Параметрический синтез различных радиоустройств с заданным количеством каскадов типа «комплексный четырехполюсник – нелинейная часть»
- Авторы: Головков А.А.1
-
Учреждения:
- Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия»
- Выпуск: Том 26, № 3 (2023)
- Страницы: 20-31
- Раздел: Статьи
- URL: https://journals.ssau.ru/pwp/article/view/25867
- DOI: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2023.26.3.20-31
- ID: 25867
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Обоснование. Наличие возможности аналитического определения части параметров различных радиоустройств, оптимальных по критерию обеспечения заданных значений модулей и фаз передаточных функций на необходимом количестве частот, значительно уменьшает время численной оптимизации остальной части параметров по критерию формирования требуемых АЧХ и ФЧХ в полосе частот. До настоящего времени такие задачи решались в отношении радиоустройств только с одним каскадом типа «нелинейная часть согласующее устройство» или «согласующее устройство нелинейная часть». В качестве согласующего устройства использовались реактивные, резистивные, комплексные или смешанные четырехполюсники. Решена также задача многокаскадных радиоустройств с реактивными четырехполюсниками. Изменение базиса для согласующих четырехполюсников и места включения нелинейной части приводит к изменению области физической реализуемости.
Цель. Разработка алгоритмов параметрического синтеза радиоустройств с произвольным количеством одинаковых и неодинаковых каскадов типа «согласующий комплексный четырехполюсник нелинейная часть» по критерию обеспечения заданных частотных характеристик. Нелинейные части представлены в виде нелинейного элемента и параллельной или последовательной по току или напряжению обратной связи.
Методы. Теория четырехполюсников, матричная алгебра, метод декомпозиции, метод синтеза управляющих устройств СВЧ, численные методы оптимизации.
Результаты. В интересах достижения указанной цели сформированы и решены системы алгебраических уравнений. Получены модели оптимальных четырехполюсников в виде математических выражений для определения взаимосвязей между элементами их классической матрицы передачи и для отыскания зависимостей сопротивлений двухполюсников от частоты. Показано, что при определенных соотношениях между количеством одинаковых каскадов и значениями сопротивлений источника сигнала и нагрузки однокаскадного радиоустройства частотные характеристики однокаскадного и многокаскадного радиоустройств оказываются идентичными или подобными. Такие схемы названы эквивалентными. Использование неодинаковых каскадов приводит к значительному увеличению рабочей полосы частот.
Заключение. Сравнительный анализ теоретических результатов (АЧХ и ФЧХ радиоустройств, значения параметров), полученных путем математического моделирования в системе MathCad, и экспериментальных результатов, полученных путем схемотехнического моделирования в системах OrCad и MicroCap, показывает их удовлетворительное совпадение.
Полный текст
Введение
В работе [1] предложены алгоритмы параметрического синтеза плоско-слоистых сред (ПСС), содержащих заданное количество управляемых и неуправляемых слоев, по критерию обеспечения заданной амплитудно-фазовой модуляции рассеянного сигнала. Управляемые слои-это двумерно-периодические решетки проводящих стержней или полосок, в разрывы которых включены нелинейные элементы, управляемые низкочастотным сигналом. Неуправляемые слои (НС) – это однородные диэлектрические слои без потерь или двумерно-периодические решетки стержней или полосок. В общем случае ПСС функционирует в смешанном режиме-присутствует как отраженная, так и проходная волна. Если один из НС, расположенный последним по направлению падающей волны, выполнен в виде проводящего экрана, то ПСС является отражающей. В этом случае ПСС может быть использована в качестве основы для построения перспективной курсо-глиссадной системы [2]. Суть алгоритмов состоит в формировании систем алгебраических уравнений, отвечающих требованиям к системным операторам (коэффициентам отражения и передаточным функциям) в заданном количестве состояний, удовлетворяющих заданным уровням низкочастотного сигнала. Результатом решения этих уравнений является система взаимосвязей между элементами классической матрицы передачи некоторых НС, отнесенных к неуправляемой части. Оставшаяся часть НС отнесена к управляемой части ПСС. Система взаимосвязей – это исходная система уравнений для отыскания параметров НС.
