Полосовой усилитель мощности УВЧ- и СВЧ- диапазонов с автобалансировкой плеч выходного каскада с квадратурным сумматором
BAND-PASS POWER AMPLIFIER OF VHF AND SHF RANGES WITH AUTO-BALANCING OF ARMS OF THE OUTPUT STAGE WITH A QUADRATURE ADDER

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к технике радиосвязи, и может быть использовано в полосовых усилителях мощности ультракоротковолнового (УКВ) и сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазонов, где требуется обеспечить высокий коэффициент полезного действия (КПД), широкополосность и линейность характеристик выходного усилителя.
Известна структурная схема сумматора 1-го вида на основе мостовых устройств квадратурного типа (квадратурного моста) по сложению мощностей двух генераторов [1], имеющей вход, выход и состоящий из двух квадратурных мостов, соединенных между собой через СВЧ-усилители.
Теоретически СВЧ-усилители работают в одном режиме, то есть на входе второго квадратурного моста действуют одинаковые по амплитуде колебания. На практике, вследствие разброса параметров транзисторов, используемых в СВЧ-усилителях, неидеальности их согласования, изменения импеданса, как по входу, так и по выходу, режимы работы первого и второго СВЧ-усилителей не идентичны, что приводит к изменению выходных характеристик. Это означает, что при работе на полную мощность одно из плеч усиления оказывается перегруженным и работает с большими нелинейными искажениями, второе же плечо - недонагружено, что приводит к уменьшению выходной мощности (то есть снижению энергоэффективности) усилителя и, как следствие, уменьшению его КПД. Кроме того, при суммировании четных гармоник каждого плеча возникает дисбаланс плеч в виде явления противофаз, который приводит к увеличению уровня четных гармоник. Указанное обстоятельство вызывает еще большее снижение мощности и КПД поскольку часть мощности уходит в образующиеся гармонические составляющие и теряется при их устранении из спектра выходного сигнала путем применения высокоэффективных и, как следствие, дорогостоящих фильтров гармоник.
Целью изобретения является повышение КПД усилителя мощности УВЧ- и СВЧ-диапазонов с автобалансировкой плеч выходного каскада с квадратурным сумматором за счет стабилизации его тока потребления, когда мощность, отдаваемая источником питания усилителю, строго регламентирована.
Поставленная цель достигается тем, что в известный выходной каскад с квадратурным сумматором усилителя мощности УВЧ- и СВЧ-диапазонов, состоящий из первого квадратурного моста, имеющего первый входной порт, являющийся входом, второй входной порт, соединенный с балластной нагрузкой, первый выходной порт, соединенный с входом первого усилителя, второй выходной порт, соединенный с входом второго усилителя, второго квадратурного моста, имеющего первый входной порт, соединенный с выходом первого усилителя, второй входной порт, соединенный с выходом второго усилителя, первый выходной порт, соединенный с балластной нагрузкой, второй выходной порт, являющийся выходом, в который дополнительно введены блок управления, соединенный одним выходом с первым выходом первого квадратурного моста и входом в первый усилитель, другим выходом - со вторым выходом портом первого квадратурного моста и входом во второй усилитель, первый датчик тока на эффекте Холла и первый фильтр по питанию, находящиеся в цепи питания проходящего через первый усилитель, при этом выход первого датчика тока на эффекте Холла соединен с одним из входов блока управления, второй датчик тока на эффекте Холла и второй фильтр по питанию, находящиеся в цепи питания проходящего через второй усилитель, при этом выход второго датчика тока на эффекте Холла соединен с одним из входов блока управления.
Сущность изобретения поясняется рисунками. На фиг. 1 показана структурная схема полосового усилителя мощности УВЧ- и СВЧ-диапазонов с балансировкой плеч выходного каскада с квадратурным сумматором, на фиг. 2 приведена упрощенная принципиальная схема блока управления, на фиг. 3 приведен внешний вид макета усилителя, на фиг. 4 приведен график выходной мощности и КПД усилителя, на фиг. 5 приведен график уровня гармоник, на фиг. 6 приведен график выходной мощности и КПД в диапазоне 0,2-1,8 ГГц.
Полосовой усилитель мощности УВЧ- и СВЧ-диапазонов с автобалансировкой плеч выходного каскада с квадратурным сумматором состоит из первого квадратурного моста 1, второго квадратурного моста 2, первого усилителя 3, второго усилителя 4, первой балластной нагрузки 5, второй балластной нагрузки 6, первого фильтра по питанию 7, второго фильтра по питанию 8, первого датчика тока на эффекте Холла 9, второго датчика на эффекте Холла 10, блока управления 11, первой цепи питания 12, второй цепи питания 13, которые имеют между собой следующие связи.
