Разработка методов и устройств защиты мощных широкополосных передатчиков систем радиосвязи и радиовещания от рассогласования с нагрузкой
На правах рукописи
Рябоконь Алексей Владимирович РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ЗАЩИТЫ МОЩНЫХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ ПЕРЕДАТЧИКОВ СИСТЕМ РАДИОСВЯЗИ И РАДИОВЕЩАНИЯ ОТ РАССОГЛАСОВАНИЯ С НАГРУЗКОЙ Специальность: 05.12.13 – Системы, сети и устройства телекоммуникаций
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Владимир 2011
Работа выполнена в ОАО «Владимирское КБ радиосвязи»
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Самойлов Александр Георгиевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Орлов Игорь Яковлевич кандидат технических наук, доцент Егоров Валерий Александрович
Ведущая организация: ОАО «Владимирский завод «Электроприбор»
Защита состоится «_» _ 2011 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.025.04 при Владимирском государствен ном университете по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д. 87, ВлГУ.
Отзывы, заверенные печатью, просим направлять по адресу:
600000, г. Владимир, ул. Горького, д. 87, ВлГУ, ФРЭМТ.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государственного университета Автореферат разослан «_» _ 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор А. Г. Самойлов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы диссертации. По мере развития систем ра диосвязи 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 мощно сти, полосы рабочих частот, а также к ужесточению требований, предъ являемых к уровням внеполосных излучений, массогабаритным показа телям и стоимости.
Соответствие систем выше указанным параметрам в значительной мере зависит от входящих в е состав передающих устройств, промежу точные и оконечные каскады которых обычно представляют собой гене раторы с внешним возбуждением (ГВВ), преобразующие мощность ис точника питания в мощность высокой частоты в нагрузке. При этом уже с 70-х годов ХХ века выпускаются полностью транзисторные передатчики мощностью до 5 кВт в непрерывном режиме.
При проектировании мощных ГВВ для радиопередающих уст ройств разработчики стремятся максимально использовать возможности транзисторов по мощности, однако вследствие этого они не имеют запа сов по предельно допустимым параметрам и даже при незначительных отклонениях от нормальных режимов эксплуатации могут выйти из строя. Поэтому возникает важная проблема стабилизации режимов рабо ты и защиты транзисторов выходных каскадов радиопередатчиков.
Основной причиной произвольного изменения режимов эксплуа тации радиопередающего оборудования является рассогласование вы ходных каскадов передатчика с нагрузкой. Флюктуации импеданса на грузки в реальных условиях эксплуатации могут быть вызваны климати ческими изменениями окружающей среды, влиянием на параметры на грузки расположенных рядом с ней объектов, механическими поврежде ниями, старением, разбросом параметров нагрузок различных типов при перестройке по частоте в рабочем диапазоне.
Отсюда возникает актуальная научная и техническая проблема за щиты 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 имею щиеся на сегодняшний день решения недостаточно эффективны вследст вие следующих причин:
при использовании описанных устройств защиты от рассогласования снижается КПД усилителя мощности передатчика, а часто приме няемые на практике устройства согласования с ручной или электро механической регулировкой требуют наличия обслуживающего пер сонала и длительного времени настройки;
нет однозначного ответа на вопрос о том, каким образом обеспечить одновременно защиту выходных транзисторов передатчика при про извольном изменении импеданса нагрузки и сохранить постоянство энерговклада в нагрузку в широкой полосе частот;
не обеспечивается эффективная защита активных элементов широ кополосных передатчиков МВ и ДМВ диапазонов, имеющих высо кий уровень выходной мощности, во всем диапазоне возможных из менений импеданса нагрузки.
Целью работы является разработка методов и устройств защи ты мощных генераторов и широкополосных передатчиков систем радио связи и радиовещания от рассогласования с нагрузкой.
Исходя из цели работы, задачами исследования являются:
1. Исследование устройств согласования и устройств защиты ВЧ усили телей мощности от рассогласования с нагрузкой.
2. Разработка устройств автоматической защиты транзисторов выход ных каскадов генераторов и радиопередающих устройств от произ вольного изменения импеданса нагрузки.
3. Разработка программного обеспечения, позволяющего моделировать устройства адаптивной защиты от рассогласования при использова нии различных типов цепей согласования и рассчитывать параметры цепей и характеристики согласования.
Методы исследования. В работе были использованы методы теории электрических цепей, теории автоматического управления, мате матического 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 адап тивной 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 нагруз кой, 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 согласова ния.
3. Разработаны программные средства, позволяющие определить диа пазон перестройки элементов адаптивных цепей согласования и оце нить длительность процесса согласования.
4. Разработаны рекомендации по реализации перестраиваемых элемен тов адаптивных цепей согласования.
