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 передатчикаразработкой алгоритмов расчета и получением аналитических выражений для нахождения скорости и диапазона перестройки элементов, а также значений параметров адаптивных цепей согласованияразработкой алгоритмов для моделирования процессов адаптивной подстройкипредложением 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.

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 однои 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.