Линейный усилитель мощности

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве усилителя мощности, обеспечивающего низкий уровень нелинейных искажений выходного сигнала. В предлагаемом линейном усилителе мощности, содержащем последовательно соединенные входной двигатель, фазовращатель, фазорасщепитель, первый усилитель, выходной сумматор, второй усилитель, идентичный первому и включенный между вторым выходом фазорасщепителя и вторым входом выходного сумматора, между вторым выходом входного делителя и вторым входом фазорасщепителя включен ограничитель, а первый и второй усилители выполнены в виде одинаковых нелинейных усилителей. Входной сигнал проходит через входной делитель, фазовращатель, ограничитель, имеющий амплитудную характеристику, описываемую соотношением: где Pr - мощность гармоники основной частоты сигнала на выходе ограничителя; Pq2 - мощности гармоники основной частоты сигнала на выходе делителя; Prмакс - максимальное значение мощности Pr; Pq2макс - максимальное значение мощности Pq2; Pq20 - значение мощности Pq2, при котором Pr = Prмакс; K3 - коэффициент формы амплитудной характеристики; фазорасщепитель, преобразуется в результате в два сигнала с постоянными и равными амплитудами, которые поступают на входы первого и второго усилителей, усиливаются в них в режиме с высоким КПД и суммируются в выходном сумматоре так, что выходной сигнал воспроизводит в усиленном виде входной сигнал без искажения формы. 1 з. п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве усилителя мощности, обеспечивающего низкий уровень нелинейных искажений выходного сигнала.

Известны устройства [1, 2] в которых путем расщепления входного сигнала на две составляющие с постоянными амплитудами с последующим их усилением нелинейными усилителями в высокоэнергетическом режиме и сложением усиленных сигналов в выходном устройстве, восстанавливающем структуру исходного сигнала на большем по сравнению с исходным уровне мощности, обеспечивается высокий КПД нелинейных усилителей.

Однако использование в известных устройствах [1, 2] нелинейно-частотных преобразований типа детектирование, нелинейная модуляция и других ограничивает допустимую спектральную полосу усиливаемых сигналов.

Известен усилитель мощности (прототип) [3] содержащий последовательно соединенные выходной делитель, фазовращатель, фазорасщепитель, первый усилитель, выходной сумматор, второй усилитель, идентичный первому и включенный между вторым выходом фазорасщепителя и вторым входом выходного сумматора. С целью уменьшения уровня нелинейных искажений между вторым выходом входного делителя и вторым входом фазорасщепителя включены последовательно соединенные третий усилитель, идентичный первому и второму, и фильтр нижних частот.

Достоинством данного линейного усилителя мощности является возможность уменьшения наиболее сильных нелинейных искажений третьего порядка посредством выбора соответствующего режима работы по постоянному току третьего усилителя. Однако у рассматриваемого линейного усилителя мощности имеются недостатки, заключающиеся в использовании осуществляемого в ветви третьего усилителя и фильтра нижних частот нелинейно-частотного преобразования, которое уменьшает допустимую спектральную полосу усиливаемых сигналов, и в невозможности обеспечения высоких значений КПД первого и второго усилителей.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание устройства, обеспечивающего уменьшение уровня нелинейных искажений и расщепление допустимой спектральной полосы усиливаемого сигнала при обеспечении высокого КПД нелинейных усилителей как элементов линейного усилителя мощности.

В отличие от прототипа [3] функционирование заявляемого линейного усилителя мощности не связано с принципиальной небходимостью осуществления нелинейных частотных преобразований, уменьшающих допустимую спектральную полосу усиливаемого сигнала.

В предлагаемом линейном усилителе мощности, содержащем последовательно соединенные выходной делитель, фазовращатель, фазорасщепитель, первый усилитель, выходной сумматор, второй усилитель, идентичный первому и включенный между вторым выходом фазорасщепителя и вторым входом выходного сумматора, между вторым выходом входного делителя и вторым входом фазорасщепителя включен ограничитель, а первый и второй усилители выполнены в виде одинаковых нелинейных усилителей. Входной сигнал проходит через входной делитель, фазовращатель, ограничитель, фазорасщепитель, преобразуется в результате в два сигнала с постоянными и равными амплитудами, которые поступают на входы первого и второго усилителей, усиливаются в них в режиме с высоким КПД и суммируются в выходном сумматоре таким образом, что выходной сигнал воспроизводит в усиленном виде входной сигнал без искажений формы.