Реализация и внедрение. Основные теоретические и практиче ские результаты получены автором при выполнении работ по заказам министерств РФ. Теоретические и технические решения и запатентован ные полезные модели нашли применение в аппаратуре, выпускаемой ОАО «Владимирское КБ радиосвязи», а также в учебном процессе ВлГУ для подготовки инженеров радиотехнических специальностей.
На защиту выносятся:
Методика динамической защиты каскадов передатчика от изменений 1.
импеданса нагрузки с помощью адаптивных цепей согласования.
Устройство защиты широкополосных передатчиков, защищающее от 2.
перегрузок и обеспечивающее постоянство мощности, отдаваемой в нагрузку, КСВ которой может изменяться в значительном интервале значений (до 10).
Аналитические выражения и программное обеспечение, позволяю 3.
щие оценить скорость согласования и определить диапазон пере стройки элементов, а также значения параметров адаптивных цепей согласования.
Программное обеспечение для моделирования и исследования уст 4.
ройств динамической защиты каскадов передатчика.
Апробация работы. Основные результаты работы представля лись и были опубликованы в трудах четырех научно-технических конфе ренций: 8-ой Международной НТК «Перспективные технологии в средст вах передачи информации», Владимир, 2009 г.;
Международной НТК «In termatic-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 «Пер спективные технологии в средствах передачи информации», Владимир Суздаль, 2011 г.
Публикации и личный вклад автора. По материалам диссер тации опубликовано 11 работ, включая 2 патента на полезную модель и статьи в рекомендованных списком ВАК журналах. Личный вклад автора определяется: разработкой методики динамической защиты каскадов пе редатчика;
разработкой алгоритмов расчета и получением аналитических выражений для нахождения скорости и диапазона перестройки элемен тов, а также значений параметров адаптивных цепей согласования;
раз работкой алгоритмов для моделирования процессов адаптивной под стройки;
предложением новой схемы адаптивной двухзвенной цепи для согласования мощных широкополосных передатчиков МВ и ДМВ диапа зонов 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, страниц списка литературы и 26 страниц приложений.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение содержит обоснование актуальности исследования, сформулированные цель и задачи диссертации, научную новизну, прак тическую значимость результатов и структуру работы.
В первой главе приведен краткий обзор устройств согласования, применяемых разработчиками при проектировании радиопередатчиков, на основании которого сделан вывод, что известные цепи согласования доста точно успешно могут решать задачи передачи высокочастотной энергии от источника сигнала в нагрузку при статической величине ее импеданса.
Для оценки защитных свойств цепей согласования c помощью со отношений, связывающих КСВ с коэффициентом отражения, а коэффи циент отражения нагрузки – с частотой, коэффициентом трансформации и элементами матрицы А-параметров нагруженного согласующего четы рехполюсника, получены [1, 4] аналитические выражения для определе ния зависимостей уровня КСВ и относительной полосы согласования по заданному уровню КСВ по входу одно- и двухзвенных согласующих це пей от частоты входного сигнала и коэффициента трансформации.
На основании анализа полученных зависимостей (рисунок 1, рису нок 2) можно сделать вывод, что с ростом коэффициента трансформации полоса согласования у всех типов цепей согласования уменьшается. При этом полоса согласования двухзвенных цепей более чем в два раза шире полосы П-образной цепи, и это отношение растет с ростом коэффициента трансформации.
Двухзвенные цепи могут обеспечить согласование в довольно ши рокой полосе частот, но коэффициент трансформации сопротивления нагрузки при этом не будет превышать 6-8. Для дополнительного увели чения коэффициента трансформации на входе и выходе каскада приме няют ТДЛ, а между ним и транзистором включают 2-3-звенную цепь со гласования на сосредоточенных элементах или отрезках полосковой ли нии.
Однако изменение импеданса реальных нагрузок передатчиков приводит к тому, что цепи согласования перестают защищать выходные транзисторы усилителя. КСВ нагрузки, ощущаемое в коллекторных це пях, и рассеиваемая на выходных транзисторах мощность увеличивают ся, а энерговклад усилителя в нагрузку уменьшается.
Рисунок 1 – Зависимости КСВ от частоты при коэффициенте трансфор мации равном 10 для различных видов согласующих устройств: 1 – для двухзвенного полосового фильтра (ПФ) в случае идеального согласова ния на центральной частоте;
2 – для двухзвенного фильтра низких частот (ФНЧ) в случае идеального согласования на центральной частоте;
3 – для двухзвенного ПФ в случае расширения полосы согласования за счет от каза от идеального согласования;
4 – для цепи с внутриемкостной связью;
5 – для симметричной П-образной цепи.
