Усиление мощности модулированных свч-сигналов с высокой энергетической эффективностью и низким уровнем интермодуляционных искажений

Усиление мощности модулированных СВЧ-радиосигналов сопровождается возникновением специфических искажений, которые нс проявлялись при их формировании на низком уровне в безынерционных цепях.

Фундаментальная причина их появления состоит в том, что нелинейные явления в электронных цепях с комплексной проводимостью и запаздыванием носителей заряда определяются мгновенными значениями напряжений и протекающих токов, а характеристики сигналов, на которых основано функциональное назначение радиосистемы, описываются амплитудными, фазовыми и корреляционными свойствами квазигармонических колебаний с медленно изменяющимися параметрами. Современные модулированные радиосигналы характеризуются увеличенным значением пик-фактора мощности к_р {Power Average Peak Ratio, PAPR) который определяется как отношение пикового значения мощности, усредненной за период несущей частоты, к среднему значению высокочастотной мощности модулированного сигнала. Вместо нелинейных статических вольтамперной и/или вольтфарадной характеристик необходимо учитывать динамические амплитудные и фазочастотные подобные зависимости, вид которых зависит от скорости изменения амплитудных параметров входного сигнала, то есть от полосы модулирующих частот с учетом свойств вспомогательных блокировочных цепей.

При усилении мощности СВЧ-сигналов задача дополнительно осложняется явлениями:

• а) амплитудной компрессии (АМ/АМ) — снижением коэффициента усиления, но мере приближении выходной мощности к уровню насыщения;
• б) амплитудно-фазовой конверсии (АМ/ФМ) — появлением амплитудно зависимого фазового сдвига выходного сигнала. Эффект АМ/ФМ в вакуумных СВЧ-усилителях (например, на лампах бегущей волны, ЛБВ) приводит к уменьшению фазового сдвига в усилительном приборе при насыщении до 50 угловых градусов по сравнению с его малосигнальным значением. В однокаскадных твердотельных (транзисторных) усилителях мощности вблизи насыщения происходит увеличение амплитудио зависимого фазового сдвига до десятка градусов, а в многокаскадных транзисторных усилителях такие фазовые сдвиги суммируются. Эффект АМ/АМ для сигналов с увеличенным пик-фактором вызывает значительное снижение средней выходной мощности усилительного прибора и его энергетической эффективности (коэффициента полезного действия, Power Added Efficiency, РАЕ) по сравнению с паспортными значениями, которые указываются производителями для немодулированного сигнала синусоидальной формы.

При немодулированном входном сигнале с частотой /₀ в спектре выходного сигнала усилителя из-за безынерционной нелинейности вольтамперной характеристики активного элемента появляются только сосредоточенные по частоте высшие гармоники с частотами я/₀, где п — небольшое целое число. Уровень этих составляющих может быть снижен до допустимого значения гармониковым частотным фильтром. Однако, если параметры входного сигнала на несущей частоте /₀ переносят информационное сообщение или сигнал является аддитивной суммой нескольких составляющих с близкими к /₀ частотами, то в спектре выходного сигнала возникают мешающие интермодуляционные искажения (ИМИ) нечетного порядка с частотами в пределах выделенной рабочей полосы и в примыкающих к ней полосах, фильтрация которых затруднительна.

На рис. 8.4 показан в качестве примера спектр выходного сигнала типового усилителя мощности в составе спутникового или наземного РИДУ.

Рис. 8.4. Спектр выходного сигнала безынерционного усилителя мощности при действии на его входе суммы двух гармонических колебаний с частотами/, и /₂ (жирные линии) или модулированного сигнала со сплошным спектром шириной 2П_С (тонкие линии) Если входной сигнал усилителя является аддитивной суммой колебаний на частотах/, и/₂, (сплошные жирные линии на рис. 8.4), близких к центральной частоте /₀ = (/, + /,)/2, то составляющие ИМИ 3-его порядка с частотами 2Jf_{ -/₂ и 2/2 -/j, а также 5-ого порядка с частотами 3/, — 2/₂ и 3/₂ — 2/, появляются в ближайшей окрестности спектральных составляющих входного сигнала. Если входной сигнал имеет сплошной спектр в пределах полосы частот шириной 2П_С, то мешающие составляющие ИМИ 3-го порядка в виде пьедестала занимают сплошную полосу частот шириной 6П_С от /₀ — (3/2)П_С до /₀ + (3/2)П_С (тонкие линии на рис. 8.4). Соответственно ИМИ 5-го порядка образуют пьедестал шириной 10П_с в окрестности центральной частоты /₀. При одновременном проявлении АМ/АМ и АМ/ФМ эффектов спектр внеполосных ИМИ оказывается асимметричным относительно полосы частот входного сигнала, так как составляющие, вызванные этими эффектами, суммируются по одну сторону от средней частоты и вычитаются по другую сторону.

В качестве количественной оценки уровня ИМИ по двухтоновому тесту используется выраженное в шкале децибел отношение мощности С выходного сигнала на частотах /, и /₂ к суммарной мощности интермодуляционных продуктов /" нечетного порядка.