Разработанные алгоритмы могут быть использованы практически в любом диапазоне радиочастот. Отличие состоит лишь в реализации элементов классической матрицы передачи НС. В соответствующих диапазонах частот это могут быть элементы либо с распределенными параметра [1; 2], либо с сосредоточенными параметрами [3–7]. Для реализации геометрических размеров неуправляемых и управляемых решеток ПСС [1; 2] необходимо привлечение результатов решения задач дифракции электромагнитных волн на различных проводящих телах [8].
Наиболее полно метод решения задач параметрического синтеза различных радиоустройств (за исключением многокаскадных) с обоими типами элементов изложен в работе [9].
В данной работе предлагается рассмотреть особенности этих алгоритмов с учетом наличия каскадов типа «комплексный четырехполюсник (КЧ) – нелинейная часть (НЧ)». Эти каскады включены между источником сигнала с сопротивлением и нагрузкой (рис. 1, 2).
Рис. 1. Структурные схемы многокаскадных радиоустройств с параллельной по напряжению (а) и последовательной по току (б) цепями обратной связи, включенными между комплексными четырехполюсниками и нагрузкой
Fig. 1. Structural diagrams of multi-stage radio devices with parallel voltage (a) and series current (b) feedback circuits connected between complex quadripoles and the load
Комплексный четырехполюсник характеризуется искомыми комплексными элементами классической матрицы передачи a, b, c, d.
Рис. 2. Структурные схемы многокаскадных радиоустройств с последовательной по напряжению (а) и параллельной по току (б) цепями обратной связи, включенными между КЧ и нагрузкой
Fig. 2. Structural diagrams of multi-stage radio devices with serial voltage (a) and parallel current (b) feedback circuits connected between the HF and the load
При этом учитывалось, что НЧ состоит из трехполюсного нелинейного элемента (НЭ) и охватывающей его цепи обратной связи (ЦОС ‑ параллельной или последовательной по току или напряжению). Оптимизация параметров двухполюсников, не входящих в КЧ, осуществляется с помощью известных численных методов [10] по критерию обеспечения заданной рабочей полосы частот. Все обозначения неописанных величин в данной статье соответствуют принятым в [9].
1. Алгоритм параметрического синтеза
Используя метод декомпозиции, матричное представление отдельных четырехполюсников и их соединений найдем передаточные функции для казанных схем [9].
Передаточная функция для схемы, представленной на рис. 1, а, имеет следующий вид (здесь и далее аргументы опущены):
(1)
где
ay, by, cy, dy – комплексные элементы классической матрицы передачи НЧ; N – количество каскадов типа «КЧ‑НЧ».
Передаточная функция для схемы, показанной на рис. 1, б:
(2)
где
Передаточная функция для схемы, изображенной на рис. 2, а:
, (3)
где
Передаточная функция для схемы, предъявленной на рис. 2, б:
(4)
где
Предъявим требования к зависимостям модулей и фаз передаточных функций от частоты:
(5)
Подставим (1) в (5). Получим комплексную взаимосвязь между элементами элементы классической матрицы передачи КЧ, оптимальную по критерию обеспечения заданных частотных характеристик радиоустройства (рис. 1, а):
(6)
где:
– заданные зависимости модуля и фазы передаточной функции H от частоты.
Для остальных схем (рис. 1, б, 2, а, б) это решение можно также представить в виде (6). Отличие состоит лишь в коэффициентах. Коэффициенты для (6), соответствующие рис. 1, б:
(7)
Коэффициенты для (6), оптимальные для рис. 2, а:
(8)
Коэффициенты для (6), удовлетворяющие исходному уравнению при использовании рис. 2, б:
(9)
Алгоритм синтеза для радиоустройств с неодинаковыми каскадами типа «КЧ-НЧ» содержит следующие основные положения. Передаточная функция радиоустройства, схема которого показана на рис. 1, а:
(10)
где
– известные зависимости суммарных элементов матрицы проводимостей всех каскадов (кроме n-го) от частоты.
