Автореферат (Радиосистемы и устройства связи с малыми искажениями для загородных и горных трасс), страница 4

Учет перечисленных факторов усложняетсинтез и их целесообразно вводить на этапах оптимизации при наличии первичного решения задачи синтеза, когда определена ДН синтезированной антенны.Рисунок 3 – Виды диаграмм направленности базовых станций в полярных координатах, обеспечивающих постоянство плотности мощности у абонента приразных видах геометрии подстилающих поверхностей загородных трассПрименяемые методы проектирования радиосистем связи не позволяютсоздавать антенны с синтезированными ДН, показанными на рисунке 3. Этосвязано с необходимостью обеспечения более сложных видов распределенияизлучающего тока. Для решения этой задачи разработан ряд новых конструкций антенных устройств систем связи для загородных трасс. Необходимо отме14тить, что при проектировании существующих антенн приходится сталкиватьсяс противоречиями, связанными с необходимостью обеспечения большого коэффициента усиления антенн базовых станция для обеспечения связи на больших дальностях на границе зоны обслуживания и с необходимостью обеспечения связи в пределах всей зоны обслуживания.

Предложенное решение, связанное с синтезом ДН антенн базовых станций, учитывающее профиль подстилающей трассы, позволяет исключить противоречие и обеспечить оптимальныеусловия связи по доступу и надежности во всей зоне обслуживания.Имеется возможность прибавления длины антенны для увеличения еекоэффициента усиления при одновременном обеспечении равномерности покрытия всей зоны обслуживания. Конструктивные варианты разработанных антенн схематично показаны на рисунке 4.Рисунок 4 – Конструктивные варианты построения антеннВ четвертой главе рассмотрены вопросы проектирования радиосистем иустройства связи с ИА и АФАР и малыми нелинейными искажениями.При создании передатчиков используют твердотельную элементную базу,что имеет недостатки.

Это относится к ограничению максимальной мощностиСВЧ-транзисторов, обусловленному их известными физическими свойствами.Вместе с тем для увеличения информационных потоков на трассах с горнымландшафтом нужны передатчики все большей мощности, требующие высокойлинейности ПХ широкополосных МУМС и интегральных модулей со сложением мощностей. Особенность работы МУМС тракта радиосистем связи с групповыми сигналами состоит в том, что они одновременно усиливают сигналыразличной частоты и мощности.Проблема создания линейных МУМС – основная в радиосистемах связи.МУМС должны обеспечивать минимальные уровни ИМС.

Наличие ИМС при15водит к таким негативным последствиям: снижению помехоустойчивости приемного тракта; уменьшению пропускной способности канала связи из-за возникающих на выходе передающих устройств внеполосных излучений; снижениювыходной мощности на 2 дБ; уменьшению КПД на 5…10%; блокированиюприемника и подавлению сильными сигналами слабых до 3…5 дБ; нелинейнымискажениям амплитуды огибающей группового сигнала; увеличению на5…10% амплитудно-фазовой конверсии (АФК); снижению коэффициента усиления МУМС и т.д. Для качественной работы мощность ИМС в многоканальных системах связи должна быть, как правило, ниже мощности сигналов на35…40 дБ.

Значит линейность ПХ МУМС являются важными показателями работы радиосистем связи на трассах с горным ландшафтом.Причина нелинейных искажений многочастотного сигнала обусловленанелинейным характером процесса взаимодействия потока носителей заряда вусилительном приборе и электромагнитного поля. Внешним его проявлением вбиполярных и полевых транзисторах, является нелинейность ПХ и зависимостьфазы сигнала от амплитуды – неравномерность ФАХ, т.е.

наличие АФК. Вследствие передачи больших мощностей и обеспечения высокого КПД активныеэлементы МУМС работают в режимах, близких к насыщению, вследствие чегоих групповые передаточные характеристики (об этом говорит «облако» линий)могут иметь различный характер (рисунок 5).Рисунок 5 – Групповые амплитудные и фазо-амплитудные ПХ МУМСПоявление ИМС приводит к росту ширины ДН интеллектуальных антенных устройств и АФАР, смещению глубины нуля, повышению уровня боковых16лепестков. При этом снижается помехоустойчивость, уменьшается пропускнаяспособность радиоканала связи из-за возникающих на выходе антенн внеполосных излучений, снижению полезной выходной мощности.Отмечая проблемы, связанные с появлением нелинейных искажений всистемах связи с АФАР, отметим также возникновение ИМС при работе с переключаемыми многолучевыми антеннами.Структурная схема активной АФАР радиосистемы связи показана на рисунке 6.

Она состоит из K МУМС с К излучателями АФАР и N источников сигналов с несущими, которые имеют разные амплитуды и фазы.Рисунок 6 – Структурная схема передающей АФАРВ этой главе также проведено моделирование ДН многолучевых АФАР врадиосистемах связи с малыми искажениями для горных трасс. Объединеннуюдиаграмму направленности многолучевой АФАР можно смоделировать аналитически как произведение ДН одного излучательного элемента и множителявсех элементов решетки. При этом предполагается идентичность характеристикизлучательных элементов по массиву и отсутствия взаимной связи между ними.Данные условия относительно точны для элементов поля ДН при расстоянии в1,5 раз больше, чем λ, которое учитываются в моделировании.

