Усилители мощности СВЧ сигналов с высокой экономичностью и линейностью для бортовой спутниковой аппаратуры

• Автор: Ромащенко, Кирилл Витальевич
• Шифр специальности: 05.12.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 140 с. : ил.

Аннотация
Исследуются усилители мощности СВЧ диапазона в составе бортовой спутниковой аппаратуры, выполненные на транзисторах и на лампах бегущей волны, в которых для разрешения противоречия между достижением одновременно высокой энергетической эффективности и малого уровня интермодуляционных искажений, использован предыскажающий линеаризатор.
Предыскажающая коррекция входной амплитуды и фазового сдвига в линеаризаторе компенсирует амплитудную компрессию и амплитуднофазовую конверсию в усилителе мощности.
Впервые получены оценки предельных значений выигрыша по энергетическим и интермодуляционным характеристикам для полностью линеаризованной усилительной системы при разных видах тестовых сигналов.
Разработан метод анализа искажений СВЧ усилителей на основании экспериментальных или паспортных амплитудных характеристик при разных методиках количественной оценки интермодуляционных искажений.
Предложена, разработана и защищена патентом система адаптивной предыскажающей линеаризации, обеспечивающая надёжную работу бортовой спутниковой аппаратуры при изменении условий окружающей среды и/или напряжения питания.
Abstract
The purpose of this work is analyzing the microwave power amplifiers performed on transistors and traveling-wave tubes with predistortion linearizer that is used to solve the problem of providing both high power efficiency and low intermodulation distortion.
Predistortion correction in linearizer is performed on the signal amplitude and phase shift compensating the signal distortion caused by amplitude compression and amplitude-phase conversion in power amplifier.
The limiting values of power and intermodulation characteristics for completely linearized amplifying system with different test signals are obtained for the first time.
The analysis method of microwave amplifiers distortion is designed. It is based on experimental or rated data of amplitude compression and amplitude-phase conversion with different measuring techniques for intermodulation distortion.
Adaptive predistortion linearization system is proposed, developed and patented, and provides reliable work of the on-board satellite equipment when environmental conditions and/or supply voltage are changed.

Содержание
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ЛИНЕАРИЗАЦИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ
1.1. Постановка задачи. Предмет исследования
. 1.2. Общие характеристики и модели усилителей мощности
1.3. Методы линеаризации
1.4. Выводы
ГЛАВА 2. АНАЛИЗ НЕЛИНЕЙНЫХ ЯВЛЕНИЙ В УСИЛИТЕЛЯХ МОЩНОСТИ
2.1. Параметры сигналов, используемых в спутниковых ретрансляторах
2.2. Оценка уровня интермодуляционных искажений
2.3. Методы анализа нелинейных динамических СВЧ систем
2.4. Основные соотношения в линеаризованной усилительной системе
2.5. Выводы
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ С ПРЕДЫСКАЖАЮЩИМ ЛИНЕАРИЗАТОРОМ
3.1. Модель тестовых сигналов и измерительных средств
3.2. Модель усилителя мощности
3.3. Модельлинеаризатора
3.4. Предельные характеристики усилителя мощности с предыскажающим линеаризатором
3.5. Исследование характеристик линеаризованного усилителя мощности СВЧ
3.6. Моделирование адаптивного предыскажающего линеаризатора
3.7. Выводы
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ЛИНЕАРИЗОВАННОГО УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ
4.1. Структурная схема линеаризатора и описание рабочего места
4.2. Экспериментальные характеристики
4.3. Исследование процедуры адаптации характеристик усилительной системы
4.4. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список литературы
ПРИЛОЖЕНИЯ
A. Список обозначений
Б. Список сокращений
B. Акт внедрения в ОАО «Российские космические системы»
Г. Акт внедрения в НИУ «МЭИ»
Д. Фрагмент программы адаптации

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. В наши дни бурными темпами развиваются технологии оказания информационно-телекоммуникационных услуг: спутниковая связь, телевидение, радионавигация и др., использующих электромагнитные излучения диапазона сверхвысоких частот (СВЧ). Одним из основных каскадов бортового ретранслятора является усилитель мощности (УМ). К этому блоку предъявляются сложные, и противоречивые требования: высокая энергетическая эффективность, заданная выходная мощность, малый уровень искажений передаваемого сигнала, соблюдение норм электромагнитной совместимости на излучения вне выделенной полосы частот, высокая скорость передачи информации, выполнение нормативов на массогабаритные показатели и энергопотребление, низкая чувствительность к параметрам окружающей космической среды и др.
Для получения максимальной выходной мощности и высоких значений коэффициента полезного действия (КПД) активный элемент усилителя мощности необходимо использовать в нелинейном режиме, что приводит к появлению в спектре выходного сигнала повышенного уровня высших гармоник, интермодуляционных искажений (ИМИ) передаваемых сигналов и мешающих комбинационных спектральных составляющих. С другой стороны, для выполнения нормативов на паразитные спектральные составляющие активный элемент усилителя мощности надо применять в линейном режиме. Отсюда возникает противоречие между обеспечением высокой энергетической эффективности и низким уровнем искажений сигнала. Обеспечение одновременно требований высокой спектральной эффективности и допустимого уровня побочных излучений, характерных для спутниковых каналов передачи информации, приводит к дополнительной амплитудной модуляции и усложняет достижение компромисса. Поиск путей решения указанных противоречий характеризует необходимость данной работы.
Глава 1. Линесюизаиия усилителей мощности
МОЩНОСТИ мощности
Рисунок 1.11 - График зависимости КПД от количества каскадов в усилителе по схеме Догерти [25]
Однако, несмотря на высокий КПД и малые интермодуляционные искажения усилитель по схеме Догерти работает не в насыщении, поэтому для получения заданной выходной мощности нужно несколько АЭ, а это в свою очередь влияет на массогабаритные характеристики и стоимость, что имеет существенного значение для спутниковой аппаратуры. Кроме того, в диапазоне СВЧ не могут надежно работать схемы фазирования и суммирования сигналов.
Принцип построения корректора с обратной связью представлен на рисунке 1.12.
Линеаризация с помощью отрицательной обратной связи может выполняться в различных формах. Структурные схемы вариантов реализации показаны на рисунке 1.13.