Передаточная функция радиоустройства, схема которого представлена на рис. 1, б:
(11)
где
– известные зависимости суммарных элементов матрицы сопротивлений всех каскадов (кроме n-го) от частоты.
Передаточная функция радиоустройства, схема которого изображена на рис. 2, а:
(12)
где
– известные зависимости суммарных элементов смешанной матрицы всех каскадов (кроме n-го) от частоты.
Передаточная функция радиоустройства, схема которого предъявлена на рис. 2, б:
(13)
где
– известные зависимости суммарных элементов смешанной матрицы всех каскадов (кроме n-го) от частоты.
Решение указанного выше исходного уравнения для всех вариантов схем имеет вид следующей взаимосвязи между элементами классической матрицы передачи одного из КЧ, оптимальной по критерию обеспечения заданных частотных характеристик:
(14)
При использовании (10) в (5) коэффициенты для (14) имеют вид (схема на рис. 1, а):
(15)
При учете (11) в исходном уравнении (5) коэффициенты для (14) имеют вид (схема на рис. 1, б):
(16)
Для варианта применения (12) в исходном уравнении (5) коэффициенты для (14) имеют вид (схема на рис. 2, а):
(17)
Если для (5) выбрать вариант (13), то коэффициенты для (14) принимают следующий вид (схема на рис. 2, б):
(18)
Для отыскания выражений для определения параметров типовых схем КЧ необходимо взять известные формулы для элементов a, b, c, d [9], выраженные через сопротивления или проводимости двухполюсников, а также коэффициенты для (6) или (14) с выбранным типом обратной связи. Затем надо решить сформированное таким образом уравнение относительно сопротивления или проводимости одного двухполюсника выбранной схемы КЧ из M двухполюсников. В результате получаются ограничения в виде зависимостей сопротивлений двухполюсников от частоты. Задача реализации этих частотных характеристик в ограниченной полосе частот решена в работе [9]. При синтезе резистивных и смешанных четырехполюсников уравнение (6) или (14) разделяется на действительную и мнимую части. Полученная система двух уравнений решается относительно сопротивлений или проводимостей двух выбранных двухполюсников одного из четырехполюсников. Параметры остальных двухполюсников и четырехполюсников, свободных от указанных ограничений, выбираются из условия обеспечения других критериев, например, из условия обеспечения заданной полосы рабочих частот [9].
2. Результаты параметрического синтеза
Для примера здесь приводятся некоторые из решений, полученных для типовых схем КЧ и схемы радиоустройства (рис. 1, а). Количество решений равно числу двухполюсников в выбранном КЧ. Пусть используются взаимосвязи (6). Если в качестве КЧ выбираются два Г-образных звена (рис. 3), то зависимости его сопротивлений от частоты определяется следующим образом :
(19)
; (20)
(21)
(22)
Рис. 3. Пример синтезированного КЧ
Fig. 3. An example of a synthesized CQ
Два обратных Г-образных звена из двухполюсников (рис. 4):
(23)
(24)
(25)
(26)
Рис. 4. Пример синтезированного КЧ
Fig. 4. An example of a synthesized CQ
Г-образное и П-образное звенья из двухполюсников (рис. 5):
(27)
где
(28)
где:
(29)
где
(30)
где
(31)
где
Рис. 5. Пример синтезированного КЧ
Fig. 5. An example of a synthesized CQ
Пусть используются взаимосвязи (14). Если в качестве КЧ выбраны два Г-образных звена (рис. 3), то зависимости его сопротивлений от частоты определяется следующим образом:
(32)
(33)
(34)
(35)
где
Два обратных Г-образных звена (рис. 4):
(36)
где
(37)
(38)
(39)
Г-образное и П-образное звенья из двухполюсников (рис. 5):
(40)
где
(41)
где
(42)
где
(43)
где
(44)
где
В каждом КЧ и отдельно взятом решении оптимизация параметров двухполюсников, свободных от ограничений типа (19)–(44), производится с помощью известных численных методов [10].
