Аналоговый предыскажающий линеаризатор для усилителя мощности

Авторы патента:

H03F3/20 - усилители мощности, например усилители, работающие в режиме класса B или класса C (H03F 3/26- H03F 3/32 имеют преимущество)

H03F1/32 - Усилители (измерения и испытания G01R; оптические параметрические усилители G02F; схемы на лампах с вторичной эмиссией H01J 43/30; мазеры, лазеры H01S; регулирование усиления H03G; устройства связи, независимые от типа усилителя, делителя напряжения, H03H; усилители, используемые только для усиления импульсов, H03K; промежуточные усилители для линий связи H04B 3/36, H04B 3/58; применение усилителей речи в устройствах телефонной связи H04M 1/60, H04M 3/40)

Владельцы патента RU 2692966:

Акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (АО "Российские космические системы") (RU)

Изобретение относится к области линеаризующих устройств и может быть использовано в составе усилителей мощности бортовой и наземной аппаратуры. Технический результат заключается в повышении линейности усилителя мощности, улучшающем качество передачи информации в рабочей полосе частот и выполнение жестких требований электромагнитной совместимости (ЭМС) за её пределами. Входной высокочастотный сигнал поступает на вход сумматора-разветвителя 1 первый выход которого соединен со входом аттенюатора 3, выход аттенюатора 3 соединен со входом фазовращателя 4, выход которого соединен с первым входом сумматора-разветвителя 2. Второй выход сумматора-разветвителя 1 соединен с первым портом 8.1 гибридного кольца 8, второй порт 8.2 гибридного кольца 8 соединен со входом фильтра нижних частот 5, третий порт 8.3 гибридного кольца 8 соединен со входом нелинейного блока 7, четвертый порт 8.4 гибридного кольца 8 соединен со вторым входом сумматора-разветвителя 2, при этом выход сумматора-разветвителя 2 соединен со входом линейного усилителя 6. Высокочастотный сигнал с выхода линейного усилителя 6 поступает на вход усилителя мощности, компенсируя нелинейные искажения усилителя мощности. 1 ил.

Изобретение относится к области линеаризующих устройств и может быть использовано в составе усилителей мощности бортовой и наземной аппаратуры.

При усилении радиочастотного сигнала в усилителе мощности (УМ) на его выходе возникают нелинейные искажения, вызванные амплитудной (АМ/АМ) компрессией и амплитудно-фазовой (АМ/ФМ) конверсией нелинейного элемента. Данные искажения ухудшают качество передаваемой информации в рабочей полосе частот и нарушают требования электромагнитной совместимости за её пределами. Для коррекции нелинейных искажений, возникающих в УМ, в настоящее время используют различные системы линеаризации, наиболее эффективными из которых являются системы предыскажающей линеаризации.

Из уровня техники известен линеаризатор, применяемый для повышения линейности характеристик радиочастотного усилителя мощности (патент на изобретение US 5999047). Схема линеаризатора построена по мостовой схеме с делением на две ветви: линейную, состоящую из фазовращателя и фиксированной задержки, и нелинейную, включающая себя генератор искажений и аттенюатор. Выход схемы линеаризатора соединен с усилителем и аттенюатором. Схема управления принимает команды управления включения, отключения и формирует двухуровневый сигнал телеметрии, состояние которого показывает режим работы. Схема управления регулирует параметры линеаризатора и устанавливает коэффициент усиления выходного усилителя и затухание выходного аттенюатора. Весь линеаризатор может быть реализован на подложке, например, из поликора. Линеаризатор может использоваться с твердотельными усилителями мощности и усилителями на лампах бегущей волны, которые работают в диапазонах частот S, C, X, Ku, Ka, Q, V, W или в любой другой желаемой полосе частот.

Недостатком известного линеаризатора является более высокий уровень интермодуляционных искажений третьего, пятого и более высоких порядков относительно предлагаемого технического решения.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является линейный усилитель мощности, который состоит из последовательно соединенных входного двигателя, фазовращателя, фазорасщепителя, первого усилителя, выходного сумматора, второго усилителя, идентичного первому и включенного между вторым выходом фазорасщепителя и вторым входом выходного сумматора, между вторым выходом входного делителя и вторым входом фазорасщепителя включенного ограничителя (патент на изобретение РФ №2099855).

