Широкополосный усилитель мощности радиопередающего устройства

Заявляемая полезная модель относится к области электрорадиотехники и может быть использована при проектировании радиопередающих устройств на основе автоматизированных широкополосных радиопередающих модулей усиления мощности.
Наиболее близким техническим решением к заявленной полезной модели и выбранным в качестве аналога является усилитель мощности радиопередающего устройства (патент РФ №130764, H03F 1/00, 22.01.2013 г.), содержащий усилитель радиосигнала с датчиками уровней сигналов и устройство отображения информации, включающее в себя блок микроконтроллера, устройство управления напряжениями смещения, блок фильтров с измерителем коэффициента бегущей волны (КБВ) и мощности, регулируемый импульсный источник питания с датчиками тока, напряжения и температуры, узел управления напряжением и током регулируемого импульсного источника питания, при этом усилитель радиосигнала содержит предварительный каскад усиления, каскад раскачки оконечных каскадов усиления, оконечные каскады усиления и измерители коэффициента бегущей волны и мощности, причем в каждом каскаде усиления широкополосные трансформаторы на согласованных многопроводных линиях, а для каждого генераторного элемента каскада усиления установлен отдельный регулируемый источник напряжения смещения, кроме того датчики уровней сигналов включают датчики температуры генераторных элементов, при этом выходы датчиков уровней сигналов, датчиков токов, напряжений и температуры регулируемого импульсного источника питания и измерителей КБВ и мощности соединены с соответствующими входами блока микроконтроллера, выходы блока микроконтроллера соединены со входом устройства управления напряжениями смещения и входом блока управления напряжением и током регулируемого импульсного источника питания, выходы которых, в свою очередь, соединены со входами каскадов усиления и входом регулируемого импульсного источника питания, кроме того, выход блока микроконтроллера соединен со входом устройства отображения информации, а выход усилителя радиосигнала соединен с блоком фильтров.
К недостаткам указанного усилителя мощности радиопередающего устройства следует отнести:
1. Отсутствие контроля токов загрузки каждого из генераторных элементов оконечных каскадов, что при применении регулируемого источника напряжения смещения, работающего по данным, полученным с датчиков КБВ и мощности выходного высокочастотного (ВЧ) сигнала, установленных на выходе каждого каскада, может привести к выходу генераторных элементов из рабочего режима (недонапряженный, перенапряженный), следствием чего является снижение коэффициента полезного действия (КПД), увеличение нелинейности выходного сигнала при работе в телефонных режимах работы, перегреву генераторных элементов выходных каскадов и как следствие, снижению надежности усилителя.
2. Загруженность микроконтроллера задачами, связанными с обработкой данных, полученных от датчика уровня сигнала, измерителей КБВ и мощности, вычисления необходимых уровней сигналов управления смещениями генераторных элементов при настройке автоматической регулировки усиления (АРУ), отображением информации на экране, взаимодействия с внешними устройствами может привести к несвоевременной реакции системы управления усилителем на изменение параметров элементов и нагрузки, что в свою очередь может привести к выходу из строя усилителя, увеличению времени настройки АРУ и как следствие снижению надежности усилителя.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в достижении высоких показателей надежности, КПД, снижении времени настройки системы АРУ, снижении нелинейных искажений в телефонных режимах работы усилителя, а также в обеспечении стабильности уровня выходного ВЧ сигнала в широком диапазоне рабочих частот усилителя мощности.
Указанный технический результат достигается тем, что изменен состав широкополосного усилителя мощности радиопередающего устройства, в который дополнительно введены:
- управляемый аттенюатор входного ВЧ сигнала, предназначенный для снижения нелинейных искажений во входном сигнале при работе в телефонных режимах работы за счет обеспечения согласования выхода возбудительного устройства со входом предварительного каскада по входному сопротивлению и напряжению;
- датчики тока для каждого генераторного элемента оконечного каскада, предназначенные для контроля загрузки по току генераторных элементов с целью уменьшения паразитных гармонических составляющих в выходном сигнале и улучшения линейности выходного сигнала в телефонных режимах;
- микроконтроллеры, обеспечивающие контроль параметров генераторных элементов (уровни входных ВЧ напряжений генераторных элементов, тепловые режимы генераторных элементов, токи загрузки генераторных элементов оконечных каскадов, КБВ и мощность на выходе блока фильтров), а также управление входным аттенюатором, напряжением смещения каждого генераторного элемента и напряжением питания генераторных элементов.
В состав источника питания введены микроконтроллеры, обеспечивающие контроль параметров (температуры, выходного напряжения) каждого модуля питания, входящего в состав источника питания.
