ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ БАЛАНСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
HIGH-FREQUENCY BALANCED AMPLIFIER

Настоящее изобретение относится к области связи и предназначено для построения входного усилительного каскада для коммутации телевизионной антенны с телевизионным приемником или цифровой телевизионной приставкой.
Известен ряд балансных усилителей, описанных в книге «Радиопередающие устройства» под ред. Благовещенского М.В. и Уткина Г.М. Изд. "Радио и связь", М., 1982, с. 109, 116. Общим для известных усилителей является наличие квадратурного моста в качестве делителя и сумматора мощности и идентичных усилительных каскадов, каждый из которых включен между соответствующими выходами делителя мощности и входом сумматора мощности.
В подобных усилителях, называемых также мостовыми, осуществляется деление мощности входного сигнала как минимум на два канала, усиление в каждом канале усилительным каскадом и сложение мощности в общей нагрузке при необходимой развязке между каналами.
Обычно балансные усилители применяются в случаях, когда необходимо получить более мощный сигнал на выходе усилительного каскада, чем может дать примененный активный элемент в усилителе, что достигается путем сложения в усилителе мощности двух сигналов в одинаковой фазе.
Наличие на входе усилительных каскадов делителя мощности в виде квадратурного моста приводит к потере мощности и увеличению коэффициента шума, что приводит к необходимости использования дополнительных малошумящих усилителей перед балансными усилителями в случае использования несимметричных подводящих линий.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является балансный усилитель СВЧ (2079966 RU), содержащий делитель и сумматор мощности, выполненные каждый в виде квадратурного моста - восьмиполюсника, и два идентичных усилителя мощности, входы которых присоединены к первому и второму выходам делителя, а выходы соответственно к первому и второму входам сумматора. Первым выходом сумматора является тот его выход, коэффициент передачи к которому от первого входа делителя, являющегося входом балансного усилителя СВЧ, близок по модулю к коэффициенту передачи каждого из усилителей мощности. Вторым выходом сумматора является выход балансного усилителя СВЧ. Между первым выходом сумматора и вторым входом делителя включен полосовой фильтр, при этом каждый усилитель мощности согласован как со стороны своего входа, так и со стороны своего выхода в пределах полосы пропускания полосового фильтра.
Также как и описанном выше балансном усилителе на входе имеется делитель мощности, что сказывается на потере мощности и увеличении коэффициента шума. Следствием этого является необходимость использования дополнительных схемных элементов, предназначенных для снижения коэффициента шума балансными усилителями, что приводит к усложнению и удорожанию усилителя.
В основу изобретения положена задача создания высокочастотного балансного усилителя, в котором за счет заявленного схемного построения достигается заданный коэффициент усиления при минимальном коэффициенте шума.
Поставленная задача решается тем, что в высокочастотном балансном усилителе, включающем первый и второй параллельные каналы усиления, входы которых служат входами высокочастотного балансного усилителя, и соединенный с выходами первого и второго каналов усиления блок суммирования, выход которого предназначен для подключения несимметричной нагрузки, согласно изобретению, каждый канал усиления выполнен на двух последовательно соединенных транзисторах, при этом первые транзисторы первого и второго каналов усиления согласованы по шумам, а вторые транзисторы выполнены с возможностью дополнительного усиления сигналов, причем между эмиттерами вторых транзисторов подключен корректирующий конденсатор, выполненный с возможностью обеспечения заданного фазового баланса сигналов в параллельных каналах усиления, а блок суммирования представляет собой согласующий синхфазный трансформатор, выполненный с возможностью согласования симметричных выходов высокочастотного балансного усилителя с несимметричной нагрузкой.
Техническим результатом настоящего изобретение является достижение заданного коэффициента усиления при минимальном коэффициенте шума.
Обеспечение названного выше технического результата реализуется простым схемным решением функции фазового баланса сигналов в параллельных каналах усиления и согласования симметричных выходов высокочастотного балансного усилителя с несимметричной нагрузкой, что позволяет получить недорогое и функциональное изделие. При такой схеме включения происходит улучшение результирующего коэффициента шума усилителя, т.к. на входе усилителя отсутствует пассивный делитель.
Улучшению коэффициента шума способствует использование заявленного балансного усилителя для усиления сигналов от антенного вибратора, при котором осуществляется непосредственное подключение входов усилителя к антенному вибратору. При этом возможно минимизировать длину проводников между антенным вибратором и входами усилителей.
Целесообразно, с точки зрения схемного решения, чтобы в каждом канале усиления к базе первого транзистора подключена первая обкладка первого конденсатора, вторая обкладка которого служит входом канала усиления и к ней подключена первая индуктивность, между базой и коллектором первого транзистора подключен первый резистор, к коллектору первого транзистора через второй конденсатор подключена база второго транзистора, к коллектору которого подключена одна обкладка третьего конденсатора, вторая обкладка которого служит выходом канала усиления, между базой и коллектором второго транзистора включен второй резистор и параллельно ему подключена цепочка из четвертого конденсатора и третьего резистора, к эмиттеру второго транзистора подключены четвертый резистор и цепочка из пятого резистора и пятого конденсатора, коллектор первого транзистора соединен с коллектором второго транзистора через шестой резистор и вторую индуктивность.