Уточненную оценку уровня ИМИ применительно к выполнению жестких нормативов ЭМС обеспечивает применение критерия [25,41] относительного уровня мощности в соседней полосе частот (Adjacent Channel Power Ratio, ACPR) или параметра, характеризующего компактность спектра (Spectral Regrowth, SR). По критерию ACPR в текущем спектре выходного сигнала измеряется превышение СИМ в середине рабочей полосы частот над ее уровнем при отстройке на ±1,5Д. Для сигналов с квадратурной амплитудной манипуляцией К AM (QAM) оценивают влияние ИМИ на качество распознавания символов при согласованном приеме по критерию расширения зоны фазовых состояний (Error Vector Magnitude, EVM).

Для снижения вредного влияния ИМИ в системах передачи информации с частотным разделением каналов приходится [41] снижать рабочую выходную мощность усилителя по сравнению с паспортной номинальной мощностью активного элемента, недоиспользуя его ресурс, значительно проигрывая в энергетической эффективности, в массогабаритных показателях и в стоимости РИДУ. Применяют также дополнительные компромиссные аналоговые или цифровые технические решения [18, 24, 25, 43, 44]:

• 1) снижение пик-фактора усиливаемого сигнала;
• 2) линеаризацию амплитудных характеристик усилителя мощности использованием обратной связи или связи вперед;
• 3) применение предыскажающей амплитудной и фазовой коррекции входного сигнала.

Для примера на рис. 8.5 показаны амплитудные АМ/АМи АМ/ ФМ-характеристики усилителя мощности в составе спутникового ретранслятора на серийной ЛБВ без линеаризатора (линия 1) и с применением входного предыскажающего линеаризатора (линия 2).

Рис. 8.5. Типовые зависимости выходной мощности Р_вых (а) и фазового сдвига Ф (6) от нормированной мощности входного сигнала для усилителя на ЛБВ модели TN4704C фирмы Thales Group: 1 — без линеаризатора; 2 — с входным предыскажающим линеаризатором (частота 7,5 ГГц, Р_{вх ||ас} = 1 мВт, Р_{вых нас} = 1 мВт) Рассмотрение графиков на рис. 8.5 показывает, что использование предыскажающего линеаризатора позволяет повысить среднюю мощность выходного модулированного сигнала Р_аых до уровня -3 дБ по сравнению с поминальной мощностью активного элемента Рцых нас^и уменьшить амплитудно зависимые вариации фазы выходного сигнала Ф до нескольких угловых градусов по отношению к таким показателям -10 дБ и 30 градусов соответственно для усилителя без линеаризатора при допустимом уровне ИМИ не более -26 дБ.

На рис. 8.6 представлены характеристики линеаризатора модели WAFL-28 000 от фирмы Lineariser Technology Inc., предназначенного для предыскажения модулированного сигнала в интервале частот от 26 до 32 ГГц с мгновенной полосой частот шириной ±500 МГц. Предыскаженный входной сигнал с мощностью от -15 до -5 дБмВт поступает на вход ЛБВ, работающей с уровнем выходной мощности -4 дБ от номинальной мощности насыщения.

Из рис. 8.6 следует, что благодаря использованию линеаризатора удается улучшить компактность спектра и получить уровень ИМИ не хуже 25 дБ. При этом возможно либо увеличить на 6 дБ выходную мощность при заданном уровне ИМИ, либо снизить на 14 дБ уровень ИМИ при заданном недоиспользовании энергетических ресурсов активного элемента.

Рис. 8.6. Характеристика эффективности снижения ИМИ в зависимости от относительного уровня выходной мощности для наземной станции спутниковой связи: линия 1 — ЛБВ без линеаризатора; линия 2 — с линеаризатором модели WAFL-28 000 от фирмы Lineariser Technology Inc. (несущая частота 26…32 ГГц, мгновенная полоса частот сигнала ±500 МГц. С/1₃ > 25 дБ) Развитие пространственной плотности размещения наземных базовых станций мобильной сотовой связи в сочетании с близким расположением полос передачи и приема для дуплексного режима при общей приемо-передающей антенне, а также в связи с увеличением пик-фактора мощности для новых видов СВЧ-сигналов (OFDM, QAM и др.) привели к ограничениям на уровень пассивной интермодуляции (ПИМ) в таких компонентах СВЧ-тракта, которые ранее считались линейными: в подложках микрополосковых линий передачи, в радиочастотных соединителях, в коаксиальных и микрополосковых линиях передачи, в частотных фильтрах и диплексерах, в элементах антенных систем [44]. Ситуация дополнительно усложняется при господствующем применении косайтиига (cositing) — расположении на одной вышке антенн разных стандартов или разных операторов сотовой связи. Развитие широкополосных систем 4G-LTE, а также передач телевидения увеличивает риск недопустимого влияния мешающих интермодуляционных продуктов.