Однако, данное техническое решение предполагает использование двух идентичных усилителей мощности, что не приемлемо с точки зрения экономических и массо-габаритных показателей и требует высокой точности идентичности параметров.

Задачей заявляемого технического решения является уменьшение величины продуктов интермодуляционных искажений третьего, пятого и более высоких порядков, возникающих в усилителе мощности.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, является повышение линейности усилителя мощности, улучшающее качество передачи информации в рабочей полосе частот и выполнение жестких требований электромагнитной совместимости (ЭМС) за её пределами.

Структурная схема предлагаемого аналогового предыскажающего линеаризатора представлена на рисунке 1, в состав которого входят:

– сумматор-разветвитель 1 и 2;

– управляемый аттенюатор 3;

– управляемый фазовращатель 4;

– фильтр нижних частот 5;

– линейный усилитель 6;

– нелинейный блок 7;

– гибридное кольцо 8.

Входной высокочастотный сигнал поступает на вход сумматора-разветвителя 1 первый выход которого соединен со входом управляемого аттенюатора 3, выход аттенюатора 3 соединен со входом фазовращателя 4, выход которого соединен с первым входом сумматора-разветвителя 2. Второй выход сумматора-разветвителя 1 соединен с первым портом 8.1 гибридного кольца 8, второй порт 8.2 гибридного кольца 8 соединен со входом фильтра нижних частот 5, третий порт 8.3 гибридного кольца 8 соединен со входом нелинейного блока 7, четвертый порт 8.4 гибридного кольца 8 соединен со вторым входом сумматора-разветвителя 2, при этом выход сумматора-разветвителя 2 соединен со входом линейного
усилителя 6. Высокочастотный сигнал с выхода линейного усилителя 6 поступает на вход усилителя мощности, компенсируя нелинейные искажения усилителя мощности.

Сущность изобретения поясняется следующим.

Входной высокочастотный сигнал u(t) = U(t)·cos(ω₀t + φ(t)) поступающий на вход устройства разделяется в сумматоре-разветвителе на два сигнала равной мощности u₁(t) = U(t)/2·cos(ω₀t + φ(t)) и
u₂(t) = U(t)/2·cos(ω₀t + φ(t)), где ω₀ = 2πf₀, а f₀– частота несущего колебания, φ(t) – начальная фаза, U(t) – амплитуда сигнала. Сигнал u₁(t) проходит через линейную ветвь устройства предыскажения, состоящую из управляемых аттенюатора 3 и фазовращателя 4, таким образом на первый вход сумматора разветвителя поступает сигнал u_Л(t) = U_Л(t)·cos(ω₀t + φ_Л(t)), где U_Л(t) = k_АТТ·U(t)/2 – амплитуда на выходе линейной ветви, φ_Л(t) = φ(t) + φ_ФВ(t) – фаза на выходе линейной ветви, учитывающая задержку в нелинейной ветви, φ_ФВ(t) – фазовый набег фазовращателя. Сигнал u₂(t) проходит через нелинейную ветвь устройства предыскажения, состоящую из гибридного кольца 8, к порту 8.2 которого подключен фильтр нижних частот 5, а к порту 8.3 нелинейный блок 7, представляющий собой антипараллельное включение двух диодов Шоттки. При прохождении нелинейной ветви сигнал u₂(t) искажается, за счет нелинейности диодов, и поступает на второй вход сумматора-разветвителя в виде u_НЛ(t) = u_ФНЧ(t) + u_НБ(t), где u_ФНЧ(t) = U_ФНЧ(t)·cos(ω₀t) - сигнал отраженный от порта 8.2 гибридного кольца 8, где U_ФНЧ(t) = k_ФНЧ·U(t)/4 – амплитуда отраженного сигнала от фильтра нижних частот 5, k_ФНЧ – модуль коэффициента передачи фильтра нижних частот 5, а u_НБ(t) = U_НБ(t)·cos(ω₀t + φ_НБ(t)) - сигнал отраженный от порта 8.3 гибридного кольца 8, где U_НБ(t) = k_НБ(U)·U(t)/4 – амплитуда сигнала отраженного от нелинейного блока 7, k_НБ(U) – модуль коэффициента передачи нелинейного блока 7, φ_НБ(t)) – фазовый набег нелинейного блока 7.

