СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ УСИЛИТЕЛЕМ МОЩНОСТИ
POWER AMPLIFIER CONTROL SYSTEM

Область техники
Настоящее изобретение относится к системе управления усилителем мощности. В частности настоящее изобретение относится к системе управления, которая управляет усилителем мощности на основе сигнала ошибки, относящегося к разности фаз между задерживаемым первым сигналом, извлекаемым из входного сигнала, и вторым сигналом, извлекаемым из усиленного сигнала.
Предшествующий уровень техники
Усилители мощности используются в спутниках связи для усиления сигналов RF. Известно, что такие усилители мощности демонстрируют нелинейность, посредством чего коэффициент усиления и фаза усиленного выходного сигнала RF изменяются нелинейно вместе с мощностью входного сигнала. Для компенсации этого на входной сигнал могут накладываться искажения коэффициента усиления и фазы прежде, чем входной сигнал достигнет усилительного каскада, чтобы таким образом поддерживать постоянными коэффициент усиления и фазу выходного сигнала.
На Фиг. 1 изображена система управления с разомкнутым контуром, используемая в традиционном спутнике связи для управления коэффициентом усиления и фазой входного сигнала. Система содержит усилитель 101 мощности, переменный аттенюатор 102, фазовращатель 103, входной соединитель 104, датчик 105, процессор 106 и запоминающее устройство 107. Осуществляется выполнение процедуры начальной калибровки, при которой снимается характеристика отклика усилителя 101 в некотором диапазоне различных мощностей сигнала. Осуществляется создание таблицы (LUT) поиска для записи подходящих предварительных искажений коэффициента усиления и фазы, которые следует накладывать на входной сигнал для любого заданного уровня мощности. LUT хранится в запоминающем устройстве 107.
IN
В течение функционирования, датчик 104 измеряет уровень мощности подверженного соединению входного сигнала, принятого от входного соединителя 103. Затем процессор 106 определяет мощность входного сигнала RF на основе известного коэффициента соединения входного соединителя 103. Процессор 106 осуществляет поиск в LUT для определения, каким образом следует регулировать коэффициент усиления и фазу входного сигнала, и управляет переменным аттенюатором 102 и фазовращателем 103 для наложения соответствующих предварительных искажений коэффициента усиления и фазы.
Однако недостаток данного подхода состоит в длительной процедуре калибровки, которая может занимать до 48 часов.
Краткое изложение сущности изобретения
Согласно настоящему изобретению, предложено устройство для управления коэффициентом усиления и фазой входного сигнала, вводимого в усилитель мощности, при этом устройство содержит средство управления коэффициентом усиления для управления коэффициентом усиления входного сигнала, средство управления фазой для управления фазой входного сигнала, контур управления коэффициентом усиления, сконфигурированный с возможностью управления средством управления коэффициентом усиления на основе уровня мощности входного сигнала и уровня мощности усиленного сигнала, выводимого усилителем мощности, для получения предварительно определенного коэффициента усиления усиленного сигнала, и контур управления фазой, сконфигурированный с возможностью получения сигнала ошибки, относящегося к разности фаз между первым сигналом, извлекаемым из входного сигнала, и вторым сигналом, извлекаемым из усиленного сигнала, и управления средством управления фазой на основе сигнала ошибки для получения предварительно определенной фазы усиленного сигнала, при этом контур управления фазой выполнен с возможностью задержки первого сигнала до получения сигнала ошибки, так чтобы задерживаемый первый сигнал и второй сигнал, используемые для получения сигнала ошибки, соответствовали одной и тот же части входного сигнала.
Контур управления коэффициентом усиления может быть сконфигурирован с возможностью приема третьего сигнала, извлекаемого из входного сигнала, и четвертого сигнала, извлекаемого из усиленного сигнала, и может быть сконфигурирован с возможностью сравнения уровня мощности третьего сигнала и уровня мощности четвертого сигнала и управления средством управления коэффициентом усиления на основе результата сравнения.
Устройство может дополнительно содержать входной соединитель, сконфигурированный с возможностью приема входного сигнала и вывода третьего сигнала, при этом входной соединитель имеет первый коэффициент соединения, и выходной соединитель, сконфигурированный с возможностью приема усиленного сигнала и вывода четвертого сигнала, при этом выходной соединитель имеет второй коэффициент соединения, причем первый и второй коэффициенты соединения выбираются таким образом, чтобы, когда усиленный сигнал имеет предварительно определенный коэффициент усиления, третий сигнал и четвертый сигнал имели по существу один и тот же уровень мощности.
Контур управления коэффициентом усиления может содержать первый датчик, сконфигурированный с возможностью измерения уровня мощности третьего сигнала, и второй датчик, сконфигурированный с возможностью измерения уровня мощности четвертого сигнала, причем первый и второй датчики могут быть согласованными среднеквадратическими (root-mean-squared) RMS датчиками.
Контур управления коэффициентом усиления может содержать первый датчик, сконфигурированный с возможностью измерения уровня мощности третьего сигнала, второй датчик, сконфигурированный с возможностью измерения уровня мощности четвертого сигнала, и средство для масштабирования выхода первого датчика или выхода второго датчика, так чтобы выходы первого и второго датчиков были по существу идентичными, когда третий и четвертый сигналы имеют одну и ту же мощность.
Усиленный сигнал может отсекаться усилителем мощности, и устройство может дополнительно содержать ограничитель, сконфигурированный с возможностью отсечения входного сигнала в соответствии с отсечением усиленного сигнала усилителем мощности, так чтобы третий сигнал, принимаемый первым датчиком, и четвертый сигнал, принимаемый вторым датчиком, отсекались по существу на одну и ту же величину.
