Введение к работе
Актуальность темы и состояние вопроса.
Устойчивая тенденция к быстрому увеличению количества одновременно работающих в регионах радиосредств ОВЧ и УВЧ диапазонов делает особенно актуальной задачу максимально эффективного использования антенн и антенно-фидерных систем. Решение этой задачи обеспечивается уплотнением антенно-фидерных трактов действующих и вновь создаваемых систем с помощью устройств сложения сигналов, а также наращиванием выходной мощности радиосредств, в том числе за счет сложения мощностей передатчиков.
Включение устройств сложения в состав оборудования стационарных объектов связи и вещания не должно ухудшать качественные показатели соответствующих систем, что обеспечивается соответствующими требованиями к значениям основных электрических параметров устройств. С другой стороны, сложившиеся экономические условия требуют достижения высокого качества на основе простых технических решений с минимальным привлечением дорогостоящих технологий и материалов.
Таким образом, задача повышения эффективности устройств распределения и сложения сигналов для антенно-фидерных систем ОВЧ и УВЧ является весьма актуальной.
Критерием эффективности частотно-разделительных
устройств (ЧРУ) является обеспечение основных электрических параметров, удовлетворяющих системным требованиям согласно действующим стандартам, при имеющихся конструктивно-технологических ограничениях. ЧРУ диапазонов ОВЧ и УВЧ (диплексеры ПРИЕМ-ПЕРЕДАЧА, устройства объединения каналов радиосвязи, ОВЧ ЧМ программ и телевизионных каналов) по способу обеспечения частотного уплотнения подразделяются на устройства с частотной развязкой (фильтровые), со структурной развязкой (фазоразностные) и комбинированные (фильтро-мостовые). Современные принципы построения и схемотехшгческие решения ЧРУ (О.В.Алексеев, В.Д.Кузнецов, А.М.Модель, А.Л.Фсльдштейн, Г.Г.Чавка, S.B.Cohn) реализованы в продукции ведущих отечественных и зарубежных производителей. Использование фильтровых ЧРУ ограничивается трудностями широкополосной компенсации взаимного шунтирования плеч "вилки фильтров", а обеспечение высокой развязки требует увеличения числа звеньев, а значит и потерь. Применение безрезонаторных схем ограничивается наличием длинных фазосдвигаюших шиши. Резонаторные (фильтровые и фильтро-мостовые) ЧРУ содержат звенья с высокой нагруженной добротностью, поэтому при высоких уровнях мощное-
ти резко возрастает сечение резонатора. В применяемых для объединения ЧМ программ филътро-мостовых устройствах типа "двойной квадратный мост" реализуемый разнос частот ограничен широко-полосностью моста. Для относительно маломощных (до 300 Вт) ЧРУ ОВЧ диапазона построение филътро-мостовых устройств на направленных ответвителях (НО) и использование традиционных резонансных звеньев приводит к явной избыточности по габаритным размерам и материалоемкости.
Таким образом, повышение эффективности ЧРУ требует создания резонансных звеньев с минимальными величинами амплитуд стоячих волн для мощных ЧРУ; разработки филътро-мостовых схем для объединения ОВЧ ЧМ программ с расширенным диапазоном реализуемого разноса частот; использования укороченных'резонансных звеньев в маломощных ЧРУ.
В качестве делителей-сумматоров мощности (ДСМ) ОВЧ и УВЧ диапазонов используются развязанные устройства симметричной, бинарной и цепочечной структур (О.В.Алексеев, Э.В.Зелях, О.О.Беллон, С.Е.Лондон, В.П.Мещанов, Н.З. Модель, Л.Р.Явич, HJJec, D.L.Mahtaei, E.J.Wilkinson). Большое распространение получили синфазные ДСМ по схеме Уилкинсона. Распределенный характер мощных резисторов приводит к паразитному рассеянию мощности, а известные способы компенсации этого явления (Л.С.Казанский, С.Е.Лондон) недостаточно эффективны для современных мощных пленочных ВЧ резисторов. Применение четвертьволновых отрезков линий делает в ряде случаев габаритные размеры ДСМ диапазонов ОВЧ и УВЧ и активные потери в тракте неоправданно завышенными. Кроме того, технологичность синфазных ДСМ ограничена возможностями реализации требуемых волновых сопротивлений.
