УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ СВЧ
MICROWAVE POWER AMPLIFIER

Изобретение относится к радиотехнике и позволяет строить радиопередатчики с повышенной линейностью амплитудной характеристики, одновременно обеспечивая защиту выходных каскадов от превышения пиковой мощности и защиту их при работе на рассогласованную нагрузку. Изобретение может быть эффективно использовано в системах радиосвязи, использующих различные виды амплитудной или многочастотной модуляции.
При построении радиопередатчиков часто к усилителю мощности предъявляются следующие требования:
- обеспечение достаточной линейности амплитудной характеристики,
- обеспечение поддержания постоянной пиковой мощности, подводимой к выходной нагрузке при ее изменении в процессе эксплуатации,
- защита выходного каскада усилителя от превышения пиковой мощности,
- защита выходного каскада усилителя от рассогласования нагрузки.
Перечисленный перечень обычно дополняется еще и требованием обеспечения уровня гармоник несущих частот ниже предельно допустимых значений.
При практической реализации усилителей задача построения усилителей мощности СВЧ, выполняющих комплекс поставленных требований, актуальна.
Известен [1] способ уменьшения интермодуляционных продуктов, при котором в СВЧ усилителе на транзисторах низкочастотный корректирующий сигнал огибающей с выхода модулятора или с выхода детектора подается на вход транзистора через цепи, определяющие рабочую точку.
Недостаток предложенного способа повышения линейности СВЧ усилителя - зависимость степени подавления интермодуляционных продуктов от следующих факторов:
- уровня гармоник в спектре выходного сигнала,
- усиления усилителя,
- уровня входного сигнала.
В результате достаточное подавление интермодуляционных продуктов 3, 5 и более высоких порядков оказывается трудно достижимым в диапазоне частот.
Кроме того, предложенная схема
- сложна в настройке компенсирующей цепи в диапазоне изменения частот и температур,
- не обеспечивает защиту усилителя при рассогласовании нагрузки и при превышении пикового уровня выходного сигнала.
Известна [2] схема построения усилителя мощности радиопередатчика, обеспечивающая стабилизацию выходной мощности и обеспечивающая повышение линейности при работе усилителя на несогласованную нагрузку.
Схема [2] ориентирована на ламповые выходные каскады. При применении в выходных каскадах транзисторов в ней не обеспечивается защита в случаях превышения допустимого уровня отраженной мощности и защита от превышения пиковой выходной мощности. Кроме того, уровень интермодуляционных продуктов на выходе усилителя по схеме [2] будет зависеть от уровня гармоник несущих частот на выходе усилителя.
Схема [2] является прототипом предложенной в настоящей заявке на изобретение схеме.
Задача изобретения - снижение уровня интермодуляционных продуктов при многочастотной модуляции и снижение нелинейных искажений сигнала при разных видах амплитудной модуляции, а также защита усилителя от превышения пиковой мощности и ее стабилизация в процессе эксплуатации, защита усилителя при работе на рассогласованную нагрузку.
Поставленная задача достигается тем, что усилитель мощности СВЧ содержит модуль линеаризуемого усилителя, детекторы и схему обработки сигналов. Согласно изобретению от модулятора сигнал подается на модуль линеаризуемого усилителя и одновременно на детектор огибающей входного сигнала, линеаризуемый усилитель выполнен в виде СВЧ входа, соединенного с последовательно включенным с входом управляемым аттенюатором и усилителем мощности СВЧ, детекторы включены в качестве детектора первой (входной) огибающей, детектора второй (выходной) огибающей, пикового детектора отраженной мощности, пикового детектора прошедшей в антенну (падающей) мощности, а в усилитель мощности СВЧ дополнительно введены вычитающее устройство, линейный сумматор и нелинейный сумматор, первый и второй операционные усилители, датчик (направленный ответвитель) отраженной мощности, фильтр гармоник, датчик (направленный ответвитель) подводимой к антенне мощности, задатчики отраженной и падающей мощности.
Выход детектора первой (входной) огибающей усилителя соединен с первым входом вычитающего устройства, второй вход вычитающего устройства соединен с выходом детектора второй (выходной) огибающей, а выход вычитающего устройства соединен с первым входом линейного сумматора, второй вход которого соединен с выходом нелинейного сумматора, выход линейного сумматора соединен с управляющим входом управляемого аттенюатора, входящего в модуль основного усилителя, выход основного усилителя соединен с входом датчика отраженной от антенны мощности, выход которого соединен с входом фильтра гармоник, выход фильтра гармоник соединен с входом датчика прошедшей в антенну мощности, первый выход которого соединен с антенной, а второй выход соединен с входом детектора второй (выходной) огибающей, выход которого соединен с первым входом второго операционного усилителя, выход датчика отраженной мощности соединен с входом пикового детектора отраженной мощности, выход которого соединен с первым входом первого операционного усилителя, второй вход первого операционного усилителя соединен с выходом задатчика отраженной мощности, а выход первого операционного усилителя соединен с первым входом нелинейного сумматора, второй вход которого соединен с выходом пикового детектора прошедшей в антенну мощности, вход которого соединен с выходом второго операционного усилителя, второй вход второго операционного усилителя соединен с задатчиком поступающей в антенну (падающей) мощности.
