Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Универсальные методы статистического анализа нелинейных динамических систем 10
1.1. Статистические методы анализа нелинейных динамических систем, позволяющие линеаризацию математической модели 11
1.2. Методы анализа нелинейных усилительных СВЧ-трактов 20
1.3. Спектральный метод с моделированием и аппроксимацией передаточных характеристик различными интерполяционными полиномами и специальными функциями 35
Глава 2. Теоретические основы исследования широкополосных нелинейных СВЧ-трактов 40
2.1. Проблемы моделирования групповых сигналов и нелинейных усилительных устройств со многими несущими 41
2.2. Применение функциональных полиномов при исследовании характеристик и параметров нелинейных динамических систем 49
2.3. Анализ нелинейных систем методом гармонического баланса 55
2.4. Расчет комбинационного спектра и составляющих интермодуляционных искажений с помощью сложных функций 57
2.5. Методы линеаризация на основе моделей СВЧ-усилителей мощности по дискретному времени 74
2.6. Результаты расчетов нелинейных транзисторных СВЧ-устройств с групповыми широкополосными сигналами 81
Глава 3. Энергетически эффективные устройства минимизации нелинейных искажений в радиочастотных трактах
3.1. Методы компенсация помех в усилительных трактах с комплексной нелинейностью 92
3.2. Стандартные модели и схемы линеаризаторов передаточных характеристик радиопередающих трактов
3.3. Моделирование и разработка широкополосных линеаризаторов передаточных характеристик СВЧ-трактов с прямой связью
3.4. Элементы линеаризаторов с малыми потерями и минимальными фазовыми ошибками 123
Глава 4. Экспериментальные исследования и оценка надежности транзисторных СВЧ-усилителей мощности 124
4.1. Математическое моделирование нелинейных СВЧ-усилителей мощности и систем связи с нелинейными устройствами
4.2. Комплексные экспериментальные установки 130
4.3. Исследование нелинейных СВЧ-усилителей со многими несущими 136
4.4. Оценка точности расчета интермодуляционных искажений квазистационарными методами 144
4.5. Оценка надежности передающих СВЧ-трактов систем связи 148
Заключение 156
Условные обозначения 158
Список литературы 159
Приложения 177
- Методы анализа нелинейных усилительных СВЧ-трактов
- Применение функциональных полиномов при исследовании характеристик и параметров нелинейных динамических систем
- Стандартные модели и схемы линеаризаторов передаточных характеристик радиопередающих трактов
- Комплексные экспериментальные установки
Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из основных тенденций развития и
совершенствования современных систем радиосвязи со многими несущими
(систем с многостанционным доступом) является повышение объема и
скорости передаваемой информации, а также дальнейшее увеличение числа
абонентов. В системах подвижной связи с многостанционным доступом
используются сложные по структуре сигналы, как правило, цифровые и со
многими несущими (многочастотными или разночастотными групповыми
сигналами). Для достижения высоких скоростей передачи и одновременно
высокой спектральной, эффективности применяются сложные, комплексные
методы модуляции сигнала, которые характеризуются значительными
изменениями уровня огибающей сигнала. В то же время необходимость
обеспечения высоких энергетических характеристик и, в первую очередь,
выходной мощности и КПД передатчика требует вводить нелинейные
режимы работы транзисторных радиочастотных усилителей
(радиоусилителей, или СВЧ-усилителей) мощности, что создает сложности в реализации их качественных характеристик [1-10].
Поэтому решение задачи совершенствования разнообразных систем связи и повышения качества их функционирования непосредственно связано с обеспечением линейных свойств передающих трактов сложного сигнала, и особенно линейности передаточных характеристик усилительных устройств радиочастотного диапазона. Нелинейные СВЧ-устройства, относящиеся к классу нелинейных динамических систем типа «черного ящика», применяют в системах связи с многостанционным доступом. В настоящее время в качестве усилительных элементов в передатчиках включают биполярные и полевые транзисторы, которые обладают рядом преимуществ перед другими активными элементами. Это малый коэффициент шума, работа на частотах вплоть до 50 ГГц, устойчивость в широком диапазоне частот, технологичность и простота изготовления.
