Сайт ДонНТУ Портал Магистров ДонНТУ English Русский Українська
Библиотека
Биография
Ссылки
Отчёт о поиске
Индивидуальное задание
Магистр ДонНТУ Кусов Руслан Сергеевич

Кусов Руслан Сергеевич

Факультет компьютерных информационных технологий и автоматики

Кафедра автоматики и телекоммуникаций

Специальность: Телекоммуникационные системы и сети

Тема магистерской работы:

«Исследование и разработка тракта передачи радиоканального доступа современных телекоммуникационных сетей на основе широкополосной беспроводной технологии WiMAX»

Научный руководитель:
профессор Воронцов Александр Григорьевич


Автореферат по теме магистерской работы

Введение

В настоящее время телекоммуникационные сети, использующие радиоканал в качестве средства доступа конечного пользователя к сетевым услугам, переживают этап бурного развития и повсеместного распространения. В постоянной динамике находятся процессы разработки, совершенствования и внедрения разнообразных беспроводных технологий. Это в свою очередь оказывает существенное воздействие и на оборудование абонентских терминалов. Современные пользовательские средства уже не ограничиваются ориентацией лишь на одну технологию, а представляют собой многофункциональные модули, обеспечивающие доступ пользователя к полному спектру услуг: передаче данных, голоса и видео. Всё чаще звучат слова: мультисервисность, конвергенция, многофункциональность. Данные обстоятельства определяют вектор развития телекоммуникационных технологий в ближайших перспективах.

Вместе с улучшением качества и увеличением количества предоставляемых сервисов появляются новые препятствия дальнейшего развития всех без исключения беспроводных технологий. Из основных проблем можно выделить следующие:

1) Чрезмерное «загрязнение» частотного ресурса в определённых диапазонах. Как следствие – стремительный рост проблем электромагнитной совместимости оборудования, рост числа и уровня взаимных помех, а, следовательно, ухудшение качества и параметров принимаемых сигналов.

2) Повсеместное внедрение и рост конкуренции среди производителей диктует новые требования непосредственно к параметрам приёмо-передающего оборудования. Простота реализации должна позволить выпускать устройства массово, как говориться «поставить производство на конвейер». В то же время, совершенствование оборудования должно сопровождаться его удешевлением с целью доступности наибольшему числу конечных пользователей.

Именно поэтому всем без исключения производителям оборудования всё чаще приходиться искать новые методы для решения вышеперечисленных проблем.

Анализ структуры трактов приёма-передачи и обработки информации современных радиотехнических систем позволяет выделить их основные элементы – усилители радиочастотных сигналов. По оценкам аналитиков компаний IDC и Strategy Analytics, мировой выпуск мобильных телефонов за 2007 превысил планку в 1 млрд. штук. А если учесть, что в каждом сотовом телефоне используется два-три усилителя, то объём производства усилителей превышает 2,5 млрд. штук. И это лишь для стандарта GSM. Перспективной же областью применения усилителей радиочастотных сигналов являются системы связи стандарта IEEE 802.16 – WiMAX. Этот стандарт стремительно развивается во всём мире, производителями оборудования для WiMAX являются более 200 компаний с мировым именем, объединяющихся в WiMAX-forum. Важнейшей особенностью технологии WiMAX является требование высокой линейности и КПД усилительных каскадов. Особое внимание оказывают усилителям передающего тракта, в связи с более жёсткими требованиями к ним со стороны современных систем связи.

Современный этап развития беспроводных телекоммуникационных технологий требует контроля излучаемой мощности передатчика и управления ею. Это важно как для оборудования базовых станций, так и для мобильных терминалов стандарта WiMAX, который предусматривает динамическое управление модуляцией, выходной мощностью и шириной синтезированного широкополосного канала в пределах 1,5-20 МГц в зависимости от условий среды передачи сигналов. Существующие сегодня решения, основанные, например, на технологии логарифмических усилителей (ЛУ) [1], позволяют лишь ограничивать мощность радиочастотного сигнала, а не динамически управлять ею. Таким образом, возникает проблема отсутствия универсального решения для одновременного управления выходной мощностью усилителя и полосой канала связи.