При использовании нескольких передаваемых сигналов в общей частотной полосе СВЧ-тракта наряду с появлением перекрестных искажений без перекрытия спектральных полос входного сигнала появляются внеполосные составляющие ПИМ, которые могут попадать в полосы малошумящего приемного устройства своего или соседнего, но частоте стандарта, ухудшая его функционирование. Например, для стандарта GSM-900 при частотах передачи 930 МГц и 955 МГц составляющая ПИМ 3-го порядка с частотой 905 МГц попадает в полосу приема этого стандарта. Для стандарта 3G-UMTS компонента ПИМ 7-го порядка с частотой А/_{ — - 3/₂ попадает в полосу приема этого же стандарта.

В коаксиальных соединителях явления ПИМ могут возникать из-за особенностей конструкции или технологии изготовления коаксиального соединителя, недостаточного усилия в зоне контакта, погрешностей заделки кабеля, загрязнения металлической поверхности в области контактирования по центральному проводнику или по внутренней поверхности коаксиальной линии. При этом инициируются микроскопические искрения, при которых возникают продукты интермодуляции. На поверхности металла присутствуют влага, пыль, органические загрязнения и остатки различных солей металлов после операций химического травления и осаждения покрытий, которые имеют нелинейную вольт-амперную характеристику, приводящую к ПИМ. Уровень ПИМ деградирует с увеличением количества циклов соединений — разъединений из-за износа, появления микротрещин, ослабления усилия в соединениях металл-металл. Сталь (в том числе, нержавеющая), железо, никель в качестве антикоррозийного покрытия имеют ферромагнитные свойства, в них могут проявляться эффекты гистерезиса, приводящие к нелинейным явлениям и ПИМ.

Поэтому высококачественные СВЧ-соединители должны изготавливаться [27] из немагнитных материалов — латуни, бериллиевой и фосфористой бронзы. Если на материал с магнитными свойствами нанесено антикоррозийное покрытие (например, серебрение или золочение), то при недостаточной толщине или неравномерности покрытия проникающие в основной материал поверхностные высокочастотные токи (скин-эффект) будут вызывать ПИМ. Применение для корпуса соединителя сплавов алюминия уменьшает массу изделия, по окисная пленка на поверхности этого металла может создать недопустимый уровень ПИМ.

В коаксиальных кабельных линиях передачи увеличение уровня ПИМ вызывают холодная сварка, скрутка или стяжка, загрязнения на поверхности диэлектрика, трещины в полужесткой оболочке кабеля, температурные вариации окружающей среды, нагрев проводников от протекающего постоянного и высокочастотного токов. Установлено, что в моделях коаксиальных кабелей, не ориентированных на снижение уровня ПИМ, при двухтоновом тестовом сигнале диапазона 1,8 ГГц с мощностью 2×10 Вт уровень ПИМ составляет -78 дБмВт, а при использовании сертифицированного по этому параметру кабеля и соединителей уровень таких помех снижается и не превышает -125 дБмВт.

В микрополосковых линиях к возрастанию уровня ПИМ приводят: использование недостаточно высокого качества подложки печатной платы; применение промежуточных слоев покрытий из никеля; градиенты распределения температур в материале платы из-за нагрева печатного проводника. Вариации температуры окружающей среды из-за различий в коэффициентах температурного расширения для подложки, покрытий и металлизации приводят к деградации плотности соединения и к возникновению локальных участков с окислами, имеющих нелинейную характеристику. Ведущие мировые производители фольгированных диэлектрических материалов для СВЧ-цепей оптимизируют свойства своих продуктов.

В направленных ответвителях, вентилях и циркуляторах. содержащих ферритовые материалы, нелинейные проявления вызваны гистерезисным характером их магнитных свойств. В трансформаторах с ферритовыми сердечниками увеличенный уровень ПИМ связан с их магнитным сопротивлением. Стандартные сборочные операции могут привести к повреждению изоляции на проводах и сердечнике, что в свою очередь ведет к локальным коротким замыканиям, а в результате возрастает уровень ПИМ.

В частотно-разделительных фильтрах (дуплексерах) для обеспечения высокой прямоугольпости амплитудно-частотных характеристик в переходной зоне между полосами приема и передачи используют резонансные цепи высокого порядка с точной настройкой. Применение в них подстроечных элементов в виде стальных винтов с недостаточно плотным покрытием из серебра способно существенно увеличить уровень ПИМ продуктов за счет окислов металлов в резьбовых соединениях и привести к динамическим изменениям уровня ПИМ при воздействии механических вибраций.

Элементы антенного устройства (конструкция вышки, стальная проволока, стружка, окружающие антенну предметы и объекты, элементы молниеотвода и заземления, мачты соседних базовых станций, стальные крыши окружающих зданий и др.) могут переизлучать мощность падающего на них СВЧ-сигнала на различных комбинационных частотах. В результате измерение уровня ПИМ на эквиваленте антенны может показывать допустимые результаты, а в дальней зоне у абонента уровень ПИМ недопустимым образом возрастает. Превышение уровня ПИМ в антенных устройствах становится критической задачей, которую не может решить даже высококачественная фильтрация.

Диагностика и поиск местоположения источников ПИМ осложнены их скрытым характером и деградацией качества многих пассивных узлов в процессе эксплуатации. Перспективным является повышение требований к качеству материалов и узлов и совершенствование инструментальных измерительных средств.