автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Усилители мощности СВЧ сигналов с высокой экономичностью и линейностью для бортовой спутниковой аппаратуры

005535840

На правах рукописи

1&ШЦ.

РОМАЩЕНКО Кирилл Витальевич

УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ СВЧ СИГНАЛОВ С ВЫСОКОЙ ЭКОНОМИЧНОСТЬЮ И ЛИНЕЙНОСТЬЮ ДЛЯ БОРТОВОЙ СПУТНИКОВОИ АППАРАТУРЫ

Специальность 05.12.04 -Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 4 ОК Г 2013

Москва - 2013

005535840

Работа выполнена на кафедре Формирования колебаний и сигналов Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт» (НИУ «МЭИ»)

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор,

БЕЛОВ Леонид Алексеевич

Официальные оппоненты: ПЕТРОВ Александр Сергеевич,

доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник ОАО «НИИ космического приборостроения»

ИВАНЮШКИН Роман Юрьевич,

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры радиооборудования и -схемотехники Московского технического университета связи и информатики

Ведущая организация: ЗАО «Центр специальных разработок

Московского научно-исследовательского института радиосвязи»

Защита состоится «21» ноября 2013 г. в 13 часов 15 минут на заседании диссертационного совета Д 212.157.05 при НИУ «МЭИ» по адресу: г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 17, аудитория А-402.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направить по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан « /7 » октября 2013 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 212.157.05 кандидат технических наук, доцент

Т.И. КУРОЧКИНА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В наши дни бурными темпами развиваются технологии оказания информационно-телекоммуникационных услуг (спутниковая связь, телевидение, радионавигация и др.), использующих электромагнитные излучения диапазона сверхвысоких частот (СВЧ). Одним из основных каскадов бортового ретранслятора является усилитель мощности (УМ). К этому блоку предъявляются сложные и противоречивые требования: высокая энергетическая эффективность, заданная выходная мощность, малый уровень искажений передаваемого сигнала, соблюдение норм электромагнитной совместимости на излучения вне выделенной полосы частот, высокая скорость передачи информации, выполнение нормативов на массогабаритные показатели и энергопотребление, низкая чувствительность к факторам окружающей космической среды и др.

Для получения максимальной выходной мощности и высоких значений коэффициента полезного действия (КПД) активный элемент усилителя мощности необходимо использовать в нелинейном режиме, что приводит к появлению в спектре выходного сигнала повышенного уровня высших гармоник и интермодуляционных искажений (ИМИ) передаваемых сигналов. С другой стороны, для выполнения нормативов на паразитные спектральные составляющие активный элемент усилителя мощности надо применять в линейном режиме. Отсюда возникает противоречие между обеспечением высокой энергетической эффективности и низким уровнем искажений сигнала. Обеспечение одновременно требований высокой спектральной эффективности и допустимого уровня побочных излучений, характерных для спутниковых каналов передачи информации, приводит к дополнительной амплитудной модуляции и усложняет достижение компромисса. Поиск путей решения указанных противоречий характеризует необходимость данной работы.

Системы передачи цифровой информации чувствительны к нелинейным искажениям действующих в них электрических и

электромагнитных сигналов. Именно отклонения от идеализированного линейного закона связи между током и напряжением в электронных компонентах аппаратуры определяют фундаментальный предел многих характеристик военных и космических систем передачи информации.

В последнее время значительный прогресс в создании усилительных элементов связан с развитием технологии арсенид-галлиевых и нитрид-галлиевых транзисторов. Мировая тенденция расширения использования такого типа компонентов обусловлена их высокими энергетическими характеристиками в заданном частотном диапазоне (выходная мощность до 150 Вт, КПД до 65 - 70%, коэффициент усиления каскада до 20 дБ, рабочая частота до 10 ГГц), способностью удовлетворять требованиям работы в условиях космического пространства в течение не менее 15 лет, устойчивостью к воздействию тяжёлых заряженных частиц и к накопленной дозе радиации. Они характеризуются средним временем наработки на отказ до 100 миллионов часов. В спутниковой аппаратуре твердотельные многокаскадные СВЧ усилители средней мощности часто конкурируют с вакуумными усилителями на лампах бегущей волны (ЛБВ).

Изучением нелинейных искажений СВЧ сигналов в усилителях мощности занимались С.И. Евтянов, A.B. Данилов, Б.М. Богданович, Г.М. Крылов, Ю.Л. Хотунцев, Е.А. Богатырев, O.A. Челноков, JI.A. Белов, A.A. Титов, В.И. Нефедов, Е.В. Соловьева, Л. Эрман (L. Ehrman), С. Нарайнан (S. Naraynan), Г.С. Педро (J.C. Pedro), А. Гребенников (A. Grebennikov), С.С. Криппс (S.C. Cripps), Н.О. Сокал (N.O. Sokal), Р.Т. Весткотт (R.T. Westcott), С.А. Маас (S.A. Maas) и др.

Обзор научно-технической литературы показал, что метод предыскажающей линеаризации является наиболее удобным для интервалов значений частот и мощностей, используемых в спутниковой и космической аппаратуре. К сожалению, в отечественной литературе нет подробной теоретической проработки этого вопроса, а промышленность не выпускает серийно подобные компоненты. Кроме

того, для спутниковой аппаратуры необходима адаптация параметров линеаризованной усилительной системы к изменяющимся в широких пределах условиям окружающей среды. Однако способы осуществления этого в отечественной литературе не исследованы, а в иностранной -описаны в общем виде, затрудняющем их применение.

