Схема усилителя для компенсации выходного сигнала из схемы
Изобретение относится к схемам усилителя для компенсации выходного сигнала. Технический результат заключается в расширении арсенала технических средств. Схема (200) усилителя содержит выходную линию (230) передачи, присоединенную между выходом (212) упомянутой схемы (210) и выходным портом (240), и усилитель (220). Усилитель (220) содержит множественные субусилители (221, 222, 223, 224), причем входы множественных субусилителей (221, 222, 223, 224) соединены с входной линией (250) передачи для приема сигнала рассогласования, и выходы множественных субусилителей (221, 222, 223, 224) соединены с соответствующими местами вдоль выходной линии (230) передачи для подачи компенсирующего сигнала на выходной порт (240). Сигнал рассогласования получают из опорного входного сигнала и выходного сигнала упомянутой схемы (210) и усиливают в усилителе (220) для получения компенсирующего сигнала. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 11 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Варианты осуществления, раскрытые здесь, относятся к схеме усилителя для компенсации выходного сигнала из некоторой схемы посредством подачи компенсирующего сигнала. Кроме того, раскрыты узлы радиосети и абонентское оборудование в системах беспроводной связи, и электронные устройства, в общем, содержащие схему усилителя.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Усилители мощности широко используются, например, в базовых радиостанциях и в абонентском оборудовании в системах беспроводной связи. Усилители мощности обычно усиливают входные сигналы высоких частот для получения выходного сигнала, готового для радиопередачи. Высокая эффективность и линейность являются обычно желательными для усилителей мощности для уменьшения энергопотребления и минимизации рассогласований и/или искажений в выходном сигнале.
Известные технологии коррекции рассогласований или искажений для усилителей мощности включают в себя технологии обратной связи, предыскажений и прямой связи. Среди них, только так называемые технологии адаптивных предыскажений и прямой связи являются пригодными для систем, имеющим широкую полосу частот, и к которым предъявляются высокие требования по линейности.
Технология адаптивных предыскажений, обычно используемая в цифровых реализациях, является технологией линеаризации, которая работает посредством обеспечения обратно-нелинейного сигнала на входе нелинейного усилителя таким образом, чтобы выходной сигнал стал линейным. Для формирования нелинейного входного сигнала для усилителя, технология адаптивных предыскажений использует дискретизацию выходного сигнала усилителя вместе с нелинейным моделированием и адаптивной обработкой сигналов. Основная польза этой технологии состоит в том, что она почти не влияет на эффективность усилителя.
Однако технология адаптивных цифровых предыскажений не может противодействовать шуму и плохо обрабатывает или совсем не обрабатывает искажения некоторых типов. Сигнал предыскажений обычно имеет значительно большие полосы частот, чем конечный выходной сигнал, особенно для сжатия, областей малой или отрицательной крутизны амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и резких изломов в передаточной функции. Системы цифровых предыскажений нуждаются в корректном наборе параметров модели, который иногда трудно определить. Конкретный набор параметров модели может не работать на практике, если производимые усилители ведут себя отлично от модели. Сложность обработки сигналов и, следовательно, размеры и энергопотребление, могут быть большими для сложных процессов с рассогласованиями. Эти проблемы усугубляются требованиями больших полос частот и малых искажений.
Технология прямой связи, например, описанная в работе Seidel, H., "A microwave feed-forward experiment," Bell System Tech. J., стр. 2879-29 16, Ноябрь 1971, является технологией линеаризации, которая работает посредством подачи корректирующего сигнала после основного усилителя А1 для восстановления линейности, как показано на фиг. 1. В случае этого способа, извлечение сигналов рассогласования осуществляется первым связующим элементом С3 дискретизации сигналов, показанным на фиг. 1. Усиленный выходной сигнал от основного усилителя А1 дискретизируется связующим элементом С2 дискретизации сигналов, затем первый связующий элемент С3 дискретизации сигналов сравнивает дискретизированный сигнал с опорным входным сигналом IN и выводит сигнал рассогласования. Опорный входной сигнал IN задерживается линией передачи или фильтром L1 задержки, чтобы он был синхронизирован с усиленным выходным сигналом из основного усилителя А1. Сигнал рассогласования затем усиливается усилителем А2 сигналов рассогласования для получения корректирующего или компенсирующего сигнала и подается элементом С4 на выход OUT. Линия L2 задержки после основного усилителя А1 обеспечивает то, что корректирующий или компенсирующий сигнал подается синхронно с выходным сигналом из основного усилителя А1. Рамка, обозначенная Х, может быть инвертирующим устройством, или инвертором, в случаях, когда основной усилитель А1 является неинвертирующим усилителем. Системы прямой связи часто описывают в терминах «контуров», т.е. в терминах контура извлечения сигналов рассогласования, за которым следует контур подачи сигналов рассогласования.
Подача сигналов рассогласования, выполняемая элементом С4 на фиг. 1, обрабатывается либо трансформатором, либо направленным связующим элементом. Направленный связующий элемент имеет преимущество, состоящее в том, что он имеет высокое переходное затухание в обратном направлении, т.е. подаваемый сигнал проходит, главным образом, вперед к выходу, тогда как трансформатор отправляет половину энергии подаваемого сигнала назад к основному усилителю А1.
