матрицы проводимости уравнения (9) и приведен в [32,35,45].

Г-матричное уравнение (13) является ММ нелинейного ПЧ при сильном

ПГВ.

Развернутый вид (13) при воздействии на безынерционный ППП двух сильных сигналов и сильного гетеродина {щ+о+о = Щ+1+о ~ Фо+о+1 ~

6'ООО 200 ! 0 \ .. | бу// !...

1<М+0 0 \ вооо-баго ! ••! с^+Сда |... Уо+ио

I I [_ ___I 1 1

(1/2)(СП1-С311) ; * ! 1 ' ' 1 ■■ ! С000 + С,422 \ ■•■ У(2-1Н

Г - ~ ~ 1 1 ... 1 1"" т .. 1 ... 1 ...

Заметим, что на основе (14) токи КК с частотами 0}^±2±^±1 в первом приближении пропорциональны:

1(±2±1)±1 ~ ~ Сзн)Ц+0+0 • С15)

Ниже показано, что на основе уравнений (9) и (13), можно проводить анализ и расчет вторичных параметров, устойчивости, динамического диапазона нелинейного ПЧ по комбинационным помехам, по интермодуляционным помехам второго, третьего и более высоких порядков, а также оценивать влияние вариаций внешних нагрузок для токов КК на характеристики ПЧ наглядным графоаналитическим методом конформных отображений.

В третьем разделе для режимоа линейного и нелинейного преобразования частоты при БГВ сформулированы алгоритмы формирования математических моделей (в виде нарастающих блочных МП) различных СПП с многоузловыми высокочастотными эквивалентными схемами и несколькими нелинейными элементами. Рассмотрены: диод-варистор с нелинейными проводимостью и емкостью перехода; диод-варактор с нелинейной емкостью перехода; биполярный транзистор с нелинейными проводимостью и емкостью эмиттерного перехода, нелинейной емкостью коллекторного перехода, нелинейной диффузионной проводимостью базы, нелинейным зависимым генератором тока; однозатворный полевой транзистор в активном и резистивном режимах работы с нелинейной прямой проводимостью, нелинейной проводимостью канала, нелинейными емкостями затвор-исток и затвор-сток, а также двухзатворный полевой транзистор.

В обобщенном виде алгоритм формирования нарастающей МП СПП формулируется следующим образом (рис.2).

СПП, имеющий в своем составе множество линейных и нелинейных элементов и представленный эквивалентной схемой с А узлами, описывается математической моделью в виде блочной МП. Порядок матриц-блоков равен А, а порядок блочной матрицы равен (А х С), где С-число комбинационных частот. Каждый из параметрических элементов сложного преобразующего прибора характеризуется в МП двумя соответствующими коэффициентами Фурье, кратность которых определяется числом сильных воздействий. Структура индексов коэффициентов Фурье в матрицах-блоках для линейного режима

ММ нелинейного ПЧП при БГВ:

[АЯ'+Я] = [^т'-^'.л-гС^т'+и^^'+г] ■

(1 / 2)[(1 + 2 М)(1 + 2И) -1] - го порядка (с двукратными КФ) для ЮС с частотами

а>„

■т'сои0 +па)м ;

т'= 0,1,2,..., М; п = 0,±1,±2,...,±Ы; т Ф п = 0; п * т = 0; п> 0, если т = О

I

ММ линейного ПЧП при БГВ:

[Yn.I(a^1^)\-Ш(U2N)-n

порядка (с однократными КФ) для КК с частотами

<°Пп =соП0 +по}0+1'

п = 0,±1,±2,...,±Ы

ММ СПП для нелинейного ПЧ при БГВ:

(°>т'+п)\ ~ блочная МП

(АхС)-го порядка (с двукратн. КФ); каждая матрица-блок А - го порядка; А-число узлов эквив. схемы СПП;

С-число КК с частотами й)т>+п

тт

ММ нелинейного ПЧС при БГВ:

ММ СПП для линейного ПЧ при БГВ:

)]-блочная МП

(АхС)-го порядка (соднократн. КФ); каждая матрица-блок А-го порядка; С-число КК с частотами (о)+п

1т'+п

Ут'-д'.п-г^т'+п)]- блочная МП (В х С) — го порядка (с двукратн.КФ); каждая матрица-блок В - го порядка; В -число узлов эквив. схемы ПЧС; С-число КК с частотами

ММ линейного ПЧС при БГВ:

]У„-г(<оип)\-блочная МП (ВхС)- го порядка (с однократн.КФ); каждая матрица-блок В-го порядка; С-число КК с частотами со1+п

Обобщенная ММ нелинейного ПЧС при ПГВ:

'т +ИЧ-...+И

~блочная МП (ВхС)-го порядка (с многократными КФ); каждая матрица-блок В-го порядка; С-число КК с частотами

со

т'= 0,1,2,..., М; уу = 0,±1,±2,...^; ... п = 0,±1,±2,...,±Ы; т'Ф и1 =...= л = ¿7; -ю^т' = ...= и= 0; ... п*т'= \ч=...= 0

Рис.2 - Математические модели ПЧП и ПЧС для нелинейного и линейного режимов с коэффициентами Фурье (КФ) разной кратности

преобразования частоты аналогична структуре индексов уравнения (1), для нелинейного режима при БГВ - структуре индексов уравнения (9), для нелинейного режима при ПГВ - структуре индексов уравнения (13). Такое описание позволяет учесть особенности эквивалентных различных СПП и эффекты линейного или нелинейного преобразования частоты на всех нелинейных элементах СПП.

На основе структуры уравнения (13) и алгоритма нарастающей блочной МП СПП при сильном ПГВ сформулирован алгоритм формирования обобщенной ММ (в виде У-матричного уравнения) нелинейного сложного ПЧ (ПЧС), имеющего в своем составе любое количество СПП, цепи согласования, цепи обратной связи, разветвители и сумматоры, фазосдвигающие и трансформирующие цепи на основе квадратурных и кольцевых мостов, двухпроводных отрезков линий передачи и др.

Алгоритм формирования обобщенной ММ нелинейного ПЧС при ПГВ формулируется следующим образом (рис.2).

Широкополосный нелинейный ПЧС в режиме сильного ПГВ описывается математической моделью в виде У-матричного линейного уравнения с блочной матрицей проводимости (ВхС)-го порядка, где 5-число узлов эквивалентной схемы ПЧС. Матрицы-блоки СПП аддитивно входят в матрицы-блоки ПЧС.

Такое описание позволяет учесть особенности эквивалентных схем ПЧС, эффекты линейного или нелинейного преобразования частоты на нескольких нелинейных элементах каждого СПП, а также провести оценку влияния (на разных комбинационных частотах) внешних цепей, корректирующих цепей, цепей обратной связи и др. на вторичные параметры, устойчивость и динамический диапазон ПЧ любой сложности.

На основе обобщенной ММ ПЧС возможно получение У- матричных уравнений широкополосных простых и сложных ПЧ при БГВ для линейного и нелинейного режимов работы (рис.2): нелинейный ПЧП или нелинейный ПЧС могут быть представлены ММ в виде уравнения (9) с соответствующими МП; линейный ПЧП или линейный ПЧС могут быть представлены ММ в виде уравнения (1) с соответствующими МП. Возможность формирования матричных уравнений разнообразных ПЧ на основе обобщенной ММ позволило создать единую программу для ЭВМ по исследованию вторичных параметров, условий устойчивости, динамического диапазона простых или сложных ПЧ для линейного или нелинейного режимов работы.

В качестве примера формирования МП СПП приведем вид неопределенных матриц-блоков однозатворного ПТ в активном режиме (рис.3) при сильном БГВ.

Диагональная матрица-блок, соответствующая строке блочной МП с частотой сигнала [т'-д'=1, п = г = 0, см уравнение (9)]:

Рис.3 - Эквивалентная схема однозатворного ПТ с внешними цепями в режиме нелинейного преобразования частоты

^¡1*0 + + 3®ио (cg¡,oo - сР,ог ) + + }®1+0 (С%Л,00 ~ ) - (Се„,оо - ^¡¿.ог) - }тП0 (С¡¡,00 ~ С гг.02 ) ~ ^1+0

~ Уgd.n0 + + (О00 ~ °02 ) ~ ~ ]а1+о (^¡а.оо ~ Сгд,02 ) ¥¿1+0 + ^¿,1+0 + ^(ваз.оо-б&.ог)* + }шиоСа, - (О00 - С 02 ) -_G<й,£tf,'-- зеаиоС4!