Контур управления фазой может содержать средство задержки для задержки первого сигнала, средство генерирования сигнала ошибки для генерирования сигнала ошибки на основе второго сигнала и задерживаемого первого сигнала, датчик для измерения мощности сигнала ошибки и средство обработки, сконфигурированное с возможностью управления средством управления фазой на основе измеренной мощности сигнала ошибки, причем средство задержки сконфигурировано так, чтобы электрическая длина первого тракта до средства генерирования сигнала ошибки через усилитель мощности была по существу такой же, что и электрическая длина второго тракта до средства генерирования сигнала ошибки через средство задержки.
Средство обработки может быть сконфигурировано с возможностью управления средством управления фазой для того, чтобы минимизировать измеренную мощность сигнала ошибки.
Текущие коэффициент усиления и фаза усиленного сигнала могут зависеть от истории функционирования усилителя мощности.
Усилитель мощности может быть нитрид галлиевым (Gallium Nitride) GaN твердотельным усилителем мощности.
Спутник может содержать усилитель мощности и устройство, причем устройство сконфигурировано с возможностью управления коэффициентом усиления и фазой входного сигнала, вводимого в усилитель мощности.
Согласно настоящему изобретению также предложен способ управления коэффициентом усиления и фазой входного сигнала, вводимого в усилитель мощности, причем способ содержит этапы, на которых управляют коэффициентом усиления входного сигнала на основе уровня мощности входного сигнала и уровня мощности усиленного сигнала, выводимого усилителем мощности, для получения предварительно определенного коэффициента усиления усиленного сигнала, задерживают первый сигнал, полученный из входного сигнала, получают сигнал ошибки, относящийся к разности фаз между задерживаемым первым сигналом и вторым сигналом, извлекаемым из усиленного сигнала, и управляют фазой входного сигнала согласно сигналу ошибки для получения предварительно определенной фазы усиленного сигнала, при этом первый сигнал задерживают таким образом, чтобы задерживаемый первый сигнал и второй сигнал, используемые для получения сигнала ошибки, соответствовали одной и тот же части входного сигнала.
Способ может дополнительно содержать этап, на котором сравнивают уровень мощности третьего сигнала, извлекаемого из входного сигнала, и уровня мощности четвертого сигнала, извлекаемого из усиленного сигнала, при этом коэффициентом усиления входного сигнала управляют на основе результата сравнения.
Третьи и четвертые сигналы могут быть выполнены с возможностью обладания одним и тем же уровнем мощности, когда усиленный сигнал имеет предварительно определенный коэффициент усиления.
Согласно настоящему изобретению дополнительно предложен спутник, содержащий усилитель мощности для приема входного сигнала и вывода усиленного сигнала, средство управления коэффициентом усиления для управления коэффициентом усиления входного сигнала, средство управления фазой для управления фазой входного сигнала, и контур управления, сконфигурированный с возможностью получения сигнала ошибки, относящегося к разности фаз между первым сигналом, извлекаемым из входного сигнала, и вторым сигналом, извлекаемым из усиленного сигнала, и управления средством управления коэффициентом усиления и средством управления фазой на основе сигнала ошибки для получения предварительно определенного коэффициента усиления и фазы усиленного сигнала, причем контур управления выполнен с возможностью задержки первого сигнала до получения сигнала ошибки, так чтобы задерживаемый первый сигнал и второй сигнал, используемые для получения сигнала ошибки, соответствовали одной и тот же части входного сигнала.
Спутник может дополнительно содержать первый соединитель для вывода первого сигнала, второй соединитель для вывода второго сигнала, средство (721) задержки для задержки первого сигнала, средство генерирования сигнала ошибки для приема задерживаемого первого сигнала и второй сигнал и генерирования сигнала ошибки, относящегося к разности фаз между задерживаемым первым сигналом и вторым сигналом, датчик для измерения мощности сигнала ошибки, и средство обработки, сконфигурированное с возможностью управления средством управления коэффициентом усиления и средством управления фазой на основе измеренной мощности сигнала ошибки, при этом средство задержки может быть сконфигурировано так, чтобы электрическая длина первого тракта до средства генерирования сигнала ошибки через усилитель мощности была по существу такой же, что и электрическая длина второго тракта до средства генерирования сигнала ошибки через средство задержки.
Текущие коэффициент усиления и фаза усиленного сигнала могут зависеть от истории функционирования усилителя мощности.
Усилитель мощности может быть нитрид галлиевым GaN твердотельным усилителем мощности.
Краткое описание чертежей
Теперь, лишь в качестве примера, будут описаны варианты осуществления настоящего изобретения со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
На Фиг. 1 изображена традиционная система управления усилителем мощности;
На Фиг. 2 изображена система управления усилителем мощности согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;
На Фиг. 3 изображены подробности контуров управления коэффициентом усиления и фазой для управления усилителем мощности, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 4 является графиком, сравнивающим производительность управления коэффициентом усиления традиционной системы управления с разомкнутым контуром с системой управления с Фиг. 3;
Фиг. 5 является графиком, сравнивающим производительность управления фазой традиционной системы управления с разомкнутым контуром с системой управления с Фиг. 3;
IN
OUT
Фиг. 6 является графиком, изображающим улучшение ошибки коэффициента усиления, когда ограничитель используется для отсечения сигнала RF до той же самой степени, до которой сигнал RF отсекается усилителем мощности;
На Фиг. 7 изображена система управления, в которой управление коэффициентом усиления и фазой выполняются с использованием одного контура управления с прямой связью, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 8 является графиком, сравнивающим производительность управления коэффициентом усиления традиционной системы управления с разомкнутым контуром с системой управления с Фиг. 7; и
Фиг. 9 является графиком, сравнивающим производительность управления фазой традиционной системы управления с разомкнутым контуром с системой управления с Фиг. 7.