Достигаемым техническим результатом является линеаризация амплитудной характеристики и защита выходного каскада усилителя от превышения пиковой мощности, защита выходного каскада при рассогласовании антенны, а также стабилизация мощности, подаваемой в антенну.
На фигуре1 представлена структурная схема предлагаемого устройства, на вход которого от модулятора 1 подается подлежащий усилению сигнал, и этот сигнал делится и подается
- на линеаризуемый усилитель мощности радиопередатчика 2, состоящий из входного устройства 2-1, управляемого аттенюатора 2-2 и усилителя мощности СВЧ 2-3,
- на детектор огибающей №1 (огибающей входного сигнала).
К выходу линеаризуемого усилителя мощности СВЧ 2 подключается направленный ответвитель - датчик отраженной мощности 3, к одному выходу которого подключен фильтр гармоник 4, снижающий уровень высших гармоник в выходном сигнале линеаризуемого усилителя 2. К другому выходу датчика отраженной мощности (направленного ответвителя) 3 подключен пиковый детектор отраженной мощности 8, на выходе которого сигнал пропорционален мощности, отраженной от антенного тракта.
К выходу фильтра гармоник 4 подключен направленный ответвитель - датчик подведенной к антенне мощности 5, с одного выхода которого сигнал поступает в антенный тракт, а часть выходного сигнала, пропорциональная мощности, поступившей в антенну, ответвляется и поступает на детектор огибающей №2 выходного сигнала 9.
С выхода пикового детектора отраженной мощности 8 и с выхода детектора огибающей №2 выходного сигнала 9 сигналы поступают на входы операционных усилителей 13 и 12. На другие входы операционных усилителей 13 и 12 подаются опорные напряжения соответственно Е1 и Е2. Сигнал с выхода операционного усилителя 12 подается на пиковый детектор падающей мощности 14.
Сигнал с пикового детектора падающей мощности 14 поступает на вход М нелинейного сумматора 15, сигнал с пикового детектора отраженной мощности 8, прошедший через операционный усилитель 13, поступает на вход Д нелинейного сумматора 15. Больший из двух сигналов, присутствующих на входах нелинейного сумматора 15, поступает с его выхода на вход Е линейного сумматора 16.
Сигналы с выходов детекторов огибающей 6 и 9 поступают на вычитающее устройство 7, с выхода которого через разделительную емкость С переменная составляющая сигнала ошибки между огибающими у пропорциональна разности мгновенных амплитуд огибающих на входе и выходе линеаризуемого усилителя 2.
BX
С выхода вычитающего устройства 7 через разделительный конденсатор, убирающий постоянную составляющую сигнала ошибки между огибающими сигналов на входе и выходе усилителя мощности СВЧ. Этот сигнал пропорционален описанному формулой (4) сигналу G[U(t)], то есть пропорциональному ошибке между огибающими ВЧ сигналов на входе и выходе линеаризуемого усилителя 2. Он подается на второй вход линейного сумматора 16. На выходе линейного сумматора 16 появляется сумма двух сигналов:
- сигнала, поступившего с нелинейного сумматора 15, который поддерживает пиковый уровень либо падающей, либо отраженной мощности на выходе,
- сигнала ошибки между огибающими на входе и выходе. Эта составляющая сигнала на выходе линейного сумматора изменяет мгновенное значение усиления усилителя мощности СВЧ 2 таким образом, что увеличивает линейность его амплитудной характеристики.
Сигнал с линейного сумматора 16 поступает на управляющий вход управляемого аттенюатора 2-2.
В результате сигнал на управляющем входе управляемого аттенюатора обеспечивает одновременно
- поддержание пикового уровня сигнала на выходе усилителя мощности 2 пропорционального значению, задаваемому задатчиком падающей мощности 11, если значение сигнала отраженной мощности меньше значения, заданного задатчиком отраженной мощности 10;
- поддержание сигнала на выходе усилителя мощности 2, отраженного от антенного тракта, не превышающим значения, заданного сигналом с задатчика уровня отраженной мощности 10, независимо от того, каково заданное значение падающей мощности,
- уменьшение отклонения амплитудной характеристики СВЧ усилителя мощности 2 от линейной при любых значениях пиковой мощности.
Следует отметить, что в усилителе, имеющем описанную схему, линеаризация амплитудной характеристики происходит как при одночастотном аналоговом входном сигнале с амплитудной модуляцией, например, при SSB - модуляции, так и при многочастотной модуляции, например, OFDM.
