ЛИНЕЙНЫЙ СВЧ УСИЛИТЕЛЬ
LINEAR MICROWAVE AMPLIFIER

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано для усиления многочастотных модулированных радиосигналов, используемых в цифровых системах связи, телевидении и измерительном оборудовании.
Известен линейный СВЧ усилитель с обратной связью по искажению выходного сигнала (Distortion feedback, см. Kenington P.B. High linearity RF amplifier design. Norwood: Artech House microwave library, 2000, p.152). Усилитель является широкополосным и применяется для усиления групповых (многочастотных) сигналов с многопозиционной амплитудно-фазовой манипуляцией.
Недостатками рассматриваемого линейного СВЧ усилителя являются:
1) сильная зависимость уровня искажений на выходе от линейности и стабильности вспомогательного усилителя канале обратной связи; 2) отрицательная обратная связь осуществляется на высокой частоте, что ограничивает диапазон рабочих частот.
Также известен линейный СВЧ усилитель, содержащий преобразователи частоты в канале отрицательной обратной связи, которые осуществляют транспонирование частоты (Frequency retranslation, см. Nesimoglu Т., Beach M.A. Linearised mixer using frequency retranslation, UK-Patent Application: No 0117801.1, 2001). Это позволило обеспечить устойчивую работу линейного СВЧ усилителя в более широком диапазоне рабочих частот.
Основными недостатками этого линейного СВЧ усилителя являются ограниченный динамический диапазон уровня входного сигнала и невозможность адаптивной коррекции нелинейных искажений при изменении коэффициента усиления усилителя мощности за счет воздействия дестабилизирующих факторов, таких как, «старение» элементов, изменение напряжения питания и зависимость параметров элементов от изменения температуры окружающей среды.
Известен также линейный СВЧ усилитель с малым уровнем нелинейных искажений выходного сигнала (см. книгу Коганов В.И. Радиотехника nniociMathcad, М.: Горячая линия - Телеком, 2001, 416 с., ил., с.92, рис.4.17) и являющийся прототипом предлагаемого изобретения.
Прототип содержит управляемый аттенюатор, подключенный к усилителю мощности; первый делитель мощности, вход которого является входом устройства, первый выход которого подключен к первому входу управляемого аттенюатора, а второй выход - ко входу первого амплитудного детектора, второй делитель мощности, вход которого подключен к выходу усилителя мощности, первый выход которого является выходом устройства, а второй выход подключен ко входу второго амплитудного детектора, звено сравнения, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго амплитудных детекторов, а выход - ко второму входу управляемого аттенюатора.
В данном линейном СВЧ усилителе при правильном выборе параметров и уровней сигналов уменьшение нелинейных искажений достигнуто за счет действия отрицательной обратной связи по огибающей высокочастотного сигнала. Выделение огибающей высокочастотного сигнала означает, что транспонирование его частоты произведено на нулевую частоту. Следует отметить, что применение отрицательной обратной связи по погибающей высокочастотного сигнала приводит к значительному уменьшению нелинейных искажений не только в усилителях, но и в модуляторах [см. статью Рудаков Ю.Н. Система амплитудной модуляции с малым клирфактором огибающей // Вопросы радиоэлектроники. Радиоизмерительная техника. Вып.9, 1970, с.25]. В данном случае модулятор можно рассматривать как частный случай усилителя с единичным коэффициентом усиления.
В области частот модулирующего сигнала для рассматриваемого линейного СВЧ усилителя справедливо уравнение, которое получено в результате анализа прототипа как системы автоматического регулирования (см. вышеупомянутую книгу Коганов В.И. Радиотехника плюс Mathcad, стр.93)
вх
вых
где U(t) и U(t) - соответственно амплитуды высокочастотных сигналов на входе и выходе линейного СВЧ усилителя;
1
2
k и k - коэффициенты передачи первого и второго делителей мощности по второму выходу;
AT
k - коэффициент передачи управляемого аттенюатора;
УCp
вх
k(U(t)) - коэффициент усиления усилителя мощности при разомкнутой цепи обратной связи;
AT0
AT
k - значение k в рабочей точке;
S - крутизна регулировочной характеристики аттенюатора.
вх
Из (1) следует, что при малых значениях U(t) в прототипе выполняются условия:
Тогда выражение (1) примет вид
УС 0
УСр
вх
вх
где k - коэффициент усиления усилителя мощности k(U) при малых значениях U(t).
вх
УС
AT
УС0
Таким образом, при малых значениях U(t) общий коэффициент усиления устройства равен k≈k·k=const. Это означает, что при малой амплитуде входного сигнала прототип обладает достаточно высокой линейностью.