Описание предпочтительных вариантов воплощения
IN
IN
Обратимся теперь к Фиг. 2, на которой изображена система для управления коэффициентом усиления и фазой входного сигнала усилителя мощности согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Система содержит усилитель 201 мощности, модуль 202 управления коэффициентом усиления, модуль 203 управления фазой, контур 210 управления коэффициентом усиления для управления модулем 202 управления коэффициентом усиления, и контур 220 управления фазой для управления модулем 203 управления фазой. Модуль 202 управления коэффициентом усиления может, например, быть переменным аттенюатором, таким как переменный аттенюатор, изображенный на Фиг. 1, а модуль 203 управления фазой может, например, быть фазовращателем, таким как фазовращатель изображенный на Фиг. 1. Модулем 202 управления коэффициентом усиления и модулем 203 управления фазой можно управлять для изменения коэффициента усиления и фазы, соответственно, входного сигнала RF (RF) прежде, чем он будет введен в усилитель 201 мощности. Несмотря на то, что на Фиг. 2 сигнал RF вводится в модуль 203 управления фазой до модуля 202 управления коэффициентом усиления, в других вариантах осуществления, порядок модулей управления фазой и управления коэффициентом усиления может быть обратным.
IN
OUT
IN
OUT
IN
Каждый из контуров 210, 220 управления коэффициентом усиления и управления фазой принимает сигнал, извлекаемый из сигнала RF, и сигнала, извлекаемого из выходного сигнала RF (RF). Поэтому каждый 210, 220 контур управления способен наблюдать как за сигналом RF, так и за сигналом RF. Контур 210 управления коэффициентом усиления и контур 220 управления фазой сконфигурированы с возможностью управления модулем 202 управления коэффициентом усиления и модулем 203 управления фазой, соответственно, для наложения предварительных искажений коэффициента усиления и фазы на сигнал RF, чтобы поддерживать линейность усилителя 201 мощности.
OUT
IN
Поскольку 210, 220 контуры управления сконфигурированы с возможностью наблюдения за выходным сигналом RF, коэффициент усиления и фаза входного сигнала RF могут регулироваться на основе текущего значения выходного сигнала, то есть на основе текущего функционирования усилителя мощности. Поэтому в существующем варианте осуществления, не нужно делать предположений о поведении усилителя. Также, для системы управления, изображенной на Фиг. 2, не требуется процедура калибровки.
OUT
IN
Также, поскольку система управления с Фиг. 2 наблюдает за сигналом RF, создаваемым усилителем 201 мощности, система управления может точно управлять усилителями мощности, которые демонстрируют эффекты запоминания гистерезисного типа, при которых текущее функционирование усилителя зависит от его истории функционирования. То есть, текущие коэффициент усиления и фаза усиленного сигнала могут зависеть от истории функционирования усилителя мощности. История функционирования может включать в себя параметры недавнего функционирования усилителя мощности, такие как мощность входного сигнала и коэффициент усиления и/или фаза, наложенные на входной сигнал, а также и параметры окружающей среды, воздействию которых недавно был подвержен усилитель. Например, для любого заданного уровня мощности сигнала RF или температуры усилителя, усилитель может усиливать сигнал по-разному в зависимости от того, использовался ли усилитель недавно для усиления сигнала с большой мощностью или для усиления сигнала с малой мощностью. Одним таким типом усилителя мощности, который демонстрирует значительные эффекты запоминания, является нитрид галлиевый (GaN) усилитель. Поэтому варианты осуществления настоящего изобретения могут в частности подходить для управления GaN усилителями. Напротив, традиционная система управления с разомкнутым контуром с Фиг. 1 не может использоваться с усилителями, которые демонстрируют эффект запоминания гистерезисного типа.
Кроме того, по сравнению с традиционной системой управления с Фиг. 1, система управления с Фиг. 2 использует отдельные контуры 210, 220 управления для управления коэффициентом усиления и фазой входного сигнала. Поэтому обработка, выполняемая в каждом контуре управления, может быть упрощена, так как каждый контур управляет только одной переменной, то есть коэффициентом усиления или фазой. Соответственно, на Фиг. 2 система управления может иметь более быстрое время отклика, в отличие от традиционной системы управления с Фиг. 1.
Обратимся теперь к Фиг. 3, на которой подробно схематически изображены контуры управления коэффициентом усиления и фазой для управления усилителем мощности согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Несмотря на то, что на Фиг. 3 изображена одна такая структура, изобретение не ограничивается данным выполнением. В целом, контур управления коэффициентом усиления и контур управления фазой могут иметь любую структуру, которая обеспечит необходимую функциональность.
IN
IN
OUT
OUT
Как показано на Фиг. 3, система управления содержит модуль 302 управления коэффициентом усиления и модуль 303 управления фазой, соединенные со входом усилителя 301 мощности. Система дополнительно содержит первый входной соединитель 304 и второй входной соединитель 305. Первый входной соединитель 304 сконфигурирован с возможностью направления первого подверженного соединению входного сигнала, который является подверженной соединению частью сигнала RF, в контур 310 управления коэффициентом усиления. Второй входной соединитель 305 сконфигурирован с возможностью направления второго подверженного соединению входного сигнала, который является подверженной соединению частью сигнала RF, в контур 320 управления фазой. Система дополнительно содержит первый выходной соединитель 306 и второй выходной соединитель 307. Первый выходной соединитель 306 сконфигурирован с возможностью направления первого подверженного соединению выходного сигнала, который является подверженной соединению частью сигнала RF, в контур 310 управления коэффициентом усиления. Второй выходной соединитель 307 сконфигурирован с возможностью направления второго подверженного соединению выходного сигнала, который является подверженной соединению частью сигнала RF, в контур 320 управления фазой.