Применение предыскажающей адаптивной линеаризации может обеспечить одновременное выполнение технических задач обеспечения необходимой энергетической эффективности и высокой линейности амплитудных характеристик при допустимом уровне амплитудно-фазовой конверсии в усилителях мощности, а также сделать усилительную систему устойчивой к изменениям условий окружающей среды и к отклонениям питающих напряжений от типовых значений.

Требования электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств и ограничения частотного ресурса имеют тенденцию к ужесточению, поэтому линеаризация усилительных устройств с целью повышения энергетической и спектральной эффективности, снижения уровня интермодуляционных искажений определяет потребность в таких исследованиях и актуальность темы данной диссертации.

Целью диссертационной работы является сопоставление известных из научно-технической литературы методов анализа нелинейных цепей, применительно к СВЧ усилителям мощности, выполненным на полупроводниковых и электровакуумных активных элементах, изучение возможностей линеаризации характеристик усилителя мощности для обеспечения необходимого уровня помех в спектре выходного сигнала; исследование способов и схем построения каскадов электронной аппаратуры с учётом указанных требований; поиск путей преодоления основных противоречий по энергетической и спектральной эффективности при создании спутниковых ретрансляторов СВЧ сигналов с допустимым уровнем интермодуляционных искажений.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Теоретическая проработка и сопоставление методов количественной оценки уровня нелинейных искажений сигналов в СВЧ усилителях мощности.

2. Разработка схем и моделей линеаризирующих цепей, компенсирующих нелинейные искажения СВЧ сигналов в последующих усилительных каскадах.

3. Анализ и экспериментальные исследования линеаризованных твердотельных и вакуумных усилителей мощности для спутниковой аппаратуры с повышенными уровнями выходного сигнала, энергетической и спектральной эффективности.

4. Оценка предельных возможностей предыскажающей линеаризации при высоких значениях несущей частоты, занимаемой сигналом полосы частот, уровня выходной мощности и энергетического КПД.

5. Разработка процедуры автоматической адаптации характеристик амплитудной компрессии (АМ/АМ преобразования) и фазовой конверсии (АМ/ФМ преобразования) предыскажающего линеаризатора в составе усилителя мощности при вариациях параметров окружающей среды.

Методы исследования. При выполнении работы использованы: аппарат функциональных рядов Вольтерра; методы теории нелинейных цепей; теория радиотехнических цепей и сигналов; метод медленно меняющихся параметров; теория функций комплексного переменного; теория матриц; метод феноменологических моделей; способы решения систем алгебраических уравнений; дифференциальные и интегральные преобразования; различные способы аппроксимации передаточных характеристик; методы компьютерного моделирования; теория итерационных систем автоматической максимизации функционала, принятого в качестве критерия качества.

Несмотря на наличие современных вычислительных и программных средств для разработки радиоэлектронной аппаратуры (Microwave Office,

Advanced Design System - ADS, Mathcad, Lab View, MathLab) для бортовой спутниковой аппаратуры преимущество имеет создание специализированного программного обеспечения, позволяющего быстро, с необходимой точностью и за приемлемое время рассчитать параметры предыскажающего линеаризатора на основании паспортных данных нелинейных характеристик УМ и оценить полученный уровень искажений.

Достоверность полученных результатов подтверждена экспериментально и не противоречит известным теоретическим и практическим данным.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан метод анализа интермодуляционных искажений в каскадно соединенных предыскажающем линеаризаторе и усилителе мощности на основании экспериментальных или паспортных данных о нелинейных амплитудно-амплитудных и амплитудно-фазовых характеристиках СВЧ усилителя мощности.

2. Получены оценки предельных возможностей системы предыскажающей линеаризации СВЧ усилителя мощности.

3. Создан алгоритм адаптации, позволяющий быстро и с необходимой точностью находить численные значения коэффициентов в таблицах коррекции амплитуды и фазового сдвига линеаризирующего блока.

4. Предложена и проанализирована итерационная процедура адаптации нелинейных характеристик предыскажающего линеаризатора при изменении параметров бортового спутникового усилителя мощности.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Разработанный метод анализа нелинейных электровакуумных и транзисторных СВЧ усилителей мощности при воздействии сложных сигналов позволил оптимизировать по экономичности и линейности

усилители мощности для бортовой навигационной аппаратуры «ГЛОНАСС-К2» и может быть использован в перспективных разработках.

2. Разработанный алгоритм адаптации процесса линеаризации бортового усилителя мощности с учётом амплитудной компрессии и фазовой конверсии позволяет повысить качество и надёжность передачи информации по спутниковому каналу связи.

3. Созданные опытные установки для экспериментального изучения характеристик нелинейных СВЧ устройств позволили измерять параметры интермодуляционных искажений в усилителях мощности.

4. Использование результатов диссертационной работы в учебном процессе НИУ «МЭИ» повышает качество подготовки специалистов по специальности «Радиотехника».

Документы о практическом использовании результатов исследований приведены в приложениях к диссертационной работе.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Разработан метод анализа интермодуляционных искажений на основе феноменологической модели активного элемента, позволяющий корректно учесть амплитудную компрессию и фазовую конверсию в транзисторных и вакуумных СВЧ усилителях мощности.

2. Выполнена оценка предельных возможностей предыскажающего линеаризатора, учитывающая разрядность цифровых узлов, которая позволяет найти компромиссное сочетание параметров усилителя, обеспечивающее высокую энергетическую эффективность и допустимый уровень искажений передаваемого сигнала.

3. Установлено, что предложенный алгоритм процесса адаптации параметров линеаризатора с учётом амплитудной компрессии и фазовой конверсии в усилителе мощности глобально устойчив и требует небольшого количества итераций для обеспечения необходимого значения критерия качества.