Наличие нелинейных СВЧ-усилителей в передающих трактах систем связи приводит к возникновению интермодуляционных помех (ИМП; интермодуляционных искажений — ИМИ), создающих взаимные помехи во всех радиоканалах и мешающие нормальному функционированию системы радиосвязи. Для обеспечения качественной работы систем связи мощность интермодуляционных искажений в многоканальных системах связи должна быть, как правило, ниже мощности передаваемых сигналов не менее чем на 25...30 дБ. В связи с этим линейность передаточных характеристик выходных нелинейных радиоусилителей мощности являются важными показателями для работы современных систем связи.
Кроме задачи уменьшения уровней различных типов ИМИ существуют и другие исследовательские задачи. Следует выделить проблему электромагнитной совместимости. Она особенно актуальна для приемопередающих трактов станций спутниковой связи, построенных с несколькими преобразованиями частоты. Сигналы гетеродинов могут попадать в тракт сигнала приемника, вводить его оконечные каскады в нелинейный режим. Это опасно тем, что может возникнуть эффект подавления слабого сигнала сильным, при этом ухудшается соотношение сигнал/шум, что приводит к нарушению связи. В передающем тракте наличие сигналов гетеродинов, расположенных в других стволах, будет восприниматься в соседних каналах как мешающая помеха.
Изучению нелинейных явлений в радиочастотных усилителях посвящены труды многих ученых, которыми предложен ряд методов их исследования. Вместе с тем эти методы полностью не решают всех поставленных задач. Причем с увеличением мощности передающих устройств различных систем связи со многими несущими, возрастанием потоков передаваемой информации, уплотнением каналов, а значит с ухудшением электромагнитной обстановки, проблема становится особенно важной.
Решение этой научной задачи определяет актуальность диссертации, связанной с моделированием и линеаризацией передаточных характеристик нелинейных усилительных устройств, что позволит повысить выходную мощность и КПД, улучшить ЭМС в зоне действия систем связи с многими несущими за счет уменьшения уровней интермодуляционных искажений, сузить рабочие полосы каналов и увеличить их эффективность.
Целью работы является разработка методов аппроксимации и технических устройств, обеспечивающих решение проблемы линеаризации передаточных характеристик нелинейных транзисторных усилительных устройств многоканальных систем связи со многими несущими.
В соответствии с поставленной целью при работе над диссертацией:
рассмотрены методы анализа и компьютерного расчета выходного спектра и ИМИ радиоусилителей мощности со многими несущими (нелинейных динамических систем типа «черный ящик»);
предложен численный метод анализа нелинейных радиоусилителей мощности со многими несущими, основанный на моделировании и аппроксимации их передаточных характеристик интерполяционными полиномами (рядами) и специальными функциями;
предложен и экспериментально подтвержден метод и устройство линеаризации передаточных характеристик транзисторных радиоусилителей мощности радиопередающих устройств систем связи;
разработаны широкополосные пассивные устройства и узлы управления
корректоров передаточных характеристик усилительных трактов.
Методы исследования. При проведении исследований в диссертационной работе использованы: теория передачи информации, спектральный анализ нелинейных динамических систем со многими несущими, аппарат функций комплексного переменного, дифференциальные и интегральные преобразования, математическая статистика, методы
компьютерного моделирования и аппроксимации передаточных характеристик.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
рассмотрены методы анализа и расчета комбинационного спектра и ИМИ транзисторных радиоусилителей мощности со многими несущими (нелинейных динамических систем типа «черный ящик»);
предложен метод анализа нелинейных транзисторных радиоусилителей мощности со многими несущими, основанный на моделировании и аппроксимации их передаточных характеристик интерполяционными полиномами (рядами) и специальными функциями;
разработан метод и устройство линеаризации передаточных
характеристик транзисторных радиоусилителей мощности передающих
устройств систем связи;
разработаны широкополосные пассивные устройства и электронные
узлы управления для корректоров передаточных характеристик.
