Устройство для защиты усилителя мощности от перегрузки

 

Изобретение относится к технике радиосвязи. Технический результат заключается в защите усилителя мощности (УМ) при перегрузке со стороны его входа, а также выхода при коротком замыкании нагрузки (Н) или ее обрыве. Устройство содержит в цепи обратной связи (ОС) УМ (6) направленный ответвитель (НО) (1), выполненный в виде двух связанных линий, вход первой из которых нагружен на согласованную нагрузку НО (1), а выход соединен с детектором (3), выход которого соединен с блоком управления (БУ) (4). Вход второй линии НО (1) подключается к выходу УМ (6), а ее выход - к нагрузке УМ (6). В состав цепи ОС введен биполярный транзистор (БТ) (5), база которого подключена к выходу БУ (4), с которого на базу БТ (5) подается постоянное запирающее оба перехода БТ (5) напряжение. Коллектор-эмиттер БТ (5) является двухполюсником, соединенным с общим для УМ (6) и цепи ОС проводником и входом УМ (6). БТ (5) является одновременно самоуправляемым ограничителем мощных входных сигналов или помех и ограничителем при коротком замыкании Н или ее обрыве. 6 ил.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к технике радиосвязи, и может быть использовано в усилителях мощности передатчиков пейджинговой и сотовой связи, теле- и радиовещания.

Известно устройство для защиты усилителя мощности от перегрузки по его входу, содержащее цепь связи, в состав которой входит направленный ответвитель (НО), выполненный в виде двух связанных линий, детектор и блок управления коэффициентом усиления усилителя мощности [1]. Одна из линий НО включена между выходом усилителя мощности и его нагрузкой, один конец второй линии, с которого снимается переменное напряжение, пропорциональное выходной мощности, подключен к входу детектора, другой конец второй линии - к согласованной балластной нагрузке НО, выход детектора подключен к входу блока управления коэффициентом усиления усилителя мощности, а выход блока управления - к усилителю мощности. Недостатком такого устройства защиты усилителя мощности от перегрузки является то, что оно не защищает усилитель от рассогласования нагрузки с его выходом. Чаще всего нагрузкой усилителя мощности является наружная передающая антенна, соединяемая с его выходом коаксиальным кабелем. Антенна подвергается механическим и климатическим воздействиям, что в ряде случаев приводит к обрыву кабеля либо его короткому замыканию. При коротком замыкании нагрузки или ее обрыве усилитель мощности выходит из строя.

Известны устройства [2-4] для защиты усилителей мощности от перегрузки, в которых используются аналогичные технические решения и которые обладают тем же недостатком, что и устройство, описанное в [1].

Известно также устройство для защиты усилителей радиотелевизионных передающих станций, содержащее два НО, включенных каскадно между выходом усилителя мощности и его нагрузкой, первый и второй детекторы, подключенные своими входами соответственно к плечу первого НО, с которого снимается сигнал, пропорциональный падающей мощности, и к плечу второго НО, с которого снимается сигнал, пропорциональный отраженной от нагрузки мощности, две согласованные нагрузки НО, подключаемые к оставшимся свободным плечам первого и второго НО, блок управления, входы которого подключены к выходам первого и второго детекторов, а его выход - к цепи питания первых маломощных каскадов усилителя мощности [5]. Недостатком такого устройства является большая постоянная времени цепи обратной связи, превышающая 20 мкс и обусловленная ее относительно большой длиной, поскольку ее входы расположены на выходе мощных каскадов усилителя мощности, а ее выход - на входе его первых маломощных каскадов. Маломощные входные и мощные выходные каскады усилителя мощности выполнены в виде отдельных блоков и пространственно разнесены между собой. Такое устройство не в состоянии защитить усилитель от воздействия мощных сигналов, поступающих на его вход, а также от короткого замыкания нагрузки усилителя или ее обрыва. В соответствии с паспортными данными на мощные высокочастотные транзисторы [6] двух - трехкратное превышение максимально допустимого значения коллекторного тока в них допускается в течение не более 10-20 мкс, то есть в течение времени существенно меньшего, чем время срабатывания такой системы защиты усилителя мощности от перегрузки.