Цель работы

На основании сказанного, можно сформулировать цель дальнейшего исследования, как повышение функциональности усилителей мощности передающего тракта беспроводных сетей WiMAX за счёт реализации в алгоритме управления ими совместного управления уровнем выходной мощности и полосой пропускания, в зависимости от требуемых характеристик качества.

Основные задачи магистерской работы

Разработка и моделирование усилителей передающего тракта радиосистем доступа. Конкретизируя задачи проекта можно выделить следующие подзадачи:

  • обоснование возможности использования каскадов с общей базой в схемах радиочастотных усилителей стандарта IEEE 802.16;

  • построение и моделирование относительно узко полосных усилительных каскадов, предназначенных для использования в диапазоне 2,4-2,483 ГГц, с возможностью эффективного управления шириной рабочей полосы с целью достижения каскадом необходимых рабочих параметров;

  • предложения относительно оптимизации характеристик усилительного каскада за счет управления параметрами цепей согласования и введения негативной обратной связи и реализации в алгоритме управления усилителем совместного управления уровнем выходной мощности и полосой пропускания.

  • Объект исследования

    Усилитель мощности, как составная часть тракта передачи радиоканального доступа современных телекоммуникационных сетей на основе широкополосной беспроводной технологии WiMAX.

    Предмет исследования

    Исследование современных способов управления выходной мощностью сигнала и шириной синтезированного широкополосного канала при ограничениях на линейность характеристик и устойчивость усилительного каскада.

    Актуальность исследования и предполагаемая научная новизна

    Большинство современных решений, в том числе и ЛУ, ориентируются на довольно сложные, с точки зрения практической реализации, и унифицированные методы. Подход одновременного регулирования шириной полосы и коэффициентом усиления за счёт ограничения входной мощности сигнала ранее не применялся. В этом заключается новизна дальнейшей исследовательской работы. А проблема разработки технических решений для управления выходной мощностью усилителя и полосой канала связи является актуальной.

    В то же самое время, за основу разработки приняты общеизвестные методы. Применяя подход совершенствования существующих структур передающих трактов, а не постоянного внедрения принципиально новых разработок, можно существенно уменьшить стоимость конечного оборудования, что в свою очередь повлечёт за собой расширения рынка предоставляемых услуг и рост числа пользователей этими сервисами. На сегодняшний день эта задача является актуальной для множества телекоммуникационных компаний.

    Общая характеристика тракта передачи

    Радиопередающие устройства предназначены для формирования радиочастотных сигналов, их усиления и последующей передачи к получателю. Общая структурная схема тракта радиопередачи может быть представлена следующим образом (рисунок 1) [2].

    Рисунок 1. Общая структурная схема радиопередающего тракта

    Рисунок 1. Общая структурная схема радиопередающего тракта

    Нет смысла детально рассматривать методы проектирования возбудителей, модуляторов, поскольку это не является целью разработки. Следует выделить другой элемент этой структуры – усилитель мощности.

    Платой за более совершенную организацию являются более жесткие требования к оборудованию каналов передачи, а именно к таким параметрам радиопередающих устройств, как коэффициент полезного действия, уровень выходной мощности, полоса рабочих частот, уровень внеполосных излучений и шумов, уровень интерференционных искажений, масогабаритные показатели, стоимость, экономичность, которые в значительной мере определяются используемыми в широкополосных беспроводных сетях (в том числе и WiMAX) усилителями мощности.

    Именно от качества выполнения усилителей мощности зависит и возможность реализации концепции синтезированного широкополосного канала, который состоит из элементарных узкополосных каналов, то есть реализация принципа OFDM. И поэтому последующее исследование и проектирование будет посвящено именно усилителям мощности тракта передачи широкополосных беспроводных сетей WiMAX.

    Обзор разработок и существующих схемотехнических решений

    Сегодня существует множество вариантов построения усилителей мощности трактов передачи широкополосных беспроводных СВЧ систем. Остановимся лишь на самых популярных и наиболее распространенных из этих решений [3].