Вследствие ограниченной точности в коэффициентах усиления, фазах и задержках, два или более каскада прямой связи обычно требуются для уменьшения рассогласования до заданных уровней, если контуры настраиваются адаптивно. Каскад прямой связи также обычно используют для дополнения системы предыскажений для обработки сигналов рассогласования «сложных» типов.
Способ прямой связи может обрабатывать рассогласования любых типов, например, изменения в шуме, коэффициенте усиления, АЧХ и искажения любых типов, в том числе нелинейные эффекты памяти с произвольными постоянными времени, областями отрицательного коэффициента усиления и даже гистерезисом. Он может осуществлять это на высоких частотах, в широких полосах частот и без знания конкретных затронутых процессов рассогласования. Таким образом, он имеет преимущество перед технологиями предыскажений как в отношении того, что он подходит для рассогласований любых типов, которые могут быть обработаны, так и в отношении полосы частот. Поскольку способ прямой связи также корректирует шум в цепи основного усилителя, высокоселективные мощные фильтры после основного усилителя могут быть устранены в хорошо спроектированной системе прямой связи. Требования по шуму и искажениям к части предыскажений объединенной системы предыскажений и прямой связи также могут быть снижены.
Однако недостатком способа прямой связи является низкая эффективность. Это так, в значительной степени, вследствие потерь в связующем элементе подачи сигналов рассогласования и низкой эффективности усилителя сигналов рассогласования. Обычно, большие потери в связующем элементе подачи сигналов рассогласования и низкая эффективность усилителя сигналов рассогласования имеют место, если максимальный сигнал рассогласования, либо в напряжении, либо в токе, который подлежит обработке, является большим. Эти потери ведут себя отлично для трансформаторных связующих элементов и направленных связующих элементов. Другие потери и неэффективность происходят от линии задержки после основного усилителя, связующих элементов дискретизации сигналов, и ограниченной точности балансировки контуров в отношении коэффициентов усиления, фаз и задержек. Это означает, что усилители сигналов рассогласования должны иметь способность увеличивать выходную мощность для приспособления к остаточному сигналу, вместо приспособления только к сигналу рассогласования.
Трансформаторная связь не имеет никаких специфических потерь в связующем элементе, но влияет на эффективность усилителя сигналов рассогласования. Она имеет большие потери для низкоамплитудного сигнала в основной цепи. Это будет снижать эффективность усилителя сигналов рассогласования, поскольку усилитель сигналов рассогласования не развязан с ней. Большие потери также происходят от передачи половины мощности подаваемого сигнала в неправильном направлении. Часть подаваемого сигнала, которая возвращается обратно, отражается и взаимодействует с основным усилителем, что обусловливает новые продукты искажений и пульсации в выходном сигнале, известные как проблемы взаимодействия. Вследствие этих проблем, от способа трансформаторной связи по существу отказались в пользу способа направленного связующего элемента.
Направленный связующий элемент имеет близкие к нулевым потери на связь для подаваемых сигналов, которые совпадают по фазе с выходным сигналом основного усилителя и пропорциональны ему с коэффициентом связи, но имеет высокие потери для подаваемых сигналов, которые не удовлетворяют этим условиям. Даже если рассогласование в выходном сигнале равно нулю, направленный связующий элемент сбрасывает часть мощности выходного сигнала основного усилителя в сопротивлении. Это, однако, не обеспечивает конкретный штраф для сигналов с низкой амплитудой в основной цепи, поскольку усилитель сигналов рассогласования развязан с ним посредством направленного связующего элемента. Кроме того, средняя эффективность усилителя сигналов рассогласования является низкой, если сигнал рассогласования в выходном сигнале является малым, в среднем, по сравнению с максимальным сигналом рассогласования.
Патент США 6573792 раскрывает усилитель прямой связи, использующий прямую связь каскада усилителя с нагрузкой усилителя. Основной усилитель соединен через линию передачи с нагрузкой. Этот прямо присоединенный каскад усилителя возбуждается сигналом, который вводит очень малое полное сопротивление параллельно нагрузке для сигнала рассогласования, но кажется разомкнутой цепью для требуемого сигнала, так что на требуемый сигнал из основного усилителя влияние по существу не оказывается.
В работе Byrne J. et al. ʺA highly directive, broadband, bidirectional distributed amplifierʺ, Microwave Symposium Digest, 1989, IEE MTT-S International, IEEE, 13 июня 1989, обсуждаются конструктивные соображения для разработки сильно-направляющего широкополосного двунаправленного распределенного усилителя. Посредством эффективного биномиального масштабирования индивидуальной крутизны, были продемонстрированы направленности порядка от -25 до -35 дБ. Схема является широкополосной с потенциалом работы в октавном или большем интервале частот.
Патент США 4973918 раскрывает радиочастотные распределенные схемы, объединяющие функции усиления, переключения, и разделения сигналов. Схема включает в себя множество полевых транзисторов. Поскольку первый и второй каналы транзистора последовательно соединены линиями передачи, реактивное сопротивление упомянутых линий может быть учтено для обеспечения очень широкополосного усиливающего переключателя и схем разделения сигналов.