Рисунок 2 – Зависимости от носительной полосы согласо вания по уровню КСВ = 2 от коэффициента трансформа ции для различных видов со гласующих устройств: 1 – для двухзвенного ПФ в случае идеального согласования на центральной частоте;
2 – для двухзвенного ФНЧ в случае идеального согласования на центральной частоте;
3 – для двухзвенного ПФ в случае расширения полосы согласо вания за счет отказа от иде ального согласования;
4 – для симметричной П-образной цепи.
Особенно опасна работа на аварийную нагрузку для твердотель ных активных элементов, не допускающих даже кратковременного пре вышения максимально допустимых параметров по напряжению. В ре зультате анализа принимаемых разработчиками передающего оборудова ния защитных мер поставлена задача построения универсальной системы автоматической защиты выходных каскадов усилителей мощности пере датчиков систем радиосвязи и радиовещания от произвольного измене ния импеданса нагрузки.
Для решения этой задачи потребуется провести исследования по следующим направлениям:
- оценить негативное влияние произвольного изменения импеданса нагрузки на транзисторы;
- рассмотреть существующие варианты защиты транзисторов;
- разработать устройства динамической защиты каскадов;
- исследовать свойства устройств динамической защиты каскадов.
Вторая глава диссертации посвящена исследованию существую щих вариантов устройств защиты выходных транзисторов ВЧ усилителей мощности от рассогласования.
Датчиками рассогласования могут быть направленный ответвитель со слабой связью, регистрирующий отраженную от нагрузки мощность, пиковый детектор, подключенный к коллектору транзистора оконечного каскада, и резистор, последовательно включенный в цепь питания тран зистора выходного каскада.
В результате исследования системы автоматической защиты от по вышения уровня отраженной от нагрузки мощности (рисунок 3) были получены аналитические выражения, описывающие переходной процесс в системе, и проведено сравнение с экспериментально полученными за висимостями (рисунок 4) [2].
Рисунок 3 – Обобщенная структурная схема системы защиты от повыше ния уровня отраженной от нагрузки мощности: Атт – управляемый атте нюатор (при наличии), ПУ – предварительный усилитель, УМ – выход ной усилитель мощности, НО – направленный ответвитель, Н – нагрузка, Д – детектор, СC – схема сравнения, Uоп – опорное напряжение, ФНЧ – фильтр низких частот, УПТ – усилитель постоянного тока.
а) б) Рисунок 4 – Теоретическая (1) и экспериментальная (2) зависимости оги бающей отраженной мощности от нагрузок: а). с КСВ = 2;
б). с КСВ = 4.
Несовпадение кривых на начальном участке связано с упрощения ми, принятыми при выведении выражений.
На основании анализа работы усилителя мощности с системой за щиты от повышения уровня отраженной мощности, изображенной на рисунке 3, был сделан вывод, что при рассогласовании уменьшается КПД выходных каскадов усилителя, так как при снижении напряжения возбу ждения транзисторы переходят в недонапряженный режим работы.
Для устранения этого недостатка было предложено [2, 9] управ лять не маломощными каскадами усилителя мощности, а питанием непо средственно выходного транзистора усилителя мощности, который явля ется наиболее уязвимым элементом при рассогласовании с нагрузкой (рисунок 5).
Рисунок 5 – Схема защиты выходных транзисторов усилителя мощности от рассогласования.
Сигналом с датчика рассогласования регулируется выходное на пряжение управляемого источника питания (УИП) мощного высокочас тотного транзистора. Для постоянной реализации критического режима работы транзисторов возможно одновременное управление смещением и питанием выходного каскада, КПД которого при этом остается практиче ски неизменным.
Эксперименты показали, что максимальный уровень отраженной от нагрузки мощности у ВЧ усилителя с УИП в два раза меньше, чем у усилителя с системой защиты, показанной на рисунке 3. Однако пере ходный процесс несколько длиннее и имеет более сложный колебатель ный характер. Это связано с тем, что ФНЧ УИП имеет больший порядок и постоянную времени.
При рассогласовании ток, потребляемый транзисторами выходно го каскада, может возрасти. Поэтому были рассмотрены и предложены модификации схем устройств защиты транзистора мощного каскада от увеличения постоянной составляющей коллекторного тока, а также про ведено их сравнение [3, 5].
Применение устройств защиты каскада по уровню отраженной от нагрузки мощности в совокупности с защитой ВЧ транзистора от увели чения постоянной составляющей коллекторного тока позволяет снизить вероятность выхода из строя радиопередатчика из-за перегрузок, однако выходная мощность при этом может значительно уменьшиться.
Эффективная защита транзисторов радиопередающих устройств от рассогласования с сохранением требуемого уровня выходной мощности при изменении нагрузки возможна при комбинированном использовании различных типов датчиков, схем управления и стабилизации мощности.