    Усилители мощности на полевых транзисторах СВЧ – один из самых распространенных элементов радиопередающих устройств. Современные полевые транзисторы на арсениде галлия успешно используются вплоть до частоты 30 ГГц. В последнее время развивается и технология изготовления полевых транзисторов из нитрида галлия (в частности решение компаний Nitronex, Navini Networks, Amkor Technology, KDDI, Fujitsu Laboratories, и других). Усилители на основе транзисторов из этого материала достигают средней мощности более 30 Вт при эффективности 45% в диапазоне частот 2,3-2,7 ГГц. Этот результат на 125 % превосходит показатели других подобных решений, которые предлагаются на сегодняшний день. Кроме того, они полностью удовлетворяют требованиям стандарта WiMAX. Следовательно, одним из вариантов построения усилителей мощности трактов передачи широкополосных беспроводных СВЧ систем является схемотехническое решение на полевых транзисторах из нитрида галлия.

    В то же время, до появления полевых транзисторов в составе СВЧ устройств широко использовались биполярные транзисторы, в частности каскады с общей базой (ОБ) и общим эмиттером (ОЭ) (рисунок 2).

    Рисунок 2. Схемы включения биполярных транзисторов с ОЭ (а) и ОБ (б)

    Рисунок 2. Схемы включения биполярных транзисторов с ОЭ (а) и ОБ (б)

    Одним из недостатков этих транзисторов, по сравнению с полевыми, является относительно низкий диапазон частот (до 10 ГГц), но в то же время по шумовым характеристикам биполярные транзисторы лучше полевых, а поэтому их целесообразнее использовать в каскадах усилителей мощности.

    Основным способом включения транзисторов в усилительных каскадах является схема с ОЭ, которая обладает лучшими усилительными свойствами (позволяет получить максимальное усиление номинальной мощности при небольшом уровне собственных шумов) [4], чем схема с ОБ, из-за большей величины входного сопротивления. Однако в усилителях с ОЭ, как и при ОБ не всегда удается обеспечить устойчивую работу из-за влияния внутренней обратной связи. Практически это означает, что рассчитанный коэффициент усиления одного каскада превышает устойчивый коэффициент усиления.

    Каскады с ОБ являются более узкополосными, по сравнению с каскадами с ОЭ, и в то же время, в полосе рабочих частот они являются условно устойчивыми. Повысить запас устойчивости таких каскадов возможно, уменьшая коэффициент усиления к границам устойчивости, или применяя балансное каскадное включение.

    По режимам работы усилительных каскадов различают усилители в режиме максимального усиления и в режиме фиксированного усиления. Первый режим применяют тогда, когда внутренняя обратная связь не оказывает заметного влияния на характеристики усилителей и когда возможное избыточное усиление не превышает допустимой нормы. Второй режим используют, когда величина коэффициента усиления ограничена либо из соображений устойчивости, либо из-за недопустимости большого избыточного усиления.

    Выбор оптимального схемотехнического решения построения усилителя мощности зависит от конкретных условий и систем, для которых проектируется усилитель. То есть каждое из вышеупомянутых решений может использоваться на практике. Поэтому необходим анализ и выбор оптимального решения для проектирования усилителя мощности тракта передачи широкополосных беспроводных сетей WiMAX, к которому выдвигаются жёсткие требования, такие как:

  • основной рабочий диапазон должен лежать в пределах полосы 2,4-2,483 ГГц;

  • выходная мощность (Р1дБ) 30-60 дБмВт;

  • коэффициент усиления (kр) 11-60 дБ (в зависимости от количества каскадов усиления и применяемых схем включения);

  • коэффициент шума (NF) 30-45 дБ;

  • интермодуляция третьего порядка (Pвых. IP3) -25 – -70 дБн.