3. Математическое и схемотехническое моделирование
На рис. 6–12 для примера показаны принципиальные и эквивалентные схемы однокаскадного и двухкаскадного усилителя, соответствующие исследуемой структурной схеме с параллельной по напряжению связью, представленной на рис. 1, а, а также их теоретические и экспериментальные характеристики. Использован транзистор типа BFQ17PH (рис. 6, а, 7). Схема НЧ выполнена в виде параллельно-соединенных транзистора и ЦОС (П-образного соединения трех элементов на однокаскадной схеме (рис. 6, а) и на двухкаскадной схеме (рис. 7). Нагрузка и сопротивление источника сигнала выполнены на элементах и соответственно. Схемы КЧ собраны в виде двух обратных Г-образных четырехполюсников на элементах (рис. 6, а), (рис. 7), параметры которых определялись по формулам (23)–(26).
Эквивалентная схема нелинейного элемента выполнена в виде перекрытого Т-образного четырехполюсника на элементах рис. 8). Параметры эквивалентной схемы НЭ выбраны из условия совпадения выходного сопротивления НЧ с выходным сопротивлением НЧ с использованием реального транзистора [9]. Схема НЧ реализована в виде параллельно-соединенных эквивалентной схемы нелинейного элемента и цепи обратной связи из П-образного соединения трех элементов
Параметры ЦОС заданы произвольно. Схема КЧ собрана на основе двух обратных Г-образных соединений из четырех элементов Частотные характеристики принципиальных схем, показанные на рис. 6, б (сопротивления источника сигнала и нагрузки равны 100 Ом) и 7 (сопротивления источника сигнала и нагрузки равны 50 Ом), идентичны.
Рис. 6. Принципиальная схема однокаскадного усилителя (а), соответствующая структурной схеме (рис. 1, а), при напряжении U = 34.8 В, АЧХ и ФЧХ (б), исследуемые в системе MicroCap
Fig. 6. Schematic diagram of a single-stage amplifier (a), corresponding to the block diagram (Fig. 1, a), at a voltage of U = 34.8 V, frequency response and phase response (b), studied in the MicroCap system
Это соответствует выводам, сделанным на основе анализа полученных ранее (1-4) выражений для передаточных функций исследуемых многокаскадных структурных схем (рис. 1, а).
Таким образом, при использовании КЧ, включенного между источником сигнала и НЧ, также наблюдается новое явление, состоящее в том что частотные характеристики исследуемых радиоустройств из N одинаковых каскадов с параллельной по напряжению (последовательной по току) обратной связью идентичны АЧХ и ФЧХ радиоустройств из одного каскада, но с сопротивлениями источника сигнала и нагрузки, умноженными (разделенными) на N. Такие схемы названы эквивалентными. Частотные характеристики исследуемых радиоустройств из N одинаковых каскадов с последовательной по напряжению-1 (параллельной по току-2) обратной связью подобны АЧХ и ФЧХ радиоустройств из одного каскада, но с сопротивлением источника сигнала, разделенным (умноженным) на N, и сопротивлением нагрузки, умноженным (разделенным) на N. Для радиоустройств-1 модуль передаточной функции увеличивается в N раз. Для радиоустройств-2 модуль передаточной функции уменьшается в N раз. Фазочастотные характеристики остаются неизменными.
Сопротивления РЧ, ЦОС, нагрузки и источника сигнала принципиальных и эквивалентных схем АФМ полностью совпадают. Анализ также показывает, что экспериментальные (рис. 6, б) частотные характеристики принципиальной схемы усилителя (рис. 6, а, 7) удовлетворительно совпадают с характеристиками эквивалентной схемы (рис. 8) усилителя , полученными расчетным путем (рис. 9, а) и экспериментально (рис. 9, б).