Таким образом широкополосный усилитель мощности радиопередающего устройства содержащий усилитель радиосигнала, источник питания, блок фильтров, блок микроконтроллера с устройством отображения информации, при этом усилитель радиосигнала содержит входной перестраиваемый аттенюатор, объединенный с каскадом раскачки, оконечные каскады усиления с датчиками тока загрузки каждого генераторного элемента, причем в каждом каскаде усиления использованы широкополосные трансформаторы на длинных линиях, а также датчики температуры каждого генераторного элемента, при этом выходы датчиков уровней сигналов, датчиков токов и температуры и измерителя КБВ и мощности соединены с соответствующими входами микроконтроллера управления и контроля, выходы микроконтроллера соединены со входом устройства управления напряжениями смещения, перестраиваемого аттенюатора и входом каждого микроконтроллера управления напряжением модулей питания источника питания, кроме того, выходы контроллеров управления и контроля усилителем радиосигнала и источника питания соединены со входом блока микроконтроллера, выход которого в свою очередь соединен со входом устройства отображения и ввода информации и внешними управляющими устройствами.
Полезная модель иллюстрируется схемами, на которых изображено:
- Фиг. 1 - структурная схема широкополосного усилителя мощности радиопередающего устройства;
- Фиг. 2 - структурная схема усилителя радиосигнала.
Согласно Фиг. 1, широкополосный усилитель мощности радиопередающего устройства содержит усилитель радиосигнала 1, блок микроконтроллера 2, источник питания 3, блок фильтров 4, устройство отображения и ввода информации 5.
Согласно Фиг. 1 и 2 усилитель радиосигнала 1 включает в себя микроконтроллер управления и контроля 7, предварительный каскад усиления 8, каскад регулирования усиления оконечных каскадов усиления 9, два оконечных каскада усиления 10, управляемый входной аттенюатор 18 и датчики уровня входного и выходного сигнала 6. Для обеспечения возможности работы в широком диапазоне частот в усилителе применяются высокочастотные мощные генераторные элементы 15, в качестве трансформаторов сопротивления в каскадах усиления 8, 9 и 10 используются широкополосные трансформаторы на длинных линиях 17. Для обеспечения работы генераторных элементов 15 в оптимальном режиме в каждом из каскадов усиления 8, 9 и 10 установлен регулируемый источник напряжения смещения 16, при этом в оконечных каскадах напряжение смещения регулируется на каждый генераторный элемент 15 отдельно.
Датчики уровней сигналов 6 включают в себя датчики ВЧ напряжения на входе каскадов усиления 8, 9 и 10, а также на выходе каскадов усиления 10 и датчики температуры на генераторных элементах 15. По питанию каждого генераторного элемента каскадов усиления 10 установлены датчики тока 11.
Микроконтроллер управления и контроля 7 представляет собой микро-ЭВМ, выполненную на основе контроллера, например 1986ВЕ94Т. Он осуществляет сбор информации с датчиков 6, 11 и измерителя КБВ и мощности 14, установленном в блоке фильтров 4 и вырабатывает управляющие команды на регулируемые источники напряжения смещения 16, управляемый входной аттенюатор 18 и микроконтроллеры управления источника питания 12, для установки напряжения питания каскадов усиления 8, 9, 10 в зависимости от установленного класса излучения, КБВ нагрузки и заданного уровня выходной мощности. Также микроконтроллер управления и контроля 7 обеспечивает защиту генераторных элементов 15 по температуре и току и осуществляет обмен данными с блоком микроконтроллера 2.
Источник питания 3 предназначен для формирования напряжений постоянного тока для питания цепей усилителя мощности и включает в себя два модуля питания с выходным напряжением до 50 В и током до 50 А и один модуль питания с выходным напряжением 27 В и током 15 А. В каждом модуле питания установлены датчики тока, напряжения и температуры 13, а также микроконтроллеры управления источника питания 12.
Микроконтроллеры управления источника питания 12 представляют собой микро-ЭВМ, выполненную на основе контроллера, например 1986ВЕ92У. Микроконтроллеры управления источника питания 12 обеспечивают установку на выходе модулей питания требуемых напряжений и токов питания каскадов усиления 8, 9 и 10 в зависимости от заданного класса излучения и уровня выходной мощности. Также они осуществляют контроль и защиту элементов модулей питания по напряжению, току и температуре на основе данных, получаемых с датчиков 13 и команд от микроконтроллера 7. Также микроконтроллеры управления источника питания 12 осуществляют обмен данными с блоком микроконтроллера 2.