Патент США 4797628 обеспечивает модифицированный распределенный усилитель, который способен обеспечивать двухтактную работу без потерь на нагрузке общепринятого двухтактного объединения. Модифицированный распределенный усилитель содержит распределенную конфигурацию усилителя со средством инвертирования сигналов, таким как широкополосный трансформатор линии передачи, соединенный как с входной, так и с выходной линиями.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Таким образом, целью вариантов осуществления, раскрытых здесь, является обеспечение улучшенной схемы усилителя для коррекции рассогласований или искажений сигнала, выводимого из схемы, такой как основной усилитель, упомянутый выше.
Согласно одному аспекту, цель изобретения достигается схемой усилителя для компенсации выходного сигнала, обеспечиваемого на выходе некоторой схемы. Схема усилителя содержит выходную линию передачи, присоединенную между выходом упомянутой схемы и выходным портом. Схема усилителя дополнительно содержит усилитель, содержащий множественные субусилители, причем входы множественных субусилителей соединены с входной линией передачи для приема сигнала рассогласования, и выходы множественных субусилителей соединены с соответствующими местами вдоль выходной линии передачи для подачи компенсирующего сигнала на выходной порт. Сигнал рассогласования получают из опорного входного сигнала и выходного сигнала упомянутой схемы, и сигнал рассогласования усиливается в усилителе для получения компенсирующего сигнала.
Схема усилителя согласно вариантам осуществления, раскрытым здесь, может быть направленным усилителем, который заменяет усилитель сигналов рассогласования и трансформатор или направленный связующий элемент в системе прямой связи предшествующего уровня техники, описанной выше. Поскольку схема усилителя согласно вариантам осуществления, раскрытым здесь, содержит множественные субусилители, распределенные по разным местам вдоль выходной линии передачи, для подачи компенсирующего сигнала на выходной порт, число субусилителей, выходные сигналы из субусилителей и расстояние между упомянутыми разными местами вдоль выходной линии передачи могут быть выполнены с возможностью уменьшения части подаваемого компенсирующего сигнала, которая перемещается обратно по направлению к выходу упомянутой схемы. Это будет одновременно увеличивать корректирующую способность в прямом направлении к выходному порту. Дополнительно, число субусилителей имеет отношение к полосе частот и эффективности усилителя. Таким образом, число субусилителей может быть сконфигурировано таким образом, чтобы могла быть обеспечена высокая эффективность в широком диапазоне амплитуд сигналов рассогласования и в большой соответствующей полосе частот. Кроме того, число субусилителей также имеет отношение к направленности, например, если требуется большая направленность, то может быть реализовано большее количество субусилителей на протяжении более длинной выходной линии передачи.
Таким образом, схема усилителя согласно вариантам осуществления, раскрытым здесь, одновременно обеспечивает низкие вносимые потери схемы с трансформаторной связью и высокое переходное затухание в обратном направлении схемы направленного связующего элемента. Она имеет более высокую эффективность и меньшее количество проблем взаимодействия, чем схема с трансформаторной связью предшествующего уровня техники. Она имеет более высокую эффективность, чем схема с направленным связующим элементом, для сигналов рассогласования с большим отношением пикового уровня мощности сигнала к среднему и для сильного сжатия в схеме. Затраты на переопределение параметров, для надежной обработки больших амплитуд переходных сигналов рассогласования, также являются меньшими.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Различные аспекты вариантов осуществления, раскрытых здесь, в том числе их конкретные признаки и преимущества, станут лучше понятны из нижеследующего подробного описания и сопутствующих чертежей, в которых:
Фиг. 1 является схематичной блок-схемой, иллюстрирующей систему прямой связи согласно предшествующему уровню техники,
Фиг. 2 является схематичной блок-схемой, иллюстрирующей пример схемы усилителя согласно вариантам осуществления, раскрытым здесь,
Фиг. 3 является схемой, иллюстрирующей направленность схемы усилителя фиг. 2,
Фиг. 4а является схемой, иллюстрирующей пример выходного сигнала и сигнала рассогласования,
Фиг. 4b является схемой, иллюстрирующей эффективности компенсации схемы усилителя фиг. 2 и общепринятого способа,
Фиг. 5 является схемой, иллюстрирующей эффективности компенсации схемы усилителя фиг. 2 и общепринятого способа с уменьшенным коэффициентом связи,
Фиг. 6а является схемой, иллюстрирующей один пример направленности в частотном диапазоне для схемы усилителя фиг. 2,
Фиг. 6b является схемой, иллюстрирующей другой пример направленности в частотном диапазоне для схемы усилителя фиг. 2,
Фиг. 7а является схемой, иллюстрирующей пример искаженного выходного сигнала и сигнала рассогласования из некоторой схемы,
Фиг. 7b является схемой, иллюстрирующей кривые эффективности схемы усилителя фиг. 2 и общепринятого способа на основе связующего элемента, и
Фиг. 8 является схематичной блок-схемой, иллюстрирующей электронное устройство согласно некоторым вариантам осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
На протяжении нижеследующего описания одинаковые ссылочные позиции используются для обозначения одинаковых признаков, таких как элементы, блоки, модули, схемы, узлы, части, компоненты и т.п., где это применимо.
Фиг. 2 показывает пример схемы 200 усилителя согласно вариантам осуществления, раскрытым здесь, для компенсации выходного сигнала, обеспечиваемого на выходе 212 схемы 210. Схема 210 может быть усилителем мощности, фильтром, циркулятором, смесителем или схемой любого типа, для которой ее выходной сигнал должен быть скорректирован или скомпенсирован.