-(О00-в02)-~ (Cga,00 ~ Сгг,02 ) + №по(С&,00 - С!*,02) + + }о>поСл н - ~ ¥¡,1+0

~ ^1+0 ~ У а з+о Уз,и0 Гх1+о + + + 4 У* 1+о

Недиагональные матрицы-блоки при я'+\г\ "¿2 с учетом преобразования частоты на нелинейной прямой проводимости ПТ (17), на нелинейной

диссипативной проводимости канала Сс15[ус] (18), на нелинейной емкости сток-затвор ] (19), на нелинейной емкости затвор-исток С^[] (20):

О

т'-д'.п-г ^т'+д',п+г)

(^т'-д',п-г ^т'+д',п+г )

"с о ~~

о

О I (^т'-д',п-г ^т'+д'^

О I (^т'-д',п-г ^т'+д'.п+г)

О

V 0~

о

_

(18)

'л-г + I \о \0~

-ja>m'+n(Cgd0l •/^т'+п (Cgd,m'-q'Jt-z Cgd,m'+q',ni-z) ! о \ 0 \0

0 0 \ 0

0 | 0 \ 0 \о_

(19)

о! З^т'+п т'-д\ п , с ) -2 ~ ^'gS,rri+q\n+Z^'

о \ о! 0

о \ (^ЪЯ, гН-ц', п- г ^gs.rtf+д',п+г)

[ о "] о! 1 0

.(20)

При отсутствии напряжения на стоке (резистивный режим работы ПТ как ПЧ) эквивалентная схема ПТ не содержит зависимого генератора тока ус] . Матрицы-блоки при этом имеют вид (16) - (20) при Срк=0. Преобразование

частоты в этом случае происходит на основном нелинейном элементе -проводимости канала и неосновных нелинейных элементах - емкости сток-затвор и емкости затвор-исток.

Несмотря на большой порядок матриц проводимости для эквивалентных схем сложных ПЧ на высоких частотах, расчет их характеристик с использованием современной вычислительной техники занимает единицы секунд при порядке матрицы 100 и более.

Также в третьем разделе рассмотрены ММ в виде неопределенных МП различных пассивных фазосдвигающих, разветвляющих и суммирующих цепей (квадратурного моста, двухканального синфазного делителя мощности, кольцевого моста, двухпроводного отрезка линии передачи), широко применяемых в диапазонных ПЧ.

В четвертом разделе получены выражения и разработаны методики для расчета на ЭВМ вторичных параметров и условий устойчивости многополюсных линейного и нелинейного ПЧ (на основе их У- матричных уравнений) с учетом

0

О

О

влияния на эти параметры проводимости нагрузки (или проводимости эквивалентной схемы) для какого-либо комбинационного канала преобразования, проведена оценка чувствительности вторичных параметров ПЧ и условий устойчивости к различным каналам преобразования.

Рис.4 - Линейный ПЧ-многополюсник (а) и нелинейный ПЧ-многополюсник (б)

с выделенными варьируемыми нагрузками УуЬ или Уу. К = К, 1+0+...' = У¡¡, 0+...+ 1 ~ напряжения сигнала и гетеродина на входах ПЧ; К = о+1+о... ~ напряжение г - той помехи на входе ПЧ; V; - напряжение промежуточной частоты на выходе ПЧ; - напряжение на варьируемой проводимости эквивалентной схемы ПЧ или на варьируемой проводимости внешней нагрузки для какого-либо канала преобразования; V] - напряжение на проводимости нагрузки любого другого канала преобразования

Выражения для вторичных параметров получены на основе представления линейного и нелинейного ПЧ многополюсниками, изображенными на рис.4, и в полном объеме опубликованы в [46]. Здесь приведем основные из них.

Для нелинейного ПЧ при любых соотношений амплитуд воздействующих ЭДС (£ = //7) сигнала Е5, гетеродина помех Е1 в приведенных

выражениях входит в состав Е{) собственные входная и выходная проводимости, коэффициент передачи напряжения сигнала, коэффициент передачи ЭДС сигнала соответственно равны:

Гш=А/[Аа+(1/ЕХ)Т.тДь)1-У,-. ГМ]=~Г}\ (21)

4/

кга=[Еа¥^ „ +^(Е1¥1Л а)]/[Е,Г,А„ +ЫЕ,У,А (22)

■ I

кха=[Г,А а + (1/Е,)Ъ(Е&А а)]/ А , (23)

/

где А, А^,...-определитель и алгебраические дополнения МП линейного У - матричного уравнения, описывающего нелинейный ПЧ.

Заметим, что при = 0 выражения (21)-(23) определяют соответствующие параметры линейного ПЧ.

В табл.1 приведены результаты анализа взаимосвязей вторичных параметров и варьируемых нагрузок многополюсного устройства, где приняты следующие обозначения: виды математических функций - ДРЛ - дробно-линейная функция; ЛФ - линейная функция; ФИ - функция "инверсия"; ДРФ - дробно-рациональная функция; заголовок "нелинейный ПЧ (Е5,Е1)" означает что приведенные параметры связаны формулами, в которые входят амплитуды напряжений ЭДС воздействующих на многополюсник сигналов; заголовок "Нелинейный ПЧ - что приведенные параметры связаны формулами, в

которые входят амплитуды напряжений на зажимах многополюсника; = ^оу ~ У от} + У/ ~ полные входные и выходные проводимости

многополюсника со стороны соответствующих зажимов (на соответствующих частотах).

Табл.1 - Вид функций, связывающих вторичные параметры многополюсника и проводимости его зажимов

Вторичный Линейный ПЧ, Нелинейный ПЧ

параметр нелинейный ПЧ (Е1,Е^

у г V ои1 ] у. 'та у V •'ой/ ]

длф лф лф длф длф

длф длф фи длф фи

к длф - - длф длф дрф

У ■ 1 длф длф длф длф длф

V *ои1 ] длф длф длф - -

Из данных табл.1 следует, что вторичные параметры, оценку состояния устойчивости, оценку величины динамического диапазона по комбинационным каналам преобразования для линейного и нелинейного ПЧ целесообразно проводить по выражениям, содержащим амплитуды ЭДС воздействующих сигналов. В этом случае при использовании графоаналитического метода конформных отображений имеют место унифицированные графические

построения конформных отображений с помощью ДЛФ:

к = а-

а + У

уИ(У)

Ь + У

Способ простого графического решения (24) предложен в [38] и описан в приложении В диссертационной работы.

КсУ^сО

№

О'

ЛсУщ< О

ЬпУ^

ЬеУ;

|nJ

11еУор0

а)

КеУ„

б)

Рис.5 - Области различной степени устойчивости ПЧ-многополюсника в комплексной плоскости нагрузки

На основе иммитанснйго критерия устойчивости, использование которого обосновано невозможностью выделения канала (каналов) обратной связи в многополюсных устройствах, разработана методика оценки условий устойчивости сложных ПЧ для линейного и нелинейного режимов работы. Методика позволяет находить области неустойчивости (ОН), области потенциальной неустойчивости (ОПН) и области абсолютной устойчивости (ОАУ) в комплексных плоскостях нагрузок ПЧ с помощью конформных отображений ДЛФ левых полуплоскостей собственных или полных входных (выходных) проводимостей ПЧ с любого /-того зажима (рис.5). Вместо использовавшихся ранее полюсного

коэффициентов запаса устойчивости {к2р(а = У0 / 6УЧ = |(Уу - рЕ)/ 5УХ|, рис.6) и граничного коэффициентов запаса устойчивости

{кгШп = УтЫ / 8УЧ= | (Уу-ЬЫп)/йф, предложены новые понятия - радиальный коэффициент запаса устойчивости по ОПН (к20рп) и радиальный коэффициент запаса устойчивости по ОН (к20п):

к20рп=-(Яе8т)/Ят, к20П=~(КеБ'т)/Кт, (25)

где 5'т, Б'п, Ят, соответственно центры и радиусы окружностей, отображающих мнимые оси плоскостей собственной проводимости и полной проводимости с У-го зажима ПЧ в плоскости Уу (5'т,Л'т на рис.5 не изображены).

устойчивости

Расчет величин к20рп, к2ап и сопоставление их между собой является

универсальной оценкой как состояния, так и запаса (или отсутствия запаса) устойчивости устройства, поскольку:

1) если к.орп >/, к,оп > 1, то устройство абсолютно устойчиво при заданных

нагрузках У у (] Ф _/'), так как в этом случае ОПН лежит в левой полуплоскости Уу; чем больше величина кгорп по сравнению с единицей (и тем более к10п), тем меньше чувствительность устройства к изменению величины нагрузки исследуемого канала преобразования и тем выше запас устойчивости; последнее справедливо и в том случае, если ОПН лежит близко к мнимой оси плоскости Уу;

2) если к2арп<1, кгоп>1, то устройство потенциально неустойчиво при заданных нагрузках, так как ОПН заходит в правую полуплоскость 7У.

3) если кгорп <1, к20п < 1, то устройство неустойчиво при заданных нагрузках,

поскольку в этом случае ОН заходит в правую полуплоскость .