  • Выполнение этих требований позволяет создать экономичный и высоколинейный усилитель мощности, пригодный для построения трактов передачи беспроводных сетей стандарта WiMAX со сложной модуляцией OFDM с множеством несущих. Стоит отметить, что разработки в этой области проводятся лишь за рубежом ведущими мировыми компаниями-производителями оборудования для беспроводных телекоммуникационных сетей. В Украине вопросы разработки и совершенствования существующих схем усилителей мощности передающих станций WiMAX практически не проводятся, в рамках ДонНТУ данной темой ещё никто не занимался.

    Аппаратный синтез построения усилителей мощности трактов передачи WiMAX

    Из разработок в области малошумящих суперлинейных усилителей, которые в частности используются для сигналов с OFDM, выделяют два основные схемотехнические решения [5]. Первое – это так называемые «двухтактные» или Push-Pull-усилители (рисунок 3). Отличительной особенностью данной схемотехнической концепции является двухканальное противофазное усиление сигналов с последующим объединением откликов подканалов в выходном сумматоре. При этом происходит подавление высших паразитных гармоник в спектре сигнала. Для формирования противофазных сигналов на входе усилителя используется специальный трансформатор «расщепитель фазы».

    Рисунок 3. Двухтактный усилитель типа Push-Pull

    Рисунок 3. Двухтактный усилитель типа Push-Pull

    Преимущества двухтактного усилителя следующие:

    1) Двухтактная схема упрощает согласование.

    2) Наличие «виртуальной» земли, что позволяет использовать большое количество компактных и более простых согласующих устройств.

    3) Отсутствие в выходном сигнале четных гармоник 2F1, 2F2 и т.п., а также их комбинаций типа F2-F1, F1 +F2 и т.д.

    Недостатки двухтактного усилителя следующие:

    1) Использование симметричных трансформаторов, как противофазных расщепителей фазы не устраняет паразитарных отражений мощности на входе и выходе устройства.

    2) Изоляция между двумя противофазными частями усилителя теоретически составляет только 6 дБ. Такая недостаточная межэлементная развязка может вызывать проблемы неустойчивости.

    3) Применение симметричных трансформаторов создает технологические сложности: ручным способом сделанный коаксиальный трансформатор простой в изготовлении только при использовании в экспериментальных лабораториях, но в серийном производстве это требует наличия дополнительной рабочей силы, что делает массовые поставки достаточно сложной задачей. Симметричные трансформаторы в виде микросборок хоть и доступные на рынке, но имеют большую стоимость и, как правило, занимают больше места, чем эквивалентные квадратурные расщепители фазы.

    Традиционной конфигурацией усилителей для СВЧ-приложений является также балансный усилитель (рисунок 4). В нем используются 90-градусные разделитель сигналов (на входе) и объединитель (на выходе) (шлейфный направленный ответвитель [2]).

    Рисунок 4. Балансный усилитель

    Рисунок 4. Балансный усилитель

    Преимущества балансного усилителя следующие:

    1) Хорошая изоляция между двумя половинами устройства, что улучшает стабильность усилителя в широкой полосе частот.

    2) Хорошая согласованность входа и выхода благодаря использованию 50-омной резисторной нагрузки, поглощающей возможные отражения сигналов.

    3) Отсутствие гармоник типа 2F1 + F2, 2F2 + F1, 3F1, 3F2 ... и ослабление на 3 дБ комбинационных частот типа F1-F2, F1 + F2, 2F1, 2F2 ...

    4) Простота проектирования и интегрирования квадратурных расщепителей фазы (направленных ответвителей).

    Недостатки конфигурации балансного (симметричного) усилителя следующие:

    1) Требует использования нагрузки 50 Ом. Резисторы большой мощности могут быть дорогие и требуют надлежащего охлаждения.

    2) Отсутствие виртуальной земли.

    Оба варианта имеют практически одинаковые характеристики, но для дальнейшей работы выбор сделан в пользу балансного усилителя, ввиду более простой его практической реализации.