вх
При больших значениях U(t) выполняются следующие условия:
и коэффициент усиления линейного СВЧ усилителя равен
вх
Поскольку прототип при номинальных значениях параметров обладает достаточно хорошей линейностью, то во всем динамическом диапазоне изменения U(t) должно выполняться условие
Поэтому приравнивая выражения (4) и (7), получим условие линейности прототипа в следующем виде
УС0
AT0
Если условие (9) не выполняется, то не обеспечивается малый уровень нелинейных искажений. Воздействие таких дестабилизирующих факторов, как изменение напряжения питания, уменьшение коэффициента усиления усилителя мощности, например, при изменении температуры окружающей среды или длительном сроке эксплуатации, а также изменение уровня входного сигнала приводит к изменению k. Поэтому для выполнения условия (9) требуется дополнительная регулировка положения рабочей точки управляемого аттенюатора. Изменяя положение рабочей точки, можно корректировать значение коэффициента передачи управляемого аттенюатора k, поскольку
У0
где U - значение управляющего напряжения, определяющее положение рабочей точки на регулировочной характеристике управляемого аттенюатора.
AT0
У0
у
вх
вх
Учитывая, что для управляемого аттенюатора существует ограничение k≤1 и его характеристика управления, как правило, является нелинейной, то при уменьшении U наблюдается эффект насыщения на регулировочной характеристике (см. вышеупомянутую книгу Коганов В.И. Радиотехника плюс Mathcad, с.92, рис.4.18). Это приводит к существенному уменьшению крутизны регулировочной характеристики S. Следовательно, малые нелинейные искажения в прототипе будут обеспечиваться только в определенном диапазоне значений амплитуды входного высокочастотного сигнала U(t). При увеличении U(t) нелинейные искажения увеличиваются, поэтому диапазон изменения амплитуды входного высокочастотного сигнала в прототипе оказывается небольшим.
У0
Кроме того, при новом положении рабочей точки управляемого аттенюатора U уменьшается глубина отрицательной обратной связи, в результате чего увеличиваются нелинейные искажения выходного сигнала при заданной амплитуде входного высокочастотного сигнала.
УС0
У0
AT0
Таким образом, в прототипе существенно возрастают нелинейные искажения при воздействии дестабилизирующих факторов, приводящих к изменению коэффициента усиления усилителя мощности k. Это, в свою очередь, приводит к изменению положения рабочей точки на регулировочной характеристике управляемого аттенюатора U и к изменению коэффициента передачи управляемого аттенюатора k (см. вышеупомянутую книгу Коганов В.И. Радиотехника плюс Mathcad, с.93).
Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение нелинейных искажений в широком диапазоне изменения значений коэффициента усиления усилителя мощности и амплитуды входного высокочастотного сигнала.
Задача достигается тем, что в линейный СВЧ усилитель, содержащий первый делитель мощности, первый выход которого соединен со входом первого управляемого аттенюатора, выход которого соединен со входом усилителя мощности, на выходе которого включен второй делитель мощности, первый выход которого является выходом устройства, при этом ко вторым выходам первого и второго делителей мощности соответственно подключены первый и второй амплитудные детекторы, выходы которых через первый и второй фильтры верхних частот подключены ко входам первого звена сравнения, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, второй вход которого подключен к первому источнику: опорного напряжения, при этом выход первого сумматора через фильтр нижних частот соединен с управляющим входом первого управляемого аттенюатора, введены пиковый детектор, второй управляемый аттенюатор, второй сумматор и второе устройство сравнения, первый вход которого соединен с выходом пикового детектора, вход которого соединен со вторым выходом второго делителя мощности, при этом второй вход второго устройства сравнения соединен со вторым источником опорного напряжения, а выход второго устройства сравнения соединен с управляющим входом второго управляемого аттенюатора, вход которого является входом.
На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 - регулировочная характеристика управляемого аттенюатора, на фиг.3 - амплитудная характеристика усилителя мощности, используемого в устройстве.
01
02
Предлагаемый линейный СВЧ усилитель (фиг.1) содержит первый управляемый аттенюатор 3, выход которого подключен ко входу усилителя мощности 4, выход которого подключен ко входу второго делителя мощности 5. Первый выход делителя мощности 5 является выходом предлагаемого устройства. Ко второму выходу делителя мощности 5 подключен вход второго амплитудного детектора 10, к выходу которого через второй фильтр верхних частот 13 подключен второй вход первого звена сравнения 12. Выход первого звена сравнения 12 подключен к первому входу сумматора 8, второй вход которого подключен к первому источнику опорного напряжения 9 (U). Выход первого звена сравнения 8 через фильтр нижних частот 6 подключен к управляющему входу первого управляемого аттенюатора 3. Вход пикового детектора 16 соединен со вторым выходом второго делителя мощности 5, а выход пикового детектора 16 подключен к первому входу второго звена сравнения 15. Второй вход второго звена сравнения 15 подключен ко второму источнику опорного напряжения 14 (U). Выход второго звена сравнения 15 подключен к управляющему входу второго управляемого аттенюатора 1, вход которого является входом предлагаемого устройства, а выход подключен ко входу первого делителя мощности 2, первый выход которого подключен ко входу первого управляемого аттенюатора 3, а второй выход подключен ко входу первого амплитудного детектора 7, выход которого через первый фильтр верхних частот 11 соединен с первым входом первого звена сравнения 12.
Предлагаемый линейный СВЧ усилитель работает следующим образом.