На основе введенных понятий чувствительности модуля и фазы вторичных параметров к предельному изменению проводимости варьируемой нагрузки проведена оценка степени влияния комбинационных каналов преобразования на вторичные параметры диодного ПЧ. Выявлены каналы преобразования, оказывающие существенное влияние на вторичные параметры и устойчивость линейных и нелинейных ПЧ. Выявлена степень их влияния при разных соотношениях амплитуд сигнала и гетеродина.

Проведена оценка погрешности расчетов (по предложенному методу) вторичных параметров диодного резистивного ПЧ для линейного режима и для нелинейного режима при разных соотношениях амплитуд сигнала и гетеродина,

разном числе учитываемых каналов преобразования с частотами вида (5). С учетом каналов преобразования, существенно влияющих на вторичные параметры, относительная погрешность расчета вторичных параметров не превышает 10% для линейного ПЧ и 16% для нелинейного ПЧ. Оценка погрешности расчетных данных проведена при сопоставлении их с данными численного моделирования на ЭВМ в среде "РЗрюе".

На основе предложенных методик расчета вторичных параметров и условий устойчивости линейных и нелинейных ПЧ разработаны программы для ЭВМ, позволяющие проводить анализ по выведенным на экран монитора конформным отображения [с помощью ДЛФ (24)] комплексных плоскостей нагрузок ПЧ [а также левых полуплоскостей собственных или полных входных (выходных) проводимостей] для токов различных комбинационных частот. Малые затраты времени на расчет (единицы секунд при порядке У-матричного уравнения ~ 100 и более) и наглядность графоаналитического метода резко увеличивают производительность и эффективность труда при разработке ПЧ с требуемыми характеристиками.

В пятом разделе разработаны методики расчета параметров нелинейных элементов линеаризованных эквивалентных схем различных СПП, применяемых для широкополосного преобразования частоты: ДВР, БТ и ПТ, работающего в активном и резистивном режимах. Под параметрами нелинейных элементов понимаются однократные (для линейного ПЧ) и многократные (для нелинейного ПЧ) коэффициенты Фурье параметрических проводимостей и емкостей, входящих в состав СПП.

Рис.7 - Функция у(х) вида "линеаризованная экспонента" при сЪ = /

Для расчета коэффициентов Фурье использована универсальная функция "линеаризованная экспонента", предложенная В.И.Зубчуком и А.А.Шпаковским (рис.7):

У(х)

у(х) = с1п[1 + еЬ(х-х,)]. (26)

Функция (26) удовлетворяет условиям Дирихле и допускает многократное численное интегрирование на ЭВМ в среде "Derive" для расчета однократных, двукратных и трехкратных коэффициентов Фурье. Универсальность функции заключаются в том, что ее зависимость от аргумента х имеет квазиэкспоненциальный, квазиквадратичный и квазилинейный участки. Это позволяет использовать функцию (26) для аппроксимации с малой погрешностью вольтсименсных характеристик (ВСХ) и вольтфарадных характеристик (ВФХ) различных нелинейных элементов СПП путем введения в (26) соответствующих эмпирических коэффициентов [50], характеризующих положение рабочей точки нелинейного элемента и интенсивность воздействий (гетеродина, сигнала, помех). При этом возможно описание практически любого вида нелинейности, в том числе соответствующего линейно-ломаной ВАХ. Изменение вида нелинейности (в частности, изменение вида нелинейности диссипативных проводимостей р — п — перехода ДВР или БТ) с повышением частоты гетеродина предложено учитывать с помощью изменения модуля линеаризующего параметра, являющегося одним из эмпирических коэффициентов при модифицированной записи (26). [Например, для безынерционного эмиттерного перехода БТ линеаризующий параметр pt = Ie0 / <pt G„, где 1е0 - средняя составляющая тока

эмиттера транзистора; a = 1/(pt\ cpt - кТ/q-температурный потенциал;

Gg-эквивалентная проводимость, включенная между источником напряжения

(Е) и переходом с идеальной экспоненциальной ВАХ]. Понятие "линеаризующий параметр" для /"-«-перехода широко используется во многих работах, поскольку позволяет с малой погрешностью проводить аппроксимацию в обобщенных координатах проходной ВАХ БТ (или ДВР при соответствующей записи) с помощью функции "неявная экспонента" [6]:

J>t'=it/Ie0 = eaE+p-(1-,"). (27)

Однако, неявная зависимость J" от аЕ не позволяет использовать выражение (27), входящее в формулу для ВСХ эмиттерного перехода [G" = d(J") / д(аЕ) = JHd / (1 + p,J")], для расчета многократных коэффициентов Фурье параметрической диссипативной проводимости р-п-перехода (или БТ, или ДВР) с малыми затратами машинного времени. Так,

например, применение для определения текущего значения J" метода уточнения грубых приближений Ньютона [6] при расчете двукратных коэффициентов Фурье требует затрат машинного времени, исчисляемых несколькими часами даже при использовании современных быстродействующих ЭВМ. Использование функции

(26) позволило решить проблему расчета многократных коэффициентов Фурье при относительно малых затратах машинного времени (единицы минут).

Разработаны методики выбора эмпирических коэффициентов для (26). В основу методик положено минимальное расхождение экспериментально измеренных ВАХ[в этом случае у(х) эквивалентно току] или ВСХ [в этом случае

д{у(х)} / дх = сЬ / {1+ ё~ь(х~х)} эквивалентно проводимости] нелинейных элементов и аппроксимирующих их зависимостей.

Путем численного интегрирования на ЭВМ временных зависимостей нелинейных элементов различных СПП от внешних воздействий создан банк данных однократных, двукратных и трехкратных коэффициентов Фурье, необходимых для составления комплекта линейных 7-матричных уравнений вида (1), (9) и (13) ПЧ различной степени сложности. Расчет коэффициентов Фурье проведен для основных нелинейных элементов ДВР, БТ, ПТ при регулировке их нелинейности интенсивностью и углом отсечки гетеродинного воздействия. Расчет двукратных и трехкратных коэффициентов Фурье проведен при соотношении амплитуд ЭДС гетеродина первого и второго сигналов

(Е51, Е!2 ), соответствующих квазилинейной амплитудной характеристике ПП:

201щ(Ев/Е,,) = 10дБ\ 20ЫЕ%/ЕЧ) = 20ЫЕ&/Е,г) = 10дБ. (28)

На рис.8 в качестве примера приведены зависимости двукратных и трехкратных нормированных коэффициентов Фурье диссипативной проводимости ДВР от угла отсечки гетеродинного воздействия при интенсивности гетеродина, соответствующей линейно-ломаной ВАХ ДВР. Ниже будет показано, что использование изображенных зависимостей позволило найти новые пути повышения динамического диапазона ПЧ.

Рис.8 - Зависимости нормированных двукратных (а) и трехкратных (б) коэффициентов Фурье диссипативной проводимости ДВР от в

С использованием банка данных коэффициентов Фурье проведена оценка

влияния эффектов преобразования частоты на вторичные параметры ПЧ за счет неосновных нелинейных элементах ДВР, БТ и ПТ. Результаты оценки показали, что в диапазоне частот до 0,3агр (где согр - граничная частота используемых приборов) преобразование частоты за счет неосновных нелинейных элементов изменяет вторичные параметры ПЧ не более, чем на 10%, и им, как правило, можно пренебречь.

В шестом разделе рассмотрены известные методы и средства повышения динамического диапазона широкополосных ПЧ. Проведено их обобщение на основе анализа зависимостей коэффициентов Фурье разной кратности от электрического режима ПП. Определены условия электрического режима ПП и предложены новые методы и схемные решения, обеспечивающие повышение динамического диапазона ПЧ по побочным каналам приема, по фокусам побочных каналов приема (преобразования), по интермодуляционным помехам второго и третьего порядка, по блокированию сигнала помехой. Разработаны методики расчета коэффициентов интермодуляционных искажений, исследована эффективность внеполосной коррекции комбинационных и интермодуляционных искажений в ПЧ.

Рассмотрены восемнадцать известных разновидностей построения сложных ПЧ (в том числе двухканальных - ДПЧ), содержащих два или более ПП, фазоинверсные трансформаторы, квадратурные мосты, разветвители, сумматоры, с точки зрения бесфильтрового подавления мешающих комбинационных и интермодуляционных продуктов преобразования (табл.2). (Новые схемы 11,12,13,14, обладающие свойством фазового подавления зеркального канала приема, зарегистрированы во ВНИИГПЭ в виде полезных моделей [54-57]). В третьем столбце табл.2 приведены условия бесфильтрового подавления комбинационных и интермодуляционных компонентов любого порядка, полученные по методу С.М.Сараева, модифицированному в работе в плане значительного упрощения математической записи обобщенных условий подавления всевозможных комбинационных и интермодуляционных компонентов. Анализ полученных условий подавления позволяет сделать вывод о том, что ни одна, из схем сложных ПЧ не обладает свойством фазового подавления интермодуляционных помех нечетного порядка, в частности, наиболее опасных интермодуляционных помех третьего порядка.