На фиг. 1 приведена электрическая структурная схема линейного усилителя мощности. На фиг. 2 приведена электрическая принципиальная схема варианта практической реализации ограничителя. На фиг. 3 приведена амплитудная характеристика ограничителя. На фиг. 4 представлена зависимость от нормированной входной мощности нормированного входного сопротивления нелинейного элемента ограничителя. На фиг. 5 представлены зависимости, характеризующие работу нелинейного корректора ограничителя. Фиг. 6 поясняет работу фазорасщепителя линейного усилителя мощности.

Линейный усилитель мощности (фиг. 1) содержит выходной делитель 1, фазовращатель 2, ограничитель 3, фазорасщепитель 4, первый и второй усилители 5, 6, выполненные в виде одинаковых нелинейных усилителей, выходной сумматор 7.

Реализация входного делителя 1, фозовращателя 2, фазорасщепителя 4, нелинейных усилителей 5, 6, выходного сумматора 7 описана в [4] В качестве фазорасщепителя 4 и выходного сумматора 7 используются 3 дБ направленные ответвители.

Ограничитель 3 содержит (фиг. 2) циркулятор 8, нелинейный элемент НЭ, состоящий из отрезка линии передачи 9 длиной λ/4 полупроводниковых диодов 10, 11, катушки индуктивности 12, резистора 13, линейный усилитель 14, нелинейный корректор НК, состоящий из полупроводниковых диодов 15, 16, отрезка линии передачи 17 длиной λ/4 полупроводниковых диодов 18, 19, линейного усилителя 20. Реализация линейных усилителей 14, 20 описана в [5] Входом ограничителя 3 является плечо "а" циркулятора 8. К плечу "б" циркулятора 8 подключен первый вывод отрезка линии передачи 9. Ко второму выводу отрезка линии передачи 9 подключены анод диода 10, катод диода 11 и первый электрод катушки индуктивности 12. Катод диода 10, анод диода 11 и второй электрод катушки индуктивности 12 подключены к первому электроду резистора 13. Второй электрод резистора 13 подключен к общему электроду схемы. К плечу "в" циркулятора 8 подключен вход линейного усилителя 14. К выходу линейного усилителя 14 подключены катод диода 15, анод диода 16 и первый вывод отрезка линии передачи 17. Вторые электроды диодов 15, 16 подключены к общему электроду схемы. Второй вывод отрезка линии передачи 17 подключен к входу линейного усилителя 20. К входу линейного усилителя 20 подключены также катод диода 18 и анод диода 19. Вторые электроды диодов 18, 19 подключены к общему электроду схемы. Выход линейного усилителя 20 является выходом ограничителя 3.

Линейный усилитель мощности работает следующим образом.

Входной сигнал q(t) разделяется входным делителем 1 на два сигнала q1(t) и q2(t). Сигнал q1(t) поступает на вход фазовращателя 2. Сигнал q2(t) поступает на вход ограничителя 3 (фиг. 2). С плеча "а" циркулятора 8 сигнал q2(t) поступает в плечо "б", к которому подключен нелинейный элемент НЭ. Отраженный от входа НЭ сигнал q8(t) поступает в плечо "в" и далее на вход линейного усилителя 14. Выходной сигнал линейного усилителя 14 q14(t) корректируется нелинейным корректором НК и усиливается линейным усилителем 20. Выходной сигнал фазовращателя 2 s(t) и выходной сигнал ограничителя 3 r(t) поступают на входы фазорасщепителя 4, преобразуются в два сигнала s1(t), s2(t) с постоянными и равными амплитудами, но переменными во времени на входы нелинейных усилителей 5, 6, усиливаются в них и после суммирования в выходном сумматоре 7 преобразуются в выходной сигнал p(t).

Входной делитель 1, фазовращатель 2, ограничитель 3 опишем характеристиками, связывающими мощности сигналов на их входах и выходах.