Первый и второй входные соединители 304, 305 могут быть образованы в качестве одного блока или в качестве отдельных блоков, и первый и второй выходные соединители 306, 307 могут быть образованы в качестве одного блока или в качестве отдельных блоков. Первый и второй входные соединители 304, 305 могут быть сконфигурированы с возможностью обладания одним и тем же коэффициентом соединения так, чтобы первый и второй подвергшиеся соединению входные сигналы имели один и тот же уровень мощности. Альтернативно, первый и второй входные соединители 304, 305 могут быть сконфигурированы с возможностью обладания различными коэффициентами соединения так, чтобы первый и второй подвергшиеся соединению входные сигналы имели различные уровни мощности. Схожим образом первый и второй выходные соединители 306, 307 могут быть сконфигурированы с возможностью обладания одним и тем же коэффициентом соединения так, чтобы первый и второй подвергшиеся соединению выходные сигналы имели один и тот же уровень мощности, либо могут быть сконфигурированы с возможностью обладания различными коэффициентами соединения так, чтобы первый и второй подвергшиеся соединению выходные сигналы имели различные уровни мощности. Коэффициент соединения каждого из первого и второго входных соединителей 304, 305 и первого и второго выходных соединителей 306, 307 может быть выбран так, чтобы гарантировать, что в течение нормального функционирования усилителя 301 мощности и системы управления, первые и вторые подвергшиеся соединению входные и выходные сигналы имели уровни мощности, которые могут обнаруживаться контурами 310, 320 управления коэффициентом усиления и фазой.
Несмотря на то, что на Фиг. 3 для генерирования первого подвергшегося соединению входного сигнала и второго подвергшегося соединению входного сигнала используются отдельные соединители 304, 305, в других вариантах осуществления может быть выполнен один входной соединитель. В таких вариантах осуществления может быть предоставлено средство для разделения подвергшегося соединению входного сигнала на первый и второй подвергшиеся соединению входные сигналы. Например, может использоваться кольцевой гибридный соединитель для разделения подвергшегося соединению входного сигнала на первый подвергшийся соединению входной сигнал, который следует отправить в контур управления коэффициентом усиления, и второй подвергшийся соединению входной сигнал, который следует отправить в контур управления фазой. Схожим образом один выходной соединитель, соединенный со средством разделения, таким как кольцевой гибридный соединитель, может использоваться для генерирования как первого, так и второго выходных сигналов.
В настоящем варианте осуществления контур 310 управления коэффициентом усиления содержит входной датчик 311, выполненный с возможностью приема первого подвергшегося соединению входного сигнала от первого входного соединителя 304. Входной датчик 311 сконфигурирован с возможностью измерения уровня мощности первого подвергшегося соединению входного сигнала и отправки сигнала, представляющего измеренную мощность, в первый дифференциальный усилитель 313. Например, входной датчик 311 может быть среднеквадратическим (RMS) датчиком, сконфигурированным с возможностью вывода напряжения, которое представляет RMS мощность первого подвергшегося соединению входного сигнала.
Контур 310 управления коэффициентом усиления дополнительно содержит выходной датчик 312, выполненный с возможностью приема первого подвергшегося соединению выходного сигнала от первого выходного соединителя 306. Выходной датчик 312 сконфигурирован с возможностью измерения уровня мощности первого подвергшегося соединению выходного сигнала и отправки сигнала, представляющего измеренную мощность, во второй дифференциальный усилитель 314. Также как входной датчик 311, выходной датчик 312 может быть RMS датчиком, сконфигурированным с возможностью вывода напряжения, которое представляет RMS мощность первого подвергшегося соединению выходного сигнала.
Более подробно, входной датчик 311 включает в себя два согласованных RMS датчика, смещенных на одно и то же смещение DC. Один из датчиков принимает первый подвергшийся соединению входной сигнал RF и выводит измеренный уровень мощности в один вход первого дифференциального усилителя 313. Другой датчик не принимает первый подвергшийся соединению входной сигнал, а выводит опорный сигнал в другой вход первого дифференциального усилителя 313. Вследствие этого первый дифференциальный усилитель 313 выводит усиленный сигнал, который представляет уровень мощности первого подвергшегося соединению входного сигнала. Выходной датчик 312 и второй дифференциальный усилитель 314 выполнены схожим образом со входным датчиком 311 и первым дифференциальным усилителем 313. Однако в других вариантах осуществления могут использоваться другие варианты выполнения обнаружения уровней мощности первого подвергшегося соединению входного сигнала и первого подвергшегося соединению выходного сигнала.
В настоящем варианте осуществления контур 310 управления коэффициентом усиления дополнительно содержит масштабирующий усилитель 315, соединенный с выходом первого дифференциального усилителя 314. Масштабирующий усилитель сконфигурирован с возможностью усиления сигнала от первого дифференциального усилителя 314 для учета любого рассогласования между входным датчиком 311 и выходным датчиком 312. То есть, если входной датчик 311 и выходной датчик 312 не согласованы, то каждый датчик может выводить различное напряжение для любого заданного уровня мощности сигнала. Альтернативно, согласованные датчики могут использоваться в качестве входного и выходного датчиков 311, 312, в таком случае масштабирующий усилитель 315 может быть опущен.
Несмотря на то, что в существующем варианте осуществления усилитель выполнен в качестве средства для масштабирования сигнала, созданного одним из датчиков, в других вариантах осуществления может использоваться альтернативное масштабирующее средство. Вместо усиления сигнала от одного из датчиков масштабирующее средство может быть выполнено с возможностью ослабления выхода одного из дифференциальных усилителей 313, 314 на подходящую величину, например, используя резистивный делитель, для компенсации какого-либо рассогласования между датчиками. Также, несмотря на то, что на Фиг. 3 масштабирующее средство, то есть масштабирующий усилитель 315, соединено с выходом первого дифференциального усилителя 313, настоящее изобретение не ограничивается данным конкретным выполнением. Например, масштабирующее средство 315 может быть соединено с выходом второго дифференциального усилителя 314.