В табл.3 приведены результаты сравнительного анализа свойств приведенных схем по подавлению комбинационных и интермодуляционных помех второго порядка, зеркального канала приема, шумов гетеродина. Данные табл.3 при проектировании РЭС позволяют сделать правильный выбор схемного решения ПЧ в соответствии с требованиями подавления мешающих комбинационных продуктов преобразования, интермодуляционных помех четного порядка, зеркального канала приема, шумов гетеродина.

Табл.2 - Банк схемных решений сложных ПЧ и условия подавления КК

Номер схемы Схемная реализация ПЧ, ДПЧ Условия подавления, К= 0,1,2,...

1 3 ¿¡П т + О-п- ±2К

2 £П 0-т + п- ±2 К

3 5! Л? тйт йП 0-т+п = ±(2К + 1)

4 чЗ Й 11 е т + п = ±(2К + 1)

5 8[ т + п-±(2К + 1)

6 ¿у, т 1 т = ±2К п-±2К т + п-±(2К + 1)

7 ¥ г 1 т = ±2К п-±2К т + п = ±(2К + 1)

8 к т-±2К п = ±2К т + п = ±(2К + 1)

9 vJW I' т-п = ±4К

10 ев? т-п-±4К т + п- ±(2К + 1)

11 я: I' т-п = ±(4К + 2)

12 ей V zf^i т-п-±(4К + 2) т + п = ±(2К + 1)

13 г-f Н=Х L/\ -л ^ * i J т + п = ±4К

14 и s ír< (Т7 Ni -о т-п-±(4К + 2)

15 Kvl.- Лп 0-т+п=±(4К+2)-1

16 8 о—1|-4— 1 "'1 л- р т+0-п=±(4К+2)-1

17 ÍS.VL л-л- г V1 0-т+п=±(4К+2) + 1

18 i VL л- л г VI т+0-п-±(4К+2)+1

Табл.3 - Наличие или отсутствие комбинационных компонентов тока в нагрузке для разных схем ПЧ и ДПЧ

Номер схемы ПЧ табл.2 1+1 1-1 -1+1 1+2 1-2 -1+2 2+1 -2+1 2-1 1+3 1-3 -3+1 3-1 -1+3 2+2 2-2 -2+2 (1-1)-1 (1+1)+1 (-1-1)+1 (1+1)-1 (1-1)+1 1+0 0+1 ШГ

1 + + + + + - - + + + - - - - - + - -

2 + + + - - + + + + + - + + + + - + -

3 - - - + + - - - - - + - - - - + - +

4, 5 + + + - - - - + + + + - - - - - - +

6, 7,8 + + + - - - - + + + - - - - - - - -

9 - + + + + + + + - - - + + + + + + -

10 - + + - - - - + - - - - - - - - - -

11 + - - + + + + - + + + + + + + + + -

12 + - - - - - - - + + + - - - - - - -

13 + - - + + + + - + + - + + + + + + +

14 + - - + + + + - + + + + + + + + + -

15 - + - + + - + + - + + + - + - + - +

16 - - + - + + + - - + + + + + + - + +

17 + - + + + + - - + - + - + - + + + +

18 + + - + - + + + + - + + + + + + + +

Пояснения к табл.3.

1. Комбинационные частоты в первой строке таблицы обозначены следующим образом: ±mcos ->±»»±и; (±тсор) ±wa>pí)±ncog ->(±m±w)±n.

2. Знак" + " указывает на наличие тока соответствующего комбинационного компонента в нагрузке ПЧ, знак " - " - на отсутствие.

3. Столбец " ШГ " (шумы гетеродина) характеризует присутствие или отсутствие на выходе ПЧ шумов гетеродина.

4. Для ДПЧ (схемы 13-18) данные таблицы соответствуют случаю использования небалансных модулей.

5. Промежуточной частоте (1+1) соответствует зеркальный канал (1-1); промежуточной частоте (1-1) соответствует зеркальный канал (-1+1); промежуточной частоте (-1+1) соответствует зеркальный канал (1-1)

Описано четыре новых метода повышения динамического диапазона ПЧ [2,22-25,34,51-53].

1. Метод повышения динамического диапазона широкополосных ПЧ на ДВР по фокусам побочных каналов приема (преобразования) за счет принудительного внешнего смещения и автосмещения по средней составляющей тока диодов. Рассмотрен фокус с частотой = (-со5 +Зо?г), необходимость

подавления которого возникает при использовании ПЧ в широкодиапазонных синтезаторах частот, работающих по принципу прямого синтеза и применяемых в системах радиопротиводействия. [Данный фокус не подавляется большинством схем ПЧ (см. табл.3)]. Суть предложенного метода состоит в следующем.

Из формулы (12) (при (г05 » и зависимостей рис.8,а следует, что ток

побочного канала с частотой ¡-из ~ ^03 ^ио ^ при угле отсечки

гетеродинного напряжения в « 60°. Условия обеспечения необходимой величины в могут быть найдены из уравнения однодиодного ПЧ [2]:

Е'~Е0 | + ЕЛ1-со*(в)]а0(в)

- [1+соэ(в)]а0(л-е) + =0> (28)

'+8

где Е'- напряжение отсечки диода; Е0 - напряжение принудительного внешнего

смещения; - амплитуда ЭДС гетеродина; gst - статическая проводимость

диода; Я -резистор автосмещения по средней составляющей тока диода; - внутреннее сопротивление гетеродина; а0(9) и а0(л - в) - коэффициенты

Берга нулевого порядка от углов в и (тг-в) соответственно.

Из (28) следует, что при Е'-Е0 в не зависит от интенсивности гетеродина, а его необходимая величина может быть обеспечена сопротивлением автосмещения Я, найденным из уравнения (28). Для четырехдиодного ПЧ, изображенного на рис.9 [24,25] и имеющего "разрыв" диодного кольца по средней составляющей токов конденсатором С1, условия по обеспечению фиксированного и стабильного в записываются следующим образом:

'л(1 + ёМсо*(6)

Е0 = !£';,- Л =

/ .

I

$т(в)-всо5(в)

--1

1 = 4, (29)

где /-количество диодов, включенных последовательно для средней составляющей протекающих через них токов.

Зависимости, приведенные на рис.10, иллюстрируют эффективность предложенного метода: динамический диапазон ПЧ по фокусу побочного канала с

частотой со_1+3 не менее 36 дБ и практически не изменяется при = 1...50 мВт.

Рис.9 - Принципиальная схема широкополосного кольцевого ПЧ с внешним смещением Е0 и автосмещением за счет резисторов Я1, Е2. Тр1 -Трб- фазоинверсные трансформаторы на отрезках двухпроводных линий передачи; Д1 - Д4 -диоды Шотки (ДШ) А120А; 77 - КТ399Л = 40...1000 МГц; к = -7,5±0,5дБ)

А

(-1+3)

1: Е0=1,2В; Я1+И.2&2,3кОм \ \ 2: Ед=0; Я = 0

10

20

50 мВт

Рис.10 - Зависимости динамического диапазона кольцевого ПЧ по фокусу с частотой <л3(-пз) от мощности гетеродина с цепями смещения и без них

(Л = 215 МГц, = 220 МГц, /ци1) = 435 МГц, /1(_из) = 445 МГц)

2. Метод повышения динамического диапазона широкополосных ПЧ на ДВР по интермодуляции третьего порядка за счет принудительного внешнего смещения. Из формулы (15) (при » С?//) и зависимостей рис.8,б следует, что токи интермодуляционных помех с частотами а>(±г±1)±1 1(±2±1)±1 ~ С?/// Ъ+о+о т'п ПРИ Угле отсечки гетеродинного напряжения

в ^ 90°. На рис.11 приведены зависимости, характеризующие эффективность повышения коэффициента интермодуляции третьего порядка кольцевого ПЧ на ДВР, используемого в нелинейном локаторе непрерывного действия [22,23]. Расчет и эксперимент показали, что использование данного способа повышает динамический диапазон по интермодуляции третьего порядка, соответствующей десенсибилизации приемного тракта нелинейного локатора, на (3...4)дБ, при пороговой чувствительности приемного тракта локатора Р$р » -108 дБм.

Рис. 11 - Зависимости коэффициента интермодуляции третьего порядка широкополосного кольцевого ПЧ нелинейного локатора от угла отсечки гетеродинного напряжения при мощности гетеродина = 17дБм

и мощности двухтоновой помехи Р10 = 10 дБм (Л./г = 20...470МГц \ /, =0,01...0,7МГц: к = -1±0,5дБ\ Р1Щ -29дБм)

Использование угла отсечки 9 а 90° позволяет получить повышенный динамический диапазон по интермодуляции второго и третьего порядка для усилителей радиосигнала на БТ. Необходимость в этом возникает, например, в усилителях передающих телевизионных центров, поскольку ТВ сигнал имеет несущую изображения, несущую звука и цветовую поднесущую, взаимодействие между которыми в выходном каскаде усилителя мощности (УМ) передатчика эквивалентно интермодуляционным помехам второго и третьего порядка. В [20,21] описан широкополосный двухканальный УМ ТВ радиосигнала любого канала метрового диапазона, выходные каскады которого работает в режиме Б. Это позволило при выходной мощности ~ 100 Вт получить не только малый уровень интермодуляционных помех (-51 дБ), но и обеспечить выгодные энергетические режимы работы выходных каскадов.

