q       определяем ток в модели вибратора (согласующей ёмкости) и ток в согласующей катушке индуктивности;

q       находим ток в нелинейном элементе;

q       определяем напряжение на нелинейном элементе;

q       вычисляем параметр нелинейного элемента (напряжение - для диода, ёмкость – для варикапа);

q       переходим на новый шаг;

Именно эта схема работы заложена в моделирующую программу. Как будет показано ниже, она приведёт нас к хорошим результатам.

4.      ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МОДУЛЯТОРА НА ДИОДЕ

Поставленная задача анализа относится к классу нелинейных задач электродинамики, и её решение требует наличие достаточно мощных вычислительных средств. В то же время существует ряд приближённых методов анализа, позволяющих найти приемлемое решение, не прибегая к значительным затратам физического и машинного времени. Одним из них является квазилинейный метод, обычно применяемый для анализа нелинейных цепей при квазигармоническом характере протекающих в них токах и напряжениях [5], [7].

Суть метода заключается в том, что при определённых условиях ток или напряжение в нелинейной цепи может считаться периодическим процессом. В радиотехнических цепях основанием для такого допущения является наличие колебательных цепей в составе анализируемой цепи или системы. Периодический характер процесса, например тока в нелинейной цепи, позволяет представить его разложением в ряд Фурье:

i(t)=I0+I1cos(w0t+j0)+I2cos(2w0t+2j0)+…,                      (4.1)

где  Ik – амплитуда k- ой гармоники тока;

I0 – постоянная составляющая;

w0 – частота первой гармоники;

j0 – её начальная фаза.

Полагая, что ток вызывается некоторым воздействием, например, напряжением

U(t)=U0cos(w0t+j0),                                             (4.2)

можно записать между амплитудами воздействия и отклика в виде:

                                              Ik(U0)=Yk(U0)U0,                                     (4.3)

где Yk(U0) – проводимость нелинейной цепи по k – ой гармонике, зависящая от амплитуды воздействия.

Подобная зависимость может быть записаны и для постоянной составляющей, и для амплитуды какой-либо высшей гармоники. При этом зависимость проводимости от амплитуды воздействия, естественно, выражается другой функцией. Если фазовый сдвиг тока не совпадает с фазовым сдвигом входного напряжения (цепь является инерционной), то проводимость, связывающая комплексные амплитуды тока и напряжения, также является комплексной.

Таким образом, наличие нелинейного элемента («безынерционного» полупроводникового диода или варикапа) в составе модулятора – отражателя может быть учтено применением квазилинейного метода.

Основная задача расчёта – анализ тока в схемном эквиваленте вибратора, к которому последовательно подключён диод, а на диод подано модулирующее напряжение (рис 3.1). Это необходимо для определения параметров модуляции тока вибратора и создаваемого им поля в точке приёма.

В цепи действуют три источника напряжения – ЭДС высокочастотного колебания Е1, навязанного внешним полем, ЭДС модулирующего процесса UМОД и постоянная ЭДС смещения ЕСМ. Значения параметров ЭДС модулирующего процесса UМОД и смещения ЕСМ определяются внешними источниками соответствующих напряжений. Амплитуда Е0 гармонической ЭДС Е1=Е0cos(w0t+j0) может быть рассчитана по формуле:

                                       (4.4)

где hД – действующая высота вибратора;

PT,GT – мощность передатчика и коэффициент направленного действия его антенны;

W=120p - волновое сопротивление свободного пространства;

R – расстояние от передатчика до вибратора;

 - отношение потоков мощности поступающего на экран сигнала и сигнала, прошедшего через экран – коэффициент экранировки.

Равенство (4.4) предполагает нахождение точки приёма в дальней зоне, хотя в реальном случае она может находиться и в ближней зоне. Очевидно, что для ближней зоны равенство (4.4) не справедливо. Для полуволнового вибратора действующая высота равна , где l - длина волны.

Мощность передатчика, излучающего зондирующий сигнал, в (4.4) берётся в ваттах, тогда результат выражается в вольтах.

В качестве примера рассчитаем значение амплитуды наведённой ЭДС при облучении вибратора сигналом передатчика с расстояния R, при напряжение l=0,3м, мощности РТ=1Вт и РТ=4Вт, КЭ=GT=1.

Рис.4.1. Зависимость амплитуды Е0, ЭДС высокочастотного колебания Е1, навязанного внешним полем, от расстояния R.