Практическая ценность работы заключается: в разработке линейных транзисторных радиоусилителей мощности со многими несущими; программ по компьютерному анализу и расчету спектра и составляющих ИМИ на выходе транзисторных радиоусилителей мощности; корректоров передаточных характеристик транзисторных радиоусилителей мощности с широкополосными направленными ответвителями, электронными схемами аттенюаторов и фазовращателей; экспериментальной установки для исследования параметров и характеристик широкополосных транзисторных радиоусилителей мощности передатчиков систем связи.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
методы анализа и расчета комбинационного спектра и ИМИ
транзисторных радиоусилителей мощности со многими несущими
(нелинейных динамических систем типа «черный ящик»);
компьютерный метод анализа нелинейных транзисторных
радиоусилителей мощности со многими несущими, основанный на
моделировании и аппроксимации передаточных характеристик
интерполяционными полиномами (рядами) и специальными функциями;
метод обладает большим быстродействием по сравнению с существующими
методами;
метод и устройство линеаризации передаточных характеристик
транзисторных радиоусилителей мощности передающих устройств систем
связи со многими несущими; предложенный метод повышения линейности
радиочастотного тракта позволяет снизить искажения огибающей
усиливаемого многочастотного сигнала не менее чем на 25 дБ;
метод создания широкополосных пассивных устройств и электронных
узлов управления для корректоров передаточных характеристик; уровень
нелинейных искажений на выходе предложенных схем аттенюаторов средней
мощности - 45 дБ при глубине их регулировки не менее 40 дБ.
Основные результаты диссертационной работы внедрены на
предприятиях в НИИ космических систем — филиал ГКНПЦ имени М.В. Хруничева, в ЦНИИ «Радиосвязь», в институте общей физики им. A.M. Прохорова Российской академии наук, на предприятиях ОАО «Концерн радиостроения «ВЕГА», применены в учебном процессе в Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались с 2004-го по 2010 год на научно-технических конференциях и семинарах в Московском институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете), на конференциях и заседаниях НТОРЭС им. А.С. Попова, на международных и Всероссийских научно-технических конференциях.
Достоверность основных теоретических положений, выводов и практических результатов подтверждена экспериментально в процессе исследований разработанных линейных транзисторных радиоусилителей мощности систем связи, точностью расчетов полученных с помощью спектрального метода анализа передаточных характеристик, совпадением результатов настоящей работы с данными, полученными другими авторами, а также актами о внедрении и использовании научных и практических результатов диссертации.
Публикации. Результаты проведенных в диссертации исследований опубликованы автором, более чем в 22 работах. Из них наиболее значимые: 3 статьи в ведущих научных журналах и изданиях, выпускаемых в Российской Федерации и рекомендуемых ВАК для публикация основных материалов диссертаций, представляемых на соискание ученой степени кандидата наук; 10 статьей в сборниках трудов международных научно-технических конференций; 9 статьей в научно-технических сборниках издательств МИРЭА и других высших учебных заведениях и научно-исследовательских институтов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, 2 приложений, списка использованных источников информации, включающего 147 наименований; содержит 176 страниц текста, 57 рисунков и 9 таблиц.
Методы анализа нелинейных усилительных СВЧ-трактов
В процессе эксплуатации мощных усилительных СВЧ-модулей с КПД более 30%, невозможно обеспечить высокую линейность АХ и ФАХ. Одним из вариантов решения этой проблемы является применение широкополосных сумматоров мощности с малыми потерями. Очевидно, что каким бы мощным ни был выходной усилитель, существует оборудование, которое практически невозможно построить без использования схем суммирования и деления мощностей (передатчики базовых станций сотовой связи, служб персональной связи, спутниковые ретрансляторы, передающие устройства РЛС). Однако существует ряд проблем, которые возникают при конструировании и эксплуатации выходных транзисторных усилительных модулей, включающих схемы сложения (деления) мощностей и работающих со сложным многочастотным передаваемым сигналом.многостанционным доступом предъявляются жесткие требования по линейности их передаточных характеристик. Высокая линейность характеристик может быть достигнута путем снижения КПД до 10...20 %, однако это непреемлемо для дорогих мощных усилителей, которые работают на участке АХ, близкой к мощности насыщения.2. Параметры и характеристики усилительных модулей, приводимые в технических условиях, снимаются при определенных условиях (температуре, напряжениях питания, смещения). В свою очередь, степень подавления ИМИ сильно зависит от амплитудных и фазовых ошибок, то есть, значительно ухудшается при росте нестабильности АЧХ и, особенно, ФЧХ. Подобные нестабильности не только ухудшают показатели системы и сужают полосу частот, в которой возможна минимизация ИМИ, но и снижают показатели надежности многомодульного усилителя.3. При расширении полосы пропускания канала связи более 1 МГц довольно часто нельзя ограничиться учетом интермодуляционных искажений только 3-го порядка. На отдельных участках полосы пропускания интермодуляционные искажения 5-го порядка в подобных системах связи могут достигать уровней -35 дБн (дБн; число дБ мощности ИМИ по отношению к мощности несущей), что может ухудшить линейность характеристик усилителя. Кроме того, справочная информация по интермодуляционным искажениям 5-го порядка для разработанных усилительных модулей обычно отсутствует.