3. Метод повышения динамического диапазона по блокированию широкополосных ПЧ на транзисторах за счет исключения параллельной ООС по напряжению промежуточной частоты. В [41] показано, что раздельное или

совместное использование в транзисторном каскаде параллельной ООС по напряжению' (Я'/ь) и последовательной ООС по току (Я"/ь> рис.12) уменьшает

уровень максимально возможной отдаваемой в нагрузку мощности. Для полумения частотной характеристики с малой неравномерностью в широком диапазоне в транзисторных ПЧ с ОЭ (ОИ) используется глубокая параллельная ООС по напряжениям сигнала и гетеродина [1]. При этом существенная часть полезного выходного тока промежуточной частоты ответвляется в цепь обратной связи, что приводит к уменьшению его доли в нагрузке. В результате компрессия коэффициента передачи ПЧ наступает при меньшем уровне выходной мощности, чем в случае отсутствия ООС.

В [1,12,53] предложены схемные решения понижающих ПЧ, в которых за счет сохранения параллельной ООС по сигнальной и гетеродинной частотам и уменьшения глубины ООС по промежуточной частоте (рис.13), достигаются свойства широкополосности по входам сигнала и гетеродина, увеличивается величина коэффициента передачи, а выходная мощность, соответствующая точке компрессии, оказывается приблизительно равной выходной мощности ПЧ без ООС. Исключение ООС по промежуточной частоте таким способом увеличивает коэффициент преобразования на ~ (4...8)дБ, выходную мощность,

соответствующую точке компрессии, - на ~(1,8...2,2)дБ. ПЧ, построенные на транзисторе КТ3115А с использованием ФВЧ и работающие при 37-кратном частотном перекрытии {/!,/е=100...3700МГц\ /,= 30 МГц \ к=0±1дБ),

описаны в [1,59,60]. ФВЧ в понижающем ПЧ можно заменить на простейшую последовательную Я —С цепь [13], в повышающем ПЧ - на простейшую последовательную Я-Ь цепь.

4. Метод повышения динамического диапазона по блокированию широкополосных ПЧ на транзисторах за счет исключения последовательной ООС по току по току промежуточной частоты. Широкополосными свойствами за счет частичной взаимной коррекции входных проводимостей транзисторов с ОЭ и с ОБ обладает ПЧ, построенный на основе модифицированной схемы усилителя Джильберта (рис.14) [44]. Его недостатком является последовательная ООС по токам промежуточной частоты, которые синфазно протекают по проводникам Тр1. Уменьшить глубину ООС можно двумя путями: включением Тр2 (рис.15); включением Тр2, ТрЗ и конденсатора С/ (рис.16) [52]. Индуктивности проводников Тр2 и ТрЗ с емкостью С1 образуют последовательные резонансные контуры на промежуточной частоте; при этом коэффициент преобразования увеличивается на ~ (6...7)дБ, а выходная мощность, соответствующая точке

компрессии, - на ~ (1,5.. .2,2) дБ.

I-

_|п><^8)

Рис.12 - ПЧ по схеме с ОЭ и ООС по напряжениям и токам с частотами сигнала, гетеродина, промежуточной

Рис.13 - Принцип исключения ООС в ПЧ по напряжению с промежуточной частотой

Рис.14. Двухтактный нечетно-балансный Рис.15. ПЧ с исключенной ООС по току

ПЧ на основе схемы Джильберта промежуточной частоты за счет Тр2

{/ /Я*50...13ЮМП)\ /,=30МГц; = 50...1300МГц\ /, = 10...700МГц\

к = 2,0 ±1,5 дБ) к = 8,0±1,5дБ\РИРз=16дБм)

Рис.16 - ПЧ с исключенной ООС по току промежуточной частоты с использованием резонанса напряжений за счет индуктивностей проводников Тр2, ТрЗ и емкости конденсатора С1 - 80...800МГц] _/} = 30 МГц; к = 6,0±1,0дБ\ РиР} = 15дБм)

Различные варианты понижающих и повышающих ПЧ, построенные на основе модифицированной схемы Джильберта с фазоинверсными трансформаторами на входе и работающие в полосе частот 0,08...1,6 ГГц с коэффициентом преобразования ~ (1...10)дБ, неравномерностью АЧХ± (0,5.,.1,5)дБ, описаны в [8,9,44,52].

С использованием банка данных коэффициентов Фурье на основе расчетов и экспериментальных исследований определены условия для получения наибольшего динамического диапазона по интермодуляции второго и третьего порядка ПЧ на ПТ, работающих в активном и резистивном (без напряжения питания на стоке) режимах. Установлено, что при ограниченной мощности гетеродина наибольший динамический диапазон по интермодуляции третьего порядка можно получить, если статическая рабочая точка ПТ выбрана в середине раствора ВАХ (или ВСХ); при более мощном гетеродине возможно увеличение динамического диапазона, если обеспечить смещение статической рабочей точки в область запирания по определенному закону: так, чтобы обеспечивалось полное использование активного раствора ВАХ (или ВСХ), но без захода динамической рабочей точки в область отпирания перехода затвор-исток. Смещение статической рабочей целесообразно проводить до тех пор, пока

в~г.80°. В противном случае коэффициент преобразования ПТ существенно

уменьшается.

Рассмотрена возможность создания перспективных ПЧ на основе монолитного С а Аз БМК с решетчатой структурой (кросс-структурой) входных и выходных линий передачи размерностью 4x4 для аналоговых и аналого-цифровых модулей СВЧ различного функционального назначения [33].

Предложена топология внутрикристальных соединений входных и выходных линий передачи с субмодулями усиления (СУ) и субмодулями преобразования частоты (СПЧ), расположенных в узлах решетчатой структуры и образующих восемь модулей преобразования частоты ф/1ПЧ). Предложенная топология дает возможность построения на основе БМК сложных схем ПЧ любого вида (см. табл.2) организацией внешних соединений. В качестве примера на рис.17 приведена схема кольцевого ПЧ (схема 6 табл.2) на основе БМК. Его особенность - повышенная линейность при увеличенном коэффициенте преобразования за счет суммирования токов с промежуточной частотой от восьми МПЧ.

Предложены несколько вариантов новых принципиальных схем СУ и СПЧ [33] на ПТ с барьером Шотки (ПТШ). СПЧ построены на ПТШ, ориентированных на работу как в активном (ПЧА), так и резистивном режимах (ПЧР).

Приводятся технические характеристики разработанных и внедренных в РЭС различного назначения широкополосных (с коэффициентами перекрытия частотного диапазона от 2,5 до 25) ПЧ, умножителей частоты, амплитудных модуляторов, усилителей мощности.

Уч. №4/ДСП

Рис.17 - Кольцевой ПЧ на основе БМК (/я,/я,/1=0...12ГГц\ к я12,0 ±1,0 дБ; Р1Щ * 29дБм)

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Положение теории В.И.Сифорова о возможности представления линейного параметрического ПЧ эквивалентным многополюсником и описания его Г-матричным уравнением распространено на нелинейный гетеропараметрический ПЧ при сильном полигармоническом воздействии.

Разработана методология построения обобщенной математической модели широкополосного ПЧ любой сложности для режима полигармонического воздействия в виде У- матричного уравнения.

Обобщенная математическая модель определяет математические модели сложного ПЧ для других режимов работы: для нелинейного режима при сильном бигармоническом воздействии (сильный гетеродин и сильный сигнал); для линейного режима при бигармоническом воздействии (сильный гетеродин и слабый сигнал).

Показано, что на основе обобщенной математической модели возможно получение У - матричных уравнений других нелинейных устройств: умножителя частоты, амплитудного модулятора, усилителя радиосигналов.

Предложенное описание нелинейных устройств У-матричными уравнениями позволяет применить для исследования их параметров методы, используемые для линейных цепей.

Уч. № 4 / ДСП

2. Получены выражения для расчета вторичных параметров многополюсного устройства при условии воздействия на него любого числа гармонических сигналов с различным соотношением амплитуд.

Показано, что полученные выражения являются дробно-линейными функциями от проводимостей внешних нагрузок или проводимостей эквивалентной схемы многополюсного устройства. Это дало возможность использовать для исследования степени влияния различных каналов преобразования на вторичные параметры, устойчивость, динамический диапазон по комбинационным и интермодуляционным помехам широкополосных линейных и нелинейных ПЧ наглядный графический метод конформных отображений.