IN
Продолжим рассмотрение Фиг. 3, на которой масштабированный выход первого дифференциального усилителя 313 и выход второго дифференциального усилителя 314 соединены со входами другого дифференциального усилителя 316, упоминаемого в дальнейшем в качестве контурного усилителя 316. Контурный усилитель 316 генерирует сигнал управления коэффициентом усиления, который представляет разность между масштабированным выходом первого дифференциального усилителя 313 и выходом второго дифференциального усилителя 314. Сигнал управления коэффициентом усиления отправляется в модуль 302 управления коэффициентом усиления, который определяет на основе значения сигнала управления коэффициентом усиления, регулировать ли коэффициент усиления, накладываемый на сигнал RF. Например, модуль 302 управления коэффициентом усиления может быть сконфигурирован с возможностью регулирования коэффициента усиления для того, чтобы минимизировать значение сигнала управления коэффициентом усиления, принимаемого от контурного усилителя 316.
Таким образом, контур 310 управления коэффициентом усиления сконфигурирован с возможностью управления модулем 302 управления коэффициентом усиления на основе разности в мощности между первым подвергшимся соединению входным сигналом и первым подвергшимся соединению выходным сигналом. Несмотря на то, что на Фиг. 3 изображена одна структура контура 310 управления коэффициентом усиления, в других вариантах осуществления могут использоваться другие выполнения.
IN
Как показано на Фиг. 3, модулем 303 управления фазой управляет отдельный контур 320 управления фазой. Как описано выше, контур 320 управления фазой принимает второй подвергшийся соединению входной сигнал от второго входного соединителя 305, и принимает второй подвергшийся соединению выходной сигнал от второго выходного соединителя 307. Второй подвергшийся соединению входной сигнал и второй подвергшийся соединению выходной сигнал объединяются в соединителе 322. Однако до введения в соединитель 322 второй подвергшийся соединению входной сигнал пропускается через линию 321 задержки. Линия 321 задержки сконфигурирована с возможностью задержки второго подвергшегося соединению входного сигнала, чтобы обеспечить одну и ту же электрическую длину через оба тракта сигнала для частот в сигнале RF. То есть, линия 321 задержки сконфигурирована так, чтобы электрическая длина «сквозного тракта», включающего в себя модули 302, 303 управления коэффициентом усиления и фазой, усилитель 301 мощности, второй выходной соединитель 307 и соединитель 322, была такой же, что и электрическая длина «подвергшегося соединению сквозного тракта», включающего в себя линию 321 задержки и соединитель 322.
IN
IN
OUT
По такому принципу, вторым подвергшимся соединению входным сигналом и вторым подвергшимся соединению выходным сигналом, поступающими в соединитель 322 в любой момент времени, управляют для соответствия одной и тот же части исходного сигнала RF. То есть, линия 321 задержки в контуре 320 управления фазой выполнена с возможностью задержки первого сигнала перед тем, как сигнал ошибки будет получен соединителем 322, чтобы таким образом задерживаемый первый сигнал и второй сигнал, используемые для получения сигнала ошибки, соответствовали одной и той же части входного сигнала RF. Поэтому контур 320 управления фазой может упоминаться в качестве контура с прямой связью, так как второй подвергшийся соединению входной сигнал «подается вперед» и сравнивается с соответствующей частью выходного сигнала RF.
Тракт сигнала от второго входного соединителя 305 до соединителя 322 через линию 321 задержки может упоминаться в качестве «тракта прямой связи». Как описано выше, тракт сигнала через модуль 303 управления фазой, модуль 302 управления коэффициентом усиления и усилитель 301 мощности во второй выходной соединитель 307 может упоминаться в качестве «сквозного тракта», а тракт сигнала от второго выходного соединителя 307 до соединителя 322 может упоминаться в качестве «подвергшегося соединению сквозного тракта». Линия 321 задержки поэтому сконфигурирована так, чтобы электрическая длина тракта прямой связи была по существу такой же, что и объединенные электрические длины сквозного тракта и подвергшегося соединению сквозного тракта. В настоящем варианте осуществления линия 321 задержки физически воплощена в качестве длины коаксиального кабеля, имеющего соответствующую физическую длину для достижения необходимой задержки. Однако в других вариантах осуществления могут использоваться другие измерения.
OUT
В настоящем варианте осуществления контур 320 управления фазой сконфигурирован так, чтобы, когда усиленный сигнал RF, выводимый усилителем 301 мощности, имеет совпадающую фазу, второй подвергшийся соединению входной сигнал и второй подвергшийся соединению выходной сигнал поступали в соединитель 322 синфазно. Коэффициенты соединения второго входного соединителя 305 и второго выходного соединителя 307 могут быть выбраны такими, чтобы, когда усилитель 301 мощности функционирует с требуемым коэффициентом усиления, второй подвергшийся соединению входной сигнал и второй подвергшийся соединению выходной сигнал имели один и тот же уровень мощности. Альтернативно, может использоваться аттенюатор для ослабления второго подвергшегося соединению входного сигнала или второго подвергшегося соединению выходного сигнала до надлежащего уровня мощности.
out
OUT
OUT
Соединитель 322 является соединителем на 180°, и поэтому, когда второй подвергшийся соединению входной сигнал и второй подвергшийся соединению выходной сигнал объединятся в соединителе 322, то они подавятся на выходе соединителя 322, если усиленный сигнал RF, выводимый из усилителя 301 мощности имеет совпадающую фазу. Фактически, контур 320 управления фазой выполнен с возможностью вычитания второго подвергшегося соединению входного сигнала из второго подвергшегося соединению выходного сигнала для получения разности между двумя сигналами в качестве сигнала ошибки. Однако, если сигнал RF не имеет совпадающей фазы, то второй подвергшийся соединению выходной сигнал не будет синфазным со вторым подвергшимся соединению входным сигналом, поскольку они будут поступать в соединитель 322. В данном случае, сигналы не будут полностью подавлены, и амплитуда сигнала ошибки, выводимого соединителем 322, будет представлять разность фаз между сигналами. Вследствие этого контур 320 управления фазой может обнаруживать, смещена ли фаза сигнала RF относительно требуемого значения, например, в результате нелинейных искажений фазы, вводимых усилителем 301 мощности.
