eng
Выпуск #7/2006
А.Титов.
Сверхширокополосные радиосистемы: как расширить полосы рабочих частот.
Сверхширокополосные радиосистемы: как расширить полосы рабочих частот.
Просмотры: 3133
Сверхширокополосные (СШП) радиосистемы, передающие информацию по эфиру в цифровом коде с помощью сверхкоротких импульсов, обладают рядом бесспорных преимуществ по сравнению с традиционными узкополосными радиосистемами. В первую очередь это простота согласования цифровых систем с компьютером. Данное направление радиосвязи весьма перспективно. Однако его развитие тормозится отсутствием СШП-антенн, способных эффективно работать в полосе частот от 1 Гц до десятков ГГц. В статье теоретически обоснована возможность построения СШП-радиосистемы по двухканальной схеме с частотным разделением сигналов.
Традиционные узкополосные радиосистемы, использующие в качестве несущего колебания гармонические сигналы, практически исчерпали свои возможности [1, 2, 3]. Сейчас активно разрабатываются СШП-радиосистемы – информация в них передается при непосредственном излучении цифровых сигналов. Сигналы представляют собой последовательность импульсов различной длительности и скважности.
Преимущества СШП-радиосистем по сравнению с узкополосными радиосистемами значительны [1, 3]. С их помощью можно повысить точность измерения расстояния до цели, скрытность работы и помехоустойчивость в системах радиолокации и радиосвязи. Также увеличивается скорость передачи информации при снижении плотности потока средней мощности. Кроме того, упрощается конструкция СШП-системы, что облегчает прямое согласование со средствами вычислительной техники.
Спектр цифровых сигналов СШП-радиосистем может занимать область частот от единиц герц до нескольких гигагерц [3]. Поэтому основным качественным параметром этих радиосистем является Kf – коэффициент перекрытия рабочих частот (КПРЧ). Значение Kf определяется отношением верхней граничной частоты fв системы к нижней граничной частоте fн (Kf = fв / fн) [1]. Увеличение КПРЧ в СШП-радиосистемах на основе одноканальной структуры затрудняется, поскольку сложно создать СШП-антенну с приемлемым значением коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН), равным 3–4 [4, 5].
Сходная проблема возникает при создании усилителей импульсов неограниченной длительности с пикосекундными фронтами [6, 7]. В усилителях на основе одноканальной структуры невозможно объединить достоинства схемных решений, которые применяются в усилителях постоянного тока и усилителях СВЧ. Поэтому в теории усилителей задача неискаженного усиления импульсов неограниченной длительности с пикосекундными фронтами решается с помощью двухканальных и многоканальных структур с частотным разделением каналов [8, 9, 10].
Многократно увеличить КПРЧ СШП-радиосистем можно, реализуя их в двухканальной структуре с частотным разделением каналов и применяя частотно-разделительные цепи.
Двухканальные импульсные усилители
Рассмотрим простейший вариант построения двухканального импульсного усилителя с частотным разделением каналов. Функциональная схема усилителя приведена на рис.1 [6], где S – делитель мощности с развязанными выходами; УВЧ – усилитель верхних частот; УНЧ – усилитель нижних частот; Ег – генератор усиливаемого сигнала с выходным сопротивлением, равным Rг; Rн – сопротивление нагрузки; С1, L1 – элементы выходной частотно-разделительной цепи.
Известные методы построения устройств сложения и деления мощности с развязанными выходами с диапазоном частот от 10–20 кГц до 1–2 ГГц, не позволяют реализовать их КПРЧ более 103–104 [11]. Поэтому для построения усилителей импульсов неограниченной длительности с пикосекундными фронтами используется функциональная схема, приведенная на рис. 2 [12].
С помощью этой схемы можно:
· минимизировать взаимное перекрытие рабочих частот канальных усилителей;
· корректировать искажения формы импульсного сигнала, которые обусловлены двухканальной структурой усилителя;
· создавать усилители с нижней граничной частотой, равной нулю, и верхней граничной частотой в диапазоне нескольких гигагерц (т. е. с Kf, равным бесконечности) [12].