Упрощенная структурная схема такой системы представлена на рисунке 6.
Рисунок 6 – Структурная схема комбинированной системы защиты уси лителя мощности.
Напряжения, пропорциональные падающей и отраженной волнам, после двунаправленного ответвителя (ДНО) снимаются с первого (Д1) и второго детекторов (Д2) соответственно и поступают в управляющее устройство (УУ). Туда же с соответствующих датчиков поступают сигна лы, пропорциональные амплитудам ВЧ напряжения (Uк) и тока (Iк) на коллекторе транзистора. На основании этих данных УУ вырабатывает напряжения регулирования управляемым источником питания (УИП) и маломощными каскадами, подстраивая напряжение питания (Eк), смеще ния, уровень мощности возбуждения и амплитуду импульсов коллектор ного тока выходного каскада усилителя мощности (УМ). Для реализации критического режима работы транзисторов выходного каскада в процессе регулирования УУ стремиться обеспечить выполнение условия:
Ек – Uк = Iк/Sкр, где Sкр – крутизна линии критического режима.
В этом случае при изменении нагрузки подстройкой напряжений питания и смещения УМ, а так же уровня выходного сигнала ПУ доби ваются того, чтобы при уменьшении сопротивления нагрузки, когда Rн = Rнном/КСВ, выполнялись условия:
E I K 1 I K 1 _ ном KCB ;
U K U K _ ном ;
E K K _ ном, KCB KCB где IК_ном, UК_ном и EК_ном – коллекторный ток, напряжение на коллекторе транзистора и напряжение питания выходного каскада соответственно при номинальном сопротивлении нагрузки (Rнном).
При увеличении сопротивления нагрузки, когда Rн = Rнном·КСВ, подстройкой параметров добиваются выполнения условий:
I K 1 _ ном ;
U U K _ ном KCB ;
E K E K _ ном KCB.
I K1 K KCB В обоих случаях результатом регулировки является подстройка выходного сопротивления каскада к сопротивлению нагрузки, при этом режим работы транзисторов выходного каскада оказывается близким к критическому, а выходная мощность близка к номинальной. Однако при комплексной нагрузке и, особенно, когда мощности в рассогласованной (Рр) и согласованной (Рс) нагрузках связаны соотношением:
Рр = Рс·cos0, где 0 – угол между вектором импеданса нагрузки и положительным на правлением вещественной оси комплексной плоскости, для поддержания номинальной выходной мощности в нагрузке необходимо увеличивать и ток, и напряжение коллекторного питания в 1/cos0 раз. Потребляемая мощность при этом увеличится, а КПД уменьшится в 1/cos0 раз, что приведет к увеличению рассеиваемой на ВЧ транзисторе мощности.
Таким образом, диапазон изменения сопротивления нагрузки, в котором возможно сохранение выходной мощности и энерговклада по стоянными, зависит от того, с каким запасом по предельным значениям рассеиваемой мощности, допустимого тока коллектора и пикового об ратного напряжения коллектора выбран транзистор выходного каскада.
Кроме этого существует ограничение и по максимальному значению угла отсечки коллекторного тока, т. к. при больших углах отсечки (более 120 0) из-за роста постоянной составляющей коллекторного тока ухудшаются энергетические характеристики каскада.
Поэтому для защиты транзисторов выходного каскада от превы шения предельных значений рассеиваемой мощности и напряжения на коллекторе необходимо осуществлять их непрерывный контроль и, в за висимости от скорости роста какой-либо из этих величин, снижать на пряжение питания и уменьшать напряжением смещения угол отсечки.
Один из вариантов подобного устройства предложен в [8], его структурная схема приведена на рисунке 7.
Устройство работает следующим образом. В первом вычитателе определяется разность выходных напряжений первого и второго детекто ров, пропорциональных уровням выходной и отраженной мощности со ответственно, и подается на интегратор, на другой вход которого подает ся напряжение с выхода регулируемого ИОН, соответствующее требуе мой в данный момент мощности (РН) в нагрузке.
Рисунок 7 – Структурная схема адаптивной системы защиты уси лителя мощности: ПОК – предо конечный усилитель;
ОК – око нечный усилитель;
ДНО – двуна правленный ответвитель;
Н – на грузка, Д1 и Д2 – детекторы;
В1, В2 и В3 – вычитатели;
ИНТ – ин тегратор;
ИОН – источник опор ного напряжения;
СУМ – сумма тор, УИП – управляемый источник питания;
ИМ – измеритель мощ ности;
ПУ1 и ПУ2 – пороговые устройства.
