Разработка методов и устройств защиты мощных широкополосных передатчиков систем радиосвязи и радиовещания от рассогласования с нагрузкой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Рябоконь, Алексей Владимирович

• Рябоконь, Алексей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Рябоконь, Алексей Владимирович

Перечень используемых сокращений.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Анализ устройств согласования каскадов.

1.1. Краткий обзор устройств согласования каскадов.

1.2. Потери энергии при согласовании каскадов.

1.3. Оценка защитных свойств цепей согласования.

1.4. Постановка задачи исследования.

Выводы.

ГЛАВА 2. Исследование устройств защиты каскадов.

2.1. Мониторинг рассогласования нагрузки с каскадами генераторов.

2.2. Защита каскада по уровню отраженной от нагрузки мощности.

2.3. Защита каскада по величине тока питания.

2.4. Разработка комбинированной схемы защиты.

Выводы.

ГЛАВА 3. Разработка устройств динамической защиты каскадов.

3.1. Энергетическая эффективность адаптивных цепей согласования.

3.2. Разработка методики защиты усилителя адаптивными цепями согласования с нагрузкой.

3.3. Исследование свойств адаптивных цепей согласования.

3.4. Реализация адаптивных цепей согласования.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов и устройств защиты мощных широкополосных передатчиков систем радиосвязи и радиовещания от рассогласования с нагрузкой»

Актуальность темы диссертации. По мере развития систем радиосвязи и радиовещания требования к их надежности и технико-экономическим показателям постоянно повышаются. Также возрастают объемы передаваемой информации и скорость передачи данных. Все это приводит к необходимости увеличения КПД, уровня выходной мощности, полосы рабочих частот, а также к ужесточению требований, предъявляемых к уровням внеполосных излучений, массогабаритным показателям и стоимости.

Соответствие систем выше указанным параметрам в значительной мере зависит от входящих в её состав передающих устройств, промежуточные и оконечные каскады которых обычно представляют собой генераторы с внешним возбуждением (ГВВ), преобразующие мощность источника питания в мощность высокой частоты в нагрузке. При этом уже с 70-х годов XX века выпускаются полностью транзисторные передатчики мощностью до 5 кВт в непрерывном режиме.

При проектировании мощных ГВВ для радиопередающих устройств разработчики стремятся максимально использовать возможности транзисторов по мощности, однако вследствие этого они не имеют запасов по предельно допустимым параметрам и даже при незначительных отклонениях от нормальных режимов эксплуатации могут выйти из строя. Поэтому возникает важная проблема стабилизации режимов работы и защиты транзисторов выходных каскадов радиопередатчиков.

Основной причиной произвольного изменения режимов эксплуатации радиопередающего оборудования является рассогласование выходных каскадов передатчика с нагрузкой. Флюктуации импеданса нагрузки в реальных условиях эксплуатации могут быть вызваны климатическими изменениями окружающей среды, влиянием на параметры нагрузки расположенных рядом с ней объектов, механическими повреждениями, старением, разбросом параметров нагрузок различных типов при перестройке по частоте в рабочем диапазоне.

Отсюда возникает актуальная научная и техническая проблема защиты выходных каскадов усилителей мощности передатчиков систем радиосвязи и радиовещания, работающих в МВ и ДМВ диапазонах, от произвольного изменения величины импеданса нагрузки.

Проблемам защиты транзисторов радиопередающих устройств от перегрузок посвящены работы В.И. Каганова, В.В. Шахгильдяна, А.Г. Самойлова, Л. Грея, Р. Грэхема, Т. Мадера и других. Однако имеющиеся на сегодняшний день решения недостаточно эффективны вследствие следующих причин:

- при использовании описанных устройств защиты от рассогласования снижается КПД усилителя мощности передатчика, а часто применяемые на практике устройства согласования с ручной или электромеханической регулировкой требуют наличия обслуживающего персонала и длительного времени настройки;

- нет однозначного ответа на вопрос о том, каким образом обеспечить одновременно защиту выходных транзисторов передатчика при произвольном изменении импеданса нагрузки и сохранить постоянство энерговклада в нагрузку в широкой полосе частот;

- не обеспечивается эффективная защита активных элементов широкополосных передатчиков МВ и ДМВ диапазонов, имеющих высокий уровень выходной мощности, во всем диапазоне возможных изменений импеданса нагрузки.

