СПОСОБ ЛИНЕАРИЗАЦИИ ХАРАКТЕРИСТИК СВЧ УСИЛИТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR LINEARISATION OF MICROWAVE AMPLIFIER CHARACTERISTICS (VERSIONS)

Изобретение относится к сверхвысокочастотной (СВЧ) электронике и может быть использовано для создания мощных усилителей СВЧ с высокой степенью линейности характеристик и соответственно низким уровнем нелинейных искажений усиливаемого сигнала.
Известен способ линеаризации характеристик усилителя и подавления нелинейных искажений, основанный на использовании предыскажений усиливаемого высокочастотного сигнала или высокочастотных цепей обратной связи [1].
Такие цепи существенно влияют на рабочую полосу частот усилителя и могут приводить к его самовозбуждению, кроме того, понижается коэффициент усиления всего тракта.
Наиболее близким к предлагаемому является способ линеаризации характеристик и уменьшения нелинейных искажений усилителя путем создания цепей обратной связи на частотах огибающей модулированного усиливаемого высокочастотного сигнала [2].
Известный способ заключается в том, что уменьшение высокочастотных сигналов интермодуляционных искажений 3-го порядка в рабочей полосе частот СВЧ усилителя на полевом транзисторе может быть достигнуто подачей на затвор транзистора с его стока низкочастотных колебаний огибающей, образующихся на выходе усилителя как интермодуляционные искажения 2-го порядка, по специальной цепи низкочастотной обратной связи. Необходимым условием данного способа является наличие на выходе усилителя колебаний низкой частоты, соответствующих частотам огибающей. Ввиду того, что данное условие выполняется не всегда, способ, основанный на построении низкочастотных цепей обратной связи, не универсален и соответственно неприменимым для усилителей на лампе бегущей волны (ЛБВ) и ряда СВЧ усилителей, построенных на транзисторах.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является линеаризация характеристик СВЧ усилителя и подавление нелинейных искажений СВЧ усилителя без использования цепей обратной связи и предыскажения усиливаемого высокочастотного сигнала.
Поставленная техническая задача решается тем, что согласно предложенному изобретению по первому варианту способ линеаризации характеристик СВЧ усилителя путем использования сигнала на частотах огибающей для подавления нелинейных искажений заключается в том, что в СВЧ усилителе на лампе бегущей волны или клистроне низкочастотный корректирующий сигнал огибающей с выхода модулятора подается на фокусирующий электрод или первый анод лампы бегущей волны или клистрона.
Поставленная техническая задача решается также тем, что согласно предложенному изобретению по второму варианту способ линеаризации характеристик СВЧ усилителя путем использования сигнала на частотах огибающей для подавления нелинейных искажений заключается в том, что в СВЧ усилителе на лампе бегущей волны или клистроне низкочастотный корректирующий сигнал огибающей с выхода детектора подается на фокусирующий электрод или первый анод лампы бегущей волны или клистрона.
Поставленная техническая задача решается также тем, что согласно предложенному изобретению по третьему варианту способ линеаризации характеристик СВЧ усилителя путем использования сигнала на частотах огибающей для подавления нелинейных искажений заключается в том, что в СВЧ усилителе на транзисторе низкочастотный корректирующий сигнал огибающей с выхода модулятора или с выхода детектора подается на вход транзистора через цепи, определяющие рабочую точку.
Техническим результатом, достижение которого обеспечивается реализацией всей заявляемой совокупностью существенных признаков, является повышение линейности характеристик усилителя при сохранении коэффициента полезного действия (КПД), выходной мощности и рабочей полосы частот.
Указанный результат достигается тем, что характеристики усилителя согласованно изменяются под действием сигнала, представляющего собой огибающую модулированного СВЧ сигнала на входе усилителя.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 представлена схема лампы бегущей волны (ЛБВ);
на фиг.2 представлены типичные нелинейные характеристики лампы бегущей волны при разных токах электронного пучка,
на фиг.3 и 4 представлены варианты подачи сигнала огибающей на фокусирующий электрод (фиг.3) или первый анод (фиг.4).
Фиг.1 содержит следующие позиции:
1 - катод электронной пушки,
2 - фокусирующий электрод,
3 - первый анод,
4 - второй анод,
5 - замедляющая система,
6 - коллектор.
Новым в предлагаемом способе для усилителей на лампе бегущей волны или клистроне является то, что на фокусирующий электрод (1) или первый анод (2) прибора подается сигнал огибающей, что обеспечивает изменение тока электронного пучка, приводящего к изменению амплитудных и фазоамплитудных характеристик, согласованному с сигналом огибающей.