Напряжение (UИ) на выходе интегратора пропорционально с со ответствующим коэффициентом (kИ) величине разности уровней требуе мой и выделяющейся в нагрузке мощностей:
UИ = kИ [ РH – (РВЫХ – РОТР)]dt В случае, если текущая мощность высокочастотного сигнала в на грузке недостаточна, то уровень выходного напряжения интегратора уве личивается, при этом возрастает и уровень напряжения питания, выраба тываемого УИП. Если текущий уровень мощности в нагрузке превышает необходимый, то напряжение интегратора снижается, соответственно уменьшаются уровни питающего напряжения и выходной мощности.
Когда уровень выделяющейся мощности соответствует требуемому, пе рестройка выходного напряжения интегратора прекращается.
Для предотвращения перегрева с помощью измерителя мощности и второго вычитателя осуществляется непрерывный контроль уровня выделяющейся на активном элементе ОК мощности (РК):
РК = Р0 – (РВЫХ – РОТР).
Если РК превысит допустимый уровень, то выходное напряжение второго порогового устройства поступает через сумматор на третий вы читатель, понижая уровень напряжения на его выходе. При этом одно временно снижается напряжение питания и вырабатываемая ОК мощ ность, предохраняя его активный элемент от перегрева.
Другая возможность аварийной ситуации возникает, когда вели чина нагрузки сильно отличается от номинальной. Поэтому, в случае по явления отраженной мощности значительного уровня, величина напря жения питания ОК снижается. Чтобы понизить сигнал возбуждения ОК, уменьшается уровень напряжения питания и ПОК.
Таким образом, применение описанной адаптивной системы защи ты усилителя мощности позволяет обеспечивать требуемую величину мощности высокочастотного сигнала, отдаваемой в нагрузку, даже при определенных допустимых отклонениях значения импеданса нагрузки от номинальной величины. При значительном отклонении импеданса на грузки от номинальной величины (вплоть до обрыва или короткого за мыкания нагрузки) оконечный каскад защищается снижением напряже ния питания и амплитуды сигнала возбуждения (вплоть до отключения), однако каскад сохраняет работоспособность. Также активный элемент оконечного каскада защищается от возможного перегрева.
Однако существуют и недостатки применения такой системы за щиты: во-первых, допустимый диапазон изменения сопротивления на грузки ограничен запасом по предельным значениям энергетических па раметров активного элемента оконечного каскада. Поэтому для увеличе ния этого диапазона приходится недоиспользовать транзисторы выход ного каскада по мощности. Например, чтобы была возможность обеспе чить номинальный уровень мощности в рассогласованной активной на грузке с заданным значением КСВ, требуется в КСВ раз уменьшать вы ходную мощность активного элемента при работе на номинальную на грузку. Это приводит к увеличению количества активных элементов в выходном каскаде усилителя, появлению или увеличению количества устройств сложения мощностей, и, как следствие всего вышеперечислен ного, увеличению массогабаритных параметров и стоимости усилителя мощности.
Во-вторых, при работе усилителя на комплексную нагрузку в 1/cos0 раз может увеличиться потребляемая от источника питания мощ ность. Если источник питания рассчитывать на эти перегрузки, то также приходится существенно увеличивать его массу и габариты.
В третьей главе разрабатываются устройства динамической за щиты выходных каскадов, в основе которых предложено [7, 11] приме нить адаптивные цепи согласования.
Для определения импеданса нагрузки требуется измерять уровни проходящей (Рпад) и отраженной от нагрузки (Ротр) мощностей и фазовый сдвиг между ними (). В этом случае система адаптивного согласования (рисунок 8), включаемая между ВЧ генератором и его нагрузкой, будет состоять из двунаправленного ответвителя (ДНО), устройств вычисления модуля (ДМ) и фазы (ДФ) импеданса и устройств управления (УУ) пара метрами регулируемых элементов (РЭ) управляемой цепи согласования.
Рисунок 8 – Структурная схема системы адаптивного согласования.
Алгоритм работы устройства управления параметрами регулируе мых элементов цепи может быть аналитическим, когда по значениям Uотр, Uпад, X1…Xn, где n – число перестраиваемых элементов, вычисляют ся значения каждого i-ого элемента Xi, а может быть и градиентным, и тогда он представляется выражением:
U отр[ Rвх ({ Х k }), Х вх ({ Х k })], X i i t X i где Xi – номинал i-го подстраиваемого элемента цепи согласования;
i – коэффициент, определяющий скорость регулирования значения дан ного элемента;
{Xk} – совокупность номиналов перестраиваемых элемен тов цепи согласования, Zвх = Rвх + jXвх – входное сопротивление нагружен ной АЦС.
Возможны различные методы управления перестраиваемой цепью согласования. Можно использовать метод последовательной подстройки с разнесением регулировки каждой ветви по времени или метод парал лельной подстройки с одновременной регулировкой по всем каналам с использованием ортогональных управляющих сигналов.