При R=10м и РТ=1Вт Е0=0,074В. Приведённый пример показывает, что амплитуда наведённой ЭДС невелика, и при не больших значениях UМОД возможна аппроксимация вольтамперной характеристики диода полиномом четвертого порядка:

    i(t)»a1U(t)+a2U 2(t)+a3U 3(t)+a4U 4(t),                          (4.5)

где a1, a2, a3, a4 – коэффициенты аппроксимирующего полинома;

U(t) – напряжение на диоде.

Применяя квазилинейный метод, полагаем

U(t)=ЕСМ+UМОД(t)+Е0cos(w0t)                               (4.6)

и находим значения для токов второй и третей гармоники:

,       (4.7)

,                                                   (4.8)

где U-=ЕСМ+UМОД(t).

Дальнейшее выделение из (4.7) и (4.8) коэффициента модуляции М даёт следующий результат:

,       (4.9)

,         (4.10)

где

,         (4.11)

      ,                          (4.12)

        ,                                    (4.13)

М2 – коэффициент модуляции для тока второй гармоники;

М3 – коэффициент модуляции для тока третей гармоники;

d2 – относительный уровень нелинейности М2;

UM – амплитуда (половина размаха) модулирующего процесса.

Как видно из (4.11) и (4.13), коэффициенты модуляции зависят линейно от амплитуды модулирующего колебания. Кроме того, коэффициент модуляции тока второй гармоники имеет нелинейные искажения, отражённые в d2. Эти искажения присутствуют принципиально в любом случае, у нас они появились только для второй гармоники из-за того, что мы ограничились четвёртой степенью полинома при аппроксимации зависимости тока от напряжения в нелинейном элементе. При увеличении порядка аппроксимирующего полинома нелинейные искажения появятся и в коэффициенте модуляции для тока третей гармоники. Правда, необходимо отметить, что в нашей задаче уровни сигналов незначительны, поэтому аппроксимация степенным рядом четвёртого порядка соответствует хорошей степени приближения.

Для обеспечения оптимальной работы системы необходимо решить задачу оптимизации, которая заключается в максимизации коэффициентов модуляции при заданном уровне нелинейных искажений (в нашем случае уровень нелинейных искажений пропорционален амплитуде модулирующего колебания) и при условии согласования вибратора на частоте зондирующего колебания (см. главу 1.1). Ясно, что при прочих равных условиях, увеличение одного коэффициента модуляции приведёт к уменьшению второго, поэтому нужно выбрать оптимальное соотношение между коэффициентами модуляции второй и третей гармоники.

Для примерной количественной оценки коэффициентов модуляции рассчитаем их на примере конкретного диода. В качестве диода возьмём арсенид галевый высокочастотный диод, вольтамперная характеристика которого записана в виде:

i=I0(eau-1),                                             (4.14)

где I0 »4,5×10-8А, а=20В-1.

Разлагая (4.14) в ряд Маклорена и ограничиваясь четвёртой степенью, можно получить:

,                      (4.15)

Сопоставляя выражения (4.15) и (4.5), и подставляя значения для а, получим a1=9×10-7(А/В), a2=9×10-6(А/В2), a3=6×10-5(А/В3), a4=3×10-4(А/В4).

Теперь необходимо подобрать смещение диода таким образом, чтобы дифференциальное сопротивление диода в рабочей точке было равно сопротивлению вибратора на частоте зондирующего сигнала. Из курса “Теория радиотехнических сигналов и цепей” известно, что дифференциальное сопротивление определяется значением производной функции напряжения от тока. В нашем случае известна обратная функция (зависимость тока от напряжения), поэтому мы можем найти дифференциальную проводимость. Возьмём производную от выражения (4.14) по напряжению, получим:

      YДИФ=a×I0××eau,                                        (4.16)

Выразим из (4.16) u и вместо подставим ЕСМ, тогда получится следующее выражение для ЕСМ:

,                                   (4.17а)

или

        ,                             (4.17б)

Подставляя значения для а и RДИФ=75Ом в (4.17б), получим ЕСМ»0,48В.

Далее, задаваясь допустимым уровнем нелинейных искажений, найдём значение для амплитуды UM из (4.12). Возьмём коэффициент модуляции 20%, а уровень нелинейных искажений 10%, тогда получим значение для амплитуды модулирующего напряжения равного:

,                             (4.18)

Затем, используя выражение (4.11), выражаем и находим Е0, которое задаёт требования к передающему устройству (его место положение, расстояние, мощность и т.п.). Эти требования выбираются согласно (4.4). В нашем случае Е0»1,34(В).