Апробация результатов. Результаты работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Средиземноморская конференция по встроенным вычислениям» (Mediterranean Conference on Embedded Computing - MECO-2012), г. Бар, Черногория, июнь 2012 г.; на Международной научно-технической конференции «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций», Украина, г. Севастополь, апрель 2013 г.; на трех Всероссийских научно-технических конференциях «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий», г. Москва, 2011, 2012 и 2013 г.г.; на двух Международных научно-технических семинарах «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов в инфокоммуникациях», Украина, г. Одесса, июнь 2011 г. и Россия, г. Ярославль, июнь 2013 г.; на трех Международных научно-технических конференциях «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», г. Москва, 2011,2012 и 2013 г.г.

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 13 печатных работах, в том числе: в 2-х статьях в периодических журналах (1 - из перечня ВАК); в 1 описании патента Российской Федерации; в 4-х текстах докладов на международных конференциях и семинарах (1 - на английском языке), в тезисах 6-ти докладов на российских и международных научно-технических конференциях.

Личный вклад. Все результаты, сформулированные в положениях, выносимых на защиту и составляющие научную новизну работы, получены автором лично или при его непосредственном участии.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 107 наименований и пяти приложений на 9 страницах; она изложена на 140 страницах и иллюстрирована 74 рисунками.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, приведена ее общая характеристика, изложена научная новизна полученных результатов, обосновано ее практическое значение, сформулированы положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации и публикации результатов диссертационной работы.

В первой главе приведен обзор научно-технической литературы, посвящённой различным методам линеаризации, сделан критический анализ исследований отечественных и зарубежных специалистов, рассмотрены общие характеристики и модели усилителей мощности. Сформулированы цели и задачи исследования.

Исходя из общих требований к спутниковым радиосистемам, обосновано, что в составе наземных и космических радиопередающих устройств необходимо иметь усилитель мощности с высокой энергетической эффективностью и достаточной линейностью, чтобы удовлетворить требованиям по уровням интермодуляционных искажений, внеполосного излучения, высокочастотной мощности в выделенной полосе радиочастот и энергетической эффективности.

Показано, что в качестве активных элементов усилителей мощности СВЧ в спутниковой аппаратуре используются многокаскадные транзисторные усилители мощности на транзисторах или электровакуумные усилители мощности на спиральной ЛБВ.

На рисунке 1 представлены типовые паспортные зависимости коэффициента усиления кР и КПД т| от выходной мощности для нитрид-галлиевого транзистора модели ЫРТ1012 фирмы Мйхтех, способного отдавать мощность 25 Вт на частоте до 4 ГГц. Их рассмотрение показывает, что наибольший КПД (до 75%) достигается в режиме максимальной выходной мощности, близком к насыщению.

л, %

85

75 65 55 45 35

25 15 5

14 22 28 Е„ -О- -О- -Д- Т|

rf f

* g

HB- -ш- ¡й k '

W JJ

27.5 25.0 22.5 20.0 17.5 15.0 12.5 10.0

30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 рвых> дБмВт

Рисунок 1 - Типовые амплитудные характеристики коэффициента усиления и КПД при нескольких значениях напряжения питания стока Е„ на примере транзистора N№012 фирмы МЬчдаех, отдающего в непрерывном режиме 25 Вт на частоте до 4 ГГц

Обзор способов линеаризации показал, что бортовых спутниковых ретрансляторах для уменьшения уровня интермодуляционных искажений (ИМИ) в усилителе мощности при высоких значениях энергетической и спектральной эффективности целесообразно использовать предыскажающую линеаризацию с учетом явлений амплитудной компрессии (АМ/АМ) и амплитудно-фазовой конверсии (АМ/ФМ). Выяснено, что для устойчивой работы спутникового УМ в течение всего срока эксплуатации космического аппарата необходимо разработать процедуру адаптации параметров УМ к изменениям условий космической среды и/или напряжения питания.

Во второй главе дан сравнительный анализ известных методов исследования усилительных устройств с комплексной нелинейностью, сопоставлены методы измерения уровня ИМИ и даны рекомендации по их применению в конкретных ситуациях.

Использование активного элемента усилителя мощности в нелинейном режиме приводит к возникновению ИМИ. Мешающие спектральные

компоненты находятся в рабочей полосе частот сигнала, не поддаются частотнбй фильтрации, их наличие значительно ухудшает параметры системы передачи информации. Различают интермодуляционные искажения третьего (ИМИЗ), пятого (ИМИ5) и более высоких порядков.

Для достижения высоких энергетических показателей усилителя мощности необходимо его активный элемент использовать в нелинейном режиме вблизи насыщения. Однако переход в такой режим может приводить к появлению недопустимых искажений передаваемых сигналов. Простым критерием количественной оценки этих явлений служит коэффициент интермодуляционных искажений 3-го порядка ИМИЗ, определяемый при подключении на вход усилителя двух гармонических сигналов одинаковой мощности Рвх\ с близкими, но отличающимися частотами f\ и f2. Комбинационные продукты 3-го порядка с частотами 2/i - fi и 2/2 ~ f\ оказываются вблизи входных составляющих в полосе пропускания УМ. В качестве меры уровня ИМИ часто принимают отношение:

ИМИЗ = С//3, (1)

где С — суммарная мощность составляющих выходного сигнала с частотами f\ и fy, /3 — суммарная мощность составляющих выходного сигнала с частотами 2/J ~f2 и 2/2 -/¡.

При двухчастотном тестовом входном сигнале с близкими частотами в полосе частот выходного сигнала возникают также мешающие интермодуляционные составляющие более высокого порядка: пятого, седьмого и т.д. В качестве критерия уровня интермодуляционных искажений для общего случая можно принять величину

М=СПЪ (2)

где h — сумма мощности всех интермодуляционных продуктов в рабочей полосе частот.