Наиболее близким к заявляемому объекту по максимальному числу существенных признаков является устройство для защиты усилителя мощности от перегрузки, содержащее цепь обратной связи, в состав которой входят НО, выполненный в виде двух связанных линий, вход первой из которых нагружен на согласованную нагрузку НО, детектор, вход которого подключен к выходу первой линии НО, блок управления, вход которого соединен с выходом детектора, а его выход подключен к входным каскадам усилителя мощности, вход второй линии НО подключен к выходу усилителя мощности, а ее выход - к нагрузке усилителя мощности, при этом выход блока управления является источником питания входных каскадов усилителя мощности [7].

Недостатком устройств-прототипа является то, что оно не обеспечивает защиту усилителя мощности от воздействия мощных входных сигналов.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое решение, - создание устройства защиты усилителя мощности от перегрузки как со стороны его входа, так и со стороны его выхода, в том числе при значительном рассогласовании выходного сопротивления усилителя с нагрузкой, в частности, вызванного коротким замыканием нагрузки или ее обрывом.

Это достигается тем, что в устройство для защиты усилителя мощности от перегрузки, содержащее цепь обратной связи, в состав которой входят НО, выполненный в виде двух связанных линий, вход первой из которых нагружен на согласованную нагрузку НО, детектор, вход которого подключен к выходу первой линии НО, и блок управления, вход которого соединен с выходом детектора, при этом вход второй линии НО подключается к выходу усилителя мощности, а ее выход - к нагрузке усилителя мощности, в состав цепи обратной связи введен транзистор, база которого подключена к выходу блока управления, коллектор или эмиттер транзистора соединен с общим для усилителя мощности и цепи обратной связи проводником, а эмиттер или коллектор транзистора образует выход цепи обратной связи, подключаемый к входу усилителя мощности.

На фиг.1 и 2 представлены функциональная схема предложенного устройства для защиты усилителя мощности от перегрузки и принципиальная электрическая схема макета такого устройства. На фиг.3-6 представлены различные экспериментальные зависимости, снятые на частоте 160 МГц с усилителя мощности, принципиальная электрическая схема которого приведена на фиг.2.

Устройство для защиты усилителя мощности от перегрузки (фиг.1) содержит НО 1, выполненный в виде двух связанных линий, вход первой из которых (верхней по чертежу) нагружен на согласованную нагрузку 2 НО 1, детектор 3, вход которого подключен к выходу первой линии НО 1, блок управления 4, вход которого соединен с выходом детектора 3, биполярный транзистор 5, база которого соединена с выходом блока управления 4 и защищаемый усилитель мощности 6, вход которого соединен с эмиттером транзистора 5, а выход с входом второй линии НО 1, коллектор транзистора 5 соединен с общим для усилителя мощности и цепи обратной связи проводником ("землей"), при этом выход второй линии НО 1 подключается к нагрузке усилителя мощности. Вместо р-n-р транзистора 5, изображенного на фиг.1, в заявляемом устройстве может использоваться также n-р-n транзистор.

Устройство для защиты усилителя мощности от перегрузки работает следующим образом. На базу транзистора 5 с блока управления 4, имеющего высокое выходное сопротивление на рабочих частотах усилителя мощности, подается постоянное запирающее оба перехода транзистора 5 напряжение. На вход усилителя и одновременно на эмиттер транзистора 5 подается переменное высокочастотное напряжение усиливаемого сигнала. Переменное высокочастотное напряжение делится между емкостями закрытых переходов база - эмиттер и база - коллектор. На переходе база - коллектор имеется переменное напряжение, амплитуда которого равна значению U_вхС_бэ/(С_бк+С_бэ), где U_вх - амплитуда переменного высокочастотного напряжения на входе усилителя мощности; С_бэ и С_бк - емкости запертых переходов база - эмиттер и база - коллектор транзистора 5. Значения емкостей запертых переходов С_бэ и С_бк биполярных транзисторов отличаются незначительно [6]. Величина постоянного напряжения на базе транзистора 5 устанавливается равной амплитуде переменного высокочастотного напряжения на переходе база - коллектор транзистора 5, соответствующей номинальному значению переменного высокочастотного напряжения на входе усилителя мощности. То есть величина постоянного напряжения на базе транзистора 5 устанавливается приблизительно равной половине амплитуды номинального значения входного напряжения усилителя мощности.