Целью работы является разработка методов и устройств защиты мощных генераторов и широкополосных передатчиков систем радиосвязи и радиовещания от рассогласования с нагрузкой.

Исходя из цели работы, задачами исследования являются:

1. Исследование устройств согласования и устройств защиты ВЧ усилителей мощности от рассогласования с нагрузкой.

2. Разработка устройств автоматической защиты транзисторов выходных каскадов генераторов и радиопередающих устройств от произвольного изменения импеданса нагрузки.

3. Разработка программного обеспечения, позволяющего моделировать устройства адаптивной защиты от рассогласования при использовании разI личных типов цепей согласования и рассчитывать параметры цепей и характеристики согласования.

Методы исследования. В работе были использованы методы теории электрических цепей, теории автоматического управления, математического моделирования и методы теории экспериментов.

Научная новизна работы состоит в разработке:

1. Методики динамической защиты каскадов передатчика.

2. Аналитических выражений, определяющих диапазон перестройки элементов и значений параметров адаптивных цепей согласования.

3. Алгоритмов моделирования процесса динамической защиты каскадов передатчика.

4. Программного обеспечения для оценки скорости перестройки адаптивной цепи согласования.

Достоверность и обоснованность результатов подтверждается использованием апробированного математического аппарата, логической обоснованностью разработанных вопросов, результатами модельных и натурных экспериментов.

Практическая значимость работы.

1. Предложено и исследовано устройство защиты высокочастотных генераторов и передающих устройств от рассогласования с нагрузкой, защищающее их от перегрузок и обеспечивающее постоянство мощности, отдаваемой в нагрузку с изменяющимся в значительном интервале значений (до 10) КСВ.

2. Предложена новая схема адаптивной двухзвенной цепи согласования.

3. Разработаны программные средства, позволяющие определить диапазон перестройки элементов адаптивных цепей согласования и оценить длительность процесса согласования.

4. Разработаны рекомендации по реализации перестраиваемых элементов адаптивных цепей согласования.

Реализация и внедрение. Основные теоретические и практические результаты получены автором при выполнении работ по заказам министерств РФ. Теоретические и технические решения и запатентованные полезные модели нашли применение в аппаратуре, выпускаемой ОАО «Владимирское КБ радиосвязи», а также в учебном процессе Владимирского Государственного Университета для подготовки инженеров радиотехнических специальностей.

На защиту выносятся:

1. Методика динамической защиты каскадов передатчика от изменений импеданса нагрузки с помощью адаптивных цепей согласования.

2. Устройство защиты широкополосных передатчиков, защищающее от перегрузок и обеспечивающее постоянство мощности, отдаваемой в нагрузку, КСВ которой может изменяться в значительном интервале значений (до 10).

3. Аналитические выражения и программное обеспечение, позволяющие оценить скорость согласования и определить диапазон перестройки элементов, а также значения параметров адаптивных цепей согласования.

4. Программное обеспечение для моделирования и исследования устройств динамической защиты каскадов передатчика.

Апробация работы. Основные результаты работы представлялись и были опубликованы в трудах четырех научно-технических конференций: 8-ой Международной НТК «Перспективные технологии в средствах передачи информации», Владимир, 2009 г.; Международной НТК «Ыегта1лс-2009», Москва, 2009 г.; Всероссийской межвузовской НК «Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России», Муром, 2010; 9-ой Международной НТК «Перспективные технологии в средствах передачи информации», Владимир-Суздаль, 2011 г.

Публикации и личный вклад автора. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, включая 2 патента на полезную модель и 2 статьи в рекомендованных списком ВАК журналах. Личный вклад автора определяется: разработкой методики динамической защиты каскадов передатчика; разработкой алгоритмов расчета и получением аналитических выражений для нахождения скорости и диапазона перестройки элементов, а также значений параметров адаптивных цепей согласования; разработкой алгоритмов для моделирования процессов адаптивной подстройки; предложением новой схемы адаптивной двухзвенной цепи для согласования мощных широкополосных передатчиков МВ и ДМВ диапазонов с переменными нагрузками.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 140 страниц, в том числе 105 страниц основного текста, 8 страниц списка литературы и 26 страниц приложений.