В настоящее время используют несколько методов измерения уровня ИМИ: двухчастотный, многочастотный, шумовой NPR (Noise Power Ratio).

Для оценки уровня искажений в трактах сигнала цифрового телевидения применяют специализированные методики.

Известны несколько методов анализа нелинейных динамических (инерционных) СВЧ систем при воздействии сигналов произвольной формы: метод гармонического баланса, метод рядов Вольтерра, электродинамический метод. Их детальное рассмотрение позволило сформулировать следующие выводы:

1) метод гармонического баланса позволяет анализировать сильно нелинейные цепи;

2) метод рядов Вольтерра подходит для исследования схем с малой безынерционной нелинейностью;

3) с помощью электродинамического метода можно оценивать уровень искажений в цепях высокой сложности, но эта процедура требует больших вычислительных ресурсов;

4) недостатками метода гармонического баланса являются возможное отсутствие сходимости итерационного процесса, высокая сложность и большие вычислительные погрешности преобразования Фурье при анализе воздействия многочастотного сигнала на нелинейную инерционную цепь;

5) использование рядов Вольтерра сдерживает то, что каждый такой ряд состоит из большого числа составляющих, сложность расчёта ядер ряда значительно увеличивается с ростом их порядка, а явления амплитудно-фазовой конверсии вносят дополнительные трудности.

Структурная схема линеаризованной усилительной системы, в виде каскадного соединения линеаризатора и усилителя мощности, показана на рисунке 2. Корректирующие таблицы в составе линеаризатора содержат поправки к входным амплитуде АХ и фазе AVF в векторном модуляторе.

Усилитель мощности представлен АМ/АМ и АМ/ФМ характеристиками, основанными на аппроксимации паспортных данных усилительного элемента.

ЛИНЕАРИЗАТОР

Линеаризатор

Усилитель мощности

Вход 4 т)

дпо ВДя) mm пщ.

КДМ км

ччэд, АМ/ФМ

Чгт-—

а)

Выход

г(с») -»

U

Рисунок 2 - Структурная схема усилителя мощности с предыскажакнцим линеаризатором (а) и схема его вычислительной модели (б)

КДМ - квадратурный демодулятор; КМ - квадратурный модулятор; АМ/АМ -характеристика амплитудной компрессии; АМ/ФМ - характеристика фазовой конверсии; УМ - усилитель мощности; ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь; Дет - амплитудный детектор; АЦП - аналого-цифровой преобразователь

б)

Нелинейные амплитудные характеристики линеаризатора с учетом АМ/АМ и АМ/ФМ преобразований в нем представляем следующими нормированными выражениями:

1=J(1 -а)-Х + а-Х3; 0<а< 1; 0<ЛГ<П 1; Х>\

|=j-b-X2; j6|>0; 0<ЛГ<1

v -Ь; x>\

где а и b - оптимизируемые параметры амплитудно - амплитудного и амплитудно - фазового преобразования в линеаризаторе. Для исключения неоднозначности, вызванной немотонностью амплитудной характеристики ЛЕВ Z(Y), корректирующие функции Y(X, а) и Ь) выбраны не зависящими от входной амплитуды в области Х> 1.

Y(X,a)-

W(X,b)-

(3)

(4)

Амплитудные характеристики УМ с АМ/АМ и АМ/ФМ преобразованием аппроксимированы следующими нормированными выражениями:

Z(Y) = 2F/(1 + Y2), (5)

Ф(Г, с) = 2с72/(1 + Г2), (6)

где с - коэффициент уровня амплитудно-фазовой конверсии в УМ, который может принимать как положительные, так и отрицательные значения в зависимости от типа активного элемента (для электровакуумных усилителей с > О, для твердотельных - с < 0). В связи с этим в (4) для компенсации следует выбирать Ыс < 0.

На рисунке 3 показаны сквозные характеристики линеаризованной усилительной системы при разных сочетаниях параметров a, b и с.

си

Х,а)

а= 0 -

а:

fc^-' i^r /

0,75> . • ZCX) =Х

1 ч у/О" yv /

/

0,5

а)

Ф(% а, Ь), рад

-0,2

-0,4

|с = 1;а = 0,5]

Ь-У 0,8,0

б)

Рисунок 3 - Сквозные амплитудные (а) и фазоамплитудные (б) характеристики линеаризованной усилительной системы

Рассмотрение характеристик на рисунке 3 показывает, что оптимальным выбором параметров а и Ъ линеаризатора можно минимизировать значение критерия качества линеаризации, который однозначно количественно характеризует уровень мешающих интермодуляционных искажений выходного радиосигнала.

В третьей главе приведены результаты математического моделирования усилителя мощности на ЛБВ с нелинейными амплитудно-амплитудной и амплитудно-фазовой характеристиками. Проанализированы предельные характеристики УМ при полной

предыскажающей линеаризации в области Х< 1. В программном пакете построены модели УМ и линеаризатора, исследованы их энергетические и интермодуляционные характеристики, показано влияние разрядности и типа сигнала. Показана возможность применения итеративной процедуры коррекции данных в корректирующих таблицах при изменении характеристик усилителя мощности в диапазоне параметров космической окружающей среды.

Для оценки уровня разрешения противоречия между выходной мощностью и интермодуляционными искажениями на рисунке 4 построены графики зависимости ИМИЗ от нормированной выходной мощности.

Рисунок 4 - Интермодуляционные искажения обычного и линеаризованного

УМ на ЛБВ при двухчастотном входном сигнале

1 - Линеаризованная ЛБВ с ЦСП при N„/=8; 2 - Линеаризованная ЛБВ с ЦСП при 7Уа/= 6; 3 - Линеаризованная ЛБВ с ЦСП при 4; 4 - Линеаризованная ЛБВ; 5 - Нелинеаризованная ЛБВ.