Дополнительная коррекция искажений формы импульсного сигнала проводится элементами L1, C2, R2. Эти элементы являются полосно-пропускающими фильтрами, которые состоят из L1 и C2 , соединенных параллельно и нагруженных на резистор R2. Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики двухканального усилителя и полосно-пропускающего фильтра зеркальны относительно оси частот. Поэтому их совместное использование взаимно компенсирует амплитудно-частотные и фазочастотные искажения [8]. В соответствии с работой [13], элементы схемы, приведенной на рис. 2, связаны соотношениями: С1 = С2 = С3; L1 = L2; R2 = 0,5·Rг.
Реализация двухканальной системы радиосвязи
КПРЧ современных антенн с величиной КСВН, допускающей их применение в СШП-радиосистемах, не превышает 10–20 [4, 5]. Построим двухканальную систему радиосвязи с частотным разделением каналов на основе схемы двухканального импульсного усилителя (см. рис.1), в котором между выходами канальных усилителей и элементами выходной частотно-разделительной цепи располагаются передающие и приемные антенны. Получаем схему (рис.3) [14], где в качестве нагрузки Rн выступает вход радиоприемного устройства.
Для получения максимального КПРЧ необходимо, чтобы fн передающей антенны ВЧ-канала (антенна А1) равнялась fв передающей антенны НЧ канала (антенна А2). Кроме того, нужно, чтобы полосы рабочих частот передающей и приемной антенны каждого из каналов совпадали.
Нормированную передаточную характеристику в системе радиосвязи относительно волнового сопротивления антенно-фидерного тракта и частоты стыковки частотно-разделительной цепи можно описать дробно-рациональной функцией комплексного переменного (при условии, что элементы системы идеальны) [6]:
...
где p = jW; W = w/2pfст – нормированная частота; w– текущая круговая частота; fст – частота стыковки частотно-разделительной цепи, образованной конденсатором С1 и катушкой индуктивности L1; а1 = 2C1н; а2 = L1нC1н; b1 = 1,5C1н+0,5L1н;
b2 = L1нC1н; W – волновое сопротивление антенно-фидерного тракта системы радиосвязи; C1н = C1W2pfст – нормированное относительно W и fст значение емкости конденсатора C1; L1н = L12pfст/ W– нормированное относительно W и fст значение индуктивности катушки L1.
Известно [15], что переходная характеристика устройства не будет иметь искажений, если его амплитудно-частотная характеристика равномерна, а фазочастотная характеристика линейна. Соответственно, должны выполняться равенства: а1 = b1; а2 = b2. Дополняя их требованием, предъявляемым к частотно-разделительным цепям [16] L1н·C1н = 1, из системы уравнений
...
получаем условие, при котором отсутствуют искажения амплитудно-частотной и переходной характеристик идеальной системы радиосвязи:
...
В этом случае полоса рабочих частот системы радиосвязи будет равна сумме полос рабочих частот первой А1 и второй А2 передающих антенн. Ее фазовая характеристика останется линейной в полосе рабочих частот. Таким образом, при передаче цифровых сигналов характеристики двухканальной системы (рис.3) будут соответствовать характеристикам одноканальной системы с расширенной полосой рабочих частот.
Рассчитаем форму сигнала на нагрузке для трех случаев работы двухканальной системы радиосвязи (см. рис.3): отключение ВЧ-канала, отключение НЧ-канала и при одновременной работе двух каналов. Условие расчетов: на вход делителя мощности S от генератора сигнала Ег подается идеальный прямоугольный импульс длительностью 30 нс, а для передающих А1, А2 и приемных А3, А4 антенн Kf = 15 .
На рис.4 представлена расчетная форма сигнала на нагрузке Rн при отключенных антеннах А1 и А3 (т.е. при отсутствии ВЧ-канала радиосвязи).