Таким образом, необходима разработка схемотехнических решений ДСМ на основе коротких отрезков линий, обеспечивающих компенсацию влияния распределенного характера мощной балластной нагрузки и реализуемых на основе минимальной номенклатуры волновых сопротивлений линий.
Анализ цепи является основой для расчета характеристик устройства и одновременно - необходимым этапом при решении задач диалогового и машинного синтеза. Анализ сложных систем обычно осуществляется на основе декомпозиционного подхода (В.В.Никольский, Д.И.Воскресенский, Д.М.Сазонов, T.A.Abele, D.M.Young). Задача анализа системы при этом сводится к ее рекомпозищш. Для устройств ОВЧ и УВЧ диапазонов приемлемая точность моделирования обеспечивается при использоваїши аппарата теории линейных электрических цепей. Рскомпозиционная модель представляет собой соединение многополюсников. Применяются различные рекомпозиционные алгоритмы, основанные на решении
матричных уравнений (Б.М.Заикин, В.П.Романов, Д.М.Сазонов, V.A.Monaco, P.Tiberio, D.M.Young), систем линейных алгебраических уравнений (Д.Д.Ширяев), анализе топологической (В.И.Анисимов, Л.И.Бабак, А.Г.Онищук) или символической (Vai Mankuan, Hong Bin, S.Plasad) моделей. Число необходимых операций в рамках этих алгоритмов быстро возрастает с увеличением числа соединений. Для всех перечисленных методик требуются согласованные нормировочные базисы.
Анализ параметрической чувствительности многополюсной системы в настоящее время обеспечивают также на основе рекомпозиционных моделей (J.W.Bandler, G.Joculano, V.A.Monaco, P.Tiberio, P.Penfield, C.Rauscher). Как прямой так и косвешлле (на основе теоремы Тсллегена) методы расчета близки к упомянутым выше рекомпозиционным алгоритмам анализа характеристик и обладают теми же недостатками.
Задача определения допусков на физические параметры по заданному максимальному конечному отклонению S-параметра неоднозначна. Неоднозначность устраняют на основе априорного предположения о равенстве частных отклонений (К.Гехер), минимаксного подхода (Г.А.Юфит), введения векторной чувствительности (P.Valtonen), однако все указанные подходы требуют вычисления функций чувствительности по всем варьируемым параметрам.
Таким образом, существующие алгоритмы рекомпозищш многополюсных систем требуют дальнейшего развития с целью создания ресурсосберегающих методик анализа характеристик, параметрической чувствительности и допусков.
Цель работы - разработка методик анализа и алгоритмов рскомпозиции сложных многополюсных систем, оптимизация характеристик устройств распределения и сложения сигналов по заданным критериям, повышение эффективности устройств распределения и сложения ОВЧ и УВЧ сигналов для антенно-фидерных систем радиосвязи, радиовещания и телевидения.
Основные задачи исследования.
-
Разработка аналитического аппарата и эффективных методик исследования характеристик линейного многополюсного ВЧ соединения в рамках единого рекомпозищюнного алгоритма.
-
Разработка методик расчета и алгоритмов оптимизации характеристик устройств распределения и сложения сигналов по комплексным критериям, включающим электрические и конструктивно-технологические параметры.
3. Разработка и обоснование новых технических решений для
элементов устройств распределения и сложения сигналов.
4. Разработка и исследование частотно-разделительных
устройств и устройств сложения мощностей.
5. Оптимизация характеристик, практическая реализация и
экспериментальное исследование разработанных устройств.
Методы исследования: аналитический аппарат общей теории линейных электрических цепей в терминах волновых матриц рассеяния, численные рекуррентные методы расчета и анализа сложных многополюсных систем, численные методы оптимизации характеристик сложных устройств по комплексным критериям.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Предложен и разработан новый подход к исследованию сложной многополюсной цепи, состоящий в том, что в рамках циклического алгоритма учитываются преобразования параметров рассеяния и одновременно функций и мажорант чувствительности при последовательном выполнении соединений в системе.