Из рассмотрения этой зависимости можно сделать вывод, что для фиксированного значения уровня ИМИЗ = 15 дБ, выходная мощность, нормированная к мощности насыщения, для обычной ЛБВ составляет -3 дБ, а для линеаризованной - около -1,4 дБ, то есть использование линеаризации дает выигрыш по выходной мощности на 1,6 дБ.

Показано, что включение предыскажающего линеаризатора улучшает характеристики УМ. Для спутниковых применений

настраивают'.линеаризатор в наземных условиях, но при изменении режима усилителя и параметров окружающей среды на борту характеристики линейности всего устройства могут значительно ухудшиться, если не организована автоматическая адаптация.

Модельное исследование показало, что в указанной двухпараметрической области параметров линеаризатора отсутствуют локальные максимумы критерия качества, что обеспечивает устойчивость ускоренной процедуры достижения максимума этого критерия.

В четвёртой главе представлены результаты экспериментального исследования амплитудных характеристик транзисторного (на частоте 95 МГц) и на ЛБВ (на частоте 18,5 ГГц) усилителей мощности с АМ/АМ- и АМ/ФМ-преобразованиями, выполнена проверка правильности использованных математических моделей значений параметров усилителя мощности и линеаризатора, исследована итерационная процедура адаптации параметров предыскажающего линеаризатора, дана оценка снижения уровня искажений, уточнены рекомендации по выбору параметров.

На рисунке 5 показана зависимость от частоты спектральной плотности мощности выходного сигнала УЛБВ при воздействии на входе радиосигнала с псевдослучайной фазовой манипуляцией ФМ-4.

Р-въгл!^выхлас> ДБ

Рисунок 5 - Зависимость от частоты спектральной плотности мощности нормированного и сглаженного фильтром Найквиста выходного сигнала УЛБВ на центральной частоте /0 - 18,55 ГГц при входном сигнале ФМ-4 с шириной полосы 50 МГц без линеаризатора (линия 1) и с линеаризатором (линия 2)

Исследование процедуры адаптации показало, что для достижения требуемого нормативами спутниковой связи уровня ИМИ достаточно от 2 до 4 циклов итерационной процедуры адаптации параметров линеаризатора.

Из графика на рисунке 5 видно, что при использовании предыскажающего линеаризатора уровень выигрыша по ИМИЗ составляет около 11 дБ. Уменьшение ИМИ5 составляет приблизительно22 дБ. Всё это говорит о значительном облегчении возможности выполнения требований ЭМС.

В Заключении сформулированы основные результаты и выводы:

1) предложена и разработана методика анализа и оценки уровня интермодуляционных искажений сигналов в транзисторных и ламповых усилителях мощности СВЧ с явлениями амплитудной компрессии и амплитудно-фазовой конверсии на основе их феноменологических моделей;

2) получены оценки предельного уровня предыскажающей компенсации интермодуляционных искажений, показывающие, что при использовании линеаризации средняя выходная мощность модулированного сигнала может быть увеличена на 2 дБ при допустимом уровне интермодуляционных искажений;

3) обоснованы рекомендации по выбору разрядности данных в корректирующих таблицах, снижающие до 6-8 требования к количеству разрядов в цифровых узлах бортовой аппаратуры;

4) показана возможность снижения на 11 дБ уровня спектральной плотности мощности внеполосных интермодуляционных составляющих выходного сигнала при использовании линеаризации;

5) предложена, проверена на моделях и защищена патентом РФ новая схема и алгоритм автоматической адаптации характеристик линеаризатора при вариациях параметров окружающей среды, изменяющих характеристики усилителя мощности, а также показана устойчивость предложенного алгоритма адаптации и возможность достижения допустимого уровня искажений за 2-4 цикла итерационной процедуры без перехода к тестовому входному сигналу.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Белов JI.A., Ромащенко К.В.. Кондратов A.C., Рожков В.М. Повышение линейности и энергетический эффективности усилителей мощности широкополосных СВЧ-сигналов // Электросвязь, 2012, №5, с. 23 —25.

2. Патент № 128426, Российская Федерация. Радиопередающее устройство с адаптивной коррекцией линейности. Патентообладатели Белов Л.А., Ромащенко К.В.. Кондратов A.C., Немаев М.А. // Приоритет от 25.12.2012 г., опубликован 20.05.2013г. в Бюллетене изобретений № 14.

3. Romashenko К.. Belov L, Algorithm for Adaptive Compensation of . Intermodulation Distortion in Microwave Power Amplifiers //

Proceedings of Mediterranean Conference on Embedded Computing (MECO), June 19th-21st, 2012, Montenegro, -Bar, pp. 204 - 207.

4. Белов JI.A., Ромащенко K.B.. Немаев M.A. Адаптивный линеаризатор характеристик усилителя мощности широкополосного микроволнового сигнала // Радиотехнические тетради, 2012, №49, с. 41 -44.

5. Ромащенко К.В. Анализ основных свойств процедуры адаптации усилителя мощности с линеаризатором // Материалы докл. 9-ой Междунар. молодёжной научно-технич. конф. «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2013», 22 - 26 апреля 2013 г., Украина, -Севастополь, с. 41.

6. Ромащенко К.В.. Кондратов A.C. Коррекция интермодуляционных искажений сигналов в усилителях мощности бортовых спутниковых систем связи // Тез. докл. IV Всеросс. научно-технич. конф. «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий», ОАО «Российские космические системы» , 15-17 июня 2011 г., -Москва, с. 233 - 234.