Анализ нелинейных динамических систем точными методами (как для линейных систем) затруднен ввиду большой сложности расчетов, а зачастую и принципиальной невозможности достижения оптимального конечного результата. Поэтому большое распространение получили приближенные методы исследования различных устройств, и в первую очередь те, которые позволяют распространить на нелинейные системы современные методы анализа линейных систем.
Оценка влияния нелинейности СВЧ-трактов от уровня мощности полезных сигналов и ИМИ на их выходе является не простой задачей, так как необходимо учитывать одновременно два фактора: нелинейность АХ и неравномерность ФАХ. Известны работы [15-17] по определению спектра сигналов на выходе нелинейных СВЧ-устройств, однако они имеют ограничения и решают частные задачи. Только некоторые из них могут быть использованы для исследования систем связи и при этом только после их корректного теоретического обоснования, а также после достаточно полной экспериментальной оценки их точности. Классификация методов исследования систем и устройств с комплексной нелинейностью, а также известных работ по методам определения спектра на выходе нелинейных СВЧ-устройств, представлена на рис. 1.6.
Методы исследования и работы по данной тематике подразделяются на два вида. В работах 1-го вида [19-20, 23] теоретически и экспериментально исследуются непосредственно активные устройства, производится оценка энергетических параметров сигналов, рассматриваются причины, структура и физика происходящих в них нелинейных процессов, режимы электропитания, экспериментально проверяются результаты нелинейной теории СВЧ-приборов.
Рис. 1.6. Методы анализа нелинейных динамических систем Цель этих работ: увеличение выходной мощности устройств, диапазона частот, широкополосности, коэффициента усиления и КПД. Использование их для исследования систем связи с многостанционным доступом и частотным разделением имеет ограничения, связанные с громоздкостью и сложностью расчетов.
Целью работ 2-го вида является оценка влияния нелинейности на показатели качества усилительных трактов систем связи и разработка методов определения спектра на их выходе. В этих работах созданы аналитические модели систем связи, а в качестве исследуемых нелинейных СВЧ-устройств использованы ЛБВ, клистроны и другие мощные электровакуумные приборы. В экспериментальных работах [21, 25] в односигнальном режиме измеряются передаточные АХ и ФАХ СВЧ-тракта, а в многочастотном измеряются ИМИ 3-го и 5-го порядков в основном ИМИ-31 и ИМИ-51 при подаче на вход нелинейного устройства не более 5 сигналов.
Основной является фундаментальная проблема исследования нелинейных динамических систем, в которых, как следует из современных результатов, может существовать хаос — универсальное свойство динамики. Нелинейными звеньями в радиотехнических устройствах являются электронные приборы (полупроводниковые и электровакуумные) и элементы с ферромагнитными материалами. В сочетании с инерционными электрическими цепями они образуют нелинейные динамические цепи и устройства. К их числу относятся высокочастотные усилители мощности сигнала, умножители и делители частоты сигнала, преобразователи частоты и автогенераторы.
Методы исследования нелинейных СВЧ-устройств делятся на несколько основных групп [22, 28-30]: нелинейных интегро-дифференциальных уравнений; интегро-степенных рядов Вольтерра-Пикара; метод гармонического баланса; почти линейные спектральные методы.
Так же встречаются и метод комплексного коэффициента передачи. Для количественной оценки влияния нелинейности СВЧ приемопередающих устройств на показатели качества систем связи с
Применение функциональных полиномов при исследовании характеристик и параметров нелинейных динамических систем
Многие из возможностей метода Вольтерра просто недоступны в существующих системах моделирования. Например, применение рядов Вольтерра, являющихся самым быстрым методом анализа интермодуляционных искажений в слаболинейных схемах позволяет увеличить скорость анализа в 10 - 100 раз по сравнению с методом гармонического баланса.
Пусть имеется нелинейная система с одним входом и одним выходом, описываемая оператором:где x(f) — входной,Х0 — выходной сигнал системы, N{} — нелинейный оператор.