Наиболее прост в реализации и является наилучшим с точки зре ния скорости и точности метод непрерывной подстройки.
Алгоритм перестройки элементов цепи согласования сводится к уменьшению мнимой и действительной составляющих коэффициента отражения. Так, если согласование отсутствует, то коэффициент отраже ния от входа устройства согласования определяется выражением:
Z вх Rг Rвх Rг2 X вх j 2 Rг X вх, 2 KO ( Rвх Rг ) 2 X вх Z вх Rг где RГ – выходное сопротивление ГВВ передатчика.
Как видно, знаки Хвх и Im[KO] совпадают, и Im[KO] = 0 при Хвх= 0.
Таким образом, величина Im[KO] указывает знак текущего значения Хвх и одновременно указывает требуемое направление его изменения.
Если организовать подстройку Хвх более быстрой, чем подстройку Rвх, путем соответствующего выбора постоянных времени в цепях управ ления, то через некоторое время наступит момент, когда Х вх = 0. В этом случае величина коэффициента отражения станет чисто вещественной:
R Rг.
Re K O вх Rвх Rг Как видно, знак величины Re[KO] совпадает со знаком разности (Rвх – Rг.). При Re[KO] 0, величину Rвх нужно уменьшать, а при Re[KO] 0 – увеличивать. Таким образом, при достижении условия Re[KO] = 0 обеспечивается состояние Rвx = Rг. Значит, так как ранее было достигнуто Xвх = 0, такая ситуация соответствует требуемому согласова нию генератора и нагрузки.
Структурная схема устройства, реализующего выше описанный алгоритм, приведена на рисунке 9.
Рисунок 9 – Адаптивное устройство согласования:
УМ – усилитель мо щности;
ДНО – двуна правленный ответвитель;
АЦС – адаптивная цепь согласования;
РЭi – i-ый регулируемый элемент;
ФВ – фазовращаетель;
1 и 2 – перемножители;
1 и 2 – интеграторы.
Если U отр (0) K O U пад (0) K O U г, где UГ – комплексная амплитуда сигнала генератора на выходе направленного ответвителя, то сигналы после первого и второго перемножителей описываются выражениями:
U n1 ~ Re U отр (0)U *пад (0) ReKO U г2, j U n2 ~ Re U отр (0)U *пад (0)e ImKO U г 2.
В качестве адаптивной цепи согласования можно использовать Т-, П-контур, или двухзвенную цепь согласования с перестраиваемыми реактивными элементами.
Для этих цепей были определены законы регулирования элемен тов, которые в общем виде можно представить выражением:
X i, i Re K O (t ) e j i t где i – постоянный коэффициент, обратно пропорциональный постоян ной времени i-ого интегратора, i – фазовый сдвиг в i-ом канале.
Кроме того, из выражений для входных сопротивлений цепей по лучены условия однозначной регулировки их элементов, а также ограни чения на диапазон возможных импедансов нагрузок, с которыми дости жимо согласование, при ограничении на характер элементов цепей.
Так, для Т-образной цепи, когда Х1 и Х3 – положительные реак тивности, а Х2 – отрицательная, согласование достигается при любом ХН, если RН Rг. Однако при RН Rг согласование возможно только при вы полнении условия:
RН.
XH Rг R Н Если использовать Т-образную цепь, в которой Х1 и Х3 – отрица тельные реактивности, а Х2 – положительная, то согласование достигает ся при любом ХН, если RН Rг, а при RН Rг согласование возможно только при выполнении условия:
RН.
XH Rг R Н С помощью П-образной цепи, у которой Х1 и Х3 отрицательные реактивности, а Х2 – положительная, согласование достигается, если:
ХН RГ RН.
Если в П-образной цепи Х1 и Х3 положительные, Х2 – отрицатель ная реактивности, то согласование достигается, когда:
ХН – RГ RН.
Диапазон импедансов нагрузок, с которыми возможно согласова ние с помощью двухзвенной цепи при ограничениях на характер реак тивностей зависит от значения элемента Х4 цепи.
На основании полученных законов перестройки элементов Т-, П-образных и двухзвенной цепей разработана методика динамической защиты усилителя адаптивными цепями согласования с нагрузкой, кото рая заключается в следующем. При работе передатчика непрерывно кон тролируются уровни излученной и отраженной от нагрузки мощностей, а также составляющие комплексного коэффициента отражения. При пре вышении любым из них порогового значения (UОТР_АВ, Re(KО_АВ), Im(KО_АВ)), свидетельствующего о рассогласовании, передатчик перехо дит в режим настройки. При этом, поскольку оконечный каскад не до пускает работу на рассогласованную нагрузку, подстройка осуществляет ся при пониженной выходной мощности.