7. Ромащенко К.В.. Белов ДА., Петушков C.B. Предыскажающая адаптивная коррекция интермодуляционных искажений в усилителе мощности. Тезисы докл. V Всеросс. научно-технич. конф. «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий» // ОАО «Российские космические системы», 5-7 июня 2012 г., -Москва, с. 160.

8. Ромащенко К.В., Кондратов A.C. Уменьшение интермодуляционных искажений в бортовых радиопередающих устройствах // Тезисы докл. VI Всеросс. научно-технической конф. «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий» // ОАО «Российские космические системы», 5-7 июня 2013 г., -М., с. 160.

9. Белов JI.A., Ромащенко К.В., Кондратов A.C., Рожков В.М. Усилители мощности широкополосных СВЧ - сигналов с высокой линейностью и энергетической эффективностью // Материалы международного научно-технического семинара «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов в инфокоммуникациях СИНХРОИНФО - 2011», 27-30 июня 2011 г., Украина, -Одесса / под ред. В.В. Шахгильдяна, с. 57 - 60.

10. Белов JLA., Кондратов A.C., Ромащенко К.В., Немаев М.А. Адаптивная система линеаризации усилителей мощности широкополосных СВЧ сигналов // Материалы междунар. научно-технич. семинара «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов в инфокоммуникациях СИНХРОИНФО-2013»,30июня-02июля2013,-Ярославль,с. 11-13.

11. Ромащенко К.В.. Кондрашов A.C. Повышение энергетической эффективности бортовых радиопередающих устройств спутниковых систем связи // Тез. докл. 17-ой Междунар. научно - технич. конф. студ. и асп. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Т. 1. -М.: Изд. дом МЭИ, 2011, с. 48 - 49.

12. Ромащенко К.В. Анализ цепей, компенсирующих нелинейные искажения, методом рядов Вольтерра // Тез. докл. 18-ой Междунар. научно - технич. конф. студ. и асп. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» :Т. 1. -М.: Изд. дом МЭИ, 2012, с. 29.

13. Ромащенко К.В.. Немаев М.А. Исследование адаптивной системы линеаризации усилителей мощности СВЧ // Тез. докл. 19-ой Междунар. научно — технич. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Т. 1. -М.: Изд. дом МЭИ, 2013, с. 28.

Подписано в печать ¡5- \0М Зак. га Тир. лоо Полиграфический центр МЭИ Красноказарменная ул., д. 13

0*201363639

На правах рукописи

РОМАЩЕНКО Кирилл Витальевич

УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ СВЧ-СИГНАЛОВ С ВЫСОКОЙ ЭКОНОМИЧНОСТЬЮ И ЛИНЕЙНОСТЬЮ ДЛЯ БОРТОВОЙ СПУТНИКОВОЙ АППАРАТУРЫ

Специальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук,

профессор Белов Л.А.

Москва - 2013 год

Аннотация

Исследуются усилители мощности СВЧ диапазона в составе бортовой спутниковой аппаратуры, выполненные на транзисторах и на лампах бегущей волны, в которых для разрешения противоречия между достижением одновременно высокой энергетической эффективности и малого уровня интермодуляционных искажений, использован предыскажающий линеаризатор.

Предыскажающая коррекция входной амплитуды и фазового сдвига в линеаризаторе компенсирует амплитудную компрессию и амплитудно-фазовую конверсию в усилителе мощности.

Впервые получены оценки предельных значений выигрыша по энергетическим и интермодуляционным характеристикам для полностью линеаризованной усилительной системы при разных видах тестовых сигналов.

Разработан метод анализа искажений СВЧ усилителей на основании экспериментальных или паспортных амплитудных характеристик при разных методиках количественной оценки интермодуляционных искажений.

Предложена, разработана и защищена патентом система адаптивной предыскажающей линеаризации, обеспечивающая надёжную работу бортовой спутниковой аппаратуры при изменении условий окружающей среды и/или напряжения питания.

Abstract

The purpose of this work is analyzing the microwave power amplifiers performed on transistors and traveling-wave tubes with predistortion linearizer that is used to solve the problem of providing both high power efficiency and low intermodulation distortion.

Predistortion correction in linearizer is performed on the signal amplitude and phase shift compensating the signal distortion caused by amplitude compression and amplitude-phase conversion in power amplifier.

The limiting values of power and intermodulation characteristics for completely linearized amplifying system with different test signals are obtained for the first time.

The analysis method of microwave amplifiers distortion is designed. It is based on experimental or rated data of amplitude compression and amplitudephase conversion with different measuring techniques for intermodulation distortion.

Adaptive predistortion linearization system is proposed, developed and patented, and provides reliable work of the on-board satellite equipment when environmental conditions and/or supply voltage are changed.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ЛИНЕАРИЗАЦИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ................................................................................13

1.1. Постановка задачи. Предмет исследования..............................................................................................13

. 1.2. Общие характеристики и модели усилителей мощности...........................................................................19

1.3. Методы линеаризации...............................................................................................................................31

1.4. Выводы......................................................................................................................................................41

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ НЕЛИНЕЙНЫХ ЯВЛЕНИЙ В УСИЛИТЕЛЯХ МОЩНОСТИ..................................................43

2.1. Параметры сигналов, используемых в спутниковых ретрансляторах.........................................................43

2.2. Оценка уровня интермодуляционных искажений......................................................................................47

2.3. Методы анализа нелинейных динамических СВЧ систем........................•..................................................57

2.4. Основные соотношения в линеаризованной усилительной системе.........................................................69

2.5. Выводы......................................................................................................................................................79

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ С ПРЕДЫСКАЖАЮЩИМ ЛИНЕАРИЗАТОРОМ.........80

3.1. Модель тестовых сигналов и измерительных средств................................................................................80

3.2. Модель усилителя мощности....................................................................................................................81