При воздействии на вход усилителя мощности сигнала (или помехи), амплитуда напряжения которого превышает амплитуду номинального значения входного напряжения усилителя мощности, в положительный полупериод воздействия переменного сигнала напряжение на эмиттере транзистора превышает напряжение на его базе. Переход база - эмиттер открывается, и через коллекторную цепь начинает протекать ток, равный αI_э, где α - коэффициент передачи эмиттерного тока, I_э - ток эмиттера. Для мгновенного значения входного воздействия, превышающего номинальное значение, переход эмиттер - коллектор транзистора 5 представляет собой двухполюсник с сопротивлением R_вх=U_вх/αI_э, которое составляет единицы Ом. В отрицательный полупериод воздействия переменного входного сигнала, превышающего по амплитуде номинальное значение входного сигнала, открывается переход база - коллектор транзистора 5, и через транзистор 5 начинает протекать ток, равный α_II_K, где α_I - коэффициент передачи тока коллектора при инверсном включении транзистора 5, I_K - ток коллектора. Согласно [8], α≈α_I. При отрицательной полуволне входного напряжения, амплитуда которого превышает амплитуду номинального входного напряжения, переход эмиттер - коллектор транзистора 5 также представляет собой двухполюсник, сопротивление которого составляет единицы Ом. В этом случае мощное входное воздействие оказывается двухсторонне ограниченным.

С увеличением рассогласования нагрузки усилителя мощности с выходным сопротивлением второй линии НО 1 (крайние степени рассогласования - короткое замыкание нагрузки и ее обрыв) напряжение, снимаемое с выхода первой линии НО 1, увеличивается (в предлагаемом устройстве используется противонаправленный НО 1, в котором на вход детектора 3 подается напряжение, пропорциональное напряжению, отраженному от нагрузки усилителя). При поминальной величине выходной мощности и при коэффициенте стоячей волны по напряжению К_CTU со стороны нагрузки больше максимально допустимого значения напряжение управления, подаваемое на базу транзистора 5 с блока управления 4, начинает уменьшаться, уменьшая амплитуду входного воздействия, поступающего на вход усилителя мощности 6 (уменьшается порог ограничения входного сигнала). Поэтому мощность сигнала на выходе усилителя мощности будет падать пропорционально росту К_CTU нагрузки.

Принципиальная электрическая схема предложенного устройства совместно со стоваттным усилителем мощности передатчика пейджинговой связи фирмы Митцубиси, выполненного на микросхемах М68702Н указанной фирмы и настроенного на полосу пропускания 155-170 МГц, приведена на фиг.2. Резистор R₁ схемы предназначен для увеличения выходного сопротивления блока управления 4 (на фиг. 1), резистор R₂ позволяет изменять начальное значение напряжения управления (уровень ограничения входного сигнала), резистор ₃ используется для подбора величины выпрямленного детектором 3 напряжения, при достижении которого начинает срабатывать система защиты усилителя мощности в соответствии с заданным значением К_CTU нагрузки.

На фиг.3 представлена экспериментальная зависимость выходного напряжения усилителя мощности от постоянного напряжения, снимаемого с выхода блока управления и подаваемого на базу транзистора T₁ (фиг.2), выполняющего роль транзистора 5 на фиг.1. На фиг.4 представлена экспериментальная зависимость выходного напряжения усилителя мощности от мощности входного сигнала, при значении управляющего напряжения, поступающего на базу транзистора T₁, равном 6 В. Обе зависимости сняты при работе усилителя мощности на согласованную пятидесятиомную нагрузку.

На фиг. 5 представлены две зависимости тока, потребляемого усилителем мощности (фиг.2), от сопротивления нагрузки, при мощности входного сигнала, равной 2 Вт, снятые для двух вариантов настройки цепи обратной связи при помощи резистора R₃. Цифрами 1 и 2 обозначены кривые, соответствующие срабатыванию цепи обратной связи при К_CTU нагрузки, равных 2,0 и 1,2 соответственно.