Схема 200 усилителя содержит выходную линию 230 передачи, присоединенную между выходом 212 схемы 210 и выходным портом 240.
Схема 200 усилителя дополнительно содержит усилитель 220 для усиления сигнала рассогласования для получения компенсирующего сигнала.
Сигнал рассогласования получают из опорного входного сигнала и выходного сигнала схемы 210, например, посредством сравнения их в схеме 260 объединения. Опорный входной сигнал может быть независимым опорным сигналом или может быть получен или выделен из входного сигнала IN для схемы 210. Существуют другие пути получения входного и выходного сигналов из схемы 210. Одним примером является использование связующего элемента C1, C2, как показано на фиг. 2.
Усилитель 220 содержит множественные субусилители 221, 222, 223, 224. Как показано на фиг. 2, входы множественных субусилителей 221, 222, 223, 224 соединены с входной линией 250 передачи для приема сигнала рассогласования, а выходы множественных субусилителей 221, 222, 223, 224 соединены с соответствующими, т.е. разными, местами вдоль выходной линии 230 передачи для подачи компенсирующего сигнала на выходной порт 240.
Выходная линия 230 передачи заканчивается в выходном порту 240 сопротивлением RL нагрузки. Сопротивление RL нагрузки может представлять собой полные сопротивления антенны, линии передачи, вентиля и/или фильтра и т.д., соединенных с выходным портом 240.
Входная линия 250 передачи заканчивается сопротивлением RT для уменьшения, или даже минимизации, отражений во входную линию 250 передачи.
Элементы D1, D2 являются линиями задержки для синхронизации сигналов. Они являются важными, когда схема 210 имеет большую задержку, например, при использовании множественных каскадов для высокого коэффициента усиления. Однако они необходимы не всегда. D2, например, может быть ненужным во многих случаях, когда не существует никакого усилителя в цепи возбуждения для усилителя 220.
Выходы субусилителей могут быть предпочтительно соединены прямо с выходной линией 230 передачи или могут быть соединены с выходной линией 230 передачи через некоторое промежуточное средство или связующие схемы.
Таким образом, согласно одному варианту осуществления, выходы множественных субусилителей 221, 222, 223, 224 соединены прямо с выходной линией 230 передачи в разных местах, как показано на фиг. 2. Согласно другому варианту осуществления, выходы множественных субусилителей 221, 222, 223, 224 соединены с выходной линией 230 передачи через связующие схемы. Связующие схемы могут быть полуволновыми сетями, такими как каскадные пи- или Т-сети, которые состоят из полуволновых линий передачи или трансформаторов с сосредоточенным или распределенным полным сопротивлением. Использование полуволновых сетей, в общем, ограничивает обеспечиваемую полосу частот, но позволяет свободнее выбирать уровень полного сопротивления.
Поскольку обычно трудно обеспечить доступ к выходному узлу транзисторов некоторого усилителя в схеме 210 напрямую, полуволновая сеть является пригодным путем для соединения множественных субусилителей с выходом схемы 210. Использование полуволновой сети позволяет легко обеспечить доступ к выходному узлу и, одновременно, может быть учтен паразитный элемент транзисторов. Таким образом, первая часть полуволновой сети может состоять из паразитных или других неустранимых элементов транзисторов. Паразитные элементы на транзисторах могут быть также встроены в конструкцию синтетической выходной линии передачи.
Также возможна трансформаторная связь. Отличие от предшествующего уровня техники состоит в том, что теперь существуют множественные субусилители, соединенные трансформаторами с разными местами вдоль выходной линии 230 передачи.
Поскольку усилитель 220 содержит множественные субусилители 221, 222, 223, 224, распределенные по разным местам вдоль выходной линии передачи, для подачи компенсирующего сигнала на выходной порт, число субусилителей, выходные сигналы от множественных субусилителей и расстояние между разными местами могут быть выполнены с возможностью уменьшения части подаваемого компенсирующего сигнала, которая перемещается обратно по направлению к выходу схемы, и улучшения эффективности схемы 200 усилителя.
Ниже будут подробно описаны функции, признаки, конфигурации и преимущества схемы 200 усилителя со ссылкой на разные примеры и реализации.
Согласно некоторым вариантам осуществления, расстояние между разными местами вдоль выходной линии 230 передачи может быть выполнено с возможностью быть равным четверти длины волны на центральной частоте рабочей полосы частот схемы 210. Например, как показано на фиг. 2, множественные субусилители 221, 222, 223, 224 соединены с выходной линией 230 передачи с регулярными интервалами, которые равны четверти длины волны на центральной частоте интересной полосы частот, т.е. рабочей полосы частот схемы 210. Эти интервалы также называются сегментами выходных/входных линий передачи между субусилителями. Корректная синхронизация сигналов рассогласования, т.е. обеспечение синхронизации с выходным сигналом из схемы 210, достигается использованием четвертьволновых интервалов также на входной линии 250 передачи.
Согласно некоторым вариантам осуществления, множественные субусилители 221, 222, 223, 224 могут быть выполнены с возможностью уменьшения перемещения компенсирующего сигнала в обратном направлении на выход 212 схемы 210.