3.3. Модель линеаризатора..............................................................................................................................83

3.4. Предельные характеристики усилителя мощности с предыскажающим линеаризатором.........................86

3.5. Исследование характеристик линеаризованного усилителя мощности СВЧ.............................................90

3.6. Моделирование адаптивного предыскажающего линеаризатора.............................................................99

3.7. Выводы....................................................................................................................................................105

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ЛИНЕАРИЗОВАННОГО УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ..............106

4.1. Структурная схема линеаризатора и описание рабочего места................................................................106

4.2. Экспериментальные характеристики........................................................................................................112

4.3. Исследование процедуры адаптации характеристик усилительной системы..........................................117

4.4. Выводы....................................................................................................................................................121

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................................................................122

Список литературы................................................................................................................................123

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................................................................................................132

A. Список обозначений.............................................................................................................................132

Б. Список сокращений..............................................................................................................................134

B. Акт внедрения в ОАО «Российские космические системы»............................................................136

Г. Акт внедрения в НИУ «МЭИ»..............................................................................................................137

Д. Фрагмент программы адаптации....................................................................................................138

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В наши дни бурными темпами развиваются технологии оказания информационно-телекоммуникационных услуг: спутниковая связь, телевидение, радионавигация и др., использующих электромагнитные излучения диапазона сверхвысоких частот (СВЧ). Одним из основных каскадов бортового ретранслятора является усилитель мощности (УМ). К этому блоку предъявляются сложные, и противоречивые требования: высокая энергетическая эффективность, заданная выходная мощность, малый уровень искажений передаваемого сигнала, соблюдение норм электромагнитной совместимости на излучения вне выделенной полосы частот, высокая скорость передачи информации, выполнение нормативов на массогабаритные показатели и энергопотребление, низкая чувствительность к параметрам окружающей космической среды и др.

Для получения максимальной выходной мощности и высоких значений коэффициента полезного действия (КПД) активный элемент усилителя мощности необходимо использовать в нелинейном режиме, что приводит к появлению в спектре выходного сигнала повышенного уровня высших гармоник, интермодуляционных искажений (ИМИ) передаваемых сигналов и мешающих комбинационных спектральных составляющих. С другой стороны, для выполнения нормативов на паразитные спектральные составляющие активный элемент усилителя мощности надо применять в линейном режиме. Отсюда возникает противоречие между обеспечением высокой энергетической эффективности и низким уровнем искажений сигнала. Обеспечение одновременно требований высокой спектральной эффективности и допустимого уровня побочных излучений, характерных для спутниковых каналов передачи информации, приводит к дополнительной амплитудной модуляции и усложняет достижение компромисса. Поиск путей решения указанных противоречий характеризует необходимость данной работы.

Системы передачи цифровой информации чувствительны к нелинейным искажениям действующих в них электрических и электромагнитных сигналов. Именно отклонения от идеализированного линейного закона связи между током и напряжением в электронных компонентах аппаратуры определяют фундаментальный предел многих характеристик военных и космических систем передачи информации.

В последнее время значительный прогресс в создании усилительных элементов связан с развитием технологии арсенид-галлиевых и нитрид-галлиевых транзисторов. Мировая тенденция расширения использования такого типа компонентов обусловлена их высокими энергетическими характеристиками в заданном частотном диапазоне (выходная мощность до 150 Вт, КПД до 65 - 70%, коэффициент усиления каскада до 20 дБ, рабочая частота до 10 ГГц), способностью удовлетворять требованиям работы в условиях космического пространства в течение не менее 15 лет, устойчивостью к воздействию тяжёлых заряженных частиц и к накопленной дозе радиации. Они характеризуются средним временем наработки на отказ до 100 миллионов часов. В спутниковой аппаратуре такие твердотельные СВЧ усилители средней мощности конкурируют с вакуумными усилителями на лампах бегущей волны (ЛБВ).

Изучением нелинейных искажений СВЧ сигналов в усилителях мощности занимались С.И. Евтянов, A.B. Данилов, Б.М. Богданович, Г.М. Крылов, Ю.Л. Хотунцев, Е.А. Богатырев, O.A. Челноков, JI.A. Белов, A.A. Титов, В.И. Нефедов, Е.В. Соловьева, JI. Эрман (L. Ehrman), С. Нарайнан (S. Naraynan), Г.С. Педро (J.C. Pedro), А. Гребенников (A. Grebennikov), С.С. Криппс (S.C. Cripps), Н.О. Сокал (N.O. Sokal), Р.Т. Весткотт (R.T. Westcott), С.А. Маас (S.A. Maas) и др.

Обзор научно-технической литературы показал, что метод предыска-жающей линеаризации является наиболее удобным для интервалов значений частот и мощностей, используемых в спутниковой и космической аппаратуре. К сожалению, в отечественной литературе нет подробной теоре-

тической проработки данного метода, а промышленность не выпускает серийно подобные компоненты.

Для спутниковой аппаратуры необходима адаптация параметров линеаризованной усилительной системы к изменяющимся в широких пределах условиям окружающей среды: вариациям температуры, уровня проникающей радиации и др., к измерениям питающих напряжений. Однако, способы осуществления такой адаптации в отечественной литературе не исследованы, а в иностранной - описаны в общем виде применительно к наземным станциям сотовой связи, что не дает возможности их применить практически.

Применение предыскажающей адаптивной линеаризации может обеспечить одновременное выполнение технических задач обеспечения высокой линейности амплитудных характеристик при допустимом уровне амплитудно-фазовой конверсии в усилителях мощности, а также сделать усилительную систему устойчивой к изменениям условий окружающей среды и к отклонениям питающих напряжений от типовых значений.