Рис.5 содержит расчетную форму сигнала на нагрузке Rн при отключенных антеннах А2 и А4 ,т.е. при отсутствии НЧ-канала радиосвязи.
На рис.6 приведена расчетная форма сигнала на нагрузке Rн при включении всех антенн системы радиосвязи (т.е. при одновременной работе НЧ- и ВЧ-каналов).
Очевидно, что форма сигнала на выходе при одновременной работе НЧ- и ВЧ-каналов (рис.6) наиболее соответствует форме идеального входного прямоугольного импульса длительностью 30 нс.
Коррекцию искажений импульсного сигнала, которые возникают вследствие "не-идеальности" антенн двухканальной системы радиосвязи, проводят с использованием тех же элементов, что и в схеме на рис.2. В результате приходим к схеме, представленной на рис. 7.
Мы дали теоретическое обоснование возможности реализации СШП-радиосистем по двухканальной структуре с частотным разделением каналов и с корректором на основе частотно-разделительных цепей. Это открывает путь к созданию СШП-радиосистем с КПРЧ, который достигает значений 100–200 [14].
Литература
1. Иммореев И.Я. Сверхширокополосные радиосистемы. – Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике: Сборник докладов Всероссийской научной конференции. Муром, 1-3 июля 2003 г. – Муром: Полиграфический центр МИВлГУ, 2003.
2. Брызгалов А.П. Применение сверхширокополосных сигналов большой длительности в связи и локации. – В кн.: Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике: Сборник докладов Всероссийской научной конференции. Муром, 1-3 июля 2003 г. – Муром: Полиграфический центр МИВлГУ, 2003.
3. Сперанский В.С., Косичкина Т.П. Формирование и обработка сверхширокополосных квадратурных сигналов. – Электросвязь, 2004, – №2.
4. Андреев Ю.А., Буянов Ю.И., Кошелев В.И., Плиско В.В. Сверхширокополосные комбинированные антенны и решетки. – В кн.: Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике: Сборник докладов Всероссийской научной конференции. Муром,
1–3 июля 2003 г. – Муром: Полиграфический центр МИВлГУ, 2003.
5. Вершинин И.М., Малютин Н.Д. Широкополосные вибраторно-щелевые антенны. – В кн.: Проблемы современной радиоэлектроники и систем управления: Материалы Всероссийской научно-практической конференции. Томск, 2-4 октября 2002 г. – Томск:
Изд-во "ТУСУР", 2002.
6. Титов А.А. Расчет частотно-разделительных цепей многоканальных импульсных усилителей. – Радиотехника, 2002, № 10.
7. Титов А.А., Ильюшенко В.Н. Повышение выходной мощности усилителей пикосекундных импульсов неограниченной длительности. – В кн.: Научная сессия
МИФИ-2003: Сборник научных трудов в 14 томах. –
М.: Изд-во МИФИ, том 1, 2003.
8. Титов А.А., Ильюшенко В.Н. Обработка и формирование импульсных сигналов в радиотехнических системах на основе многоканальных структур с частотным разделением каналов. – В кн.: Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (№ 2). – Томск: Изд-во "ТУСУР", 2004.
9. Титов А.А., Ильюшенко В.Н. Импульсный усилитель. Свидетельство на полезную модель № 34828 Российского агентства по патентам и товарным знакам. / Опубл. 10.12.2003. Бюл. №34.
10. Титов А.А., Ильюшенко В.Н. Широкополосный усилитель. Патент на изобретение № 2246173 Российского агентства по патентам и товарным знакам. / Опубл. 10.02.2005, Бюл. № 4.
11. Шахгильдян В.В., Козырев В.Б., Ляховкин А.А. и др. Радиопередающие устройства / Под ред. В.В. Шахгильдяна. – М.: Радио и связь, 2003.
12. Обихвостов В.Д., Титов А.А., Ильюшенко В.Н., Авдоченко Б.И. Пикосекундный усилитель постоянного тока. // Приборы и техника эксперимента, 2003, №1.