Например, выходные токи из множественных субусилителей 221, 222, 223, 224 могут быть сконфигурированы таким образом, чтобы амплитуды выходных токов напоминали колоколообразную форму оконной функции. Оконная функция может быть, например, любой из функций Дольфа-Чебышева, Гаусса, функции биномиального распределения, Хэмминга, Блэкмана или других подобных функций, или даже их комбинацией.
Задача колоколообразной формы выходных токов из субусилителей состоит, прежде всего, в сохранении низкого уровня боковых лепестков АЧХ перемещающегося в обратном направлении сигнала на частотах выше нижней граничной частоты рабочей полосы частот, поскольку это определяет величину мощности перемещающегося в обратном направлении сигнала, которая поступает на выход схемы 210. Таким образом, перемещающиеся в обратном направлении сигналы уменьшаются, или даже минимизируются, в пределах интересной полосы частот. Эти колоколообразно-взвешенные выходные токи также обеспечивают низкие пульсации как на выходном порту 240, так и для амплитуд выходного напряжения субусилителей в заданной полосе частот. Посредством надлежащей синхронизации их соответствующих сигналов возбуждения, т.е. сигналов рассогласования, вклады субусилителей в размах выходного напряжения добавляются синхронно по времени, т.е. в фазе, в прямом направлении вдоль выходной линии 230 передачи по направлению к выходному порту 240. Перемещающиеся в обратном направлении сигналы имеют временные разницы, которые обеспечивают то, что сумма выходных напряжений от субусилителей кажется отфильтрованной по низкой частоте и кажется подобной всего лишь малой пульсации, для входных сигналов в полосе рабочих частот.
Биномиальные взвешивания часто используются, поскольку они состоят из малых целых элементов, таким образом, усилитель 220 может быть составлен из малого числа единичных или дискретных субусилителей малого целого размера без какой-либо потери производительности по выходному току. В качестве одного примера, усилитель 220 содержит четыре субусилителя 221, 222, 223, 224, выходные токи из этих четырех субусилителей взвешиваются с весами 1,3,3,1, т.е. выходные токи из двух субусилителей 222, 223 в середине являются в 3 раза большими, чем выходные токи из двух субусилителей 221, 224 на каждой стороне. Направленность, т.е. мощность обратного сигнала, деленная на мощность прямого сигнала, усилителя 220 показана на фиг. 3. Можно увидеть, что она является лучшей, чем 30дБ, в 40%-полосе частот. В этом примере, сегменты выходной линии передачи равны четверти длины волны и имеют постоянное характеристическое полное сопротивление, и усилитель 220 имеет необходимый размер для обработки сигналов рассогласования, которые имеют амплитуду вплоть до половины максимальной требуемой амплитуды выходного сигнала.
На фиг. 4а, показан пример требуемого выходного сигнала, искаженный выходной сигнал из схемы 210, и сигнал рассогласования, т.е. компенсирующий сигнал, подлежащий вводу. Сильное сжатие начинается с 0,71 полной амплитуды входного сигнала. Фиг. 4b показывает форму эффективностей компенсации схемы 220 усилителя и общепринятого способа в ситуации, когда возникает большая нелинейность сжатия. Различия между настоящим вариантом осуществления и общепринятым способом можно увидеть на фиг. 4b. Верхняя кривая показывает эффективность варианта осуществления, раскрытого здесь, в полном диапазоне амплитуды входного сигнала, в то время как нижняя кривая показывает эффективность общепринятого способа без переопределения параметров. Основной усилитель, т.е. схема 210, моделируется как имеющий постоянную эффективность, равную 70%, для всех амплитуд входного сигнала, в то время как усилители сигналов рассогласования для обоих способов моделируются как имеющие эффективность, пропорциональную амплитуде напряжения выходного сигнала, причем максимальная эффективность равна 70%.
Вследствие большого размера сигнала рассогласования, вызванного сильным сжатием, потери на связующем элементе являются очень большими для общепринятого способа, что сильно снижает эффективность для амплитуд входного сигнала, меньших, чем 0,71 полной амплитуды входного сигнала. Эффективность увеличивается линейно в верхнем диапазоне амплитуд входного сигнала, где сигнал рассогласования увеличивается, и достигает 70% эффективности на максимальной амплитуде входного сигнала, где возникает идеальное объединение в связующем элементе.
Вариант осуществления, раскрытый здесь, не имеет никаких потерь на связующем элементе и, таким образом, не страдает ни от какого снижения эффективности в диапазоне амплитуд входного сигнала, меньших 0,71 полной амплитуды входного сигнала. Эффективность имеет небольшое смещение вниз в верхнем диапазоне амплитуд входного сигнала вследствие меньшей эффективности усиления сигнала рассогласования при меньшем, чем максимальный, уровне выходного напряжения в усилителе 220. Эффективность при максимальной амплитуде входного сигнала возвращается к 70%.
Посредством уменьшения коэффициента связи потери на связующем элементе уменьшаются, и эффективность общепринятого способа, таким образом, может быть увеличена. Однако это возможно только посредством переопределения параметров в отношении общей обеспечиваемой мощности, и, таким образом, является дорогостоящим для всех, но при этом небольших, увеличений эффективности. На фиг. 5 показан пример, в котором коэффициент связи был уменьшен с -5,4 дБ в предыдущем примере до -9,5 дБ в этом примере.