Средняя частота эквивалентной схемы ƒ ≈ 915 МГц (рис. 9, а и б) совпадает со средней частотой принципиальной схемы (рис. 6, б).
Рис. 7. Принципиальная схема двухкаскадного усилителя с одинаковыми каскадами, соответствующая структурной схеме (рис. 1, а), частотные характеристики (рис. 6, б) которого идентичны соответствующим характеристикам (рис. 6, б) однокаскадного усилителя (рис. 5, а)
Fig. 7. Schematic diagram of a two-stage amplifier with identical stages, corresponding to the block diagram (Fig. 1, a), the frequency characteristics (Fig. 6, b) of which are identical to the corresponding characteristics (Fig. 6, b) of a single-stage amplifier (Fig. 5, a)
Рис. 8. Эквивалентная схема однокаскадного усилителя (рис. 6, а), соответствующая структурной схеме (рис. 1, а), исследуемая в системе OrCad
Fig. 8. Equivalent circuit of a single-stage amplifier (Fig. 6, a), corresponding to the block diagram (Fig. 1, a), studied in the OrCad system
Рис. 9. Частотные характеристики (АЧХ и ФЧХ) эквивалентной схемы (рис. 8), полученные в системе MathCad (а) и OrCad (б)
Fig. 9. Frequency characteristics (frequency response and phase response) of the equivalent circuit (Fig. 8), obtained in the MathCad (a) and OrCad (b) systems
При использовании неодинаковых каскадов возникает возможность значительно увеличить рабочую полосу частот. Например, для двухкаскадной схемы (рис. 10) произведение коэффициента усиления на полосу частот составляет примерно 600 (рис. 12). Это почти в 2 раз больше, чем произведение коэффициента усиления на полосу частот однокаскадного усилителя или двухкаскадного усилителя с одинаковыми каскадами.
Рис. 10. Принципиальная схема двухкаскадного усилителя с неодинаковыми каскадами, соответствующая структурной схеме (рис. 1, а), частотные характеристики которого показаны на рис. 12
Fig. 10. Schematic diagram of a two-stage amplifier with unequal stages, corresponding to the block diagram (Fig. 1, a), the frequency characteristics of which are shown in Fig. 12
Рис. 11. Эквивалентная схема двухкаскадного усилителя (рис. 10) с неодинаковыми каскадами, соответствующая структурной схеме (рис. 1, а), исследуемая в системе OrCad
Fig. 11. Equivalent circuit of a two-stage amplifier (Fig. 10) with unequal stages, corresponding to the block diagram (Fig. 1, a), studied in the OrCad system
Средняя частота эквивалентной схемы (рис. 11) МГц (рис. 12, б и в) совпадает со средней частоты принципиальной схемы (рис. 12, а). Значения модулей передаточной функции принципиальной (рис. 10) и эквивалентной (рис. 11) схем усилителя равны Формы АЧХ и ФЧХ совпадают удовлетворительно. Сопротивления РЧ, ЦОС, нагрузки и источника сигнала принципиальных и эквивалентных схем усилителей полностью совпадают.
Рис. 12. Частотные характеристики (АЧХ и ФЧХ) эквивалентной схемы (рис. 8), полученные в системе MicroCap (а), MathCad (б), и OrCad (в)
Fig. 12. Frequency characteristics (frequency response and phase response) of the equivalent circuit (Fig. 8), obtained in the MicroCap (a), MathCad (b), and OrCad (c) systems
В работе [11] показано, что результаты схемотехнического моделирования удовлетворительно совпадают с результатами экспериментальных исследований физических макетов радиоустройств.