Кроме того,предполагается, что в микрополосковой решетке распространяется основнаямода электронной волны ТМ10. Здесь излучающие элементы моделируются всреде элементов АФАР и суммарное дальнее поле излучения рассчитываетсякак для несущих, так и для нелинейных искажений на основе коэффициентоввозбуждения, генерируемых преобразованиями ИМС в дальней зоне.Суммарная диаграмма направленности исследуемых АФАР17KN2Pp () = M ( L p )  exp j (cos n xk  sin n yk )sin n  exp j  lnnk .

(14)pk 1 n 1где λр – длина волны р-го входного сигнала, частота которогоN ln fn в декартоn 1вых координатах элементов массива (xk, yk), что определяет направления пространственных лучей в сферических координатах для n-го луча].По полученному соотношению (14) были рассчитаны и измерены ИМС-38-элементной при поворотах двухлучевой АФАР по азимуту на +20º и -10º при-9 дБ и 0 дБ мощности насыщения (рисунок 7).Рисунок 7 – Уровни ИМС-3 при поворотах АФАР по азимутуна +20º и -10º при -9 дБ и 0 дБ мощности насыщенияДля подавления нелинейных искажений типа ИМС в диссертации былипредложен метод расчета комбинационного спектра выходного групповогосигнала и устройство линеаризации передаточных амплитудных характеристикнелинейных МУМС. В упрощенной схеме линеаризатора типа «упреждающейлинеаризации» (рисунок 8) сигнал в основном канале усиливается МУМС.18Рисунок 8 – Структурная схема линеаризатора типа «упреждающей линеаризации»:а – схема линеаризатора; б – сравнение спектров МУМС с двумя несущими:1 – без линеаризатора; 2 – с линеаризаторомОпределенная, небольшая часть входного сигнала, введенная в цепь коррекции через элемент задержки τ = 180º (фазовый угол 180º), преобразуется всмесителе (+) с усиленным сигналом, отведенным через направленный ответвитель НО-2 с выхода МУМС.

Результат преобразования – сигнал ошибки, пропорциональный величине искажения основного сигнала на выходе МУМС.Этот сигнал доводится линейным усилителем до уровня ИМС МУМС ивычитается из основного сигнала, задержанного на τ в направленном ответвителе НО-3 (∑) на выходе схемы. Достоинствами этой схемы являются высокийуровень линеаризации, отсутствие опасности самовозбуждения, практическаянезависимость от изменения характеристик МУМС, низкий уровень шумов.Основной недостаток – узкая рабочая полоса и низкие энергетические характеристики.

Максимальный КПД метода, использующего нелинейный МУМС сКПД 60%, оценивается в 43 %. КПД компенсационных усилителей оценивается19в 10…15 %. Это происходит потому, что при значительных ИМС мощность ЛУв цепи коррекции должна быть соизмерима с мощностью МУМС.Поэтому компенсационный метод энергетически невыгоден.

Рассмотренный метод линеаризации предполагает установку последовательно с источником неравномерности ФАХ (АФК) устройств, параметры которых зависят отуровня входного колебания. В этих случаях влияние АФК уменьшают путемвключения в тракт усиления дополнительное устройство с АФК с такими параметрами, при которых неравномерность результирующей ФАХ в рабочем диапазоне уровней входного колебания минимальна.Рисунок 9 – Экспериментальная СВЧ-установка:а – для тестирования цифровых МУМС;б – для исследования многочастотных сигналовДля подтверждения теоретических исследований и предложенных устройств, а также проведенных компьютерных расчетов была разработана экспериментальная СВЧ-установка с различными дополнениями.

Для получения метрологических параметров установка укомплектована измерительными приборами и20исследуемыми нелинейными МУМС. Разработанный экспериментальная СВЧустановка для исследований МУМС включает генераторы с произвольной формойсигнала (рисунок 9). Сигнал формируется на компьютере, и затем записывается вгенератор, а также спектроанализатор или векторный анализатор, который позволяет выделить модуляцию из ВЧ-сигнала на его входе и рассчитать характеристики.

Выполнены сборка, монтаж и испытание узлов и всей экспериментальногоСВЧ-стенда с групповыми сигналами с цифровой огибающей.В приложении приведена программа расчета спектра выходного группового сигнала многочастотного усилителя мощности сигналов.ЗаключениеВ процессе выполнения исследований в диссертации разработана научнотехническая концепция реализации специальных антенных устройств типа интеллектуальных антенн и АФАР, в которые интегрированы мощные усилители многочастотных (групповых) сигналов, позволяющие реализовать радиосистемы иустройства связи с малыми искажениями для загородных и горных трасс.

Приэтом получены следующие результаты:1. Исследовано и проведено моделирование процесса распространения электромагнитных волн на различных сложных по рельефу трассах в природных средах и их влияние на характеристики антенн.2. Проведен численный анализ структуры электромагнитного поля вблизи местаразмещения антенной системы для сложных по рельефу загородных и горных трасс.3.