Отношение мощностей сигналов q1(t) и q2(t) на выходах входного делителя 1 обозначим коэффициентом K1 Pq1/Pq2, (1) где Pq1, Pq2 мощности гармоники основной частоты ω0 сигналов q1(t), q2(t).

Отношение мощностей сигналов q1(t) и s(t) на входе и выходе фазовращателя 2 обозначим коэффициентом K2 Ps/Pq1, (2) где Ps мощность гармоники основной частоты ω0 сигнала s(t) на выходе фазовращателя 2.

На фиг. 3 представлена амплитудная характеристика ограничителя 3, где Pr мощность гармоники основной частоты ω0 сигнала r(t) на выходе ограничителя 3, Prмакс максимальное значение мощности Pr, Pq2_макс максимальное значение мощности Pq2, Pq20 значение мощности Pq, при котором Pr Pr_макс.

Амплитудная характеристика ограничителя 3 (фиг. 3) описывается выражением где К3 Pr_макс/(Pq2_макс Pq20) коэффициент формы амплитудной характеристики ограничителя 3.

Амплитудная характеристика (3) реализуется с помощью нелинейного элемента НЭ, подключенного к плечу "б" циркулятора 8 (фиг. 2) и имеющего выходное сопротивление R, изменяющееся в зависимости от мощности сигнала q2(t).

На фиг. 4 представлены качественные зависимости при изменении сопротивления резистора 13 R13 и характеристического сопротивления отрезка линии передачи 9 ρ9. Здесь R входное сопротивление НЭ; ρ8 - - характеристическое сопротивление циркулятора 8; Pq2/Pq2_макс; сопротивление при R13опт оптимальный номинал резистора 13.

Оптимальный номинал резистора 13 R13опт определяется условием (фиг. 4, кривая 2)

Выбором характеристического сопротивления отрезка линии передачи 9 ρ9 минимизируется влияние высших гармоник тока диодов 10, 11 на характеристики НЭ. Экспериментально определено соотношение для выбора номинала ρ9:

Номинал катушки индуктивности 12 определяется условием
L = 1/(ω²₀C_Σ), (6)
где C_Σ С10 + С11 общая емкость диодов 10, 11.

Для определения зависимости выходной мощности гармоники основной частоты w₀ сигнала q14(t) на выходе линейного усилителя 14 Р14 от Pq2 используем известную из литературы [6] зависимость
Р_отр/Р_пад ((1-R)/(1+R))², (7)
где Р_пад, Р_отр мощности, падающая на НЭ и отраженная от НЭ.

Полагаем, что

где К14 коэффициент усиления по мощности линейного усилителя 14.

Подставляя (8) в (7) и используя зависимость (фиг. 4, кривая 2), получаем зависимость представленную на фиг. 5, а. Здесь Р14/Р14_макс, Р14_макс мощность гармоники основной частоты ω₀ сигнала q14(t) на выходе линейного усилителя 14.

Нелинейный корректор НК (фиг. 2) характеризуется зависимостью Рнк(Р14), представленной на фиг. 5, б, где Рнк мощность сигнала гармоники основной частоты ω₀ сигнала на выходе НК; Рнк_макс значения мощности Рнк при Р14 Р14_макс, соответствующие различным значениям ρ17;ρ17 - характеристическое сопротивление отрезка линии передачи 17.

Экспериментальным выбором характеристического сопротивления ρ17 и коэффициента К14 осуществляется коррекция формы амплитудной характеристики ограничителя 3.

Результирующая зависимость Pr(Pq2) (3) обеспечивается путем выбора коэффициента усиления по мощности К20 линейного усилителя 20 из условия
К20 Pr_макс/Рнк_макс. (9)
Так как в предлагаемом линейном усилителе мощности в явном виде не используются механизмы детектирования и преобразования частоты, то для дальнейшего рассмотрения сигналы в звеньях усилителя мощности (фиг. 1) представим амплитудами в векторной форме, а именно

где А, В, С, D, Е комплексные амплитуды рассматриваемых сигналов.