Требования электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств и ограничения частотного ресурса имеют тенденцию к ужесточению, поэтому линеаризация усилительных устройств с целью повышения энергетической и спектральной эффективности, снижения уровня интермодуляционных искажений определяет потребность в таких исследованиях и актуальность темы данной диссертации.

Целью диссертационной работы является сопоставление известных из научно-технической литературы методов анализа нелинейных цепей, применительно к СВЧ усилителям мощности радиосигналов, выполненным на полупроводниковых и электровакуумных активных элементах, изучение возможностей линеаризации характеристик усилителя мощности для обеспечения необходимого уровня помех в спектре выходного сигнала; исследование способов и схем построения каскадов электронной аппаратуры с учётом указанных требований; поиск путей преодоления основ-

ных противоречий по энергетической и спектральной эффективности при создании спутниковых ретрансляторов СВЧ сигналов с допустимым уровнем интермодуляционных искажений.

Поставленная-цель достигается решением следующих задач:

1. Теоретическая проработка и сопоставление методов количественной оценки уровня нелинейных искажений сигналов в СВЧ усилителях мощности.

2. Разработка схем и моделей линеаризирующих цепей, компенсирующих нелинейные искажения СВЧ сигналов в усилительных активных элементах.

3. Анализ и экспериментальные исследования линеаризованных твердотельных и вакуумных усилителей мощности для спутниковой аппаратуры с повышенными уровнями выходного сигнала, энергетической и спектральной эффективности.

4. Оценка предельных возможностей предыскажающей линеаризации при высоких значениях несущей частоты, занимаемой сигналом полосы частот, уровня выходной мощности и энергетического КПД.

5. Разработка процедуры автоматической адаптации характеристик амплитудной компрессии (АМ/АМ преобразования) и фазовой конверсии (АМ/ФМ преобразования) предыскажающего линеаризатора в составе усилителя мощности при вариациях параметров окружающей среды.

Методы исследования. При выполнении работы использованы: аппарат функциональных рядов Вольтерра; методы теории нелинейных цепей; теория радиотехнических цепей и сигналов; метод медленно меняющихся параметров; теория функций комплексного переменного; теория матриц; метод феноменологических моделей; способы решения систем алгебраических уравнений; дифференциальные и интегральные преобразования; различные способы аппроксимации передаточных характеристик; методы компьютерного моделирования; теория итерационных систем авто-

матической максимизации функционала, принятого в качестве критерия качества.

Несмотря на наличие современных вычислительных и программных средств для разработки радиоэлектронной аппаратуры (Microwave Office, Advanced Design System - ADS, Mathcad, Lab View, MathLab) для бортовой спутниковой аппаратуры преимущество имеет создание специализированного программного обеспечения, позволяющего быстро, с необходимой точностью и за приемлемое время рассчитать параметры предыскажающе-го линеаризатора на основании паспортных данных нелинейных характеристик УМ и оценить полученный уровень искажений.

Достоверность полученных результатов подтверждена экспериментально и не противоречит известным теоретическим и практическим данным.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан метод анализа интермодуляционных искажений в кас-кадно соединенных предыскажающем линеаризаторе и усилителе мощности на основании экспериментальных данных о нелинейных амплитудно-амплитудных и амплитудно-фазовых характеристиках электровакуумного или транзисторного усилителя СВЧ мощности.

2. Получены оценки предельных возможностей системы предыска-жающей линеаризации СВЧ усилителя мощности.

3. Создан алгоритм адаптации, позволяющий быстро и с необходимой точностью находить численные значения коэффициентов в таблицах коррекции амплитуды и фазового сдвига линеаризирующего блока.

4. Предложена и проанализирована итерационная процедура адаптации нелинейных характеристик предыскажающего линеаризатора при изменении параметров бортового спутникового усилителя мощности.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Разработанный метод анализа нелинейных электровакуумных и транзисторных СВЧ усилителей мощности при воздействии сложных сигналов позволил оптимизировать по экономичности и линейности усилители мощности для бортовой навигационной аппаратуры «ГЛОНАСС-К2» и может быть использован в перспективных разработках.

2. Разработанный алгоритм адаптации процесса линеаризации бортового усилителя мощности с учётом амплитудной компрессии и фазовой конверсии позволяет повысить качество и надёжность передачи информации по спутниковому каналу связи.

3. Созданные опытные установки для экспериментального изучения характеристик нелинейных СВЧ устройств позволили измерять параметры интермодуляционных искажений в усилителях мощности.

4. Использование результатов диссертационной работы в учебном процессе НИУ «МЭИ» повышает качество подготовки специалистов по специальности «Радиотехника».

Документы о практическом использовании результатов работы приведены в приложении к диссертационной работе.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Разработан метод анализа интермодуляционных искажений на основе феноменологической модели активного элемента, позволяющий корректно учесть амплитудную компрессию и фазовую конверсию в транзисторных и вакуумных СВЧ усилителях мощности.

2. Выполнена оценка предельных возможностей предыскажающего линеаризатора, учитывающая разрядность цифровых узлов, которая позволяет найти компромиссное сочетание параметров усилителя, обеспечивающее высокую энергетическую эффективность и допустимый уровень искажений передаваемого сигнала.

3. Установлено, что алгоритм процесса адаптации линеаризованного усилителя мощности с учётом амплитудной компрессии и фазовой конвер-

сии глобально устойчив и требует небольшого количества итераций для обеспечения необходимого значения критерия качества.

Апробация результатов. Результаты работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Средиземноморская конференция по встроенным вычислениям» (Mediterranean Conference on Embedded Computing - MECO-2012), г. Бар, Черногория, июнь 2012 г.; на Международной научно-технической конференции «Современные проблемы радиоте