IN
Сигнал ошибки, выводимый соединителем 322, отправляется в датчик 323, который может быть RMS датчиком, подобным входному датчику 311 и выходному датчику 312 контура 310 управления коэффициентом усиления. Датчик 323 измеряет уровень мощности сигнала ошибки и выводит сигнал, представляющий измеренную мощность, в процессор 324. Процессор сконфигурирован с возможностью регулирования регулировки фазы, накладываемой на сигнал RF модулем 303 управления фазой, чтобы таким образом минимизировать уровень мощности сигнала ошибки, измеренный датчиком 323.
IN
Несмотря на то, что в существующем варианте осуществления сигнал ошибки получается посредством взятия разности между подвергшимися соединению входным и выходным сигналами, в других вариантах осуществления контур 320 управления фазой может быть сконфигурирован с возможностью суммирования подвергшихся соединению сигналов вместе для создания сигнала ошибки. Например, второй подвергшийся соединению входной сигнал и второй подвергшийся соединению выходной сигнал могут быть выполнены синфазными, когда они поступают в соединитель 322, чтобы таким образом сигналы суммировались вместе вместо подавления. В данном случае, процессор может быть выполнен с возможностью изменения фазы, накладываемой на сигнал RF, чтобы таким образом максимизировать измеряемую мощность сигнала ошибки.
IN
OUT
Как описано выше, использование отдельных контуров управления для управления коэффициентом усиления и фазой, накладываемых на сигнал RF обеспечивает преимущество в том, что алгоритм обработки может быть упрощен по сравнению с традиционной системой управления, так как каждый контур управления занимается только одной переменной. Поэтому система управления, такая, какая изображена на Фиг. 3, может функционировать с более коротким временем отклика по сравнению с традиционной системой управления. Кроме того, управление коэффициентом усиления и фазой может применяться точно, даже когда управление коэффициентом усиления ведет себя в качестве фазовращателя, что обычно происходит, когда усилитель мощности функционирует в, или близко к, насыщении. В данном случае, изменение коэффициента усиления может влиять на фазу сигнала RF, однако для компенсации этого отдельный контур управления фазой может обнаруживать данное изменение и автоматически регулировать фазу.
Несмотря на то, что в варианте осуществления с Фиг. 3 контур управления коэффициентом усиления реализован с использованием аналоговых компонентов, в других вариантах осуществления контур управления коэффициентом усиления может быть представлен в цифровой форме. Например, программируемая вентильная матрица (FPGA) или специализированная интегральная схема (ASIC) могут быть сконфигурированы с возможностью обеспечения функциональности, подобной аналоговому контуру управления коэффициентом усиления с Фиг. 3, для того чтобы управлять модулем управления коэффициентом усиления. Дополнительно, несмотря на то, что в существующем варианте осуществления контуры управления коэффициентом усиления и фазой используются для управления усилителем мощности RF, другие варианты осуществления могут использоваться на других частотах, то есть не только на RF.
out
in
В варианте осуществления, изображенном на Фиг. 3, контур управления фазой является контуром с прямой связью, подобным схеме подавления сигнала схемы линеаризации с прямой связью. Контур управления фазой с Фиг. 3 отличается от схемы линеаризации с прямой связью в том, что сигнал ошибки, получаемый соединителем 322, впоследствии не объединяется с выходным сигналом RF усилителя мощности для подавления интермодуляционных составляющих, как это обычно происходит в схеме подавления ошибок схемы линеаризации с прямой связью. Вместо этого мощность сигнала ошибки обнаруживается и используется для определения фазы, которую следует накладывать на входной сигнал RF.
OUT
Теперь обратимся к Фиг. 4, на которой изображен график, сравнивающий производительность управления коэффициентом усиления традиционной системы управления с разомкнутым контуром с системой управления с Фиг. 3. На графике изображено изменение ошибки коэффициента усиления (разность коэффициента усиления) в некотором диапазоне уровней мощности выходного сигнала RF. Ошибка коэффициента усиления является разностью между фактическим коэффициентом усиления и целевым коэффициентом усиления. Первая кривая 401, показанная сплошной линией на Фиг. 4, изображает ошибку коэффициента усиления для некоторого диапазона уровней выходной мощности, когда система управления с Фиг. 3 используется для управления GaN усилителем мощности. Вторая кривая 402, показанная пунктирной линией на Фиг. 4, изображает ошибку коэффициента усиления в том же самом диапазоне мощностей, когда традиционная система управления с разомкнутым контуром, такая как та, что изображена на Фиг. 1, используется для управления тем же самым GaN усилителем мощности. Как показано на Фиг. 4, система управления с Фиг. 3 достигает по существу более устойчивого управления коэффициентом усиления, чем это возможно с помощью традиционной системы управления с разомкнутым контуром.
Обратимся теперь к Фиг. 5, на которой изображен график, сравнивающий производительность управления фазой традиционной системы управления с разомкнутым контуром с системой управления с Фиг. 3. На графике изображено изменение ошибки фазы (разность фазы) в том же самом диапазоне мощностей, который используется на Фиг. 4. Первая кривая 501, показанная сплошной линией на Фиг. 5, изображает ошибку фазы, когда система управления с Фиг. 3 используется для управления GaN усилителем мощности. Вторая кривая 502, показанная пунктирной линией на Фиг. 5, изображает ошибку фазы, когда традиционная система управления с разомкнутым контуром используется для управления GaN усилителем мощности. Как показано на Фиг. 5, система управления с Фиг. 3 достигает по существу более устойчивого управления фазой, чем это возможно с помощью традиционной системы управления с разомкнутым контуром.