Исходя из анализа, проведённого в этом разделе, можно сделать следующие выводы:

Ø      использовать полупроводниковый диод в качестве нелинейного элемента в отражателе – модуляторе с энергетической точки зрения выгодно, что связано с незначительными энергетическими затратами на источник смещения (РСМ»0,3мВт) и на источник модулирующего напряжения (РМОД»0,2мВт);

Ø      увеличение коэффициента модуляции за счёт уменьшения уровня зондируемого сигнала, повлечёт за собой уменьшение уровня отражённого сигнала, что в некоторых случаях недопустимо;

Ø      увеличение коэффициента модуляции за счёт увеличения амплитуды модулирующего напряжения приведёт к прямо пропорциональному увеличению уровня нелинейных искажений;

Ø      произведение требуемой мощности и коэффициента направленного действия зондирующей антенны должно быть порядка десятков тысяч для расстояния порядка сотни метров;

В разделе приведена примерная методика расчёта отражателя-модулятора, некоторые её этапы могут быть выполнены другими методами и в другом порядке.

5.      МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВА НА ПЭВМ

Для моделирования отражателя – модулятора используется компьютер IBM PC класса Pentium-166 64Мб ОЗУ. В качестве языка программирования выбран язык С++, реализованный в программном продукте фирмы «Microsoft» Visual C++ 5.0. Данное программное обеспечение позволяет создавать качественные мультимедийные и быстрые математические приложения. При моделировании широко использовались знания, полученные в курсе «Цифровое моделирование радиоэлектронных систем», всё моделирование построено на навыках, полученных в этом курсе.

5.1.Исходные данные для программы

Исходные данные для программы разбиты на три основные группы:

Ø             Параметры вибратора. В этой группе вводятся активные и реактивные составляющие сопротивления вибратора на трёх кратных частотах (всего должно быть введено шесть), а также значение частоты зондирования (частота, на которой вибратор является полуволновым).

Ø             Параметры сигналов (зондирующего и модулирующего), напряжение смещения. Вводится либо выражение для сигнала (модулирующего и зондирующего), либо параметры гармонического колебания (амплитуда, частота фаза), кроме того, вводится число отсчётов на периоде высокочастотного сигнала, и число периодов модулирующего напряжения для расчёта (общее число точек расчёта равно произведению последнего параметра на отношение частот высокочастотного и модулирующего колебаний);

Ø             Параметры модулирующей части. В этой группе вводятся параметры диода, варикапа, а также согласующих элементов. Кроме того, в этой же группе выбирается метод расчёта.

Для диода вводятся тепловой ток, коэффициент, обратно пропорциональный контактной разности потенциалов, и сопротивление базы (используется для варикапа в первой его реализации).

Для варикапа задаётся контактная разность потенциалов, ёмкость при напряжении смещения на варикапе, заданной в предыдущей группе, и коэффициент степени.

          Здесь же задаются параметры согласующих элементов, которые по умолчанию, удовлетворяют условию согласования вибратора на первой гармонике;

В этих группах задаются все необходимые для работы программы параметры.

Окно с закладками для всех этих параметров открывается сразу же после запуска программы.

5.2.Схема эксперимента

После нажатия клавиши «ОК» на окне параметров отражателя-модулятора, выводится окна с номиналами элементов для эквивалентной цепи. Далее, выводятся два графика в одном окне, которые показывают зависимости активной и реактивной составляющей сопротивления от частоты.

По этим графикам можно судить, насколько точно подобраны параметры модели, если параметры не устраивают, то нужно нажать на кнопку «Fn»  и заново вести нужный параметр.

После того, как убеждаемся в правильности модели вибратора, переходим к расчёту коэффициентов модуляции. Для этого необходимо нажать на кнопку с восклицательным знаком. По окончании расчёта на экране выводится окно с параметрами полученной модуляции на всех трёх гармониках. Помимо этого, выводятся ещё два окна. На первом выводятся первые пять периодов высокочастотного колебания и полученная кривая для тока в вибраторе. На втором выводится модулирующее напряжение и соответствующие значения тока с тем же периодом. По этим графикам мы можем судить об общей картине тока в вибраторе.

Для сравнения полученных результатов с другими, рассчитанными для других элементов или параметров, нужно открыть новый документ и повторить все выше перечисленные действия.

5.3.Блок-схема программы

Разработанная в ходе дипломной работы программа по своей блок – схеме практически не отличается от подобных программ моделирования. Поэтому в пояснительной записке отводится мало место под эту тему. Ниже приведём краткий список основных шагов блок – схемы программы. Основой работы являлась разработка общей модели симметричного вибратора, а перевод уже этой модели на язык программирования С++ формализован и реализован уже не в первой дипломной работе.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5