13. Титов А.А. Транзисторные усилители мощности МВ и ДМВ. - М.: СОЛОН-Пресс, 2006.
14. Титов А.А., Ильюшенко В.Н. Заявка на изобретение
№ 004123723/09 Российского агентства по патентам и товарным знакам от 27.01.2006. Система связи.
15. Агаханян Т.М. Линейные импульсные усилители. –
М.: Связь, 1970.
16. Алексеев О.В., Грошев Г.А., Чавка Г.Г. Многоканальные частотно-разделительные устройства и их применение. – М.: Радио и связь, 1981.
Преимущества СШП-радиосистем по сравнению с узкополосными радиосистемами значительны [1, 3]. С их помощью можно повысить точность измерения расстояния до цели, скрытность работы и помехоустойчивость в системах радиолокации и радиосвязи. Также увеличивается скорость передачи информации при снижении плотности потока средней мощности. Кроме того, упрощается конструкция СШП-системы, что облегчает прямое согласование со средствами вычислительной техники.
Спектр цифровых сигналов СШП-радиосистем может занимать область частот от единиц герц до нескольких гигагерц [3]. Поэтому основным качественным параметром этих радиосистем является Kf – коэффициент перекрытия рабочих частот (КПРЧ). Значение Kf определяется отношением верхней граничной частоты fв системы к нижней граничной частоте fн (Kf = fв / fн) [1]. Увеличение КПРЧ в СШП-радиосистемах на основе одноканальной структуры затрудняется, поскольку сложно создать СШП-антенну с приемлемым значением коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН), равным 3–4 [4, 5].
Сходная проблема возникает при создании усилителей импульсов неограниченной длительности с пикосекундными фронтами [6, 7]. В усилителях на основе одноканальной структуры невозможно объединить достоинства схемных решений, которые применяются в усилителях постоянного тока и усилителях СВЧ. Поэтому в теории усилителей задача неискаженного усиления импульсов неограниченной длительности с пикосекундными фронтами решается с помощью двухканальных и многоканальных структур с частотным разделением каналов [8, 9, 10].
Многократно увеличить КПРЧ СШП-радиосистем можно, реализуя их в двухканальной структуре с частотным разделением каналов и применяя частотно-разделительные цепи.
Двухканальные импульсные усилители
Рассмотрим простейший вариант построения двухканального импульсного усилителя с частотным разделением каналов. Функциональная схема усилителя приведена на рис.1 [6], где S – делитель мощности с развязанными выходами; УВЧ – усилитель верхних частот; УНЧ – усилитель нижних частот; Ег – генератор усиливаемого сигнала с выходным сопротивлением, равным Rг; Rн – сопротивление нагрузки; С1, L1 – элементы выходной частотно-разделительной цепи.
Известные методы построения устройств сложения и деления мощности с развязанными выходами с диапазоном частот от 10–20 кГц до 1–2 ГГц, не позволяют реализовать их КПРЧ более 103–104 [11]. Поэтому для построения усилителей импульсов неограниченной длительности с пикосекундными фронтами используется функциональная схема, приведенная на рис. 2 [12].
С помощью этой схемы можно:
· минимизировать взаимное перекрытие рабочих частот канальных усилителей;
· корректировать искажения формы импульсного сигнала, которые обусловлены двухканальной структурой усилителя;
· создавать усилители с нижней граничной частотой, равной нулю, и верхней граничной частотой в диапазоне нескольких гигагерц (т. е. с Kf, равным бесконечности) [12].
Дополнительная коррекция искажений формы импульсного сигнала проводится элементами L1, C2, R2. Эти элементы являются полосно-пропускающими фильтрами, которые состоят из L1 и C2 , соединенных параллельно и нагруженных на резистор R2. Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики двухканального усилителя и полосно-пропускающего фильтра зеркальны относительно оси частот. Поэтому их совместное использование взаимно компенсирует амплитудно-частотные и фазочастотные искажения [8]. В соответствии с работой [13], элементы схемы, приведенной на рис. 2, связаны соотношениями: С1 = С2 = С3; L1 = L2; R2 = 0,5·Rг.