IN
IN
OUT
OUT
IN
OUT
IN
Предпочтительно, чтобы входной и выходной датчики контура управления коэффициентом усиления были RMS датчиками. Однако, если датчики не являются хорошими RMS датчиками, может использоваться ограничитель для отсечения входного сигнала RF прежде, чем сигнал достигнет первого входного соединителя. Более подробно, когда сигнал RF имеет высокое отношение (PAR) пиковой мощности к средней мощности, усиленный сигнал RF, создаваемый усилителем мощности, может стать отсеченным, когда усилитель доводится до высокого уровня усиления. В этом случае сигнал RF будет иметь более низкое PAR, чем сигнал RF, и соответственно первый подвергшийся соединению выходной сигнал будет иметь более низкое PAR, чем первый подвергшийся соединению входной сигнал. Если входной и выходной датчики не являются хорошими RMS датчиками, то датчики могут обеспечивать различную измеренную мощность для сигналов, имеющих различное PAR, даже когда RMS мощность сигналов является одной и той же. Поэтому, когда сигнал RF отсекается относительно сигнала RF, и датчики не являются хорошими RMS датчиками, входным и выходным датчиками могут быть измерены различные уровни мощности, даже когда сигналы имеют один и тот же уровень RMS мощности. В результате это может привести к неправильному применению управления коэффициентом усиления.
IN
OUT
Чтобы скомпенсировать это, варианты осуществления настоящего изобретения, в которых датчики не являются хорошими RMS датчиками, могут дополнительно включать в себя ограничитель, соединенный со входом первого входного соединителя. Ограничитель сконфигурирован с возможностью отсечения сигнала RF в той же самой степени, в которой сигнал RF отсекается усилителем мощности. Соответственно, первый подвергшийся соединению входной сигнал и первый подвергшийся соединению выходной сигнал отсекаются до одной и той же степени, и можно избежать ошибки управления коэффициентом усиления.
IN
IN
Фиг. 6 является графиком, изображающим ошибку коэффициента усиления в некотором диапазоне уровней выходной мощности, когда входной и выходной датчики контура управления коэффициентом усиления не являются хорошими RMS датчиками. Первая кривая 601, показанная сплошной линией на Фиг. 6, изображает ошибку коэффициента усиления, когда ограничитель используется для отсечения сигнала RF. С целью сравнения, также предоставлена вторая кривая 602, показанная пунктирной линией на Фиг. 6, чтобы изобразить ошибку коэффициента усиления, когда сигнал RF не отсекается. Как показано на Фиг. 6, без ограничителя ошибка коэффициента усиления изменяется в пределах ±1,1 дБ, однако посредством использования ограничителя она может быть улучшена до ±0,83 дБ. В качестве сравнения, если используются хорошие RMS датчики, как в варианте осуществления с Фиг. 3, то ошибка коэффициента усиления изменяется в пределах ±0,13 дБ, как показано на Фиг. 4.
IN
Теперь со ссылкой на Фиг. 7 будет описан дополнительный вариант осуществления настоящего изобретения. Система управления, изображенная на Фиг. 7, может быть включена в состав спутника, такого как спутник связи, для управления усилителем мощности спутника. В данном варианте осуществления, управление коэффициентом усиления и фазой выполняется с использованием одного контура 720 управления с прямой связью. Также как и вариант осуществления с Фиг. 3 существующий вариант осуществления содержит усилитель 701 мощности, модули 702, 703 управления коэффициентом усиления и управления фазой, соединенные со входом усилителя 701 мощности, и входной и выходной соединители 705, 707, сконфигурированные с возможностью направления подвергшегося соединению входного и подвергшегося соединению выходного сигналов, соответственно, в контур 720 управления с прямой связью. Также как в варианте осуществления на Фиг. 3, контур 720 управления с прямой связью включает в себя соединитель 722 для объединения подвергшегося соединению входного сигнала и соединенного выходного сигнала, и линию 721 задержки для задержки подвергшегося соединению входного сигнала прежде, чем он будет введен в датчик 722. Соединитель 722 выводит сигнал ошибки в датчик 723, который измеряет уровень мощности сигнала ошибки и отправляет сигнал, представляющий измеренную мощность в процессор 724. Также как и в случае с контуром 320 управления фазой с Фиг. 3 контур 720 управления с Фиг. 7 выполнен с возможностью задержки первого сигнала до получения сигнала ошибки, так чтобы задерживаемый первый сигнал и второй сигнал, используемые для получения сигнала ошибки, соответствовали одной и той же части входного сигнала RF.
IN
IN
Подробное описание функционирования контура 720 управления с прямой связью будет опущено для поддержания краткости, так как сигнал ошибки получается подобным образом, что и в варианте осуществления с Фиг. 3. Однако, в существующем варианте осуществления процессор 724 определяет, на основе измеренной мощности сигнала ошибки, регулировать ли коэффициент усиления и фазу, накладываемые на сигнал RF, прежде, чем он будет введен в усилитель 701 мощности. Также, процессор 724 соединен как с модулем 702 управления коэффициентом усиления, так и с модулем 703 управления фазой для управления коэффициентом усиления и фазой сигнала RF. Поэтому, в существующем варианте осуществления управление коэффициентом усиления и фазой выполняется с использованием одного контура управления.
OUT
OUT
Обратимся теперь к Фиг. 8, на которой изображен график, сравнивающий производительность управления коэффициентом усиления традиционной системы управления с разомкнутым контуром с системой управления с Фиг. 7. На графике изображено изменение ошибки коэффициента усиления в некотором диапазоне уровней мощности RF. Первая кривая 801, показанная сплошной линией на Фиг. 8, изображает ошибку коэффициента усиления для некоторого диапазона уровней мощности RF, когда система управления с Фиг. 7 используется для управления GaN усилителем мощности. Вторая кривая 802, показанная пунктирной линией на Фиг. 8, изображает ошибку коэффициента усиления в том же самом диапазоне мощностей, когда традиционная система управления с разомкнутым контуром, такая, которая изображена на Фиг. 1, используется для управления тем же самым GaN усилителем мощности. Как показано на Фиг. 8, система управления с Фиг. 7 достигает по существу более устойчивого управления коэффициентом усиления, чем это возможно с помощью традиционной системы управления с разомкнутым контуром.