    В качестве схемы замещения транзистора для моделирования усилительного каскада в пакете Microwave Office выбрана линейная схема замещения. Окончательная конфигурация – балансный каскад с общей базой. В качестве активного элемента схемы выбран транзистор КТ937А. Это кремниевый транзистор, который применяется в усилителях мощности, умножителях частоты, и автогенераторах на частотах 0,9-5 ГГц. Этот транзистор выбран для проектирования по нескольким причинам. Во-первых, это его соответствие выставленным требованиям, в частности рабочей частоте в районе 2,4 ГГц. Во-вторых, само наличие этого транзистора, что позволит в последующем реализовать проект на макете и измерить его реальные характеристики.

    Для линейного моделирования и проектирования цепей согласования и шлейфных направленных ответвителей была использована спайс-модель транзистора КТ937А (рисунок 5). Спайс-модель (эквивалентная схема Джаколетто) – это эквивалентная линейная модель транзистора, при помощи которой возможно оценить теоретические коэффициенты усиления, шумовые характеристики транзистора, и тому подобное. В состав транзисторного усилителя входят активный элемент (транзистор), входная и выходная цепи согласования (ЦС), цепи питания и подачи смещения. Кроме того, реальный усилитель мощности может содержать антипаразитарные цепи, элементы стабилизации режима работы транзистора по постоянному току. В качестве цепей согласования по входу и выходу применим многозвенные Г-цепи [2].

    Рисунок 5. Cпайс-модель транзистора КТ937А

    Рисунок 5. Cпайс-модель транзистора КТ937А

    Шлейфный направленный ответвитель (НО) [6] является двумя отрезками линии передачи, соединенных между собой двумя или большим числом шлейфов, длина которых равняется четверти длины волны в линии (рисунок 6). Шлейфы включаются в линию также на расстоянии четверти длины волны в линии. При увеличении числа шлейфов расширяется полоса рабочих частот, однако при числе шлейфов более трех волновые сопротивления крайних шлейфов становятся очень большими. Это создает существенные трудности при выполнении таких НО методами интегральной технологии, поэтому в практических устройствах число шлейфов не превышает трех. От качества выполнения НО будут зависить и характеристики балансного усилительного каскада, поэтому остановимся подробнее на технологии расчёта и проектирования шлейфного НО.

    Рисунок 6. Электрическая схема и топология двухшлейфного НО

    Рисунок 6. Электрическая схема (а) и топология (б) двухшлейфного НО

    В данной работе используется двухшлейфный направленный ответвитель. Методика его расчета следующая. Основные параметры двухшлейфных НО, которые рассчитываются при проектировании, приведены на структурной схеме (рисунок 7).

    Рисунок 7. Cхема двухшлейфного НО в пакете Microwave Office 5.5

    Рисунок 7. Cхема двухшлейфного НО в пакете Microwave Office 5.5

    На схемах:

    Формула сопротивления

    Для расчета параметров схемы воспользуемся следующей методикой [7]. Расчет ширины микрополоска проводится по следующей формуле:

    Формула расчёта

    где w – ширина МПЛ;

    Z – волновое сопротивление;

    h – толщина подложки;

    Эпсилан

    – диэлектрическая проницаемость подложки.

    Расчет длины МПЛ проводится по более простой формуле:

    Формула расчёта

    где L – длина МПЛ;

    Эпсилан

    – центральная длина волны, которая будет распространяться в МПЛ;

    Эпсилан

    – эффективная диэлектрическая проницаемость подложки.

    Формула расчёта

    Подставляя в эти формулы параметры материала подложки (флан) и требуемые значения волнового сопротивления (Zшл=50 Ом, Zл=35,5 Ом), получаем следующие параметры НО:

    Формула расчёта

    По полученным параметрам реализуем модель двухшлейфного направленного ответвителя в пакете Microwave Office 5.5 (рисунок 8). В дальнейшем, полученная схема будет оптимизирована с целью достижения необходимых характеристик согласования.

    Рисунок 8. Реализация двухшлейфного НО в пакете Microwave Office 5.5

    Рисунок 8. Реализация двухшлейфного НО в пакете Microwave Office 5.5

    Критерием оптимизации выступает коэффициент стоячей волны в МПЛ (КСВ). От него зависит насколько будет согласован мост и, как следствие, характеристики самого балансного каскада усилителя мощности.