При сложении в сумматоре-разветвителе сигналов u_Л(t) и u_НЛ(t) на выходе мы получим предыскаженный сигнал u_ЛИН(t) = U_ЛИН(t)·cos(ω₀t + φ_ЛИН(t)), где U_ЛИН(t) – амплитуда на выходе аналогового предыскажающего линеаризатора, φ_ЛИН(t) – суммарный фазовый набег аналогового предыскажающего линеаризатора, нелинейные искажения которого противофазны искажениям, возникающим в усилителе мощности, а фазовый набег противоположен по знаку. Следовательно, на выходе УМ снизится суммарный уровень нелинейных искажений.

Функционирование предлагаемого аналогового предыскажающего линеаризатора поясняется ниже на примере формирования и усиления мощности двухчастотного сигнала.

Например, на вход предлагаемого аналогового предыскажающего линеаризатора поступает сигнал вида:

(1)

где ω_1,2 = 2πf_1,2, а f_1,2– частота первого и второго тона сигнала,
U₀ – амплитуда сигнала.

Далее сигнал разделяется в сумматоре-разветвителе на два сигнала равной мощности:

(2)

Сигнал u_СР1(t) прошедший через линейную ветвь ослабляется в управляемом аттенюаторе 3 и добавляется фазовый набег, учитывающий задержку в нелинейной ветви для правильного сложения сигналов в сумматоре-разветвителе 2. Таким образом, на выходе линейной ветви получается сигнал, описываемый выражением:

(3)

где k_АТТ – коэффициент ослабления аттенюатора, φ_ФВ – фазовый набег фазовращателя.

Для простоты нелинейный блок 7, подключенный к порту 8.3 гибридного кольца 8, можно аппроксимировать выражением:

(4)

где b₁, b₃, b₅> 0 – коэффициенты аппроксимации нелинейной характеристики диодов Шоттки.

В гибридном кольце 8 сигнал u_СР2(t), поступающий на порт 8.1, разделяется на два сигнала равной мощности, одна часть которого практически полностью гасится в фильтре нижних частот 5, подключенного к порту 8.2, а другая часть отражается от нелинейного блока 7, подключенного к порту 8.3, и на выходе порта 8.4 происходит сложение отраженных сигналов, результат которого описывается выражением:

, (5)

где k_ФНЧ – модуль коэффициента передачи фильтра нижних частот 5, φ_НБ(U) – фазовый набег нелинейного блока 7.

В выражении (5) опущены составляющие третьей и пятой гармоники, так как они не попадают в рабочую полосу УМ, поэтому ими можно пренебречь.

После сложения сигналов линейной и нелинейно ветви в сумматоре-разветвителе 2 сигнал усиливается линейным усилителем 6. Таким образом, сигнал на выходе аналогового предыскажающего линеаризатора описывается выражением:

, (6)

где k_УМ – коэффициент усиления линейного усилителя 6.

Если аппроксимировать передаточную характеристику активного элемента усилителя мощности полиномом вида:

(7)

где а₁> 0, а₃, а₅< 0 – коэффициенты аппроксимации АМ-АМ компрессии усилителя мощности, и пропустить через него сигнал описываемый выражением (6), то в спектре сигнала на выходе усилителя мощности в полосе усиления возникают интермодуляционные составляющие третьего и пятого порядка на частотах , , , , которые компенсируются составляющими на тех же частотах, представленных в выражении (6), прошедшими через линейную часть характеристики (7), за счет синфазного сложения в противофазе. Компенсация АМ/ФМ конверсии усилителя мощности происходит за счет того, что фазовая характеристика нелинейного блока 7 противоположна по знаку и при сложении двух этих фазовых набегов результирующий фазовый набег сигнала на выходе усилителя мощности будет стремиться к нулю.