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Рябоконь, Алексей Владимирович

Основные результаты работы:

1. Предложено и экспериментально исследовано устройство защиты усилителя мощности, при использовании которого КПД выходного каскада при изменении нагрузки остается практически неизменным, а длительность переходного процесса не превышает 100 мкс.

2. Предложена адаптивная система многоуровневой защиты усилителя мощности, основанная на подстройке напряжений смещения, питания и входной мощности транзисторного каскада.

3. Разработана методика динамической защиты каскадов передатчика от изменений импеданса нагрузки с помощью адаптивных цепей согласования и предложено устройство, обеспечивающее постоянство мощности, отдаваемой в нагрузку, КСВ которой может меняться в значительном интервале значений (до 10).

4. Получены аналитические выражения и разработано программное обеспечение, позволяющие при использовании различных типов адаптивных цепей согласования определить диапазон перестройки их элементов и оценить длительность процесса согласования.

5. Показано, что двухзвенная цепь согласования выигрывает на 60 % по скорости согласования с комплексной нагрузкой и по диапазону перестройки элементов на 70-80 % по сравнению с известными однозвенными.

6. Предложена новая схема адаптивной двухзвенной цепи согласования, перестройка элементов которой осуществляется с помощью p-i-n-диодов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе проведен обзор устройств согласования транзисторных каскадов передатчика, получены выражения для определения А-параметров, зависимостей относительной полосы согласования по заданному уровню КСВ от коэффициента трансформации, коэффициента фильтрации и КСВ от частоты для одно- и двухзвенных цепей согласования. Проведено исследование методов автоматической защиты выходных транзисторов радиопередатчиков от рассогласования и от повышения значения постоянной составляющей коллекторного тока. Предложены модификации схем устройств защиты мощного каскада. Разработаны устройства динамической защиты, позволяющие произвести адаптивное согласование мощных широкополосных передатчиков с нагрузкой.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Рябоконь, Алексей Владимирович, 2011 год

1. Андреев Г. А., Самойлов А. Г., Самойлов С. А. Схемотехника устройств формирования сигналов: Учеб. пособие - Владимир: изд-во Владим. гос. унта., 2001. - 168 с. - 1.BN 5-89368-223-8.

2. Радиопередающие устройства: Учеб. для вузов / под ред. В. В. Шахгиль-дяна. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 2003. — 560 с. — ISBN 5-256-01237-1

3. Гавриленко И. И. Радиопередающие устройства. Учебник для морех. училищ 4-ое изд., прераб. и доп. - М.: Транспорт, 1983. — 368 с.

4. Каганов В. И. Транзисторные радиопередатчики. 2-е изд. — М.: Энергия, 1976.-448 с.

5. Яковенко В. А. Аналитический расчет широкополосных согласующих цепей Электронный ресурс. // Электрон, научн. жур. «Исследовано в России», 2007. С. 1528-1538 - Режим доступа: http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2007/140.pdf

6. Радиопередающие устройства / под ред. О. А. Челнокова. М.: Радио и связь, 1982.-256 с.

7. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет / под ред. Р. А. Валитова и И. А. Попова М.: Советское радио, 1973.-464 с.

8. Грей Л., Грэхем Р. Радиопередатчики / пер. с англ. под ред. A.M. Локши-на-М.: Связь, 1965 -480 с.

9. Алексеев О. В. Широкополосные радиопередающие устройства. М.: Связь, 1978,-304 с.

10. Титов А. А. Транзисторные усилители мощности MB и ДМВ. Расчет, изготовление, настройка. М.: Солон, 2006 - 325 с.

11. Горбань Б. Г. Широкополосные усилители на транзисторах. М.: Энергия, 1975.-248 с.

12. Клоков В. В., Павликов С. Н. Устройства формирования и генерирования сигналов в системах подвижной радиосвязи: Учеб. пособие Владивосток: изд-во МГУ, 2008. - 287 с.

13. Карякин В. JL Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков: Учеб. пособие для вузов М.: Радио и связь, 2002. - 120 с. - ISBN 5-256-01661-Х

14. Бабак Л.И., Поляков А.Ю. Автоматизированное проектирование мало-шумящих транзисторных СВЧ-усилителей с реактивными согласующими цепями // Доклады ТУСУРа. т. 1. Выпуск 1. Томск: изд-во Томск, гос. ун-та систем упр. и радиоэлектроники, 1997. - С. 94-108.