Тогда, при довольно слабых требованиях, предъявляемых к виду оператора, выходной сигнал системы может быть представлен в виде (1.6).
При анализе методом функциональных рядов производится расчет уровней различных ИМИ. Как правило, наибольший интерес представляют получаемые при двухтональном воздействии интермодуляционные составляющие третьего порядка, рассчитываемые по формуле 2/2 -/], где/j и /2 — частоты двух сигналов, подаваемых на анализируемое устройство. Между тем, анализ на основе рядов Вольтерра не ограничивается анализом интермодуляционных искажений. Кратные гармоники сигналов, продукты AMo-PM преобразования и многое другое могут быть описаны как результат смешивания частот сигналов возбуждения.
Наиболее общая реализация анализа нелинейных динамических систем на основе рядов Вольтерра базируется на так называемом методе нелинейных токов. При этом подходе, каждый нелинейный элемент нелинейной схемы преобразуется в линейный элемент с множеством параллельно включенных источников тока. Рассмотрим, например, нелинейный резистор и его эквивалентную схему (рис. 2.3). Нелинейные свойства элемента полностью определяются дополнительными источниками тока. Параметры этих источником тока могут быть выбраны таким образом, чтобы каждый определял только один порядок нелинейности и зависел от напряжений низших порядков. Ток очередного порядка нелинейности определяется напряжением на элементе при учете всех нелинейностей меньшего порядка, так что все токи рассчитываются через рекуррентные соотношения.
При анализе на основе рядов Вольтерра моделируемая схемаописывается как комбинация линейных и нелинейных элементов. Линейныеэлементы описываются обычным образом: резисторы, конденсаторы, линиипередачи и так далее. Нелинейные элементы описываются разложением в ряд
Тейлора их вольтамперной (I/V) или кулонвольтной (Q/V) характеристик.Например, нелинейный резистор, имеющий вольтамперную характеристику:описывается разложением в ряд Тейлора вблизи рабочей точки (VQ, IQ):где: і — ток, a v — напряжение в режиме малого сигнала.
Интерес представляют только малосигнальные значения v и і, а производные в любой точке представляют собой не что иное как константы.Поэтому в определенной точке смещения ряд (2.18) может быть написан в виде:
Заметим, что gi = \IR, где R — линейное сопротивление в рабочей точке смещения в малосигнальном режиме.
Структурирование модели нелинейности. Рассмотрим нелинейную систему, описываемую дифференциальным уравнением общего вида, моделирующим широкий класс систем и объектов:где: x(t) - воздействие на систему, y(t) - реакция системы, L[ y(t)] - линейный оператор, D(y, У, у",..., у"п)) - нелинейная, дифференцируемая функция. Предполагается, что Z)(.) не содержит линейные члены, они учтены в L[.].
Ядра ряда Вольтерра системы можно представить в виде (рис.2.4):Рис. 2.4. Структура изображения ядра «-го порядка Из рис. 2.4 видно что, алгоритм преобразования сигнала компонентой схемы я-го порядка состоит в том, что вначале входной сигнал фильтруется линейной частью системы, затем следует нелинейное инерционное преобразование, продукты которого вновь фильтруются линейной частью. Нелинейное инерционное преобразование состоит из комбинации безинерционных операций возведения в степень и перемножения сигналов, прогнозирующей операции дифференцирования и инерционной операциилинейного преобразования сигнала, определяемой переходной функцией линейной части системы.
Как уже отмечалось, метод функциональных рядов (рядов Вольтерра, или Винера-Вольтерра) широко используется при исследованиях характеристик и параметров различных динамических систем, в том числе и транзисторных нелинейных СВЧ-устройств [14, 50-52, 131, 133]. Метод рядов Вольтерра позволяет установить аналитическую связь между входным и выходным сигналами, в том числе и между их спектрами. Чаще исследование нелинейных критериев, связанных с искажением реальных сложных сигналов, выполняют методами анализа нелинейных устройств во временной области [50], поэтому была проведена проверка этого подхода и сопоставлена с полученными результатами [14, 133].
Выходной сигнал является результатом фильтрации линейной частью системы как входного сигнала, так и продуктов его нелинейного преобразования. На инерционную нелинейность входной сигнал системы поступает после предварительной его фильтрации линейной частью системы (рис.2.5).Рис. 2.5. Детализация структуры системы, описываемой уравнением (2.20).