На фиг. 6 приведены зависимости формы огибающей входных (ограниченных) амплитудно-модулированных колебаний, несущая частота которых составляла 160 МГц, снятые при трех различных значениях управляющего напряжения (2, 4 и 6 В), подаваемого на базу транзистора Т₁ (фиг.2), при неизменной величине амплитудно-модулированного колебания, снимаемого с источника сигнала и подаваемого на вход усилителя. Частота модулирующего сигнала была выбрана равной 1 кГц для облегчения наблюдения огибающей и упрощения измерения уровня ограничения входного сигнала. Длительность каждой огибающей на фиг.6 равна одному периоду модулирующего колебания. Масштаб времени на оси абсцисс не обозначен.

Предлагаемое устройство для защиты усилителя мощности от перегрузки по сравнению с устройством-прототипом ограничивает мощный сигнал на входе еще до вступления в работу цепи обратной связи. Это достигается введением в цепь обратной связи биполярного транзистора, выполняющего одновременно роль самоуправляемого ограничителя мощных входных сигналов (или помех) и роль управляемого ограничителя при рассогласовании нагрузки усилителя с его выходным сопротивлением.

Предложенное устройство для защиты усилителя мощности от перегрузки позволяет сохранить работоспособность защищаемого усилителя при воздействии на его вход сигналов мощностью вплоть до максимально допустимой мощности, рассеиваемой коллектором транзистора 5. К достоинствам предлагаемого устройства защиты следует отнести также и то, что введенный транзистор 5 работает в диапазоне частот ориентировочно до 100 f_T, где f_T - граничная частота коэффициента усиления транзистора 5.

Источники информации 1. Заявка 19606799, Германия, Н 03 G 3/30. Устройство для регулировки амплитуды на выходе ВЧ-усилителя мощности/Ludwig Michael, Wahl Marcus. - Опубл. 28.08.97.

2. Заявка 19623930, Германия, Н 03 G 3/30. Способ и устройство для защиты усилителя от перегрузок / Schaeufler Juergen. - Опубл. 18.12.97.

3. Патент 2119249, Россия, Н 03 L 5/02. Устройство автоматического регулирования мощности транзисторного радиопередатчика / Тарасов В.В., Сорокин Д.Т. - Опубл. 20.09.98.

4. Заявка 19708837, Германия, Н 04 В 1/04. Устройство для регулировки выходной мощности ВЧ-передатчика / Mader Thomas, Kottschlag Gerhard, Pitz Gerhard, Gallmann Arnd, Mevissen Walter. - Опубл. 10.09.98.

5. Иванов В.К. Оборудование радиотелевизионных передающих станций. - М.: Радио и связь, 1989. - 336 с. [стр. 87, рис. 2.36].

6. Петухов В.М. Полевые и высокочастотные биполярные транзисторы средней и большой мощности и их зарубежные аналоги: Справочник. В 4 томах. - М.: КУбК - а, 1997.

7. Титов А.А. Двухканальный усилитель мощности с диплексерным выходом // Приборы и техника эксперимента. - 2001. - 1. - С. 68 - 72 - прототип.

8. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. - М. : Энергия, 1977. - 672 с. [стр. 181, рис. 4-9].

Формула изобретения

Устройство для защиты усилителя мощности от перегрузки, содержащее цепь обратной связи, в состав которой входят направленный ответвитель, выполненный в виде двух связанных линий, вход первой из которых нагружен на согласованную нагрузку направленного ответвителя, детектор, вход которого подключен к выходу первой линии направленного ответвителя, и блок управления, вход которого соединен с выходом детектора, при этом вход второй линии направленного ответвителя подключается к выходу усилителя мощности, а ее выход - к нагрузке усилителя мощности, отличающееся тем, что в состав цепи обратной связи введен биполярный транзистор, база которого подключена к выходу блока управления, коллектор или эмиттер транзистора соединен с общим для усилителя и цепи обратной связи проводником, а эмиттер или коллектор транзистора образуют выход цепи обратной связи, подключаемый к входу усилителя мощности.

РИСУНКИ

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