    Графики КСВ можно построить и стандартными средствами пакета Microwave Office 5.5 [8]. Поскольку S11= S22= S33= S44, то целесообразно привести лишь один график КСВ, который был получен после проведения оптимизации параметров двухшлейфного НО (рисунок 9).

    Рисунок 9. КСВ оптимизированногодвухшлейфного НО

    Рисунок 9. КСВ оптимизированного двухшлейфного НО

    Как видно из этого графика, на рабочей частоте 2,4 ГГц значение КСВ минимально и составляет 1,004, что является достаточно приемлемым результатом, ввиду того, что это значение должно быть близким к 1.

    Следовательно, оптимизированные параметры двухшлейфного НО следующие:

    Wл = 4,4 мм;

    Wшл = 2,74 мм;

    Lл = 17,7 мм;

    Lшл = 19 мм.

    Топологическая схема спроектированного двухшлейфного НО в натуральную величину изображена на рисунке 10.

    Рисунок 10. Топология спроектированного двухшлейфного НО

    Рисунок 10. Топология спроектированного двухшлейфного НО

    Для итоговой схемы балансного каскада с входной и выходной цепями согласования и шлейфными направленными ответвителями необходимо получить максимально возможное значение S21 в диапазоне частот 2,4-2,483 ГГц и минимально возможно S11 в этом же диапазоне. Ограничениями выступают допустимый коэффициент шума, и, что самое главное устойчивость каскада в рабочем диапазоне частот. Результаты моделирования приведены на рисунках 11 – 13.

    Рисунок 11. Параметры S11 и S21 для итоговой схемы усилителя мощности

    Рисунок 11. Параметры S11 и S21 для итоговой схемы усилителя мощности

    На полученных графиках можно увидеть, что коэффициент усиления (S21), который удалось достичь на рабочей частоте 2,4 ГГц равняется 10 дБ. Это удовлетворяет поставленным ранее требованиям. Полученное значение коэффициента отражения от входа (S11= -41,73 дБ) также является более чем приемлемым и свидетельствует о высокой степени согласования усилителя по входу.

    Рисунок 12. Коэффициент шума для итоговой схемы усилителя мощности

    Рисунок 12. Коэффициент шума для итоговой схемы усилителя мощности

    На рисунке 12 изображенные шумовые характеристики. Как видим, на частоте 2,4 ГГц значение коэффициента шума равняется 1,541 дБ, что является приемлемым значением для усилителей данного класса.

    Рисунок 13. Коэффициент устойчивости усилительного каскада

    Рисунок 13. Коэффициент устойчивости усилительного каскада

    На рисунке 13 приведён основной (К) коэффициент устойчивости. Усилительный каскад считается безусловно устойчивым, когда значение этого параметра следующее: K>1. Как видим из графиков, это условие выполняется (К=1,007 на рабочей частоте 2,4 ГГц), но в то же время запас устойчивости чрезвычайно мал. Следовательно, каскад будет считаться устойчивым лишь при качественном выполнении цепей согласования.

    Основные полученные результаты и перспективы исследования

    При изменении параметров цепей согласования (длины и ширины микрополосковых линий), а также при попытке управления обратной связью каскада была установлена зависимость одновременного изменения ширины частотной характеристики (df) и коэффициента усиления каскада (ku) в зависимости от изменяемых параметров и режима работы активного элемента – транзистора (рисунок 14).

    Рисунок 14. Зависимость одновременного изменения ширины частотной характеристики (df) и коэффициента усиления каскада (ku)

    Рисунок 14. Зависимость одновременного изменения ширины частотной характеристики (df) и коэффициента усиления каскада (ku). Анимация состоит из 8 кадров с задержкой 70 мс между кадрами; задержка до повторного воспроизведения составляет 70 мс; количество циклов воспроизведения ограничено 7-ю. Анимация выполнена в пакете Adobe ImageReady 7.0.1

    Это свойство и стало новым предметом исследования, так как его практическое применение поможет в достижении поставленной ранее цели. Но управление режимом работы транзистора может привести к ухудшению нелинейных свойств усилителя и накладывает ограничения на возможности такого управления. Но не только нелинейные искажения накладывают ограничения на управление параметрами усилителя мощности. Существует взаимосвязь между предельным коэффициентом усиления и коэффициентом устойчивости каскада. Для разрабатываемого усилителя мощности эта проблема является актуальной, учитывая, что каскад реализован по схеме с общей базой, которая является условно устойчивой. В силу указанных причин диапазон регулировки ограничен.