Таким образом, подбором параметров аналогового предыскажающего линеаризатора (φ_ФВ, k_АТТ, k_ЛУ, R_ф, С_ф, Е_см) достигается уменьшение уровня продуктов интермодуляционных искажений третьего, пятого порядка и более высоких порядков, возникающих на выходе усилителя мощности.

При формировании и усилении полосового сигнала процессы взаимодействия будут идентичны описанным выше.

Оптимальные значения параметров сопротивления и емкости фильтра нижних частот 5, напряжения смещения диодов, коэффициента затухания управляемого аттенюатора 3, фазового набега фазовращателя 4, и коэффициента усиления линейного усилителя 6 подбираются при регулировании аналогового предыскажающего линеаризатора под конкретный усилитель мощности с известными нелинейными характеристиками.

Результаты модельных и экспериментальных исследований аналогового предыскажающего линеаризатора показали, что при произвольном полосовом передаваемом высокочастотном сигнале по предлагаемой схеме удаётся значительно снизить уровень интермодуляционных искажений третьего, пятого и более высокого порядка в усилителе мощности, что подтверждает возможность достижения технического результата.

Таким образом, введение аналогового предыскажающего линеаризатора по предлагаемой схеме в состав усилителя мощности обеспечивает достижение технического результата – повышение линейности усилителя мощности, улучшающее качество передачи информации в рабочей полосе частот и выполнение жестких требований ЭМС за пределами рабочей полосы частот.

Аналоговый предыскажающий линеаризатор, включающий в себя два сумматора-разветвителя, управляемый аттенюатор, управляемый фазовращатель, гибридное кольцо, фильтр нижних частот, линейный усилитель, нелинейный блок, высокочастотный вход и выход,

при этом высокочастотный вход соединен с входом первого сумматора-разветвителя,

первый выход первого сумматора-разветвителя соединен с входом аттенюатора,

выход аттенюатора соединен с входом фазовращателя, образуя выходной сигнал, поступающий на первый вход второго сумматора разветвителя,

кроме того, второй выход первого сумматора-разветвителя соединен с первым портом гибридного кольца,

сигнал с первого порта поступает на второй и третий порт гибридного кольца,

отраженные сигналы от второго и третьего порта поступают на четвертый порт гибридного кольца,

выходной сигнал с четвертого порта гибридного кольца поступает на второй вход второго сумматора-разветвителя,

при этом выходной сигнал второго сумматора-разветвителя поступает на вход линейного усилителя, выход которого соединен с высокочастотным выходом аналогового предыскажающего линеаризатора.

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к резонансным преобразователям электрической энергии на основе резонансных усилителей мощности. Техническим результатом является увеличение коэффициента усиления и снижение зависимости параметров преобразователя от величины нагрузки.

Устройство и метод генерации высокой радиочастотной мощности // 2652458

Настоящее изобретение относится к устройству (1) и способу генерации высокой радиочастотной мощности. Технический результат заключается в снижении потерь радиочастотной мощности и достижении максимального уровня выходной мощности сумматора мощности.

Устройство и способ усиления электрических сигналов (варианты) // 2644119

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам усиления электрических сигналов на основе резонансных преобразователей электрической энергии. Технический результат заключается в увеличении коэффициента усиления и снижении зависимости параметров от величины нагрузки.

Устройство и способ усиления электрических сигналов (варианты) // 2639948

Изобретение относится к устройствам усиления электрических сигналов на основе резонансных преобразователей электрической энергии. Задачей и техническим результатом является в способе и устройстве увеличение коэффициента усиления и снижение зависимости параметров от величины нагрузки с увеличением добротности резонансных контуров за счет однонаправленной передачи электрической энергии от источника питания к нагрузке, исключения сопротивления нагрузки из электрической цепи, обеспечивающей параметрическое усиление электрических колебаний, и использования энергии электрического поля уединенных емкостей, что приводит к параметрическому изменению емкости в резонансных контурах высоковольтных обмоток трансформаторов Тесла.

Устройство и способ стребкова усиления электрических сигналов (варианты) // 2622847

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам усиления электрических сигналов на основе резонансных преобразователей электрической энергии. Технический результат - увеличение коэффициента усиления электрических сигналов и повышение стабильности величины коэффициента усиления при изменении нагрузки.