Заключение
Таким образом, полученные математические модели КЧ типа (19)–(31) могут быть использованы для технического проектирования различных радиоустройств с одинаковыми каскадами. Возможность изменения величины эквивалентного сопротивления источника сигнала и нагрузки путем включения произвольного количества каскадов типа КЧ‑НЧ значительно упрощает решение многих задач радиоэлектроники, например, задач обеспечения однонаправленности распространения сигнала и независимости процессов, происходящих в предыдущем и последующем динамических звеньях систем автоматического регулирования [12]. Использование полученных математических моделей одного из КЧ (32)–(44) совместно с известными численными методами позволяет уменьшить время оптимизации по критерию обеспечения максимально-возможной рабочей полосы частот радиоустройств с неодинаковыми каскадами в десятки и сотни раз по сравнению с применением только численных методов.
Об авторах
Александр Афанасьевич Головков
Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия»
Автор, ответственный за переписку.
Email: valgol2595@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-8468-0055
доктор технических наук, профессор, заслуженный изобретатель РФ, профессор кафедры авиационных систем и комплексов радионавигации и радиосвязи Военного учебно-научного центра
Россия, 394064, Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54аСписок литературы
- Головков А.А., Волобуев А.Г. Алгоритмы синтеза и анализа активных плоско-слоистых сред отражательного и смешанного типов // Физика волновых процессов и радиотехнические сигналы. 2003. Т. 6, № 2. С. 39–43.
- Головков А.А., Головков В.А. Принципы построения и основные характеристики перспективной курсо-глиссадной системы // Физика волновых процессов и радиотехнические сигналы. 2022. Т. 25, № 1. С. 27–35. DOI: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2022.25.1.27-35
- Головков А.А., Фомин А.В. Параметрический синтез радиоустройств с заданным количеством одинаковых каскадов для вариантов включения реактивных четырехполюсников между источником сигнала и нелинейной частью // Физика волновых процессов и радиотехнические сигналы. 2021. Т. 24, № 3. С. 46–55. DOI: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2021.24.3.46-55
- Головков А.А., Головков В.А., Фомин А.В. Параметрический синтез радиоустройств с заданным количеством неодинаковых каскадов для вариантов включения реактивных четырехполюсников между нелинейной частью и нагрузкой // Физика волновых процессов и радиотехнические сигналы. 2021. Т. 24, № 3. С. 63–70. DOI: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2021.24.3.63-70
- Головков А.А., Головков В.А. Алгоритм параметрического синтеза каскадно-включенных согласующих смешанных четырехполюсников по критерию обеспечения стационарного режима генерации // Физика волновых процессов и радиотехнические сигналы. 2022. Т. 25, № 1. С. 45–54. DOI: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2022.25.1.45-54
- Головков А.А., Головков В.А. Параметрический синтез динамических звеньев для вариантов их включения между нелинейной частью и нагрузкой автоматических систем радиоуправления с общей обратной связью // Физика волновых процессов и радиотехнические сигналы. 2022. Т. 25, № 2. С. 40–50. DOI: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2022.25.2.40-50
- Головков А.А., Головков В.А. Параметрический синтез комплексных четырехполюсников для вариантов их включения между источником сигнала и нелинейной частью по критерию обеспечения заданных частотных характеристик усилителей с общей обратной связью // Физика волновых процессов и радиотехнические сигналы. 2022. Т. 25, № 2. С. 51–59. DOI: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2022.25.2.51-59
- Табаков Д.П., Морозов С.В., Клюев Д.С. Применение тонкопроволочного интегрального представления электромагнитного поля к решению задач дифракции электромагнитных волн на проводящих телах // Физика волновых процессов и радиотехнические сигналы. 2022. Т. 25, № 2. С. 7–14. DOI: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2022.25.2.7-14
- Головков А.А., Головков В.А. Параметрический синтез радиотехнических устройств и систем. Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА», 2018. 588 с.
- Полак Э. Численные методы оптимизации. М.: Мир, 1974. 376 с.
- Разевиг В.Д. Схемотехническое моделирование с помощью MicroCap-7. М.: Горячая линия – Телеком, 2003. 268 с.
- Справочник по радиоэлектронике: в 3-х томах / под ред. А.А. Куликовского. М.: Энергия, 1970. Т. 3. 413 с.
Дополнительные файлы
![](/img/style/loading.gif)