Можно увидеть, что эффективность увеличилась в диапазоне амплитуд входного сигнала, меньших 0,71 полной амплитуды входного сигнала, но уменьшилась для амплитуды входного сигнала, большей, чем 0,71 полной амплитуды входного сигнала. Мощность от основного усилителя, Pmain, снизилась на 20% с 0,71 до 0,57 общей выходной мощности, вследствие меньшей мощности, отводимой в связующем элементе, но, одновременно, мощность от усилителя сигнала рассогласования, Perr, увеличилась с коэффициентом 2,6, с 0,29 до 0,75. Требуемая общая допустимая мощность является теперь на 30% большей, чем в исходной системе. Этот способ только асимптотически приближается к эффективности основного усилителя в диапазоне низких амплитуд входного сигнала посредством дополнительного уменьшения коэффициента связи, при все более высоких затратах. Средняя эффективность также страдает от уменьшения эффективности в верхнем диапазоне амплитуд входного сигнала. Низкие потери на связь могут быть также достигнуты посредством подачи также входного сигнала на усилитель сигналов рассогласования. К сожалению, это также приводит к высоким затратам на переопределение параметров, и увеличенной из-за низких потерь на связь эффективности будет противодействовать низкая эффективность усилителя сигналов рассогласования при низких амплитудах входного сигнала, если усилитель сигналов рассогласования не будет заменен усилителем с эффективностью, сравнимой с эффективностью основного усилителя.
Было показано, что число субусилителей имеет отношение к полосе частот усилителя 220, его направленности и эффективности. Таким образом, число субусилителей может быть сконфигурировано таким образом, чтобы могла быть обеспечена хорошая направленность и высокая эффективность в широком диапазоне амплитуд сигнала рассогласования и в большой относительной полосе частот.
Таким образом, в зависимости от требуемой полосы частот и направленности, усилитель 220 может быть реализован с малым или большим числом субусилителей. Частотный диапазон хорошей направленности, в общем, уменьшается при уменьшении числа субусилителей. Если требуется более высокая направленность, то может быть реализовано большее число субусилителей на протяжении более длинной выходной линии передачи. Колоколообразная форма выходных токов из субусилителей вдоль выходной линии 230 передачи обеспечивает меньшую общую длину для данной спецификации. Поддержание короткой общей длины выходной линии передачи является, в общем, полезным, поскольку всегда существуют потери на единицу длины линии передачи. Компромисс между положительными и отрицательными аспектами наличия большого или малого числа субусилителей зависит от технологии реализации.
Ниже будет описан иллюстративный направленный усилитель, который использует меньшее число субусилителей, чем в предыдущем примере. Согласно одному варианту осуществления, усилитель 220 содержит три (3) субусилителя 221, 222, 223 с выходными токами, взвешиваемыми с весами 1, 2, 1, т.е. выходной ток из субусилителя 222 в середине является в два (2) раза большим, чем выходные токи из двух субусилителей 221, 223 на каждой стороне. Субусилители 221, 222, 223 соединены с выходной линией 230 передачи связующими схемами, например, полуволновыми линиями передачи, и имеют корректирующую способность, равную 10% максимальной амплитуды выходного сигнала.
Направленности в частотном диапазоне показаны на фиг. 6a и 6b для усилителя 220 с разными комбинациями характеристических полных сопротивлений выходной линии 230 передачи и напряжений питания для субусилителей.
Фиг. 6а показывает один пример направленности усилителя 220, где все сегменты выходной линии 230 передачи имеют одинаковое характеристическое полное сопротивление, и напряжения питания для субусилителей увеличиваются вдоль выходной линии 230 передачи по направлению к выходному порту 240. Увеличение напряжений питания предназначено для согласования увеличивающегося размаха выходного напряжения, который является результатом увеличивающегося добавления мощности от субусилителей в компенсирующий сигнал. Относительные размахи выходного напряжения, которые субусилители 221, 222, 223 способны обрабатывать, составляют, например, долю 0,9, 0,95 и 1 от максимального размаха напряжения компенсирующего сигнала, соответственно.
Фиг. 6b показывает другой пример направленности усилителя 220, где все субусилители имеют одинаковое напряжение питания, и характеристическое полное сопротивление сегментов выходной линии 230 передачи уменьшается по направлению к выходному порту 240. Таким образом, максимальный размах напряжения будет поддерживаться постоянным, несмотря на то, что каждый субусилитель добавляет мощность в компенсирующий сигнал. Например, предположим, что входное характеристическое полное сопротивление линии передачи равно 1, т.е. для сегмента между выходом 212 схемы 210 и субусилителем 221, тогда полное сопротивление для сегмента между двумя первыми субусилителями 221, 222 составляет 94%, для сегмента между следующими двумя субусилителями 222, 223 составляет 84%, и для выходного сегмента линии передачи, т.е. между субусилителем 223 и выходным портом 240, составляет 80%, входного характеристического полного сопротивления линии передачи.
Согласно другому варианту осуществления, минимальная реализация в терминах числа субусилителей состоит в использовании двух субусилителей 221, 222 в усилителе 220, где выходные токи двух субусилителей 221, 222 являются равными, например, с весами 1, 1. Сегменты входной и выходной линий передачи между двумя субусилителями оба равны четверти длины волны на центральной частоте интересной полосы частот. Эта минимальная реализация все же может обеспечить хорошую направленность в относительно более узком частотном диапазоне.