-
Разработаны методика и алгоритм оптимизации электрических характеристик устройств и конструктивно-технологических допусков по критерию минимизации отклонений параметров рассеяния от заданных значений и максимизации обобщенного допуска при конструктивных ограничениях.
-
Предложена схема, произведен расчет и оптимизация узкополосного кольцевого балансно-фильтрового частотно-разделительного устройства по критерию максимизации развязки, минимизации потерь и разноса частот и максимизации конструктивно-технологических допусков.
-
Разработана схема, произведен расчет и оптимизация узкополосного частотно-разделительного устройства на основе высокодобротных резонаторов с индуктивной связью по критерию максимизации развязки, минимизации разноса частот и максимизации конструктивно-технологических допусков.
-
Разработана схема и произведена оптимизация широкополосных фильтровых и фильтро-мостовых частотно-разделительных устройств по критерию максимизации развязки, минимизации потерь и максимизации конструктивно-технологических допусков.
-
Предложено новое техническое решение, разработана схема и произведены расчет и оптимизация сумматора-делителя мощности с реактивной балластной цепью.
7. Предложены новые технические решения, разработаны
схемы, произведены расчет и оптимизация мощных сумматоров-
делителей с компенсацией влияния неидеальиого характера мощных
балластных нагрузок.
Практическая ценность.
Предложены новые технические решения для ЧРУ и ДСМ.
Разработаны диплексеры и фидерно-фильтруюіцие устройства для антенно-фидерных трактов цетральных станций .систем связи с подвижными объектами, позволяющие обеспечить улучшенные качественные показатели систем.
Разработаны узкополосные и широкополосные ЧРУ, обеспечивающие увеличение числа телевизионных и ОВЧ ЧМ программ при сохранении радиусов зон вещания без реконструкции имеющихся антенн.
Проведены экспериментальные исследовагаїя частотных характеристик разработанных устройств, подтвердившие полученные теоретически показатели качества их работы.
На предложенные устройства разработана конструкторская документация.
Реализация результатов работы.
Результаты диссертационной работы использованы для создания устройств распределения и сложения сигналов, включенных в состав: АФУ действующих систем президентской и правительственной связи России и Казахстана; - комплекса КЧМ-300 при организации многопрограммного ОВЧ ЧМ вещания в сельских районах 12 субъектов Российской Федеращш; антенно-фидерных трактов на радиотелевизионных передающих центрах Алма-Аты, Архангельска, Екатеринбурга, Пензы, Самары и Сыктывкара для увеличения числа программ.
Соответствующее оборудование антенно-фидерных
комплексов разработано СОНИИР в рамках работ, выполненных в интересах Минсвязи России, ФАПСИ РФ, КНБ Казахстана и других ведомств. Диплексер ОВЧ ЧМ сигналов (в составе комплекса) сертифицирован Министерством связи России. В СОНИИР освоено производство разработанных изделий.
Результаты работы использованы в учебном процессе ПИИРС при постановке курсов углубленной подготовки радиоинженеров.
Внедрение результатов диссертации подтверждено соответствующими актами Министерства связи РФ, в/ч 11232, НИИ автоматики (г.Москва) и ПИИРС.
Апробация результатов работы и публикации.
Основные положения и результаты работы докладывались на Российской научно-технической конференции, посвященной 40-летию ПИИРС (Самара, 1996 г.), Научно -технической конференции профес-
сорско-прсподавательского и инженерно-технического состава ПИИРС (Самара, 1995 г.), 32-й, 33-й и 35-й Всесоюзных научных сессиях НТО РЭС им.А.С.Попова (Москва, 1977, 1978, 1980 г.г.), научно-технической конференции "Автоматизация проектирования радиоэлектрошгой аппаратуры на промышленных предприятиях" (Запорожье, 1977 г.). Написан параграф, помещенный в монографии; опубликованы 23 научные статьи, 6 тезисов докладов на научных конференциях. Получено 6 авторских свидетельств на изобретения.
Объем и структура работы.