Реализация двухканальной системы радиосвязи
КПРЧ современных антенн с величиной КСВН, допускающей их применение в СШП-радиосистемах, не превышает 10–20 [4, 5]. Построим двухканальную систему радиосвязи с частотным разделением каналов на основе схемы двухканального импульсного усилителя (см. рис.1), в котором между выходами канальных усилителей и элементами выходной частотно-разделительной цепи располагаются передающие и приемные антенны. Получаем схему (рис.3) [14], где в качестве нагрузки Rн выступает вход радиоприемного устройства.
Для получения максимального КПРЧ необходимо, чтобы fн передающей антенны ВЧ-канала (антенна А1) равнялась fв передающей антенны НЧ канала (антенна А2). Кроме того, нужно, чтобы полосы рабочих частот передающей и приемной антенны каждого из каналов совпадали.
Нормированную передаточную характеристику в системе радиосвязи относительно волнового сопротивления антенно-фидерного тракта и частоты стыковки частотно-разделительной цепи можно описать дробно-рациональной функцией комплексного переменного (при условии, что элементы системы идеальны) [6]:
...
где p = jW; W = w/2pfст – нормированная частота; w– текущая круговая частота; fст – частота стыковки частотно-разделительной цепи, образованной конденсатором С1 и катушкой индуктивности L1; а1 = 2C1н; а2 = L1нC1н; b1 = 1,5C1н+0,5L1н;
b2 = L1нC1н; W – волновое сопротивление антенно-фидерного тракта системы радиосвязи; C1н = C1W2pfст – нормированное относительно W и fст значение емкости конденсатора C1; L1н = L12pfст/ W– нормированное относительно W и fст значение индуктивности катушки L1.
Известно [15], что переходная характеристика устройства не будет иметь искажений, если его амплитудно-частотная характеристика равномерна, а фазочастотная характеристика линейна. Соответственно, должны выполняться равенства: а1 = b1; а2 = b2. Дополняя их требованием, предъявляемым к частотно-разделительным цепям [16] L1н·C1н = 1, из системы уравнений
...
получаем условие, при котором отсутствуют искажения амплитудно-частотной и переходной характеристик идеальной системы радиосвязи:
...
В этом случае полоса рабочих частот системы радиосвязи будет равна сумме полос рабочих частот первой А1 и второй А2 передающих антенн. Ее фазовая характеристика останется линейной в полосе рабочих частот. Таким образом, при передаче цифровых сигналов характеристики двухканальной системы (рис.3) будут соответствовать характеристикам одноканальной системы с расширенной полосой рабочих частот.
Рассчитаем форму сигнала на нагрузке для трех случаев работы двухканальной системы радиосвязи (см. рис.3): отключение ВЧ-канала, отключение НЧ-канала и при одновременной работе двух каналов. Условие расчетов: на вход делителя мощности S от генератора сигнала Ег подается идеальный прямоугольный импульс длительностью 30 нс, а для передающих А1, А2 и приемных А3, А4 антенн Kf = 15 .
На рис.4 представлена расчетная форма сигнала на нагрузке Rн при отключенных антеннах А1 и А3 (т.е. при отсутствии ВЧ-канала радиосвязи).
Рис.5 содержит расчетную форму сигнала на нагрузке Rн при отключенных антеннах А2 и А4 ,т.е. при отсутствии НЧ-канала радиосвязи.
На рис.6 приведена расчетная форма сигнала на нагрузке Rн при включении всех антенн системы радиосвязи (т.е. при одновременной работе НЧ- и ВЧ-каналов).
Очевидно, что форма сигнала на выходе при одновременной работе НЧ- и ВЧ-каналов (рис.6) наиболее соответствует форме идеального входного прямоугольного импульса длительностью 30 нс.