В режиме настройки быстрой регулировкой элемента Х 1 по соот ветствующему закону в зависимости от выбранного типа цепи, а также элемента Х4 для двухзвенной цепи, добиваются уменьшения мнимой со ставляющей коэффициента отражения ниже порогового значения (Im(KО_HP)), соответствующего приемлемому согласованию с нагрузкой.
Одновременно с этим тождественной перестройкой элементов Х2 и Х3 по закону в зависимости от выбранного типа цепи добиваются уменьшения действительной составляющей коэффициента отражения и уровня отра женной от нагрузки мощности ниже пороговых значений (Re(KО_HP), UОТР_HP), соответствующих приемлемому согласованию с нагрузкой.
Настройка продолжается, пока обе составляющие коэффициента отраже ния не примут требуемые значения. После чего, передатчик переходит в рабочий режим с требуемым номинальным уровнем выходной мощности.
Пороговые значения уровней отраженной от нагрузки мощности и составляющих коэффициента отражения выбираются исходя из требова ний, предъявляемых к аппаратуре, в которую входит радиопередающее устройство. Тем не менее, для исключения постоянных переходов в ре жим настройки и обратно, необходимо выполнение условий:
UОТР_AB UОТР_HP, |Re(KО_АВ)| |Re(KО_HP)|, |Im(KО_АВ)| |Im(KО_HP)|.
Для исследования свойств адаптивных цепей были составлены программы на ЭВМ, моделирующие согласование различных нагрузок с 50-омным ВЧ трактом. С помощью этих программ были проведены экс перименты с целью определения для каждой цепи скорости согласования, диапазона возможных импедансов нагрузки, диапазона изменения значе ний перестраиваемых элементов. При этом считалось, что импеданс на грузки лежит в круге, ограниченном значением КСВ = 10 относительно 50-омного ВЧ тракта, а по входу цепи требуется обеспечить значение КСВ = 1,5. Кроме активных нагрузок, соответствующих заданным КСВ, было рассмотрено согласование с комплексными нагрузками для случаев, когда реактивность нагрузки для данного уровня КСВ максимальна (ри сунок 10, а):
KCB 2 1 KCB 2 W при RH X H max W, 2 KCB 2 KCB а также когда фаза комплексного коэффициента отражения равна 90 (ри сунок 10, б):
2 KCB KCB 2 W при RH W.
XH KCB 2 KCB 2 а) б) Рисунок 10 – Изменение КСВ по входам АЦС различных типов (1 – Т-образной, 2 – П-образной, 3 – двухзвенной) в процессе согласова ния ВЧ тракта с нагрузкой с КСВ = 5: а). RН = 130 Ом, |XH| = 120 Ом;
б). RН = 19,23 Ом, |XH| = 46 Ом.
Исследование времени перестройки элементов цепей для достиже ния уровня КСВ = 1,5 по входу показало, что при чисто активной нагруз ке для всех типов цепей оно практически одинаковое и увеличивается с ростом КСВ нагрузки. При этом, чем больше разность между сопротив лением нагрузки и требуемым входным сопротивлением цепи (волновым сопротивлением ВЧ тракта), тем дольше процесс согласования.
Согласование комплексной нагрузки и ВЧ тракта с помощью П-образной и двухзвенной цепей осуществляется в 2-3 раза быстрее, чем с помощью Т-образной. Время, требуемое для согласования комплексной нагрузки П-образной и двухзвенной цепями, в 2-3 раза меньше, чем ак тивной нагрузки с тем же значением КСВ.
Это объясняется тем, что длительность процесса согласования за висит в первую очередь от перестройки действительной части входного импеданса цепи, поскольку мнимая его часть должна подстраиваться на много быстрее, как это показано на рисунке 11. У П-образной и двух звенной цепей действительная часть входного импеданса зависит только от действительной части импеданса нагрузки, в отличие от Т-образной цепи, у которой она зависит и от реактивной части импеданса нагрузки.
а) б) Рисунок 11 – Изменение входного импеданса Т-образной АЦС в процессе согласования ВЧ тракта и нагрузки: а) с КСВ = 5;
б) с КСВ = 10.
На основании выражений для входных импедансов цепей получе ны соотношения, определяющие диапазоны перестройки, и рассчитаны значения их элементов для случая согласования с 50-омным ВЧ трактом.
Сравнение полученных результатов показало, что двухзвенная цепь со гласования имеет наименьший (на 70-80%) из всех рассмотренных цепей диапазон перестройки элемента Х1 для согласования с нагрузкой с задан ным значением КСВ. Из этого следует, что с помощью адаптивной двух звенной цепи при одинаковом диапазоне перестройки элементов можно обеспечить согласование в более широкой полосе частот.