Стандартные модели и схемы линеаризаторов передаточных характеристик радиопередающих трактов
Известно, что анализ нелинейных усилительных систем точными методами затруднен ввиду большой сложности расчета параметров выходных сигналов. Поэтому большое применение получили приближенные методы исследования нелинейных систем, которые позволяют распространить на нелинейные динамические системы методы анализа линейных систем. В практических приложениях адекватным описанием модели нелинейного динамического объекта является модель Заде. Основной отличительной чертой данных нелинейных моделей является раздельное описание нелинейной статической и линейной динамической частей объекта. Основную проблему теории абстрактной реализации динамических систем можно сформулировать следующим образом: перейти от отображения вход-выход к уравнениям состояния. Эта задача успешно решена в классе линейных динамических систем как с непрерывным, так и с дискретным временем (цифровыми сигналами). Обратимся к одному из новейших методов исследования нелинейных динамических систем, связанным с линеаризацией характеристик нелинейных транзисторных СВЧ - усилителей мощности, работающих с разночастотными сигналами. [8]
В данном случае применяют метод синтеза нелинейных динамических систем с дискретным временем. В нем используют алгоритм функционирования системы, входным параметром которой служит цифровая последовательность u(t) = и(п), а на выходе появляется цифровая последовательность y(i) = у(п), т.е. обработка идет по временным реализациям входного и выходного сигналов. В этом случае удобно представить нелинейный СВЧ - усилитель мощности в виде обобщенной функциональной модели (ОФК). Из дискретных функциональных систем наиболее интересны для реализации схем корректоров динамические системы, описываемые нелинейными уравнениями Урысона. Наилучшим образом для решения задачи подходит система Урысона с рекурсивными фильтрами (рис. 2.7), имеющая следующую модель: =ХЛ ( „- ) (2-71)где fk{x) — базовые функции, определенные типом аппроксимации нелинейных моделей из пространства функций (сигналов) R и принимающие значения из R (далее будем для определенности считать, что х„, уп є R); z l — общепринятый символ элемента задержки входной цифровой последовательности сигналов на интервал дискретизации At = Т (задержка сигнала в цифровых фильтрах в символах z-преобразования).п дискретных интервалов назад
В качестве исходных данных для создания ОФК и сопоставления результатов были сняты параметры входного и выходного разночастотных сигналов реального СВЧ - усилителей мощности базовой приемопередающей станции. Нормированная передаточная АХ, отражающая зависимость нормированной амплитуды огибающей выходного сигнала транзисторного СВЧ — усилителя мощности от нормированной амплитуды огибающей входного сигнала показана на рис. 2.8.
Как видно из графика на рис. 2.8 нормированная передаточная АХ имеет существенную нелинейность при большой амплитуде входного сигнала, что приводит к появлению интермодуляционных искажений на выходе транзисторного СВЧ — усилителя мощности и соответственно в каналах спутникового ретранслятора.
Анализ данных также показывает, что транзисторный СВЧ — усилитель мощности обладает памятью (об этом свидетельствует ширина "облачности" отсчетов АХ), что вносит дополнительные нелинейные искажения типа перекрестной модуляции при усилении большего числа колебаний вследствие их взаимодействия в нелинейном устройстве. На всем множестве отсчетов АХ был проведен соответствующий анализ зависимости амплитуды огибающей выходного сигнала от текущего и от предыдущих отсчетов амплитуды огибающей входного сигнала. Результаты данного анализа представлены в таблице 2.1.
Корреляционный анализ (зависимости амплитуды огибающей выходного сигнала от текущего и от предыдущих отсчетов амплитуды огибающей входного сигнала) экспериментальных данных показал, что наиболее коррелированны первый и второй отсчеты (коэффициент корреляции соответственно равен 0,976 и 0,758). В связи с этим с большойвероятностью можно считать, что исследуемый усилитель обладает памятью на два такта назад.