OUT
Обратимся теперь к Фиг. 9, на которой изображен график, сравнивающий производительность управления фазой традиционной системы управления с разомкнутым контуром с системой управления с Фиг. 7. На графике изображено изменение ошибки фазы в некотором диапазоне уровней мощности RF. Первая кривая 901, показанная сплошной линией на Фиг. 9, изображает ошибку фазы для некоторого диапазона мощностей сигнала, когда система управления с Фиг. 7 используется для управления GaN усилителем мощности. Вторая кривая 902, показанная пунктирной линией на Фиг. 9, изображает ошибку фазы в том же самом диапазоне мощностей, когда традиционная система управления с разомкнутым контуром используется для управления тем же самым GaN усилителем мощности. Как показано на Фиг. 9, система управления с Фиг. 7 достигает по существу более устойчивого управления фазой, чем это возможно с помощью традиционной системы управления с разомкнутым контуром.
По сравнению с вариантом осуществления с Фиг. 3, система управления с Фиг. 7 обеспечивает менее устойчивое управление коэффициентом усиления в заданном диапазоне мощности выходного сигнала, потому что для управления как коэффициентом усиления, так и фазой используется один контур управления. Более сложный алгоритм обработки требуется, когда один контур управляет как коэффициентом усиления, так и фазой, и соответственно время отклика контура 720 управления с прямой связью с Фиг. 7 увеличено по сравнению с контурами 310, 320 управления коэффициентом усиления и управления фазой с Фиг. 3. Тем не менее, вариант осуществления с Фиг. 7 по-прежнему обеспечивает существенное улучшение по сравнению с традиционной системой управления с разомкнутым контуром.
Более подробно, когда для управления коэффициентом усиления и фазой используется традиционная система управления с разомкнутым контуром, то ошибкой коэффициента усиления можно управлять только внутри диапазона ±2 дБ, как показано на Фиг. 4 и 8. Когда для управления как коэффициентом усиления, так и фазой используется один контур управления с прямой связью, как в варианте осуществления с Фиг. 7, то управление улучшается до ±0,23 дБ, как показано на Фиг. 8. Когда для управления коэффициентом усиления используется отдельный замкнутый контур, как в варианте осуществления с Фиг. 3, то управление улучшается дополнительно до ±0,13 дБ, как показано на Фиг. 4.
Схожим образом, когда для управления как коэффициентом усиления, так и фазой используется традиционная система управления с разомкнутым контуром, то ошибкой фазы можно управлять только внутри диапазона ±20°, как показано на Фиг. 5 и 9. Когда для управления как коэффициентом усиления, так и фазой используется один контур управления с прямой связью, как в варианте осуществления с Фиг. 7, то управление улучшается до ±2,2°, как показано на Фиг. 9. Когда для управления фазой используется отдельный контур управления с прямой связью, как в варианте осуществления Фиг. 3, то управление улучшается дополнительно до ±1,8°, как показано на Фиг. 5.
Результаты, изображенные на Фиг. 4, 5, 8 и 9 были получены в течение предварительного тестирования вариантов осуществления, созданных с использованием составляющие относительно низкого качества. Тем не менее, как описано выше, эти предварительные варианты осуществления уже обеспечивают улучшение возможности измерения по сравнению со стандартной системой управления с разомкнутым контуром с Фиг. 1, и еще большее улучшение будет ожидаться после дополнительного усовершенствования.
Несмотря на то, что варианты осуществления настоящего изобретения были описаны относительно управления GaN усилителями мощности, которые демонстрируют эффекты подобного гистерезису запоминания, для управления усилителями мощности могут использоваться другие варианты осуществления, которые не демонстрируют такие эффекты запоминания, например основанные на GaAs устройствах. В этих случаях система управления согласно настоящему изобретению может по-прежнему обеспечивать преимущество над традиционной системой управления с разомкнутым контуром с Фиг. 1, благодаря улучшенному времени отклика, что позволяет более быстро регулировать искажения коэффициента усиления и фазы в ответ на изменения мощности входного сигнала.
Дополнительно, в описанных варианты осуществления настоящего изобретения контур управления коэффициентом усиления наблюдает как за входным, так и выходным сигналами. Однако некоторые варианты осуществления могут быть сконфигурированы для использования в применениях, где входной сигнал имеет известную постоянную мощность, и в таких вариантах осуществления контур управления коэффициентом усиления может определять текущий коэффициент усиления усиленного сигнала без наблюдения за входным сигналом, так как уровень мощности входного сигнала уже известен.
Кроме того, в описанных вариантах осуществления настоящего изобретения измеряются уровни мощности сигналов, извлекаемых из входного и выходного сигналов. Это может сделать возможным использование датчиков с малой мощностью, даже когда входной и/или усиленный сигналы являются сигналами с большой мощностью. Альтернативно, в некоторых вариантах осуществления может осуществляться непосредственное обнаружение уровней мощности входного и/или усиленного сигналов, в таком случае первый и/или второй соединители и первый и/или второй датчики с Фиг. 3 могут соответственно быть опущены.
В то время как некоторые варианты осуществления настоящего изобретения описаны выше, специалисту в данной области техники должно быть понятно, что возможно множество изменений и модификаций без отступления от объема изобретения, определенного сопроводительной формулой изобретения. В частности любой признак любого описанного варианта осуществления может быть использован совместно с любым признаком любого другого варианта осуществления.