Сигнал огибающей может подаваться на фокусирующий электрод (фиг.3) или первый анод (фиг.4) как с выхода модулятора, так и с детектора (7 - модулятор/детектор, 8 - вход модулятора/детектора, 9 - выход модулятора/детектора), выделяющего огибающую модулированного колебания, подаваемого на СВЧ вход усилителя.
вх
вх
вх
вх
Принцип линеаризации характеристик усилителя с помощью низкочастотного сигнала огибающей иллюстрируется на фиг.2, где представлены типичные нелинейные характеристики лампы бегущей волны при разных токах электронного пучка. При подаче на фокусирующий электрод или первый анод напряжения U, пропорционального А, будет изменяться ток электронного пучка и каждому А будет соответствовать статическая амплитудная характеристика, определяемая величиной тока электронного пучка в данный момент. В результате при изменении А и тока электронного пучка получим «динамическую амплитудную» характеристику, которая при соответствующем выборе фазы сигнала огибающей А будет ближе к линейной, чем исходные статические характеристики.
Для количественной оценки уровня нелинейных искажений и степени их подавления применим квазистационарный метод анализа нелинейных преобразований сигнала [3], справедливый для обычно применяемых модулирующих сигналов, спектр которых Δω достаточно мал по сравнению с частотой несущей ω, Δω<<ω.
Комплексную амплитуду огибающей сигнала представим в виде суммы N, составляющих с частотами nΩ<<ω, лежащих в пределах Δω:
<mrow><mi>A</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>E</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow></mstyle><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mi>i</mi></mrow></msup><msup><mrow /><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ω</mi><mi>n</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mi>t</mi><mo>+</mo><msub><mi>α</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow></msup><mo>,</mo><mtext>                            (1)</mtext></mrow>
где амплитуды составляющих
<mrow><msub><mi>E</mi><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>E</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mi>i</mi><msub><mi>α</mi><mi>n</mi></msub></mrow></msup><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow></mfrac><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow></munderover><mrow><mi>A</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mi>i</mi><mi>n</mi><mi>Ω</mi><mi>t</mi></mrow></msup><mi>d</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>Ω</mi><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>.</mo><mtext>                    (2)</mtext></mrow></mrow></mstyle></mrow>
вых
вх
Усилитель опишем комплексным коэффициентом передачи, включающим амплитудную |А(|А|)| и фазоамплитудную характеристики:
вх
φ(|А|)
<mrow><mi>K</mi><mo stretchy="false">(</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>А</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>А</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>А</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow></mfrac><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mi>i</mi><mi>Δ</mi><mi>φ</mi></mrow></msup><mtext>      (3)</mtext></mrow>
nвых
nвх
Для спектральных составляющих сигнала на выходе Е усилителя можно получить следующее простое выражение через спектральные составляющие на входе Е [3]:
<mrow><msub><mi>E</mi><mrow><mi>n</mi><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><msup><mi>n</mi><mo>|</mo></msup><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mtext>N</mtext></munderover><mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><msup><mi>n</mi><mo>|</mo></msup></mrow></msub></mrow></mstyle><msub><mi>E</mi><mrow><msup><mi>n</mi><mo>|</mo></msup><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mtext>,                   (4)</mtext></mrow>
где
<mrow><msub><mi>K</mi><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>π</mi></mrow></mfrac><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>π</mi></mrow></munderover><mrow><mi>K</mi><msup><mi>e</mi><mrow><mi>i</mi><mi>n</mi><mi>Ω</mi><mi>t</mi></mrow></msup><mi>d</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>Ω</mi><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><mtext>                    (5)</mtext></mrow></mrow></mstyle></mrow>
комплексные амплитуды Фурье коэффициента передачи К.
вх
При расчете подавления нелинейных искажений в усилителях по предлагаемому способу учитывается также зависимость коэффициента передачи К от тока электронного пучка или иного параметра J, определяющего передаточные характеристики усилителя. В свою очередь этот параметр в соответствии с предлагаемым способом под действием огибающей входного сигнала |А|. Поэтому
<mrow><mi>K</mi><mo>=</mo><mi>K</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>,</mo><mi>J</mi><mo stretchy="false">(</mo><mo>|</mo><msub><mi>A</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>|</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>]</mo></mrow><mtext>                         (6)</mtext></mrow>
n
вх
и величину амплитуды Фурье К, определяющих нелинейные искажения, можно уменьшить соответствующим выбором зависимости J(|A(t)|).