Описанная выше элементная база высокочастотного балансного усилителя известна, однако за счет описанного выше схемного построения обеспечивается снижение коэффициента шума и повышение коэффициента усиления.
В дальнейшем изобретение поясняется конкретным вариантом его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:
Фиг.1 изображает функциональную схему высокочастотного балансного усилителя, согласно изобретению;
Фиг.2 - электрическую схему высокочастотного балансного усилителя, представленного на фиг.1, согласно изобретению.
Высокочастотный балансный усилитель, блок-схема которого представлена на фиг.1, содержит параллельные идентичные первый и второй каналы I и II усиления, каждый из которых выполнен на двух транзисторах 1-1 и 1-2, 2-1 и 2-2, последовательно соединенных между собой.
Требования к идентичности усилителей имеет принципиально важное значение и является необходимым условием корректной работы усилителя, т.к. благодаря этому достигается максимальный КПД при суммировании сигналов каналов I и II усиления.
Входы каналов I и II усиления служат входами 3, 4 высокочастотного балансного усилителя, соответственно. Симметричные входы 3, 4 предназначены для подключения к симметричному вибратору антенны или другому принимающему устройству.
Отличительной особенностью заявленного высокочастотного балансного усилителя является то, что транзисторы 1-1 и 2-1 первого и второго каналов I и II усиления согласованы по шумам и являются определяющими в коэффициенте шума. Согласование транзисторов 1-1 и 2-1 по шумам в результате приводит к уменьшению коэффициента шума. В связи с тем, что между вибратором и усилителем отсутствуют дополнительные цепи, а, значит, отсутствуют потери, следствием чего является снижение коэффициента шума в описываемом усилителе по сравнению с известными усилителями такого же назначения.
Вторые транзисторы 1-2 и 2-2 в каждом канале I и II усиления выполнены с возможностью дополнительного усиления сигналов, сформированных первыми транзисторами 1-1 и 2-1 в каждом канале I и II усиления.
Для корректировки АЧХ и обеспечения оптимального фазового баланса сигналов в параллельных каналах I и II усиления высокочастотный балансный усилитель содержит корректирующий конденсатор 5, подключенный между эмиттерами транзисторов 1-2 и 2-2. Путем подбора характеристик корректирующего конденсатора 5 обеспечивается оптимальный фазовый баланс сигналов в параллельных каналах I и II, т.е. достигается наибольшая линейность АЧХ усилителя.
К выходам 6, 7 каналов I и II усиления подключен блок суммирования, который представляет собой согласующий синфазный трансформатор 8, выполненный с возможностью согласования симметричных выходов 6, 7 с несимметричной нагрузкой, подключаемой к выходу 9 согласующего трансформатора 8.
На фиг.2 представлена электрическая схема патентуемого усилителя, выполненная в соответствии с блок-схемой на фиг.1. Как было сказано выше, первый и второй каналы I и II усиления выполнены идентичными, поэтому рассмотрим построение одного из, например, канал I, в состав которого входят первый и второй транзисторы 1-1 и 1-2. Для удобства идентичным элементам электрической схемы, входящим в состав каналов I и II усиления, будут присвоены одинаковые номера с индексами 1 и 2, соответственно.
1
1
К базе первого транзистора 1-1 подключена первая обкладка первого конденсатора 101, вторая обкладка которого служит входом 3 канала I усиления и к ней подключена первая индуктивность 11, которая осуществляет частичное подавление низкочастотных сигналов. Кроме того, индуктивность 11 служит для защиты от статического электричества транзистора 1-1 и частично формирует АЧХ усилителя.
1
1
1
Между базой и коллектором первого транзистора 1-1 подключен первый резистор 12, который задает режим по постоянному току и минимальный коэффициент шума транзистора 1-1. К коллектору первого транзистора 1-1 через второй конденсатор 13 подключена база второго транзистора 1-2, к коллектору которого подключена одна обкладка третьего конденсатора 14, вторая обкладка которого служит выходом 6 канала I усиления.
1
1
1
1
1
1
1
1
Между базой и коллектором второго транзистора 1-2 включен второй резистор 15 и параллельно ему цепочка из четвертого конденсатора 16 и третьего резистора 17. К эмиттеру второго транзистора 1-2 подключены четвертый резистор 18 и параллельно ему цепочка из пятого резистора 19 и пятого конденсатора 20. Резисторы 15 и 18 задают режим транзистора 1-2 по постоянному току.
1
1
1
1
1
1
1
1
Коллектор первого транзистора 1-1 соединен с коллектором второго транзистора 1-2 через шестой резистор 21 и вторую индуктивность 22. При этом резистор 21 обеспечивает режим по постоянному току транзистора 1-1 в канале усиления I. Индуктивность 22 осуществляет сепарацию ВЧ сигнала и постоянного напряжения питания, которое подается через кабель снижения (не показан). Конденсатор 16 и резистор 17, а также резистор 19 и конденсатор 20 задают режим транзистора 1-2 по переменному току и формируют АЧХ усилителя.