С использованием метода узловых потенциалов, иммитансного критерия устойчивости, свойств конформного отображения дробно-линейной функцией комплексного переменного сформулированы методики исследования вторичных параметров, условий устойчивости, динамического диапазона по -комбинационным и интермодуляционным помехам многополюсных линейных и нелинейных ПЧ.

На базе сформулированных методик в среде "MatLab for Windows" разработаны программы для ЭВМ с выводом на экран монитора графических построений изменения исследуемых параметров при вариациях нагрузок для токов комбинационных компонентов с различными частотами.

3. Для линейного и нелинейного режимов при бигзрмоническом воздействии (гетеродин и сигнал) выявлены комбинационные каналы преобразования, оказывающие существенное влияние на вторичные параметры диодных и транзисторных ПЧ и на устойчивость активных транзисторных ПЧ.

Для нелинейного режима при трехсигнальном воздействии (гетеродин и двухтоновая помеха) выявлена степень влияния комбинационных каналов преобразования на динамический диапазон ПЧ по интермодуляционным помехам.

Анализ показал, что предельные вариации (от нуля до бесконечности) внешних нагрузок для определенных каналов приводят к изменению коэффициента передачи ПЧ, входной проводимости по сигналу, входной проводимости по гетеродину, выходной проводимости по промежуточной частоте до (6...9)раз. В то же время, предельные вариации нагрузок практически не влияют на динамический диапазон ПЧ по фокусам побочных каналов приема (преобразования) и на динамический диапазон по интермодуляционным помехам. Эти исследования позволили сделать вывод о невозможности эффективной внеполосной коррекции комбинационных и интермодуляционных искажений в ПЧ.

Проведена оценка влияния эффектов преобразования частоты на вторичные параметры ПЧ за счет неосновных нелинейных элементов преобразующих приборов: для диода-варистсра - за счет нелинейной емкости перехода; для биполярного транзистора - за счет нелинейных емкостей эмиттерного и

коллекторного перехода, нелинейной диффузионной проводимости базы, нелинейного зависимого генератора тока; для полевого транзистора - за счет нелинейных емкостей затвор-исток и затвор-сток, нелинейной проводимости канала (в активном режиме работы). Результаты оценки показали, что в диапазоне частот до 0,3согр (где <агр - граничная частота используемых приборов) преобразование частоты за счет неосновных нелинейных элементов изменяет вторичные параметры ПЧ не более, чем на 10%.

4. На основе функции "линеаризованная экспонента", позволяющей проводить с малой погрешностью аппроксимацию вольтамперных, вольтсименсных и вольтфарадных характеристик нелинейных элементов диодов-варисторов, диодов-варакторов, биполярных транзисторов, полевых транзисторов и допускающей многократное численное интегрирование, создан банк данных двукратных и трехкратных коэффициентов Фурье разных параметрических элементов при различных электрических режимах их работы.

Банк данных коэффициентов Фурье позволил установить закономерности изменения однократных, двукратных, трехкратных коэффициентов Фурье в зависимости от интенсивности гетеродина, интенсивности помех и положения рабочей точки для разных параметрических элементов. Это дало возможность выявить условия для получения повышенного динамического диапазона по побочным каналам приема, по фокусам побочных каналов приема, по интермодуляционным помехам ПЧ, выполненных на различных преобразующих приборах, а также условия получения повышенного динамического диапазона по интермодуляционным помехам мощных каскадов усилителей радиосигнала. Показано, что достижение этих условий возможно регулировкой нелинейности преобразующих и усиливающих приборов.

Созданный банк данных коэффициентов Фурье позволяет проводить расчеты вторичных параметров, условий устойчивости, динамического диапазона линейных и нелинейных ПЧ, выполненных на различных преобразующих приборах с разным характером нелинейности.

5. Создан банк схемных решений сложных ПЧ, содержащих два или более преобразующих прибора, фазоинверсные трансформаторы, квадратурные мосты, разветвители, сумматоры. Банк включает восемнадцать известных схем сложных ПЧ.

Проведен сравнительный анализ свойств бесфильтрового подавления комбинационных и интермодуляционных помех любого порядка сложными схемами ПЧ. Результаты анализа позволяют сделать правильный выбор схемного решения в соответствии с требованиями подавления мешающих комбинационных продуктов преобразования, интермодуляционных помех четного порядка, зеркального канала приема, шумов гетеродина.

Показано, что ни одна из сложных схем ПЧ не обладает свойством фазового подавления- интермодуляционных помех нечетного порядка. Их ослабление возможно регулировкой нелинейности преобразующих приборов.

6. Предложены новые методы повышения динамического диапазона широкополосных ПЧ на различных преобразующих приборах.

Для ПЧ на диодах-варисторах предложен метод повышения динамического диапазона по фокусам побочных каналов приема (преобразования) за счет автосмещения по средней составляющей токов диодов, эффективность которого 15...30дБ при 50-ти кратном изменении мощности гетеродина (при этом дополнительно достигается стабилизация вторичных параметров ПЧ).

Для ПЧ на диодах-варисторах предложен метод повышения динамического диапазона по интермодуляционным помехам третьего порядка за счет принудительного смещения, эффективность которого 8...12дБ.

Для ПЧ на транзисторах предложены методы повышения динамического диапазона по блокированию сигнала помехой за счет исключения параллельной или последовательной отрицательной обратной связи по промежуточной частоте, эффективность которых 1,8... 2,2 дБ.

Эффективность предложенных методов подтверждена экспериментальными измерениями характеристик ПЧ в диапазонах ОВ-УВЧ [0,02...1,5ГГц) при (20...25)-ти кратном перекрытии по частоте.

Экспериментальными измерениями подтверждена предсказанная возможность повышения динамического диапазона на 6...9дБ по интермодуляционным помехам мощных каскадов усиления радиосигналов на биполярных транзисторах при работе их в режиме В.

7. Предложены новые схемные решения субмодулей преобразования частоты с преобразующими элементами на основе полевого транзистора в активном и резистивном режимах для монолитного арсенид-галлиевого базового матричного кристалла, имеющего решетчатую структуру входных и выходных линий передачи.

Предложена топология внутрикристальных соединений субмодулей усиления и субмодулей преобразования частоты, дающая возможность построения на основе базового матричного кристалла сложных схем широкополосных ПЧ любого вида с повышенной линейностью (Рцр3 к 29дБм) в диапазонах ОВ-УВ-СВЧ

( 0,01...12,0ГГц).

8. Результаты проведенных исследований позволили развить научно-технические основы построения, создать и внедрить в приемно-передающую и измерительную аппаратуру различных отраслей народного хозяйства широкополосные устройства преобразования частоты с повышенным

динамическим диапазоном по фокусам побочных каналов приема (преобразования), по интермодуляционным помехам, по блокированию сигнала помехой, а также устройства усиления мощности радиосигналов с повышенным динамическим диапазоном по интермодуляционным помехам (см. табл.4).

Таким образом, выполненная работа заключается в разработке новых положений теории нелинейного преобразования частоты гетеропараметрическим устройством, совокупность которых позволила решить научно-техническую проблему, имеющую важное народнохозяйственное значение, по развитию научно-технических основ построения, разработке, созданию и внедрению широкополосных ПЧ с повышенным динамическим диапазоном в радиоэлектронные системы различного назначения, что позволило улучшить электромагнитную совместимость этих систем.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах.

1. Мелихов C.B., Титов A.A. Отрицательная обратная связь в широкодиапазонном преобразователе частоты // Радиотехника. - 1988. - № 12. -С. 80-81.

2. Мелихов C.B., Якушевич Г.Н. Метод повышения динамического диапазона диодных преобразователей частоты // Конверсия. -1995. - № 11. - С. 38 - 39.

3. Мелихов C.B. Оценка чувствительности радиоприемников с открытыми и магнитными антеннами // Радиотехника. -1997. - № 12. - С. 54 - 56.

4. Мелихов C.B., Колесов И.А. Влияние паразитных каналов преобразования на передаточные характеристики и устойчивость смесителей // Сборник ВИМИ "Военная техника и экономика". - Сер. Общетехническая. - 1978. - № 22. -Депонирована ЦНИИ "Электроника", № 6039/79, 1979. - 22 с.

5. Мелихов C.B., Колесов И.А. Матрица проводимости преобразователя частоты, содержащего несколько преобразующих элементов // Библиографический указатель ВИНИТИ "Депонированные рукописи" - 1981. - № 8. - Депонирована МГЦНТИ, №36-81, 1981. - 22 с.

6. Мелихов C.B., Колесов И.А. Расчет гармонических составляющих проводимости эмиттерного перехода безынерционного транзистора в режиме преобразования частоты // Библиографический указатель ВИНИТИ "Депонированные рукописи" - 1981. - № 8. - Депонирована МГЦНТИ, №37-81, 1981.-25 с.

7. Мелихов C.B. Обобщенная математическая модель широкополосного преобразователя частоты в режиме сильного полигармонического воздействия // Ред. ж. "Изв. высш. учеб. заведений. Физика". - Томск, 1998. - Депонирована ВИНИТИ, №1592-В98 от 26.05.98 г. -19 с.