ВЫХ
ВХ
Работу устройства можно описать следующим образом. Нелинейная амплитудная характеристика усилителя мощности, представляющая собой зависимость амплитуды выходного сигнала U(t) от амплитуды входного U(t) и описываемая некоторой функцией
BX
ВХ
Она может быть разложена в ряд Маклорена по степеням сигнала U вблизи некоторого малого значения U≈0. Взяв ограниченное число членов ряда, получим многочлен, описывающий нелинейную амплитудную характеристику в виде
Амплитудная характеристика линейного усилителя  описывается выражением, которое на основании (1) должно иметь вид
Сравнивая (1) и (2), можем утверждать, что амплитудная характеристика нелинейного усилителя может быть представлена суммой
где
Именно слагаемые, входящие в (4), образуют продукты интермодуляции разных порядков. Кроме того, составляющие, входящие в (4), дают частоты на и вблизи гармоник входного сигнала, а также сигнал на нулевой частоте, то есть постоянную составляющую.
BX
Л
ВХ
BX
На основании выражений (1)…(4) можно выделить величину, пропорциональную G[U(t)]. Для этого необходимо выделить огибающие на входе нелинейного усилителя 2 и его выходе. Такое выделение осуществляется с помощью детекторов огибающей 6 и 9, подключенных к входу и выходу усилителя мощности 2. Но огибающая входного сигнала в коэффициент усиления усилителя раз меньше, чем огибающая выходного сигнала. Поэтому необходимо выбрать такие коэффициенты передачи сигналов ко входам детекторов огибающей, чтобы слагаемые, пропорциональные A[U(t)] на выходах детекторов огибающих в точках схемы А и В, были равны. Тогда, подав сигналы с детекторов огибающей 6 и 9 на вычитающее устройство 7, получим на его выходе сигнал, пропорциональный только G[U(t)].
BX
BX
Далее для уменьшения на выходе усилителя составляющей G[U(t)] следует ввести в усилитель мощности СВЧ отрицательную обратную связь таким образом, чтобы выделенный сигнал ошибки, полученный после вычитающего устройства 7, уменьшал составляющую G[U(t)].
Так как составляющие четных степеней выражения (4) дадут постоянную составляющую на выходе детекторов огибающей 6 и 9, то сигнал ошибки следует вводить в схему обратной связи по огибающей через схему, не пропускающую постоянную составляющую. Такой схемой может быть просто разделительная емкость С, показанная на фиг. 1, или фильтр верхних частот.
Для того чтобы исключить влияние на огибающую сигнала тех составляющих (4), которые дают огибающие на частотах, являющихся гармониками входного сигнала или на частотах, близких к ним, между детектором огибающей 9 и выходом усилителя мощности СВЧ 2 следует включить фильтр гармоник 4. Фильтр гармоник часто на выходе усилителей мощности радиопередатчиков включают для выполнения требований по внеполосным излучениям, поэтому фильтр гармоник 4 может одновременно выполнять обе эти функции:
- уменьшения гармонических составляющих до требуемых нормативных величин,
- уменьшения искажений огибающей на выходе усилителя мощности.
Для поддержания постоянной пиковой мощности на выходе передатчика последовательно с детектором огибающей включен пиковый детектор, причем сигнал с пикового детектора сравнивается с сигналом задатчика пикового уровня.
Для того чтобы кольцо авторегулирования мощности на выходе линеаризуемого усилителя 2 поддерживало либо падающую, либо отраженную мощность, в схему включен нелинейный сумматор 15, пропускающий на выход только один, больший из двух сигналов на его входах.
Нормальными условиями работы линеаризуемого усилителя мощности СВЧ в составе радиопередатчика будут такие, когда значение отраженной мощности со стороны антенны не превышает заданного значения. Такое значение определяется задатчиком отраженной мощности 10.
Если отраженная со стороны антенны мощность мала, то благодаря нелинейному сумматору 15 сигал с операционного усилителя 14 будет единственным сигналом на его выходе.
Если отраженная от антенны мощность велика, то сигнал в точке Д схемы окажется больше, чем в точке М, а на выходе нелинейного сумматора окажется только сигнал, определяющий отраженную мощность. В этом случае кольцо авторегулирования будет поддерживать постоянной уже не падающую, а отраженную мощность, независимо от того, какова мощность падающая.
Таким образом, изменяющаяся вместе с изменением значения огибающей составляющая сигнала на выходе линейного сумматора 16 поддерживает малым уровень продуктов интермодуляции.
Медленно изменяющаяся при изменении условий работы усилителя мощности СВЧ составляющая на входе линейного сумматора, поступившая с выхода нелинейного сумматора 15 (она изменяется при изменении температуры, частоты или нагрузки усилителя, других дестабилизирующих воздействий), пройдя линейный сумматор 16, медленно изменяет коэффициент передачи управляемого аттенюатора 2-2, поддерживая постоянной падающую либо отраженную мощность.
Источники информации
1. Патент RU 2487464, H03F 3/00, опубл. 10.12.2012.
2. Авторское свидетельство СССР №733082, H03F 1/34, опубл. 05.05.1980.