Согласно некоторым вариантам осуществления, усилитель 220 может быть также создан со многими субусилителями единичного размера с одинаковым выходным током. Тогда колоколообразная форма выходных токов может быть обеспечена посредством использования большего числа субусилителей единичного размера в середине и меньшего числа субусилителей единичного размера на каждой стороне.
Согласно некоторым вариантам осуществления, если усилитель 220 используется в очень больших полосах частот, то в субусилителях могут быть использованы составные транзисторы, включенные по двухтактной схеме.
Для иллюстрации дополняющей природы, в отношении эффективности, схемы 200 усилителя согласно вариантам осуществления, раскрытым здесь, и способа на основе связующего элемента, схема 210 представлена моделью основного усилителя с искажениями в отрицательном направлении коэффициента усиления на «всех» амплитудах сигнала. Максимальное локальное рассогласование здесь пропорционально амплитуде выходного сигнала. Фиг. 7а показывает искаженный выходной сигнал основного усилителя и сигнал рассогласования. Фиг. 7b показывает кривые эффективности схемы 200 усилителя и общепринятого способа на основе связующего элемента.
Можно увидеть, что общепринятый способ, в общем, имеет более высокую эффективность для рассогласований, возникающих при низких амплитудах выходного сигнала, тогда как схема 200 усилителя имеет более высокую эффективность для рассогласований, возникающих при высоких амплитудах выходного сигнала. Как показано выше, общепринятый способ имеет низкую эффективность, если требуется способность обработки больших рассогласований, тогда как схема 200 усилителя имеет высокую эффективность для таких ситуаций, поскольку рассогласования при низких амплитудах выходного сигнала являются малыми. Хотя это и не видно на фиг. 7a и 7b, это также, в общем, имеет силу для квадратурных рассогласований, рассогласований из-за выбросов, и т.д.
Таким образом, на основе приведенного выше анализа, схема 200 усилителя и общепринятый способ могут быть во многих случаях использованы вместе с более высокой эффективностью, чем эффективность каждого способа в отдельности. В такой комбинации, общепринятый способ может иметь низкий коэффициент связи и ограниченный размер усилителя сигналов рассогласования и может устранять все малые рассогласования при низких амплитудах выходного сигнала. Схема 200 усилителя может тогда устранять оставшиеся, большие рассогласования, например, переходные процессы и рассогласования сжатия. Если схема 200 усилителя размещена сначала, то сигнал рассогласования должен быть подавлен, например, усилителем с переменным коэффициентом усиления, аттенюатором, умножителем, и т.д., или посредством использования схемы с зоной нечувствительности в области низких амплитуд для малых рассогласований.
Схема 200 усилителя может быть также использована вместе со способом предыскажений. Способ предыскажений, в общем, хорошо обрабатывает искажения при низких амплитудах, но может иметь затруднения с переходными явлениями и большим сжатием, которые схема 200 усилителя обрабатывает хорошо. Схема 200 усилителя может быть размещена либо внутри, либо снаружи контура адаптации предыскажений. Если схема 200 усилителя размещена внутри, то ее сигнал рассогласования должен быть подавлен из соображений эффективности в области низких амплитуд для малых рассогласований. Если схема 200 усилителя размещена снаружи контура, то устройство предыскажений может быть вместо этого выполнено с возможностью игнорировать сжатие и переходные процессы. Это можно также упростить другими путями, поскольку действие прямой связи схемы 200 усилителя также обрабатывает сложные малоразмерные рассогласования.
Хотя были описаны варианты осуществления различных аспектов, многие другие изменения, модификации и т.п. будут приходить на ум специалистам в данной области техники. Например, любые описанные комбинации могут быть, конечно, дополнены большим количеством каскадов коррекции рассогласований, при необходимости. Схема 200 усилителя согласно вариантам осуществления, раскрытым здесь, может иметь другое число субусилителей, может иметь другие выходные линии передачи с другой формой и характеристическим полным сопротивлением, может иметь другие конфигурации для напряжений питания и выходных токов, и т.д. Таким образом, описанные варианты осуществления не предназначены для ограничения объема настоящего раскрытия.
Некоторые преимущества могут быть получены на основании описанных выше вариантов осуществления. Например, схема 200 усилителя согласно вариантам осуществления, раскрытым здесь, одновременно обеспечивает низкие вносимые потери способа с трансформаторной связью и высокое переходное затухание в обратном направлении способа с направленным связующим элементом. Это так вследствие того, что схема усилителя является направленным усилителем, который заменяет усилитель сигналов рассогласования и трансформатор или направленный связующий элемент в системе прямой связи предшествующего уровня техники. Схема усилителя содержит множественные субусилители, распределенные по разным местам вдоль выходной линии передачи. Направленность схемы усилителя достигается конфигурированием числа субусилителей, выходных токов субусилителей и способа связи субусилителей с входной или выходной линиями передачи. Таким образом, схема усилителя имеет более высокую эффективность и меньшее количество проблем взаимодействия, чем способ с трансформаторной связью предшествующего уровня техники. Она также имеет более высокую эффективность, чем способ с направленным связующим элементом, для сигналов рассогласования с большим отношением пикового уровня мощности сигнала к среднему и для сильного сжатия. Дополнительно, затраты на переопределение параметров, для надежной обработки больших амплитуд переходных сигналов рассогласования, также являются меньшими. Поскольку ее характеристики обработки и эффективности являются во многих отношениях дополнительными к способам цифровых предыскажений и прямой связи на основе направленного связующего элемента, схема усилителя согласно вариантам осуществления, раскрытым здесь, может быть с преимуществом объединена с ними. Она может быть также использована в качестве единственного способа прямой связи в многокаскадной системе.
