Программа оптимизации преобразователя

История создания программы

С недавнего времени резко увеличилась загруженность практически всего радиочастотного диапазона начиная с единиц мегагерц и кончая 1 -1.5 гигогерцами . Возросло количество разного рода нежелательных источников электромагнитного излучения, таких как всевозможные телефонные радио удлинители, бытовые радиотелефоны, радиостанции CB гражданской радиосвязи, всевозможные устройства охранной сигнализации и средства подвижной УКВ радиосвязи , применяемые различными организациями. Необходимо отметить и возросшее количество коммерческих УКВ ЧМ радиостанций , вещающих в режиме широкополосной частотной модуляции. В большинстве случаев уровень внеполосных излучений подобных устройств не соответствуют стандартам , принятым на территории Российской Федерации.

Причин тому несколько, отметим лишь две основных:

1. Это несоответствие качественных показателей выходной колебательной системы усилителя мощности высокой частоты и реальной выходной мощности передатчика.

2. Отсутствие согласования выходного каскада усилителя мощности высокой частоты и антенно-фидерного тракта передатчика.

Разберем подробней обе причины возникновения нежелательных продуктов излучения. В первом случае из -за низкого коэффициента фильтрации выходной колебательной системы усилителя (ВКС) высшие гармоники полезного сигнала проникают в антенно-фидерный тракт и излучаются антенной. Причем максимальную амплитуду имеет вторая гармоника, имеющая частоту 2Fсиг.. Во втором случае из-за отсутствия согласования между ВКС, линией передачи и антеннойї в линии передачи возникают стоячие волны, что ведет к потере мощности излучения, перегреву выходного каскада усилителя мощности и повышению уровня внеполосных излучений передатчика.

Все эти явления, а также перегруженность радиодиапазона <чистыми> радиосигналами не может не сказаться на качестве приема сигналов, имеющих низкую напряженность поля в точке приема. Особенно большие проблемы возникают при применении радиоприемников , имеющих низкий динамический диапазон. Такие явления, как блокирование и интермодуляция сводят практически на нет вероятность правильного приема сообщения при слабом полезном сигнале и большом уровне помех на входе радиоприемного устройства.

Решением является улучшение качественных показателей входных трактов приемника вплоть до фильтра первой промежуточной частоты. В первую очередь это сужение полосы пропускания преселектора до минимально необходимой и применение в качестве усилительных приборов полевых транзисторов, имеющих большой линейный участок на характеристике крутизны.

Построение преселекторов с узкой полосой пропускания до частот 25 -30 МГц не представляет больших трудностей. Это связано прежде всего с большой конструктивной добротностью катушек индуктивности , применяемых в селективных цепях преселектора. При применении тороидальных катушек с сердечником, изготовленным из высококачественного феррита, конструктивная добротность может находиться в пределах 300 -400. Полоса пропускания по уровню 0.707(-3Дб) ненагруженного контура, например на частоте 7МГц, при применении такой катушки будет равна:

// здесь должна быть формула, HTML не поддерживает такой формат, ответ 20 Кгц

В этот частотный участок радиодиапазона при применении однополосной модуляции с верхней частотой модуляции 3КГц может поместится 5 - 6 радиоканалов. По другому обстоит дело на частотах УКВ диапазона. Так на частоте 150 МГц обычная катушка индуктивности редко имеет конструктивную добротность превышающую 100 - 120. Полоса пропускания одиночного ненагруженного колебательного контура на частоте 150 МГц будет равна:

// здесь должна быть формула, HTML не поддерживает такой формат, ответ 1.36МГц.

В такой частотный участок может уместиться более двухсот (!!!) радиоканалов при применении узкополосной частотной модуляции с девиацией частоты 3КГц. Решением задачи является применение в селективных цепях радиоприемного устройства спиральных резонаторов, имеющих конструктивную добротность от 500 -600ї до несколько тысяч. Применение многорезонаторных фильтров позволяет получить хорошую прямоугольность АЧХ фильтра при незначительных потерях и большое подавление в полосе задерживания. Однако, из за больших массогабаритных показателей фильтров построение преселектора на основе спиральных резонаторов в мобильных и переносных радиостанциях не представляется возможным.

Таким образом, для улучшения динамического диапазона приемника остается увеличивать линейность радиочастотного тракта, включая смеситель , за счет применения полевых транзисторов и оптимизации их режима по постоянному и переменному току. Данная программа была создана с целью упростить оптимизацию высоко линейных каскадов усилителей высокой частоты, а также для расчета режимов преобразователей, имеющих большой динамический диапазон. В основе алгоритма работы программы лежит расчет крутизны преобразования методом "Пяти ординат" при аппроксимации проходной характеристики прибора степенным полиномом.

Как работает программа

Программа оптимизации преобразователя OPTY V2.1 предназначена для оптимизации преобразователя радиочастоты и оценки нелинейности проходной характеристики усилительного прибора. В качестве активного элемента может выступать как биполярный транзистор, так и полевой транзистор любого типа. Процесс оптимизации преобразователя представляет собой нахождение мах функции двух переменных, одной из которых является постоянное смещение на вольтамперной характеристике транзистора, другой - амплитуда напряжения гетеродина. Оптимизация считается законченной при достижении наибольшего значения крутизны преобразования, которая рассчитывается методом пяти ординат. Причем, на характеристике крутизны прибора выбирается линейный участок, исключающий режим преобразования с отсечкой, который заполняет результирующий выходной сигнал нежелательными комбинационными составляющими и в целом снижает качественные показатели преобразователя. Кроме этого программа находит в десяти равноудаленных друг от друга точках интервала аппроксимации значения производных вольтамперной характеристики и их отношения. Эти значения могут пригодиться для оценки и расчета, вносимых разного рода нелинейных искажений в усиливаемый сигналї (при применении транзистора в качестве усилителя радиочастоты), а также для расчета по постоянной составляющей систем АРУ.

Алгоритм работы программы основана на аппроксимации вольтамперной характеристики транзистора с помощью степенного полинома и нахождении крутизны преобразования методом пяти ординат. Аппроксимация вводимой функции производится методом наименьших квадратов и, следовательно, при вводе проходной характеристики транзистора необходимо учитывать, что вводимое значение напряжения надо брать с неизменным приращением, так как этого требуетї данный метод аппроксимации. Количество вводимых точек нецелесообразно брать больше 8 - 9, потому что это значительно увеличивает время расчета и в большинстве случаевї точность полученных результатов при большом количестве точек напрямую зависит от погрешности вводимых значений. ї

Необходимо отметить, что для каждого конкретного прибора нужно снять отдельно значения проходной характеристики на лабораторном макете, так как даже небольшие отклонения параметров транзистора могут вызвать неточность в расчетах.

Отличия от предыдущих версий

Главные отличия версии 2.1 от версии 1.4:

1.Коренным образом изменен алгоритм работы математического модуля программы. За счет много потоковой, параллельной обработки массивов данных значительно увеличена скорость работы (примерно в 3.5 раз).

2. Существенно возросла точность расчетов, в первую очередь из- за увеличения разрядности чисел (добавлено 6 разрядов при длинных циклах).

3. Для экономии ресурсов системы мультимедийный модуль переписан и работает исключительно через интерфейс API.

4. Применен контроль и управление за приоритетами потоков при математических вычислениях в зависимости от текущего алгоритма оптимизации.