ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ЦИФРОВОГО УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ

Полезная модель относится к радиотехнике, а именно к цифровым усилителям высокой частоты, и может быть использована в мощных радиопередатчиках коротковолнового диапазона. Цифровой усилитель сформирован из 200 усилительных элементов - транзисторов с целью повышения линейности усиления мощности.
Известны усилители с улучшенной линейностью усиления, например, Авторское свидетельство СССР №1490704 1989 г., Патент РФ №2400923 07.04.2008 г.
Линейность усиления - характеристика радиопередающего устройства, определяющая уровень паразитных излучений в виде высших гармоник несущей частоты на выходе усилителя мощности. Чем меньше уровень паразитных излучений усилителя мощности, тем меньше уровень помех радиоприему, в особенности, если радиоприемные устройства размещены на относительно близком расстоянии от радиопередатчика, как это имеет место на кораблях.
Представленная модель имитирует цифровой усилитель мощности в среде Microcap12 с определенными данным программным средством ограничениями. Подтверждается верность теоретических расчетов линейности усиления программно-имитационным способом.
В продолжение развития радиопередающих устройств, описанных в Патенте РФ №2561495 от 03.08.2015 г. «Радиопередающее устройство», более подробно рассматривается вероятный вариант широкополосного суммирующего мощность устройства с цифровыми принципами реализации.
В рассматриваемом случае имеет место сложение 200 сигналов от 200 усилительных элементов. Такое количество обусловлено расчетными данными. При появлении сигналов разного уровня на 200 входах сумматора суммируемые импульсы будут отличаться по амплитуде, что приведет к искажению суммарного сигнала на выходе ключевого усилителя мощности. Результатом этих искажений станет ухудшение линейности усилителя и, как следствие, возрастание уровня паразитных излучений на высших гармониках.
Целью разработки полезной модели является проверка теоретических расчетов, описывающих улучшение линейности усиления за счет 200 усилительных элементов в работах Муравченко В.Л., Балахонова А.Н. «Электросвязь» №3, 2014.
Поставленная цель достигается тем, что цифровой усилитель мощности содержит 200 усилительных элементов - транзисторов, работающих в режиме усиления. К каждому транзистору подсоединен источник питания, трансформаторная линия и формирователь управляющего сигнала высокой частоты. Один усилительный элемент формирует одну ступень в требуемом виде сигнала. На чертеже показан простейший принцип сложения ступеней с помощью трансформаторных линий Рутрофа.
На фиг.1 представлена структурная схема цифрового усилителя мощности со следующими обозначениями:
Q - транзистор;
V - формирователь управляющего сигнала высокой частоты;
V5 - питание с постоянным током;
Х - трансформаторные линии;
R2 - нагрузка.
Работа схемы.
Цифровая последовательность, поступающая на цифро-аналоговые преобразователи, имитируется формирователями управляющего сигнала высокой частоты. Каждый из 200 формирователей выдает определенного уровня сигнал. Режимы работы транзистора: 1. открыт (в режиме усиления); 2. закрыт (в режиме ожидания). Поступая на базу транзистора, управляющий сигнал переводит его в режим 1, если такового не поступает, то транзистор находится в режиме 2. 200 транзисторов могут сформировать пиковый уровень сигнала (в режиме 1) либо уровень постоянной составляющей (в режиме 2), обусловленной наличием определенного уровня постоянного тока в цепи.
На фиг. 2 для наглядности сглаживающего эффекта требуемого сигнала представлены 3 варианта с количеством ступеней 3, 5 и 200. Показано, что с увеличением количества ступеней увеличивается и разрешающая способность формирования требуемого сигнала синусоидальной формы. На частоте 30 МГц период одного импульса составит 33,3 нс. За это время каждый транзистор успевает перейти из одного режима в другой дважды (открыться и закрыться). Минимально требуемое время нарастания и спада (при смене режимов) рассчитывается исходя из условия повышенных временных требований перехода, измеряемых в пс. Известны высокочастотные транзисторы, способные выполнить такие условия, например КТ919Г, 2015 г.
На фиг. 3 показан результат анализа автоматического встроенного анализатора Фурье гармонических искажений dB(Harmn), определяющего соответствующий уровень, измеряемый на нагрузке в дБ.
Таким образом, сымитирована работа цифрового усилителя мощности в условиях, ограниченных программой разработки. Модель подтверждает теоретические расчеты, показывающие возможность повышения линейности усиления за счет увеличения числа усилительных элементов до 200, что дает возможность выполнить необходимые требования по подавлению нелинейных искажений на гармониках до -70 дБ.