Следуя методике работы [4], для оценки относительного уровня нелинейных искажений могут быть введены универсальные амплитудные характеристики. При аппроксимации амплитудной характеристики усилителя полиномом третьей степени при работе усилителя в двухчастотном режиме и воздействии на вход усилителя тестового сигнала (амплитуды входных сигналов равны друг другу, начальные фазы также равны друг другу и равны нулю) универсальные амплитудные характеристики могут быть записаны в виде:
<mrow><msub><mi>А</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>А</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mo>|</mo><msub><mi>a</mi><mn>3</mn></msub><mo>|</mo><mo>⋅</mo><msub><mi>A</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><msup><mrow /><mn>3</mn></msup><mo>,</mo><msub><mi>А</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mo>.</mo><mi>к</mi><mi>с</mi><mn>3</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mo>|</mo><msub><mi>a</mi><mn>3</mn></msub><mo>|</mo><mo>⋅</mo><msub><mi>А</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><msup><mrow /><mn>3</mn></msup><mo>,</mo><mtext>         (7)</mtext></mrow>
<mrow><mi>Y</mi><mo>=</mo><mn>1,5</mn><mo>⋅</mo><mi>X</mi><mo>−</mo><mn>0,5</mn><msup><mi>X</mi><mn>3</mn></msup><mo>,</mo><msub><mi>Y</mi><mrow><mi>к</mi><mi>c</mi><mn>3</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>6</mn></mfrac><mo>⋅</mo><msup><mi>X</mi><mn>3</mn></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>г</mi><mi>д</mi><mi>е</mi><mtext>                  (8)</mtext></mrow>
<mrow><mi>Y</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>А</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mo>.</mo><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>с</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mi>Х</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>А</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi><mo>.</mo><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>с</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><msub><mi>Y</mi><mrow><mi>к</mi><mi>с</mi><mn>3</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mo>.</mo><mi>к</mi><mi>с</mi><mn>3</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>А</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mo>.</mo><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>с</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>А</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi><mo>.</mo><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mn>1</mn><mn>3</mn></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>a</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mo>,</mo><msub><mi>А</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mo>.</mo><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>2</mn><mn>3</mn></mfrac><mo>⋅</mo><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><msqrt><mrow><mfrac><mn>1</mn><mn>3</mn></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>a</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mo>,</mo></mrow>
вых.кс
А - амплитуда комбинационной составляющей третьего порядка.
Для оценки относительного уровня комбинационных составляющих в дБ может быть использовано выражение:
<mrow><mi>d</mi><mi>B</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>X</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>20</mn><mo>⋅</mo><mi>lg</mi><mrow><mo>|</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>Y</mi><mrow><mi>к</mi><mi>c</mi><mn>3</mn></mrow></msub></mrow><mi>Y</mi></mfrac></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>=</mo><mn>20</mn><mo>⋅</mo><mi>lg</mi><mrow><mo>|</mo><mrow><mfrac><mrow><msup><mi>X</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>3</mn><mo>⋅</mo><msup><mi>X</mi><mn>3</mn></msup><mo>−</mo><mn>9</mn></mrow></mfrac></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>.</mo><mtext>                    (10)</mtext></mrow>
Для лампы бегущей волны, имеющей представленные на фиг.2 амплитудные характеристики, расчет по формуле (4) дал для каждой из характеристик без использования коррекции нелинейных характеристик уровень комбинационных составляющих третьего порядка (-17) дБ. С использованием коррекции уровень составляет (-30)дБ.
Предложенный способ позволяет уменьшить нелинейные искажения третьего порядка на 13 дБ и расширить динамический диапазон в 1,7 раза.
Предложенный способ линеаризации характеристик СВЧ усилителя можно использовать и для других СВЧ усилителей, воздействуя с помощью огибающей на параметр, от которого зависят статические амплитудные характеристики усилителя, т.е. переходя к динамической амплитудной характеристике.
Таким образом, используя согласованное с огибающей входного сигнала изменение тока пучка или иного параметра, от которого зависят нелинейные характеристики усилителя, можно добиться повышения линейности характеристик усилителя, получить низкий уровень нелинейных искажений, при этом коэффициент полезного действия усилителя, его выходная мощность и диапазон рабочих частот не изменяются.
Источники информации
1. Ю.Н.Хлопов, Н.Н.Кузовкова. Побочные колебания в сверхвысокочастотных электровакуумных приборах, вып. №2, 1970.
2. И.Н.Дутышев. «100-ватный усилитель мощности с уменьшенным уровнем интермодуляционных искажений и защитой выходных транзисторов от пробоя при работе в двухсигнальном режиме», Электронная техника, сер. 1, СВЧ техника, вып. 4(492), 2007.
3. В.И.Малышенко, В.А.Солнцев. Нелинейный анализ многочастотных режимов работы ЛБВ при близких частотах, Электронная техника, сер.1, Электроника СВЧ, вып.10, 1972.
4. В.А.Солнцев, Т.М.Андреевская. «Применение электронных приборов и устройств. Анализ преобразования сигналов с несколькими несущими в мощной ЛБВ», Электронная техника, сер. СВЧ техника, вып.1(469), 1997.