Схема 200 усилителя согласно вариантам осуществления, раскрытым здесь, может быть использована в различных схемах в электронном устройстве. Фиг. 8 показывает схематичную блок-схему, иллюстрирующую электронное устройство 800, которое может быть, например, радиочастотным приемопередатчиком, устройством беспроводной связи, абонентским оборудованием, мобильным устройством, базовой станцией или узлом радиосети и т.д., в системах беспроводной связи или любых обычных электронных системах или оборудовании, в которых выходной сигнал из некоторой схемы должен быть скорректирован или скомпенсирован. Электронное устройство 800 содержит схему 810, которая может быть усилителем мощности, смесителем, фильтром, модулятором и т.д., причем ее выходной сигнал корректируется или компенсируется схемой 200 усилителя. Электронное устройство 800 может содержать другие блоки, такие как обрабатывающий блок 820 и т.п.
При использовании слов «содержать» или «содержащий», их следует интерпретировать в неограничивающем смысле, т.е. в смысле «состоит по меньшей мере из».
Варианты осуществления, раскрытые здесь, не ограничены описанными выше вариантами осуществления. Могут быть использованы различные изменения, модификации и эквиваленты. Таким образом, приведенные выше варианты осуществления не следует считать ограничением объема настоящего изобретения, который определен прилагаемой формулой изобретения.
1. Схема (200) усилителя для компенсации выходного сигнала, обеспечиваемого на выходе (212) схемы (210), причем схема (200) усилителя содержит:
выходную линию (230) передачи, присоединенную между выходом (212) схемы (210) и выходным портом (240); и
усилитель (220), содержащий множественные субусилители (221, 222, 223, 224), для усиления сигнала рассогласования для получения компенсирующих сигналов, причем
входы множественных субусилителей (221, 222, 223, 224) соединены с входной линией (250) передачи в разных местах с некоторым расстоянием между упомянутыми разными местами вдоль входной линии (250) передачи для приема сигнала рассогласования, получаемого из опорного входного сигнала и выходного сигнала схемы (210); и
выходы множественных субусилителей (221, 222, 223, 224) соединены с выходной линией (230) передачи в разных местах с некоторым расстоянием между упомянутыми разными местами вдоль выходной линии (230) передачи для подачи компенсирующих сигналов на выходной порт (240).
2. Схема (200) усилителя по п. 1, в которой множественные субусилители (221, 222, 223, 224) также выполнены с возможностью уменьшения перемещения компенсирующего сигнала в обратном направлении к выходу (212) схемы (210) посредством конфигурирования числа субусилителей, выходных токов из множественных субусилителей и расстояния между упомянутыми разными местами вдоль выходной линии (230) передачи.
3. Схема (200) усилителя по любому из пп. 1, 2, в которой расстояние между разными местами вдоль выходной линии (230) передачи равно четверти длины волны на центральной частоте рабочей полосы частот схемы (210).
4. Схема (200) усилителя по п. 1, в которой выходы множественных субусилителей (221, 222, 223, 224) соединены прямо с выходной линией (230) передачи.
5. Схема (200) усилителя по п. 1, в которой выходы множественных субусилителей (221, 222, 223, 224) соединены с выходной линией (230) передачи через связующие схемы.
6. Схема (200) усилителя по п. 5, в которой связующие схемы являются полуволновыми сетями.
7. Схема (200) усилителя по п. 5, в которой связующие схемы являются трансформаторами.
8. Схема (200) усилителя по п. 2, в которой выходные токи из множественных субусилителей (221, 222, 223, 224) являются колоколообразно-взвешенными согласно оконной функции.
9. Схема (200) усилителя по п. 8, в которой оконная функция является любой из функций Дольфа-Чебышева, Гаусса, функции биномиального распределения, Хэмминга или Блэкмана, или их комбинацией.
10. Схема (200) усилителя по п. 1, в которой сегменты выходной линии (230) передачи между субусилителями (221, 222, 223, 224) имеют одинаковое характеристическое полное сопротивление и в которой напряжения питания для субусилителей увеличиваются вдоль выходной линии (230) передачи по направлению к выходному порту (240).
11. Схема (200) усилителя по п. 1, в которой субусилители (221, 222, 223, 224) имеют одинаковое напряжение питания и характеристическое полное сопротивление сегментов выходной линии (230) передачи между субусилителями уменьшается вдоль выходной линии (230) передачи по направлению к выходному порту (240).
12. Схема (200) усилителя по п. 1, в которой субусилители (221, 222, 223, 224) являются субусилителями единичного размера с одинаковым выходным током или имеют дискретные, малые целые размеры.
13. Электронное устройство (800) для компенсации выходного сигнала, содержащее схему (200) усилителя по любому из пп. 1-12.
14. Электронное устройство (800) по п. 13, содержащее радиочастотный приемопередатчик, устройство беспроводной связи, абонентское оборудование, мобильное устройство, базовую станцию или узел радиосети.