Данная модель является наиболее общей для построения нелинейных моделей динамических систем, в том числе моделей нелинейных СВЧ -усилителей мощности. Для поставленной задачи надо построить обратимую модель нелинейного СВЧ - усилителя мощности, которую можно было бы использовать как схему корректора для компенсации искажений, вносимых усилителем в усиливаемый со многими несущими сигнал. Для урысоновской модели (2.71) существует точное обращение. Действительно, из формулы (2.71) следует, что
Итак, если у некоторой нелинейной функции То существует обратимая функция, то аналитическую модель вида (2.71) предполагает ее точноеобращение в виде модели (2.73). Эти функции и можно использовать для реализации . корректора характеристик нелинейного СВЧ - усилителя мощности. В качестве базовых функций fo, f\,fy, были выбраны сплайны, и в частности кусочно-линейные сплайны и кубическая парабола (полиномом третьей степени), видапричем интерполирующая функция подбиралась так, чтобы на концах отрезка передаточной АХ (как раз в точках задания значений) совпадали с заданными числами и сами значения функции, и значения производной.
Параметры обратимой модели транзисторного СВЧ - усилителя мощности были подвергнуты динамической коррекции. Наиболее эффективным алгоритмом адаптации этих параметров оказался алгоритм последовательной аппроксимации кривых. Оптимизация базовых параметров обратимой модели транзисторного СВЧ - усилителя мощности проводилась, используя математические средства регрессионного анализа. В качестве критерия оптимизации параметров был взят критерий метода наименьших квадратов между выходными данными эксперимента и предлагаемой модели передаточной АХ. Упрощенная структурная схема системы линеаризации с динамической адаптацией параметров обратимой модели СВЧ - усилителя мощности представлена на рис. 2.10. Имитационные модели нелинейного СВЧ - усилителя мощности и системы линеаризации, представленные на рис. 2.11 и рис. 2.12.Рис. 2.11 График обратимой передаточной АХ модели СВЧ - усилителя мощности.
На рис. 2.11 показан график зависимости нормированной амплитуды огибающей разночастотного сигнала на выходе от нормированной амплитуды огибающей сигнала на входе обратимой модели транзисторного СВЧ -усилителя мощности (обратимая передаточная АХ модели нелинейного СВЧ -усилителя мощности). На рис. 2.12 представлены результаты работы системы линеаризации на основе нормированной передаточной амплитудной групповой характеристики огибающей разночастотного сигнала. Из графика на рис. 2.12 можно сделать вывод о том, что система линеаризации с обратимой моделью выполнила задачу коррекции амплитудной характеристики СВЧ - усилителя мощности.
Комплексные экспериментальные установки
Для подтверждения теоретических положений по анализу нелиненйных усилителей мощности со многими несущими и предложенных схем и устройств, а также проведенных компьютерных расчетов была разработана структурная и принципиальная схема экспериментальной СВЧ-установки. С целью получения метрологических параметров установка укомплектована измерительными приборами и исследуемыми нелинейными СВЧ-усилителями мощности. Выполнена сборка, монтаж и испытание узлов и всей экспериментальной СВЧ-установки. Экспериментальная установка позволяет не только исследовать нелинейные СВЧ-устройства, но и оценить их метрологические характеристики [43, 77, 89-90]. На экспериментальной установке произведена настройка различных схем корректоров, отработка и апробация методов выделения и измерения мощности полезных сигналов и ИМИ 3-го и 5-го порядков всех видов и типов, возникающих на выходе транзисторных СВЧ-усилителей мощности в многосигнальном режиме при 2...10 и более сложных сигналах на его входе. С помощью установки выполнено моделирование систем связи с нелинейным СВЧ-трактом, в которой измерены односигаальные и многосигнальные передаточные характеристики СВЧ-усилителей а также параметры продуктов интермодуляционных искажений. Структурная схема и изображение экспериментальной СВЧ-установки для исследования сложных устройств с комплексной нелинейностью представлена на рис. 4.4. В состав установки входят следующие узлы: модели приемопередающих станций и спутниковых ретрансляторов; полунатурные модели передатчиков и передающих станций систем связи и систем ретрансляторов; модели приемников систем подвижной связи; системы обеспечения контроля и защиты исследуемых транзисторных СВЧ-устройств в необходимых режимах работы; устройства и системы электропитания, индикации и защиты от СВЧ-полей, система дистанционного управления; стандартные измерительные приборы и исследуемые транзисторные СВЧ-устройства, обладающие комплексной нелинейностью.