Амплитуды сигналов на входах нелинейных усилителей 5, 6 должны быть постоянными и равны друг другу:

где W постоянное положительное число, требующее конкретизации; коэффициент введен для удобства дальнейшего рассмотрения.

Согласно (10) и фиг. 1 с учетом приведенных в [6] выражений и ограничений для коэффициентов передачи фазорасщепителя 4, реализуемого в виде 3 дБ направленного ответвителя без потерь мощности [4] имеем для составляющих А(t), В(t), С(t) и D(t) следующие соотношения:

где α,β,γ фазы, характеризующие коэффициенты передачи фазорасщепителя в виде 3 дБ направленного ответвителя.

Сигналы s1(t) и s2(t) с комплексными амплитудами С(t) и D(t), удовлетворяющими соотношениям (11), (12), усиливаются нелинейными усилителями 5, 6 без искажений, что обусловлено постоянством модулей амплитуд C(t) и D(t). При этом амплитуда сигнала р(t) на выходе линейного усилителя мощности согласно (10) и фиг. 1 с учетом коэффициентов передачи для выходного сумматора 7, выполненного в таком же виде, что и фазорасщепитель 4, но развернутого по отношению к последнему в плоскости на 180^o и нагруженного на одном из выходов баластным сопротивлением, будет равна

где G коэффициент передачи нелинейных усилителей 5, 6.

Выражения (10), (13) с учетом (2) показывают, что выходной сигнал р(t) воспроизводит в усиленном виде входной сигнал фазовращателя 2 q1(t) и, соответственно, входной сигнал линейного усилителя мощности q(t) с некоторым запаздыванием, не нарушающим работу последнего.

Для определения зависимости В(А), характеризующей работу ограничителя 3, полагаем

Тогда (11) с учетом (12) можно представить в виде

Выражения (14), (15) представляют формулировку требуемых для выполнения условия (11) соотношений между амплитудами и фазами на выходах фазовращателя 2 и ограничителя 3. Отсюда на основании (14) получаем следующее требование для мощностей:
Pr Psмакс Ps (16)
В свою очередь, число n в (15) определяет дискреты допустимых значений γ и Ψ которые следует выбирать из условия равенства или приближенного равенства наклонов фазочастотных характеристик фазовращателя 2 и ограничителя 3. Это условие соответствует одинаковому или почти одинаковому времени запаздывания сигналов в этих устройствах, что необходимо для нормального функционирования линейного усилителя мощности в динамическом режиме.

Определим условия, вытекающие из необходимости выполнения равенства (16).

Используя (1) и (2), получаем
Ps K2 · Pq1 K1 · K2 · Pq2.

Подставляем это выражение в (16) и, считая, что
Psмакс K1 · K2 · Pq2макс,
получаем
Pr K1 · K2 · (Pq2макс Pq2). (17)
Из сравнения (17) и (3) видно, что равенство (16) реализуется при условиях
Pq20 < Pq2макс, К3 K1 · K2. (18)
Условия (18) реализуются соответствующим выбором номинала резистора 13 и коэффициента усиления линейного усилителя 20 (фиг. 2).

В свою очередь, фазовое соотношение (15) реализуется с помощью фазовращателя 2.

Для выявления особенностей предлагаемого линейного усилителя мощности рассмотрим зависимость В(А) при v = π·m, Ψ = π·l (m, l -2, -1, 0, 1, 2), что согласно (15) можно реализовать в случае γ = π/2 при использовании в качестве фазорасщепителя 4 квадратурного 3 дБ-направленного ответвителя [4] В этом случае искомая зависимость В(А) в соответствии с (14) имеет вид

На фиг. 6,а,б представлены зависимости В(А), где А, В амплитуды сигналов s(t), r(t) при ϕ = π·m, Ψ = π·l.
На фиг. 6,а сплошной и штриховой линиями изображены зависимости В(А) согласно выражению (19) соответственно для знака "+" и знака "-". На фиг. 6,б для сравнения приведена аналогичная зависимость в соответствии с выражениями, представляющими результат тригонометрической теории, содержащейся в работе [2]
Из фиг. 6,а,б следует, что сопоставляемые зависимости различаются качественно. В первом случае (фиг. 6,а) зависимостей две и обе они нечетные, во втором (фиг. 6,б) одна четная зависимость.