01
Как видно из рассмотрения фиг.1, предлагаемый линейный СВЧ усилитель содержит два контура системы автоматического регулирования. В первый контур входят следующие элементы: управляемый аттенюатор 3, усилитель мощности А, первый и второй делители мощности 2 и 5, первый и второй амплитудные детекторы 7 и 10, звено сравнения 12, первый и второй фильтры верхних частот 11 и 13, сумматор 8, первый источник опорного напряжения 9 (U) и фильтр нижних частот 6.
Для обеспечения устойчивости первого контура, представляющего собой систему автоматического регулирования, должны быть выполнены следующие условия [Рудаков Ю.Н. Система амплитудной модуляции с малым клирфактором огибающей // Вопросы радиоэлектроники. Радиоизмерительная техника. Вып.9, 1970, стр.25]:
АД
где ω - полоса рабочих частот амплитудных детекторов 7 и 10,
грФНЧ
ω - частота среза фильтра низких частот 6,
грФВЧ
ω - частота среза фильтров высоких частот 11 и 13.
02
Второй контур системы автоматического регулирования, в который входят пиковый детектор 16, второе звено сравнения 15, второй источник опорного напряжения 14 (U) и управляемый аттенюатор 1, обеспечивает с достаточно высокой точностью выполнение следующего равенства
УСp
где k - коэффициент усиления по напряжению усилителя мощности 4,
AT1
AT2
k и k - коэффициенты передачи по напряжению соответственно первого и второго управляемых аттенюаторов 3 и 1,
1
2
p и р - коэффициенты передачи по напряжению по первому выходу делителей мощности 2 и 5 соответственно,
вх max
U - максимальная амплитуда высокочастотного сигнала, подаваемого на вход линейного СВЧ усилителя.
вх max
УСр
АТ2
вх max
УСp
вых max
02
В реальных условиях амплитуда входного высокочастотного сигнала U может изменяться в достаточно широких пределах. Кроме того, за счет влияния дестабилизирующих факторов (температура окружающей среды, старение элементов, изменение напряжения источника питания), может изменяться величина коэффициента усиления по напряжению усилителя мощности 4 - k. Работой второго контура системы автоматического регулирования с помощью управления величиной k при изменяющихся U и k обеспечивается выполнение условия (13), т.е. стабилизация максимального уровня выходного сигнала U=const. При этом, за счет интегрирующих свойств применяемого в данном контуре системы автоматического регулирования пикового детектора 16, поддерживается выполнение условия (13) для одночастотного и многочастотного сигналов с различными видами аналоговой и цифровой модуляции. Заданный уровень амплитуды выходного сигнала определяется величиной напряжения U, подаваемого на второй вход второго звена сравнения 15 от второго источника опорного напряжения 14:
ПД
где k - коэффициент передачи по напряжению пикового детектора 16.
вх
вых max
Отметим, что при усилении многочастотных и модулированных сигналов амплитуда входного сигнала U(t) может меняться в широких пределах, однако за счет применения пикового детектора оказывается стабилизированным максимальный уровень амплитуды выходного сигнала U, то есть стабилизируется пиковая мощность, а не средняя мощность за период модулирующего сигнала. Это обеспечивает уменьшение нелинейных искажений при любом виде модуляции с различным уровнем средней мощности.
Поскольку пиковый детектор 16 имеет очень большую постоянную времени по сравнению с остальными структурными блоками, второй контур системы автоматического регулирования можно считать системой первого порядка, т.е. абсолютно устойчивой. Поэтому на выходе второго устройства сравнения не нужно применять фильтр нижних частот.
вых max
01
У0
01
Как показано на фиг.2, при стабильном, т.е. постоянном уровне U, опорное напряжение U в первом контуре системы автоматического регулирования задает рабочую точку управляемого аттенюатора 3 на середине его регулировочной характеристики U=U.
1
max
min
Полоса пропускания первого устройства сравнения 12 равна ΔF=n·(F-F), a полоса пропускания второго устройства сравнения 15 удовлетворяет условию
max
min
где F, F - соответственно максимальная и минимальная частоты в спектре сигнала на выходе первого амплитудного детектора 7;
n - порядок нелинейных искажений (число гармоник модулирующего сигнала).
Полосы пропускания амплитудных детекторов 7 и 10 соответствуют ширине спектра усиливаемого сигнала, а полоса пропускания пикового детектора 14 соответствует требованиям обеспечения устойчивости предлагаемого СВЧ усилителя, выполненного на основе системы автоматического регулирования. Применение фильтров верхних частот 11 и 13 устраняет влияние постоянных составляющих на выходах амплитудных детекторов 7 и 10 при различных видах модуляции усиливаемого сигнала.
Таким образом, предложенный линейный СВЧ усилитель обеспечивает уменьшение нелинейных искажений в широком диапазоне изменения значений коэффициента усиления усилителя мощности и амплитуды входного высокочастотного сигнала. При этом входной сигнал может быть одночастотным или многочастотным, аналоговым или цифровым, с различными видами модуляции, применяемыми в системах беспроводной связи и цифровом телевидении: амплитудной, балансной, QAM, FSK/PSK.