15. Титов А. А. Расчет выходного трансформатора сопротивлений передатчика ДМВ-диапазона // Схемотехника. 2004 - №9. - С. 28-29.

16. Carlin H. J. Amstutz P. On Optimum Broad-Band Matching // IEEE Trans. Circuits Syst. 1981. - Vol. CAS-28. - №5. - P. 401-405.

17. Сазонов Д. M. Антенны и устройства СВЧ: учеб. для радиотехнич. спец. ВУЗов-М.: Высшая школа, 1988.-432 с.

18. Фуско В. СВЧ цепи. Анализ и автоматизированное проектирование: Пер. с англ. А. А. Вольман, А. Д. Муравцева М.: Радио и связь, 1990. - 288 с. — ISBN 5-256-00663-0.

19. Мощные полупроводниковые приборы. Транзисторы: Справочник / Б.А. Бородин, В. М. Ломакин, А. В. Мокряков и др. // под ред. А. В. Голоме-дова М.: Радио и связь, 1985. - 560 с.

20. Мощные высокочастотные транзисторы / Ю.В. Завражнов, И.И. Кагано-ва, Е.З. Мазель, А.И Миркин // под ред. Е.З. Мазель. — М.: Радио и связь, 1985.- 176 с.

21. Каганов В. И. Системы автоматического регулирования в радиопередатчиках. М.: Связь, 1969. - 232 с.

22. Патент РФ № 2271605. Радиопередающее устройство с автоматической адаптацией к нагрузке / Лузан Ю.С., Петров Е.Н., Щеков П. Ф. // Бюл. №7 -10.03.2006.

23. Патент РФ № 2257670. Транзисторный радиопередатчик с автоматическим регулированием мощности / Понур А.В.,Сивелькаев А.Б.,Сорокин Д.Т., Тарасов В.В. // Бюл. №21 27.07.2005.

24. Patent US005426395. Method and apparatus for protecting power amplifiers from excessive operating power levels. / Lawrence F. Cygan

25. Offenlegungsschrift DE 19708837. Die folgenden Angaben sind den vom Anmelder eingereichten Unterlagen entnommen / T. Mader, G. Kottschlag, G. Pitz, A. Gallmann, W. Mevissen

26. ГОСТ 12252-86. Радиостанции с угловой модуляцией сухопутной подвижной службы. Типы. Основные параметры. Технические требования и методы измерений. -М.: Издательство стандартов, 1986.

27. Рябоконь А. В., Самойлов А. Г. Анализ систем защиты транзисторов усилителей мощности / Проектирование и технология электронных средств -2009 — №1 С.2-9.

28. Рябоконь А. В., Самойлов А. Г. Анализ системы автоматической стабилизации выходной мощности ГВВ // Материалы 8-ой международной НТК «Перспективные технологии в средствах передачи информации», т.1 Владимир, 2009. - С. 159-161. - ISBN 978-5-89368-946-4

29. Тартаковский Г. П. Динамика систем автоматического регулирования. — М.; Л.: ГОСЭНЕРГОИЗДАТ, 1957. 191 с.

30. Каганов В. И. Радиоэлектронные системы автоматического управления. Компьютеризированный курс: Учеб. пособие М.: Горячая линия - Телеком, 2009. - 432 с. - ISBN 978-5-9912-0058-5

31. Филипс Ч., Харбор Р. Системы управления с обратной связью / пер. с англ. Б. И. Копылова М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001 - 616 с.

32. Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического управления. 4-е изд., перераб. и доп. - СПб.: Профессия, 2003. - 747 с. - ISBN 593913-035-6

33. Титов А. А., Мелихов С. В. Широкополосный усилитель мощности с системой защиты // Приборы и техника эксперимента. 1993 - №2 - С. 105-107.

34. Титов А. А., Ильюшенко В. Н. Защита усилителей мощности систем радиосвязи, 4M- и ТВ-вещания от перегрузки по входу и от рассогласования по выходу // Радиотехника 2003 - №12 - С. 66-69.

35. Патент РФ № 98300. Устройство защиты усилителя мощности / Рябо-конь A.B. // Бюл. №26 10.10.2010.