Принципиальный характер рассматриваемого различия следует из анализа прохождения через сопоставляемые устройства тестового бигармонического сигнала
S(t) = cos(ω₁·t)+cos(ω2·t) = A(t)·cos(ω₀·t),
где A(t) = 2·cos((ω_l-ω₂)·t/2, ω₀= (ω₁+ω₂)/2.
Из приведенных выражений следует, что амплитуда группового тестового сигнала A(t) с течением времени принимает как положительные, так и отрицательные значения, в связи с чем отклик B(t) в двух противопоставляемых случаях (фиг. 6 а,б) будет принципиально различным.

Таким образом, по сравнению с известными устройствами заявляемый линейный усилитель мощности позволяет достичь уменьшения уровня нелинейных искажений и расширения допустимой спектральной полосы усиливаемого сигнала при обеспечении высокого КПД нелинейных усилителей.

Практическое применение предлагаемого линейного усилителя мощности опробовано в диапазоне частот f (850.1700) МГц. На частоте f₀ 1 ГГц при максимальной выходной мощности в режиме линейного усиления более 25 Вт КПД устройства в режиме максимальной мощности составил 40% В режиме стандартного двухтонового равноамплитудного испытания с разносом частот 0.10 МГц при интегральной выходной мощности более 12,5 Вт был получен уровень интермодуляционных компонент менее -23 дБ относительно каждой из полезных гармонических составляющих.

Источники информации
1. Cox D.C. Leck R.P. Component signal separation and recombination for linear amplification with nonlinear componrnts. IEEE Transaktion on Communications Tech. V.COM-23, 1975, N 11, pp. 1281 1287.

2. Couch L. Walker J.L. A VHF LINC amplifier. "Conf. Proc. IEEE SOUTHEA STCON 82, Destin, FLA. Apr. 4-7, 1982", New York, N.Y. 1982, pp. 122 125.

3. Герус В.Л. Усилитель мощности. Авторское свидетельство. SUN 1543537 A1, кл. H 03 F 1/32, заявл. 04.04.88, опубл. 15.02.90, Бюл. N 6.

4.Антенны и устройства СВЧ (проектирование фазированных антенных решеток). Под.ред. Д. И. Воскресенского. М. Радио и связь, 1981, с. 409 - 411, 358 359, 383 386, 261 303.

5. Гассанов Л.Г. Липатов А.А. Марков В.В. Могильченко Н.А. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. М. Радио и связь, 1988, с. 168 174.

6. Фельдштейн А.Л. Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М. Связь, 1971, с. 41, 22, 172, 174, 175.

Формула изобретения

1. Линейный усилитель мощности, содержащий последовательно соединенные входной делитель, фазовращатель, фазорасщепитель, первый усилитель, выходной сумматор, второй усилитель, идентичный первому и включенный между вторым выходов фазорасщепителя и вторым входом выходного сумматора, отличающийся тем, что между вторым выходом входного делителя и вторым входом фазорасщепителя включен ограничитель, имеющий амплитудную характеристику, описываемую соотношением

где P_r мощность гармоники основной частоты сигнала на выходе ограничителя;
P_q2 - мощности гармоники основной частоты сигнала на выходе делителя;
максимальное значение мощности P_r;
максимальное значение мощности P_q2;
P_q20 значение мощности P_q2, при котором ,
КЗ коэффициент формы амплитудной характеристики,
а первый и второй усилители выполнены в виде нелинейных усилителей.

2. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что в нем ограничитель содержит циркулятор, первое плечо которого соединено с нелинейным элементом, а второе плечо соединено с последовательно соединенными первым линейным усилителем, нелинейным корректором, вторым линейным усилителем, выход которого является выходом ограничителя, причем нелинейный элемент выполнен в виде последовательно соединенных отрезка линии передачи, катушки индуктивности, резистора, второй электрод которого подключен к общему электроду нелинейного элемента, первого полупроводникового диода, включенного между электродами катушки индуктивности, второго полупроводникового диода, идентичного первому и включенного с изменением полярности по отношению к первому диоду также между электродами катушки индуктивности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6