Коррекцию искажений импульсного сигнала, которые возникают вследствие "не-идеальности" антенн двухканальной системы радиосвязи, проводят с использованием тех же элементов, что и в схеме на рис.2. В результате приходим к схеме, представленной на рис. 7.
Мы дали теоретическое обоснование возможности реализации СШП-радиосистем по двухканальной структуре с частотным разделением каналов и с корректором на основе частотно-разделительных цепей. Это открывает путь к созданию СШП-радиосистем с КПРЧ, который достигает значений 100–200 [14].
Литература
1. Иммореев И.Я. Сверхширокополосные радиосистемы. – Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике: Сборник докладов Всероссийской научной конференции. Муром, 1-3 июля 2003 г. – Муром: Полиграфический центр МИВлГУ, 2003.
2. Брызгалов А.П. Применение сверхширокополосных сигналов большой длительности в связи и локации. – В кн.: Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике: Сборник докладов Всероссийской научной конференции. Муром, 1-3 июля 2003 г. – Муром: Полиграфический центр МИВлГУ, 2003.
3. Сперанский В.С., Косичкина Т.П. Формирование и обработка сверхширокополосных квадратурных сигналов. – Электросвязь, 2004, – №2.
4. Андреев Ю.А., Буянов Ю.И., Кошелев В.И., Плиско В.В. Сверхширокополосные комбинированные антенны и решетки. – В кн.: Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике: Сборник докладов Всероссийской научной конференции. Муром,
1–3 июля 2003 г. – Муром: Полиграфический центр МИВлГУ, 2003.
5. Вершинин И.М., Малютин Н.Д. Широкополосные вибраторно-щелевые антенны. – В кн.: Проблемы современной радиоэлектроники и систем управления: Материалы Всероссийской научно-практической конференции. Томск, 2-4 октября 2002 г. – Томск:
Изд-во "ТУСУР", 2002.
6. Титов А.А. Расчет частотно-разделительных цепей многоканальных импульсных усилителей. – Радиотехника, 2002, № 10.
7. Титов А.А., Ильюшенко В.Н. Повышение выходной мощности усилителей пикосекундных импульсов неограниченной длительности. – В кн.: Научная сессия
МИФИ-2003: Сборник научных трудов в 14 томах. –
М.: Изд-во МИФИ, том 1, 2003.
8. Титов А.А., Ильюшенко В.Н. Обработка и формирование импульсных сигналов в радиотехнических системах на основе многоканальных структур с частотным разделением каналов. – В кн.: Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (№ 2). – Томск: Изд-во "ТУСУР", 2004.
9. Титов А.А., Ильюшенко В.Н. Импульсный усилитель. Свидетельство на полезную модель № 34828 Российского агентства по патентам и товарным знакам. / Опубл. 10.12.2003. Бюл. №34.
10. Титов А.А., Ильюшенко В.Н. Широкополосный усилитель. Патент на изобретение № 2246173 Российского агентства по патентам и товарным знакам. / Опубл. 10.02.2005, Бюл. № 4.
11. Шахгильдян В.В., Козырев В.Б., Ляховкин А.А. и др. Радиопередающие устройства / Под ред. В.В. Шахгильдяна. – М.: Радио и связь, 2003.
12. Обихвостов В.Д., Титов А.А., Ильюшенко В.Н., Авдоченко Б.И. Пикосекундный усилитель постоянного тока. // Приборы и техника эксперимента, 2003, №1.
13. Титов А.А. Транзисторные усилители мощности МВ и ДМВ. - М.: СОЛОН-Пресс, 2006.
14. Титов А.А., Ильюшенко В.Н. Заявка на изобретение
№ 004123723/09 Российского агентства по патентам и товарным знакам от 27.01.2006. Система связи.
15. Агаханян Т.М. Линейные импульсные усилители. –
М.: Связь, 1970.
16. Алексеев О.В., Грошев Г.А., Чавка Г.Г. Многоканальные частотно-разделительные устройства и их применение. – М.: Радио и связь, 1981.
Отзывы читателей