8. Мелихов C.B., Мохов C.B. Широкополосный транзисторный преобразователь частоты // Приборы и техника эксперимента. - 1982. - № 3. -С. 238.

9. Мелихов C.B., Красько A.C. Многоканальный смесительный блок// Приборы и техника эксперимента. - 1982. - № 3. - С. 238.

10. МелиховС.В. Широкополосный транзисторный модулятор // Приборы и техника эксперимента. -1982. -№ 3. - С. 237.

11. Мелихов С. В., Титов A.A. Широкополосный усилитель мощности с повышенной линейностью II Приборы и техника эксперимента. -1988. -№ 3. -С. 124 - 125.

12. Бабак Л.И., Бабушкин Л.Н., Мелихов C.B., Покровский М.Ю., Пушкарев В.П., Титов A.A., Плевако А.Г. Приемный тракт многоканального комплекса для радиофизических исследований // Приборы и техника эксперимента. - 1989. - №1.

- С.229 - 230.

13. МелиховС.В., Титов A.A. Широкополосный преобразователь частоты II Приборы и техника эксперимента. - 1989. - № 5. - С.180 -181.

14. МелиховС.В., Титов A.A. Широкополосный усилитель средней мощности с регулируемым усилением // Приборы и техника эксперимента. - 1989. -№ 5. -С. 166 -167.

15. МелиховС.В., Титов A.A., Файнгерц В.М., Якушевич Г.Н. Сверхширокополосный модуль преобразования частоты и модуляции высокочастотных колебаний // Приборы и техника эксперимента. -1991. - № 1. -С. 120.

16. Донских Л.П., Дьячко А.Н., Мелихов C.B., Титов A.A. Двухканальный широкополосный усилитель мощности // Приборы и техника эксперимента. -1991. -№ 1.-С. 136-138.

17. Бабак Л.И., Мелихов C.B., Покровский М.Ю., Пушкарев В.П., Титов A.A. Высокочастотный блок многоканального широкодиапазонного приемника для радиофизических исследований II Приборы и техника эксперимента. -1991. - №5.

- С.127 -130.

18. Титов A.A., Мелихов C.B. Широкополосный усилитель мощности с системой защиты II Приборы и техника эксперимента. -1993. 2. - С. 105 -107.

19. Titov A.A., Melikhov S.V. Wideband Power Amplifier with Protection // Instruments and Experimental Techniques. -1993. - V. 36. - № 2. - P. 243 - 245.

20. Титов A.A., Мелихов C.B. Усилитель мощности с защитой от перегрузок // Приборы и техника эксперимента. - 1993. -№ 6. - С. 118 -121.

21. Titov A.A., Melikhov S.V. A Power Amplifier with Overload Protection // Instruments and Experimental Techniques. -1993. - V. 36. - № 6. - P. 896 - 898.

22. МелиховС.В., Титов A.A., Файнгерц В.М. Широкополосный преобразователь частоты с повышенным динамическим диапазоном для нелинейного локатора // Приборы и техника эксперимента. - 1997. - Т. 40. - № 6. - С. 92 - 95.

23. Melikhov S.V., Titov A.A., Faingerts V.M. A Broadband Frequency Converter with Enhanced Dynamic Range for a Nonlinear Radar // Instruments and Experimental Techniques. -1997. - V. 40. - № 6. - P. 823 - 826.

24. МелиховС.В., Якушевич Г.Н. Широкополосный смеситель с повышенным динамическим диапазоном для синтезатора частот // Приборы и техника эксперимента. - 1998. - Т. 41. - № 1. - С. 89-91.

25. Melikhov S.V., Yakushevich G.N. A Broadband Mixer Increased Dynamic Range for a Frequency Synthesizer // Instruments and Experimental Techniques. -1998. -V.41. - №1. - P. 79-80.

26. МелиховС.В. Матрица проводимости широкополосного преобразующего элемента в режиме сильного сигнала // Труды международной конференции по использованию результатов конверсии в вузах Сибири для международного сотрудничества "СИБКОНВЕРС'95". - Томск: Том. гос. акад. систем управления и радиоэлектроники, 1995. - Т. 2. - С. 265 - 266.

27. Meiikhov S.V. Matrix of the Wideband Many-Poles Converting Element's Conductance at Large Signal // Abstracts / The scientific conference on USE of research conversion results in the Siberian institutions of Higher education for international cooperation Sibconvers' 95. - Russia, Tomsk, 1995. - P. 41.

28. Мелихов C.B. Матричное уравнение нелинейного взаимного преобразующего элемента в режиме бигармонического воздействия // Труды международной конференции "Направления развития систем и средств радиосвязи". - Воронеж: Воронежский гос. ун-т, 1996. - Т. 3. - С.1216 -1221.

29. МелиховС.В., Кологривов В.А. Новый подход к теории и анализу широкополосного преобразования частоты в режиме сильного сигнала // Труды третьей международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения, АПЭП - 96". - Новосибирск : Новосиб. гос. тех. ун-т, 1996. - Т. 7. - С. 44 - 45. Т. 9. - С.23 - 27.

30. Meiikhov S.V. New Approach to the Nonlinear Biharmonic Mixer Characteristics Analysis // Progress in Electromagnetics Research Symposium, PIERS'97 / Telecommunications Research Center, City University of Hong Kong, 1997. - V.1.-P.233.

31. МелиховС.В., Майшев A.H. Сравнительный анализ динамического диапазона различных схем широкополосных преобразователей частоты II Труды международных научных симпозиумов "Распространение радиоволн в городе, URPS'97" и "Конверсия науки - международному сотрудничеству, СИБКОНВЕРС'97". - Томск: Том. гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники, 1997.-С. 111 -118.

32. МелиховС.В. Метод расчета динамического диапазона широкополосных преобразователей частоты по интермодуляции второго и третьего порядка // Труды международных научных симпозиумов "Распространение радиоволн в городе, URPS'97" и "Конверсия науки - международному сотрудничеству, СИБКОНВЕРС'97". - Томск: Том. гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники, 1997.-С. 149-157.

33. МелиховС.В., Колесов И.А., Якушевич Г.Н., Вертман А.Е., Кологривов В.А., Майшев А.Н. Широкополосные преобразователи частоты на основе GaAs базового матричного кристалла // Труды международных научных симпозиумов "Распространение радиоволн в городе, URPS'97" и "Конверсия науки -международному сотрудничеству, СИБКОНВЕРС'97". - Томск: Том. гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники, 1997. - С. 61 -65.

34. МелиховС.В. Способы увеличения динамического диапазона широкополосных диодных преобразователей частоты II Труды ИИЭР-Российской конференции "1997 Микроволновая электроника больших мощностей: измерения, идентификация, применение, ИИП - МЭ'97". (Proceedings IEEE - RUSSIA Conference "1997 High Power Microwave Electronics: Measurements, Identification, Applications, MIA - ME'97"). -Новосибирск: Новосиб. гос. техн. ун-т, 1997.-С.63-68.

35. МелиховС.В. Расчет гармонических и комбинационных составляющих спектра устройств нелинейного преобразования частоты // Труды международной конференции "Спутниковые системы связи и навигации". - Красноярск: Краен, гос. техн. ун-т, 1997. - Т. 1,- С. 233 - 238.

36. МелиховС.В. Широкополосные преобразователи частоты ОВ-УВ-СВЧ с повышенным динамическим диапазоном // Труды международной конференции "Спутниковые системы связи и навигации". - Красноярск: Краен, гос. техн. ун-т,

1997. - T. 1.- С. 228 - 232.

37. МелиховС.В., Кириллов Ю.Б. Влияние канала симметричного преобразования на передаточные характеристики широкополосных транзисторных смесителей П Наносекундные и субнаносекундные усилители / Под ред. И.А.Суслова. - Томск: Том. гос. ун-т, 1976. - С. 76 - 90.

38. МелиховС.В., Колесов И.А. Влияние паразитных каналов преобразования на передаточные характеристики транзисторных смесителей // Широкополосные усилители / Под ред. А.А.Кузьмина. - Томск: Том. гос. ун-т, 1977. - С. 64 - 72.

39. МелиховС.В., Кологривов В.А., Санников С.И. Влияние импеданса источника сигнала на характеристики широкополосных транзисторных смесителей // Распространение радиоволн и элементы систем передачи и извлечения информации / Под ред. И.А.Колесова. - Томск: Том. гос. ун-т, 1978. - С.145 -162.

40. МелиховС.В., Колесов И.А. Матрица проводимости линеаризованного многочастотного транзисторного смесителя // Распространение радиоволн и элементы систем передачи и извлечения информации / Под ред. И.А.Колесова. -Томск: Том. гос. ун-т, 1978. - С. 136 - 144.