Исследование системы (рисунок 9) на устойчивость показало, что, согласно критерию Рауса-Гурвица, она является устойчивой при любых значениях параметров ДНО, перемножителей, ФНЧ, поскольку имеет характеристическое уравнение 2-ого порядка с положительными коэф фициентами, если выполняется условие независимости колец авторегу лирования и перестройка осуществляется на линейном участке характе ристики детектора составляющих коэффициента отражения.
Важным вопросом при построении АЦС является реализация регу лируемых элементов. В ряде работ для этих целей было предложено ис пользование варикапов. Однако малые допустимые уровни ВЧ напряже ния, достаточно высокий уровень потерь, и, как следствие, необходи мость применения устройств охлаждения, ограничивает их применение при больших уровнях мощности.
Можно при работе с сигналами большого уровня мощности (более 100 Вт) использовать электронные реактивные лампы. Однако, как и у варикапов, отношение максимальной их возможной реактивности к ми нимальной не превышает 20.
В работе предложено осуществлять перестройку емкостей АЦС с помощью p-i-n-диодов.
Рисунок 12 – Переменная емкость, регулируемая с помощью p-i-n-диодов.
В заключении представлены основные результаты работы.
Предложено и экспериментально исследовано устройство защиты 1.
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, пита ния и входной мощности транзисторного каскада.
3. Разработана методика динамической защиты каскадов передатчика от изменений импеданса нагрузки с помощью адаптивных цепей со гласования 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 пе рестройки элементов на 70-80% по сравнению с известными одно звенными.
6. Предложена новая схема адаптивной двухзвенной цепи согласова ния, перестройка элементов которой осуществляется с помощью p-i-n-диодов.
В приложении приведены соотношения для определения зависи мостей параметров различных типов цепей согласования от частоты и коэффициента трансформации, листинг разработанного программного обеспечения и акты внедрения результатов диссертационной работы.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Рябоконь А. В., Самойлов А. Г. Проектирование цепей согласо вания для мощных генераторов с внешним возбуждением / Проектирова ние и технология электронных средств – 2008 – №1. – С. 7-12.
2. Рябоконь А. В., Самойлов А. Г. Анализ систем защиты транзи сторов усилителей мощности / Проектирование и технология электрон ных средств – 2009 – №1. – С.2-9.
3. Рябоконь А. В., Самойлов А. Г. Автоматическая защита по току мощных транзисторов радиопередающих устройств систем радиосвязи // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения: Ма териалы международной НТК, Москва, 2009. – ч.3: С. 113-116.
4. Рябоконь А. В. Использование двухзвенных цепей согласования в широкополосных усилителях мощности передатчиков // Перспективные технологии в средствах передачи информации: Материалы 8-ой между народной НТК, Владимир, 2009. – т.2: С.57-60.
5. Рябоконь А. В., Самойлов А. Г. Защита транзисторов усилителей мощности от повышения постоянной составляющей коллекторного тока // Перспективные технологии в средствах передачи информации: Мате риалы 8-ой международной НТК, Владимир, 2009. – т.1: С.156-158.
6. Рябоконь А. В., Самойлов А. Г. Анализ системы автоматической стабилизации выходной мощности ГВВ // Перспективные технологии в средствах передачи информации: Материалы 8-ой международной НТК, Владимир, 2009. – т.1: С.159-161.
7. Самойлов А. Г., Самойлов С. А., Рябоконь А. В. Новая концеп ция защиты радиопередатчиков от перегрузок // Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России: сборник тезисов докладов Всероссийской межвузовской научной конференции, Муром, 2010. – С. 398-400.
8. Патент РФ № 95199. Адаптивный высокочастотный генератор / Полушин П. А., Самойлов А. Г., Самойлов С. А., Рябоконь А. В. // Бюл.
№16 – 10.06.2010.
9. Патент РФ № 98300. Устройство защиты усилителя мощности / Рябоконь А. В. // Бюл. №26 – 10.10.2010.
10. Samoilov A. G., Sidorenko A. A., Ryabokon A. V. Research of consorting methods of powerful generators which work a variable loads // Ma terials of 9th Int. Sci. Conf. «Perspective Technologies in the Information Transmission Media», Vladimir-Suzdal, Russia, 2011. – p. 12.
11. Рябоконь А. В. Применение многополюсников СВЧ в устрой ствах защиты транзисторов выходного каскада радиопередатчика // Пер спективные технологии в средствах передачи информации: Материалы 9-ой международной НТК, Владимир-Суздаль, 2011. – т.2: С. 161-165.
Подписано в печать 24.06.11.
Формат 60 х 84/16. Бумага для множит. техники. Гарнитура Таймс.
Усл. печ. л. 0,97. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз.
ОАО «Владимирское конструкторское бюро радиосвязи» 600009, Владимир, ул. Батурина, 28.