Блок микроконтроллера 2 представляет собой управляющую микро-ЭВМ, выполненную на основе контроллеров, например 1986ВЕ94Т. Он осуществляет сбор данных с микроконтроллеров 7 и 12 и выдачу им параметров работы радиопередатчика (класс излучения, уровень выходной мощности и т.д.). Также блок микроконтроллера 2 обеспечивает выдачу информации о параметрах работы усилителя мощности на устройство отображения и ввода информации 5, а также на внешние устройства.
Блок фильтров 4 предназначен для подавления высших гармонических и дискретных составляющих высокочастотного напряжения рабочей частоты усилителя радиосигнала 1 и конструктивно состоит из двух блоков: первый блок предназначен для работы в диапазоне частот 1,5-30,0 МГц и содержит семь фильтров гармоник, второй блок предназначен для работы в диапазоне частот 28,0-120,0 МГц и содержит три фильтра гармоник. Каждый фильтр гармоник состоит из фильтра верхних и нижних частот. Кроме того, блок фильтров 4 содержит измеритель КБВ и мощности 14.
Устройство отображения и ввода информации 5 выполнено в виде жидкокристаллической панели с сенсорным управлением и предназначено для отображения рабочих параметров усилителя мощности и ввода данных о режимах работы радиопередающего устройства.
Выходы датчиков уровней сигналов 6, датчиков токов 11 и измерителя КБВ и мощности 14 соединены с соответствующими входами микроконтроллера управления и контроля 7. Выходы микроконтроллера управления и контроля 7 соединены со входами устройства управления напряжениями смещения 3, управляемого входного аттенюатора 18, входами микроконтроллеров управления источника питания 12 источника питания 3 и входами блока микроконтроллера 2. Выходы устройства управления напряжениями смещения 16 соединены со входами каскадов усиления 8, 9 и 10, а выходы микроконтроллеров управления источника питания 12 соединены со входами модулей питания источника питания 3. Кроме того, выход блока микроконтроллера 2 соединен со входом устройства отображения и ввода информации 5, а выход усилителя радиосигнала 1 соединен с блоком фильтров 4.
Таким образом широкополосной усилитель мощности радиопередающего устройства, обеспечивает поддержание оптимальных рабочих режимов всех элементов, в зависимости от параметров нагрузки, заданного уровня выходной мощности, установленных классов излучения и параметров окружающей среды.
Широкополосный усилитель мощности радиопередающего устройства работает следующим образом.
В момент включения усилителя мощности на каскадах усиления 8, 9 и 10 в усилителе радиосигнала 1 устанавливаются начальные значения напряжения смещения, а в источнике питания 3 начальные значения напряжения питания каскадов усиления 8, 9 и 10 так, чтобы уровень выходной ВЧ мощности соответствовал примерно 20% от номинального. За время порядка 1,0 мс микроконтроллер управления и контроля 7 собирает информацию с датчиков 6, 11 и измерителя КБВ и мощности 14 и, в зависимости от уровня КБВ нагрузки и установленного оператором уровня выходной мощности, вырабатывает команды управления на устройство управления напряжениями смещения 16, управляемый входной аттенюатор 18 и микроконтроллеры управления источника питания 12 источника питания 3 для установки оптимальных режимов работы генераторных элементов 15 усилителя радиосигнала 1.
В дальнейшем, микроконтроллер управления и контроля 7 опрашивает датчики 6, 11 и измеритель КБВ и мощности 14 и, в зависимости от полученных значений выходной мощности, температуры генераторных элементов 15, тока загрузки каскадов усиления 8, 9 и 10, вырабатывает команды управления на устройство управления напряжением смещения 16, управляемый входной аттенюатор 18 и микроконтроллеры управления источника питания 12 источника питания 3 для удержания оптимальных режимов работы генераторных элементов 15.
Все данные, снятые с датчиков, по запросу оператора могут быть выведены на устройство отображения и ввода информации 5 или на внешние устройства для проверки работоспособности всех узлов усилителя мощности.
Таким образом, за счет разделения между разными микроконтроллерами функций управления, контроля и обработки данных, получаемых с различных датчиков, обеспечивается автоматическое управление процессом работы радиопередающего устройства в целом, при этом управление генераторными элементами усилителя радиосигнала в зависимости от параметров нагрузки, заданных режимов работы, условий эксплуатации происходит без участия оператора, что позволяет в значительной мере улучшить показатели надежности и снизить до 1 мс время настройки АРУ.
Оптимизация рабочих режимов генераторных элементов оконечных каскадов позволяет снизить уровень высших гармонических и дискретных составляющих в выходном ВЧ сигнале, обеспечить высокий уровень стабильности выходного сигнала в диапазоне рабочих частот от 1,5 до 120,0 МГц не зависимо от КБВ нагрузки, а также снизить уровень нелинейных искажений при работе в телефонных режимах работы усилителя.