41. МелиховС.В., Колесов И.А. Влияние нагружающих обратных связей на уровень выходного сигнала усилительных каскадов // Широкополосные усилители / Под ред. А.А.Кузьмина. - Томск: Том. гос. ун-т, 1978. - С. 102 -110.

42. МелиховС.В. Графоаналитический расчет передаточных характеристик и устойчивости широкополосных преобразователей частоты // Широкополосные усилители / Под ред. А.А.Кузьмина. - Томск: Том. гос. ун-т, 1980. - С. 29 - 38.

43. Ильюшенко В.Н., Колесов И.А., Кологривов В.А., Копань C.B., Мелихов C.B., Родионов E.H., Судейко Г.Н., Шайкин Г.И., Якушевич Г.Н. Функциональные узлы линейного тракта широкополосных СВЧ приемников в гибридном интегральном исполнении // Исследования по твердотельной СВЧ электронике / Под ред. В.Н.Дэтинко. - Томск: Том. гос. ун-т, 1984. - С. 55-69.

44. МелиховС.В. Широкополосный преобразователь с согласующим трансформатором на отрезке длинной линии И Приемно-усилительные устройства СВЧ / Под ред. А.А.Кузьмина. - Томск: Том. гос. ун-т, 1985. - С. 79 - 83.

45. МелиховС.В., Кологривоз В.А. Линеаризованное представление широкополосного нелинейного преобразователя частоты // Радиотехнические и телевизионные приборы и устройства. Элементы СВЧ и оптоэлектронных устройств / Сборник научных трудов. - Томск: Том. гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники. - Т.1. - 1997. - С. 120 -130.

46. МелиховС.В., Кологривов В.А. Вторичные параметры линейного и нелинейного преобразователей частоты // Радиотехнические и телевизионные приборы и устройства. Элементы СВЧ и оптоэлектронных устройств / Сборник научных трудов. - Томск: Том. гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники. -Т.1.- 1997.-С. 131 -138.

47. МелиховС.В. Анализ устойчивости широкополосных линейных и нелинейных преобразователей частоты с помощью конформных отображений II Радиотехнические и телевизионные приборы и устройства. Элементы СВЧ и оптоэлектронных устройств I Сборник научных трудов. - Томск: Том. гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники. - Т.1. - 1997. - С. 139-151.

48. МелиховС.В., Кологривов В.А., Якушевич Г.Н. Об увеличении частотного диапазона работы квадратурного моста // Радиотехнические и телевизионные приборы и устройства. Элементы СВЧ и оптоэлектронных устройств / Сборник

научных трудов. - Томск: Том. гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники. -Т.1.-1997.-С. 109-113.

49. Мелихов C.B. Корректирующие свойства фазоинверсного трансформатора на отрезке двухпроводной линии // Радиотехнические и телевизионные приборы и устройства. Элементы СВЧ и оптоэлектронных устройств / Сборник научных трудов. - Томск: Том. гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники. - Т.1. -1997.-С. 114-119.

50. Мелихов C.B. Аппроксимация вольтамперной и вольтсименсной характеристик р — п-перехода с малой погрешностью // Радиотехнические и телевизионные приборы и устройства. Элементы СВЧ и оптоэлектронных устройств / Сборник научных трудов. - Томск: Том. гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники. - Т.1. - 1997. - С. 152 - 156.

51. Мелихов С. В., Якушевич Г.Н Кольцевой преобразователь частоты II Полезная модель. Положительное решение ВНИИГПЭ по заявке №96121753 от 06.11.96г., H 03 D 7/04.-13с.

52. МелиховС.В. Широкополосный преобразователь // Полезная модель. Положительное решение ВНИИГПЭ по заявке № 97102005 от 07.02.97г. - 5 с.

53. МелиховС.В., Титов A.A. Высокочастотный широкополосный преобразователь И Полезная модель. Положительное решение по заявке № 97103299 от 05.03.97г., H 03 D 7 / 04. - 5 с.

54. МелиховС.В., Кологривов В.А. Широкополосный двойной балансный смеситель // Полезная модель. Положительное решение ВНИИГПЭ по заявке № 97102751 от 25.02.97г., H 03 D 7 / 04. - 7 с.

55. МелиховС.В.. Широкополосный двухканальный балансный смеситель // Полезная модель. Положительное решение ВНИИГПЭ по заявке № 97106851 от 24.04.97г., H 03 D 7 / 04. - 5 с.

56. МелиховС.В. Широкополосный балансный преобразующий модуль // Полезная модель. Положительное решение ВНИИГПЭ по заявке № 97107287 от 06.05.97г., H 03 D 7/04.-5 с.

57. МелиховС.В., Майшев А.Н. Широкополосный бибалансный преобразующий модуль // Полезная модель. Положительное решение ВНИИГПЭ по заявке №98103950 от 12.03.98г„ H 03 D 7 / 04. - 5 с.

58. Бабак Л.И., Канищев Л.В., Мелихов C.B., Покровский М.Ю., Титов A.A. Усилительно-преобразовательный тракт широкодиапазонного приемника. Внедрено в декабре 1984г. // ИЛ № 74 - 85. Томский МТЦ НТИП. - 1985. - 4 с.

59. Бабак Л.И., Иванов В.А., Мелихов C.B., Покровский М.Ю., Пушкарев В.П., Титов A.A., Беляев Д.А., Плевако А.Г. Сверхширокополосный усилительно-преобразовательный тракт. Внедрено в январе 1987г. // ИЛ № 33 - 88. Томский МТЦ НТИП.-1988.-4 с.

60. Бабак Л.И., Мелихов C.B., Покровский М.Ю., Пушкарев В.П., Титов A.A. Сверхширокополосный усилительно-преобразовательный блок. Внедрено в январе 1987г. // ИЛ № 36 - 88. Томский МТЦ НТИП. -1988. - 4 с.

61. Жаркой А.Г., Мелихов C.B., Пушкарев В.П., Покровский М.Ю., Плевако А.Г., Храпов И.Н. Устройство обработки радиоимпульсных сигналов дециметрового диапазона. Внедрено в ноябре 1987г. // ИЛ № 207 - 88. Томский МТЦ НТИП. -1988.-4 с.

Табл.4 - Технические характеристики некоторых из разработанных широкополосных устройств различного назначения

Устройство иггц Л,ГГц к±Ак,дБ Г, дБ Ря,дБм Р1(5)Щ>дБм

1. ПЧна ВТ панорамный 0,1...1,5 0,1...1,5 0,03 4,0 ± 1,0 <9,0 1,8; 2,0 ; 2,0 0-7,0 7,0-13,0 (3,0-9,0) 2 6,0 26,0

2. ПЧнаДШ панорамный 0.05...1.5 0,05.. Л,5 0,01...30 (МГц) - 6,0 ± 1,0 ¿8,0 1,8; 2,0; 2,0 0-10,0 2,0-12,0 (8,0-18,0) 20,0 30,0

3. ПЧнаДШ синтезатора 0,04...1,0 0,04...1,0 0,04...1,0 - 7,5 ± 0,5 ¿8,5 1,8:1,8; - 0-17,0 0м+3)-гЗв 32,0 28,0

4. ПЧнаДШ нелинейного локатора 0,02...0,47 0,02...0,47 0.01...0.7 (МГц) -1,0 ± 0,5 ¿8,5 1,7; 2,0; - 17,0 29,0 (30,0) 34,0 60,0

5. ПЧнаДШ конвертера ТВ сигналов 0,17...0,23 0,24...0,62 0,47—0,79 - 9,5 ± 0,25 <11,0 1,5; 1,5; 1,8 10,0 13,0 (22,5) 24,0 12,0

6. ПЧРнаПТШ БМК (ожид-мые) 0...12,0 0...12.0 0...12.0 (2,0...12,0) ± ± 1,0 ¿7,0 1,5; 1,5:2,0 14,0 19,0-29,0 (17,0) 30,0 6,0

7. ПЧА на ПТШ БМК (ожид-мые) 0...12.0 0...12,0 0-12,0 (5,0-17,0) ± ± 1,5 <.7,0 1,5; 1,5; - 14,0 14,0-26,0 (9,0) 30,0 4,0

в.АМнаДШ сподавл. (/), при тАЫ=1 0,05...1,5 (3 дБм) 0,01...25,0 (МГц) (2 дБм) 0,05-1,5 - 6,0 ± ± 0,5 (/) ± 0,25 (Р) - 2,0; 2,0; 2,0 - Цнд)±30 -

9. УМ ТВ радиосиг. на БТ 0.045...0.23 - 0,045-0,23 38,0 ± 0,5 - 1,3; -; 1,5 - Рпр3 =66,0 Р, =5 0,0 - -

Примечание: в последних двух столбцах таблицы приведены величины затухания (изоляции, дБ) по цепям: вход гетеродинных колебаний - вход сигнальных колебаний (g-J>s)■, вход гетеродинных колебаний - выход колебаний с промежуточной частотой.