    Ввиду поставленных ограничений, для дальнейших исследований предлагается вариант управления выходной мощностью сигнала с одновременной динамической оценкой коэффициента усиления и определением пределов регулирования входной мощности. Для практической реализации данного управления предлагается использование одной из следующих схем (рисунок 15).

    Рисунок 15. Предлагаемые схемы усилителя мощности

    Рисунок 15. Предлагаемые схемы усилителя мощности

    Схема на рисунке 15а может применяться в тех случаях, когда уровень входного сигнала постоянный (Uвх=const) и может найти своё применение в системах с угловой модуляцией. В этой схеме происходит управление коэффициентом усиления каскада и полосой пропускания за счёт напряжения Uупр которое устанавливает режим работы активного элемента схемы. Выходной сигнал поступает в петлю обратной связи, где происходит его выпрямление и фильтрация. Выпрямленный сигнал поступает на устройство сравнения (СУ), в качестве которого может применяться дискретный компаратор или же схема с заданной нелинейной характеристикой. В СУ происходит сравнение уровня выходного сигнала с требуемым. Результат сравнения подается на управляемый аттенюатор, который в случае необходимости изменяет уровень входного сигнала усилителя, сохраняя при этом постоянный коэффициент усиления всей схемы в целом. Принцип работы схемы на рисунке 15б аналогичен. Здесь в качестве управляющего сигнала для СУ используется предварительно выпрямленный и отфильтрованный входной сигнал усилительного каскада. В этой схеме уровень напряжения Uвх изменяется со временем, и такое решение может применяться для систем с амплитудной модуляцией и её разновидностями (КАМ).

    Выводы

    В ходе выполнения работы были рассмотрены принципы функционирования беспроводных широкополосных сетей стандарта IEEE 802.16 – WiMAX, определенные типы сигналов и модуляций, которые используются в этих системах. Проведен обзор общей структуры передаточных трактов, основные аспекты построения их оборудования и определено, что основные требования, которые сейчас выдвигаются к этому оборудованию – уровень выходной мощности, полоса рабочих частот, уровень внеполосных излучений и шумов, уровень интерференционных искажений, масогабаритные показатели, стоимость, экономичность, в значительной мере определяются именно качеством усилителей мощности. Сделано обоснование цели работы, как проектирование именно усилителя мощности передаточных трактов беспроводных широкополосных сетей WiMAX.

    Были выяснены основные характеристики усилителей, и определенные важнейшие из них, по каким именно и формируют требования к оборудованию, которое проектируется. Проведен синтез концепции построения усилителя мощности тракта передачи широкополосных беспроводных сетей стандарта WiMAX. Были рассмотрены варианты основных схемотехнических решений и способов выполнения усилителей. Рассмотрены представленные на рынке готовые решения усилителей мощности сетей WiMAX, приведены их характеристики. На базе этих характеристик были сформированы требования к устройству, которое проектируется в данной работе.

    Следует отметить, что существует два разных подхода проектирования оборудования СВЧ-сетей WiMAX. Первый направленный на постоянную разработку и поиск принципиально новых концептуальных решений. Этот способ является эффективным, но достаточно неэкономичным, поскольку требует постоянных больших инвестирований, которые будут окуплены лишь впоследствии. Второй способ предусматривает совершенствование уже существующих структур, а также рассмотрения возможности применения уже известных решений при проектировании нового оборудования.

    Именно второй способ, который требует меньших экономических и временных расходов является приоритетным для большинства сегодняшних компаний. Этот принцип был использован и для проектирования устройства в данной работе.