36. Корчагин Ю. В. О стабилизации выходной мощности транзисторного усилителя при рассогласовании нагрузки // Полупроводниковая электроника в технике связи. Выпуск 28 / под ред. И.Ф. Николаевского, М.: Радио и связь, 1990. С. 124-130. - ISSN 0235-5272

37. Котляров В. Н. Анализ линейных систем стабилизации выходных параметров управляемых генераторов на базе несимметричных направленных ответвителей // Научно-технический сборник «Техника средств связи». Выпуск 1, 1993. — С.71-79.

38. Патент РФ № 95199. Адаптивный высокочастотный генератор / Полу-шин П. А., Самойлов А. Г., Самойлов С. А., Рябоконь А. В. // Бюл. №16 -10.06.2010.

39. Самойлов С. А. Моделирование устройств согласования высокочастотных генераторов с газоразрядными нагрузками: автореф. дис. на соисканиеуч. степ. канд. техн. наук: спец. 05.13.14 системы обработки информации и управления — Владимир, 1998. — 16 с.

40. Т. Ida, J. Takada, A. Honda, Y. Oishi, Experimental Results of the Adaptive Impedance Matching System. COST 273 Temporary Document TD(04)187, Duisburg, Germany, September, 2004.

41. Novak R., Ranta T. Antenna Tuning Approach Aids Cellular Handsets. Microwaves & RJF, November 2008.

42. Patent US005778308 Adaptive antenna matching / P. Sroka, J. A. Samuels

43. Полушин П. А., Самойлов А. Г., Самойлов С. А. Адаптирующиеся высокочастотные генераторы для биомедицииских целей / Медицинская техника. -2000-№4.-С. 26-36.

44. Рябоконь А. В., Самойлов А. Г. Проектирование цепей согласования для мощных генераторов с внешним возбуждением / Проектирование и технология электронных средств 2008 - №1. - С. 7-12.

45. Фролов И. Ю., Каганцов С. М., Соловьев А. В. Построение мощных адаптивных цепей согласования генераторов ВЧ с переменной нагрузкой // Меж-вуз. сб. научн. тр. «Методы и устройства передачи и обработки информации» СПб.: Гидрометеоиздат, 2003. - С. 34-38.

46. Polushin P. A., Samoilov A. G. An adaptive pump generator for waveguide lasers / IET. v. 38. part 1. № 2. 1995.- P. 206-211.

47. Полушин П. А., Самойлов А. Г., Самойлов С. А. Результаты модельных исследований устройств согласования импедансов // Международный форум информатизации МФИ-98 Москва, 1998 - С. 302-304.

48. Полушин П. А., Самойлов А. Г., Самойлов С. А. Адаптация цепей согласования импеданса высокочастотных нагрузок // Симпозиум с международным участием. Аэрокосмические приборные технологии. Москва, 1999. -С. 34-35.

49. Патент РФ № 2056683. Газовый лазер / Минеев А.П., Полушин П.А., Самойлов А.Г., Самойлов С.А. // Бюл. изобрет. 1996. - № 8 (ч.2). - С. 273.

50. Polushin P. A., Samoilov A. G., Samoilov S. A., Frolov I. Y. Method of adaptive pumping of waveguide lasers // SPIE. "High-Power Laser Ablation IV", 2002. Taos, New Mexico. P. 281

51. Зеленов Д. Ю., Самойлов А. Г., Самойлов С. А. Адаптивное согласование высокочастотных генераторов с переменными нагрузками / Проектирование и технология электронных средств — 2006 — №3 С. 7-13.

52. Полушин П. А., Самойлов А. Г. Измеритель импеданса газоразрядных лазеров, возбуждаемых высокочастотным сигналом / Приборы и техника эксперимента 1993 - № 5. - С. 90-93.

53. Справочник по элементам полосковой техники / под ред. A. JI. Фельд-штейиа М: Связь, 1979 - 336 с.

54. Мещанов В. П., Фельдштейн A. JI. Автоматизированное проектирование направленных ответвителей СВЧ —М.: Связь, 1980. — 144 с.

55. Фельдштейн А. Л., Явич Л. Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ-М.: Связь, 1978.-388 с.

56. Панферов А. И., Лопарев А. В., Пономарев В. К. Применение Mathcad в инженерных расчетах: Учеб. пособие СПб.: СПбГУАП, 2004 - 88 с.

57. Ракитин В. И. Руководство по методам вычислений и приложения MATCAD. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 264 с. - ISBN 5-9221-0636-8