Принцип действия разработанной в диссертации экспериментальной СВЧ-установки, в режиме исследования различных устройствами с комплексной нелинейностью систем подвижной связи, достаточно прост и надежен. В каналах системы формирования тестовых сигналов ГСвч - Атт -ФВ - ПУМ - НО (генератор СВЧ - аттенюатор - фазовращатель -предварительный усилитель мощности - направленный ответвитель) формируется сложный СВЧ-сигнал, который является моделью сигналов передающих станций системы связи и, поступающих на вход приемопередающего тракта.
Это многосигнальное воздействие через группу сумматоров () и фазовращателей (ФВ) подается на вход исследуемого нелинейного СВЧ-тракта (в качестве которого используется СВЧ-усилитель средней мощности уровнем до 10 Вт, и имеющий цепь обратной связи в виде корректора характеристик). Предварительный линейный усилитель мощности обеспечивает требуемый уровень сигналов на входе СВЧ-усилителя мощности. Сигналы в СВЧ-усилителе мощности усиливаются, а затем подаются в нагрузку. Незначительная часть мощности усиливаемого сигнала (-10...-60 дБ) через направленные ответвители и аттенюаторы подаются на входы контрольно-измерительных приборов: ваттметр (W), анализаторы спектра (АС) и фазометр (Ф). С выхода исследуемого СВЧ-усилителя мощности сигналы поступают на вход приемника, который имитирует работу приемников. К выходу и входу исследуемого транзисторного СВЧ-усилителя мощности с помощью направленных ответвителей (НО) подключены анализаторы спектра (АС) и ваттметры (В). С измерительных приборов оператор производит съем информации, обработку и ввод в компьютер.
В компьютере выполняются расчеты мощности полезных сигналов и продуктов интермодуляционных искажений на выходе исследуемых СВЧ-усилителей мощности. В экспериментальной установке создана специальная память в виде пакета база входных и выходных данных. Пакет базы входных данных — это экспериментально полученные односигнальные и многосигнальные передаточные характеристики АХ и ФАХ. Пакет базы выходных данных исследуемых СВЧ-устройств — это результаты расчетов мощности полезных сигналов и отношения мощностей одного из продуктов интермодуляционных искажений 3-го и 5-го порядков каждого вида к мощности одного полезного сигнала.
После обработки, анализа и отображения экспериментальных результатов в виде графиков производится коррекция данных экспериментальных исследований. В целях обеспечения защиты обслуживающего персонала и исследователей от СВЧ-излучения исследуемые СВЧ-устройства вместе с поглощающей нагрузкой помещены в двойной металлический экран и удалены на расстояние 5...10 метров. Каждый металлический экран с внутренней стороны оклеен специальным материалом, поглощающим СВЧ электромагнитные волны. При этом ослабление (просачивание) СВЧ энергии через экран составляет менее -60...70 дБ. При максимальной выходной мощности в нагрузке ПО Вт внутри металлического корпуса мощность не более 8 мВт, а за корпусом меньше 1 мкВт. Это гораздо ниже допустимой нормы СВЧ-поля. В целях большей безопасности работа исследователя должна была производиться на установке не более 2...3 часов.
С целью объединить аналоговый и цифровой подходы к измерению параметров систем связи была разработана новая установка [7, 91-94, 127, 129-130, 137-139] (рис.4.5). На вход установки со специального генератора подается цифровой сигнал произвольной формы с полосой 25 МГц. Этот видеосигнал смешивается с несущей, лежащей в пределах от 2 до 8 ГГц, и усиливается с помощью высоколинейного усилителя. Затем сигнал пропускают через тестируемое устройство, на выходе которого присутствуют аттенюатор и смеситель, выполняющий преобразование вниз на видеочастоту, и оцифровывают для дальнейшей обработки. Вся установка работает под управлением компьютера, осуществляющего формирование входного и обработку выходного сигналов, а также общие математические операции. Использование цифрового формирования входного сигнала позволяет производить различные типы измерений, например, генерировать однотональное и двухтональное воздействие, а также сигналы сложных видов модуляции, при обработке которых могут возникнуть проблемы, связанные с нелинейностями усилителей и другими паразитными эффектами. В большинстве случаев усилитель может быть описан с помощью полосовой нелинейной модели. Характеристики, связанные с паразитной амплитудной и фазовой модуляцией, необходимые для построения этой модели, могут быть измерены во временной области по методике [25] с использованием модулированных сигналов и усилителя в режиме насыщения. Затем на эту модель усилителя может быть произведено воздействие широкополосных сигналов со сложными видами модуляции.