1
1
1
1
К коллекторам транзисторов 1-1 и 1-2 подключены конденсаторы 23, 24, 25, 26, и диод 27, служащие для фильтрации цепей питания от ВЧ колебаний. В цепочке между конденсаторами 25, 26 и одним выходом согласующего трансформатора 8 включена индуктивность 28, служащая для сепарации постоянного напряжения питания, подающегося по кабелю от ВЧ сигнала, который подается в кабель снижения.
Источник питания высокочастотного балансного усилителя расположен на противоположном конце кабеля снижения в непосредственной близости от потребителя сигнала. Такая схема подачи питания на усилитель позволяет не проводить специальную электрическую линию постоянного или переменного напряжения к приемной антенне.
Второй канал II усиления выполнен идентично каналу I, поэтому для удобства на фиг.2 использована такая же нумерация элементов электрической схемы, сопровождаемая индексом 2.
Рассмотрим принципиальное функционирование высокочастотного балансного усилителя в соответствии с фиг.1. Как было сказано выше, в основе заявленного усилителя лежит балансная схема усиления сигнала. Эта схема характеризуется наличием двух каналов I, II усиления, которые работают независимо друг от друга, но которые абсолютно идентичны с точки зрения набега фаз ВЧ сигнала. Это основное требование, т.к. только при таком условии возможно достижение максимального КПД при сложении мощностей усиленных сигналов. Для сложения ВЧ сигналов применяется пассивный согласующий синфазный ВЧ трансформатор 8, т.к. входной сигнал поступает на входы 3, 4 каналов I, II усиления в противофазе, при этом согласующий трансформатор 8 должен иметь обмотки со сдвигом фаз 180°.
Аналогичные балансные усилители мощности обычно имеют такой же трансформатор на входе, который делит входной сигнал на два канала. В данном случае входной делитель не требуется, т.к. источником сигнала является петлевой вибратор антенны, клеммы которого непосредственно подключены к входам 3, 4 каналов I, II усиления, входящих в состав заявленного балансного усилителя. При такой схеме включения происходит улучшение результирующего коэффициента шума усилителя, т.к. на входе усилителя отсутствует пассивный делитель, который обычно ухудшает коэффициент шума минимум на 3 дБ. Так же улучшению коэффициента шума способствует непосредственное подключение входов 3, 4 усилителя к антенному вибратору, так как этим достигаются минимальные длины проводников между антенным вибратором и входами усилителей.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
1
2
2
1
2
Рассмотрим более подробно работу патентуемого балансного усилителя. Входной ВЧ сигнал через входы 3, 4 поступает в противофазе на базы первых транзисторов 1-1 и 2-1. Конденсаторы 10 и 10 разделяют сигналы, индуктивности 11 и 11 частично формируют АЧХ и одновременно защищают усилитель от статического электричества. Транзисторы 1-1 и 1-2 включены по схеме с общим эмиттером в режиме согласования по шумам, что обеспечивается установлением режима по постоянному току с помощью резисторов 12 и 12, а так же резисторами 21 и 21. Конденсаторы 23, 24, 23, 24 обеспечивают фильтрацию цепей питания от ВЧ сигналов. Далее через разделительные конденсаторы 13 и 13 сигналы поступают на вторые каскады усилителей, собранные на транзисторах 1-2 и 2-2.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Конденсаторы 16 и 16, резисторы 17 и 17 обеспечивают режим транзисторов по переменному току. Резисторы 15 и 15 обеспечивают режим транзисторов по постоянному току. Дроссели 22 и 22 являются нагрузками каскадов усиления. Резисторы 18 и 18, 19 и 19, а так же конденсаторы 20 и 20 стоят в цепи обратной связи транзисторов 1-2 и 2-2. Конденсатор 5 служит для корректировки АЧХ усилителя и выравнивания фаз сигнала на транзисторах 1-2 и 2-2. Далее через разделительные конденсаторы 14 и 14 сигналы поступают на суммирующий трансформатор 8, после которого несимметричный ВЧ сигнал поступает на выходы 9 и 9. Дроссель 28 обеспечивает подачу напряжения питания от выходов в цепи питания усилителя. Конденсатор 26 обеспечивает фильтрацию цепей питания от ВЧ сигналов. Диод 27 обеспечивает защиту цепей питания от импульсных помех отрицательной полярности.
Применение данной схемы построения усилителя в сочетании с антенной по сравнению с обычными малошумящими усилителями предпочтительно, т.к. в данной схеме включения нет необходимости точного согласования антенны и усилителя и использования цепей согласования, при которых неизбежно появляются потери сигнала, что в свою очередь приводит к увеличению коэффициента шума. Обычно малошумящие антенные усилители телевизионного диапазона имеют коэффициент шума 3.5-5 дБ. В свою очередь, заявленный усилитель, построенный по балансной схеме с симметричным входом, имеет коэффициент шума, близкий к коэффициенту шума активного элемента первого каскада, равному в описываемом варианте ~1.2 дБ.