Параметрический резонансный генератор и способ возбуждения в генераторе электрических колебаний // 2605764

Изобретение относится к электротехнике, к резонансным преобразователям электрической энергии на основе параметрических резонансных генераторов. Технический результат состоит в повышении мощности и снижении зависимости вырабатываемой электроэнергии параметрического резонансного генератора от величины нагрузки.

Устройство и способ усиления электрических сигналов (варианты) // 2601144

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в усилителях мощности. Достигаемый технический результат - увеличение коэффициента усиления и снижение зависимости параметров усиления электрических сигналов от величины нагрузки.

Способ увеличения мощности электрического сигнала // 2600097

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в усилителях. Достигаемый технический результат - увеличение коэффициента усиления.

Параметрический резонансный генератор // 2598688

Изобретение относится к электротехнике, в частности к резонансным преобразователям электрической энергии на основе параметрических резонансных генераторов. Задачей предлагаемого изобретения является увеличение мощности и снижение зависимости вырабатываемой электроэнергии параметрического резонансного генератора от величины нагрузки.

Контур усилителя с перекрестной разводкой сигналов постоянного тока и свч-сигналов // 2565366

Изобретение относится к созданию контура усилителя с перекрестной разводкой сигналов постоянного тока и СВЧ-сигналов. Технический результат заключается в обеспечении согласования выходного полного сопротивления микросхемы мощности с широкополосной сетью.

Настраиваемая ламповая усилительная система радиочастотного генератора мощности // 2687965

Ламповая усилительная система содержит проводящие стенки, проходящие параллельно продольной оси и ограничивающие между собой внутреннее пространство. Ламповая усилительная система также содержит шунтирующую пластину, которая проходит поперечно продольной оси.

Буферный усилитель для работы при низких температурах // 2687161

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в создании радиационно-стойкого и низкотемпературного схемотехнического решения буферного усилителя.

Устройство цифровой коррекции нелинейности // 2685284

Изобретение относится к области передачи радиосигналов и может быть использовано для исправления искажения радиосигналов. Техническим результатом является упрощение конструкции, снижение потребляемой мощности и повышение быстродействия.

Операционный усилитель с токовой обратной связью // 2683502

Изобретение относится к электронным устройствам, в частности к усилителям. Техническим результатом заявляемого изобретения является увеличение трансимпеданса, повышение коэффициента усиления по напряжению и повышение устойчивости усилителя без увеличения емкости корректирующего конденсатора.

Операционный транскондуктивный усилитель с дифференциальным выходом // 2683185

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано при разработке электронных интегральных схем с переключаемыми конденсаторами. Технический результат заключается в уменьшении площади, занимаемой полной схемой ОТУ на кристалле.

Быстродействующий операционный усилитель с повышенной скоростью нарастания выходного напряжения // 2683160

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат: повышение максимальной скорости нарастания выходного напряжения и уменьшение времени установления переходного процесса.

Устройство и способ адаптивной линеаризации аналогового радиотракта с помощью двухблочного цифрового корректора // 2676017

Изобретение относится к области систем обработки сигналов в средствах связи. Технический результат заключается в уменьшении количества параметров оптимизации адаптивного алгоритма без потери в качестве работы цифровой системы линеаризации.

Быстродействующий операционный усилитель // 2676014

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат: повышение скорости нарастания выходного напряжения и уменьшение времени установления переходного процесса.

Способ и устройство усиления мощности излучаемого радиосигнала для цифрового радиовещания // 2676013

Заявленное изобретение относится к способам и устройствам усиления мощности излучаемого радиосигнала для цифрового радиовещания. Техническим результатом изобретения является существенное повышение эффективности излучения радиосигналов на передающей стороне, повышение энергетической эффективности и надежности передатчика, расширение динамического диапазона усиливаемых сигналов без увеличения мощности блока питания, уменьшение нелинейных искажений.

Неинвертирующий повторитель напряжения // 2674927

Изобретение относится к схемотехнике, автоматике, промышленной электронике и измерительной технике. Технический результат заключается в увеличении значения коэффициента передачи неинвертирующего повторителя напряжения и приближение его к идеальному значению, равному единице.