    Проведена оценка возможности использования балансного каскада с ОБ в усилителях мощности передающих трактов широкополосных беспроводных сетей WiMAX, которые работают на частоте 2,4 ГГц. Эта схема была реализована при проектировании. Проведён анализ выбранной схемы, выбраны основные параметры элементов, спроектированы цепи согласования, а также квадратурные расщепители фазы балансного каскада.

    Были смоделированы выходные параметры, которые ожидаются при работе данного усилителя. Также был проведен анализ полученной схемы двухшлейфного НО с целью определения допустимых погрешностей в геометрических размерах во время создания лабораторного макета для измерений. Основные характеристики каскада представлены в виде зависимостей и графиков.

    Создана линейная модель усилителя мощности и проведена оценка её основных характеристик. К сожалению, по созданной модели невозможно измерить нелинейные параметры, хотя именно уменьшение их влияния и уменьшение межполосной интерференции является целью последующей магистерской работы.

    Дальнейшая работа предполагает моделирование предложенного варианта схемотехнической реализации усилителя, исследования свойств данной схемы и оценку пределов запаса устойчивости разрабатываемого усилительного каскада.

    Отметим также, что, применяя подход совершенствования существующих и в значительной мере исследованных структур передающих трактов, можно существенно уменьшить стоимость конечного оборудования, что в свою очередь повлечёт за собой расширение рынка предоставляемых услуг и рост числа пользователей этими сервисами. На сегодняшний день эта задача является приоритетной для множества телекоммуникационных компаний.


    Литература

    [1] Самков И.Ю., «Логарифмические усилители для точного измерения мощности», Электронные компоненты, №3:2008. Первоисточник – электронный ресурс www.delirium.2x4.ru

    [2] Шахгильдян В.В., Козырев В.Б. и др. Радиопередающие устройства. Учебник для ВУЗов. –М.: Радио и связь. -1990.-432 с.

    [3] Белов Л. Твёрдотельные усилители малой и средней мощности. –Электроника: НТБ. -2006. -№5.- с .46-54.

    [4] Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. -М.: Энергия. -1977. -672 с.

    [5] Васильев В.Г. Сети WiMAX сегодня и завтра. -Сети и телекоммуникации. – 2007.- № 06.

    [6] Сиверс А.П. Проектирование радиоприёмных устройств. –М.: Советское радио.-1976.-482 с.

    [7] Проектирование полосковых устройств СВЧ. Учебное пособие. –Ульяновск.: УГТУ.-2001.-123 с.

    [8] Разевиг В.Д., Потапов Ю.В. Проектирование СВЧ устройств с помощью MWO. – М.: СОЛОН-Пресс. – 2003. – 493 с.

    [9] Васильев В.Г. Технология широкополосного беспроводного доступа WiMAX стандарта IEEE 802.16.http://www.unidata.com.ua/index.php

    [10] Вишневский В.М., Ляхов А.И. и др. Широкополосные беспроводные сети передачи информации.- М.: Техносфера. -2005. -595 с.

    [11] Кусов Р.С. Разработка усилителя мощности передающего тракта широкополосных беспроводных сетей WiMAX. Материалы конференции информатика и компьютерные технологии. –Донецк.: ДонНТУ. -2008.- с. 93-96.

    [12] Вамберский М.В., Казанцев В.И. и др. Передающие устройства СВЧ. –М.: Высшая школа. -1984.-448 с.

    [13] Михайлов В.Ф., Нарытник Т.Н. и др. Микроволновые технологии в телекоммуникационных системах. Учебное пособие. –СПб.: СПбГУАП. -2003.-337 с.

    [14] Веселов Г.И. Микроэлектронные устройства СВЧ. -М.: Высшая школа.-1988. -277 с.

    Вернуться к началу страницы ДонНТУ Портал Магистров ДонНТУ
    Библиотека Автобиография Ссылки Отчёт о поиске Поездка в Одессу
    © ДонНТУ 2009, Кусов Руслан Сергеевич