1
4
3
3
2
4
Первый порт входа 1 первого квадратурного моста 1 является входом для передаваемого сигнала. Второй порт входа 1 первого квадратурного моста 1 соединен с первой балластной нагрузкой 5. Первый порт выхода 1 первого квадратурного моста 1 соединен с входом первого усилителя 3 и с выходом 11 блока управления 11. Второй порт выхода 1 первого квадратурного моста 1 соединен со входом второго усилителя 4 и с выходом 11 блока управления 11.
1
4
Выход первого усилителя 3 соединен с первым портом входа 2 второго квадратурного моста 2. Вход второго усилителя 4 соединен со вторым портом входа 2 второго квадратурного моста 2.
1
1
Через первый усилитель 3 проходит первая цепь питания, в которой находятся первый фильтр по питанию 7 и первый датчик тока на эффекте Холла 9, у которого выход 9 соединен с одним из входов 11 блока управления 11.
1
2
Через второй усилитель 4 проходит вторая цепь питания, в которой находятся второй фильтр по питанию 8 и второй датчик тока на эффекте Холла 10, у которого выход 10 соединен с одним из входов 11 блока управления 11.
3
2
Первый порт выхода 2 второго квадратурного моста 2 соединен со второй балластной нагрузкой 6. Второй порт выхода 2 второго квадратурного моста 2 является входом для подлежащего усилению сигнала.
Первый усилитель 3 и второй усилитель 4 могут работать как с сигналами УВЧ, так и с сигналами СВЧ.
1
3
2
Сигнал поступает на вход первого порта 1 первого квадратурного сумматора 1 и, пройдя через первый квадратурный сумматор 1, с выходного порта 1, поступает в первый усилитель 3, а с второго выходного порта 1 поступает во второй усилитель 4.
1
1
1
Первый усилитель 3 усиливает поступивший сигнал и передает его через первое входное плечо 2 во второй квадратурный сумматор 2. При этом первый усилитель 3 потребляет ток из первой цепи питания 12, в которой первый датчик тока на эффекте Холла 9 контролирует и передает через выход 9 на вход 11 блока управления 11 управляющий сигнал.
4
1
2
Второй усилитель 4 усиливает поступивший сигнал и передает его через второй входной порт 2 во второй квадратурный сумматор 2. При этом второй усилитель 4 потребляет ток из второй цепи питания 13, в которой второй датчик тока на эффекте Холла 10 контролирует и передает через выход 10 на вход 11 блока управления 11 управляющий сигнал.
Блок управления 11 состоит из дифференциального усилителя на транзисторах Q3 и Q5, истоки которых соединены и подключены к источнику тока, реализованному на транзисторе Q4. Транзисторы Q1 и Q2 определяют суммарный ток выходного каскада, а переменный резистор R5 задает общий ток потребления, который настраивается в первоначальный момент.
3
3
2
4
Управляющие сигналы от первого датчика на эффекте Холла 9 и второго датчика тока на эффекте Холла 10 подаются соответственно на транзисторы Q3 и Q5. Подаваемое напряжение с первого порта выхода 1 первого квадратурного моста 1 на вход 11 блока управления 11 и со второго порта выхода 1 первого квадратурного моста 1 на вход 11 блока управления 11 определяется током источника тока транзистора Q4:
,
а разность в токах потребления первого усилителя 3 и второго усилителя 4, регистрируемая датчиками тока на эффекте Холла 9 и 10, приводит к появлению пропорциональной разницы напряжений смещения, определяемых дифференциальным, каскадом, но с обратным знаком:
.
Выравнивая токи, блок управления 11 обеспечивает идентичность режимов работы первого усилителя 3 и второго усилителя 4, чем достигается равенство их выходных импедансов и, соответственно, реализуется оптимальное согласование со вторым квадратурным сумматором 2.
В случае отсутствия баланса, одно из плеч усилителя работает в перегруженном режиме, что приводит к ухудшению характеристики линейности этого плеча усилителя и снижению его КПД вследствие возникновения нежелательных гармонических составляющих и необходимости их фильтрации. Эти обстоятельства приводят к потере мощности усиливаемого сигнала на основной частоте. Как следствие общие показатели двухплечевого усилителя будут определяются худшими для каждого из плеч значениями.
Таким образом, усилитель мощности УВЧ- и СВЧ-диапазонов с автобалансировкой плеч усиления выходного каскада с квадратурным сумматором обладает более высоким КПД, характеризуется увеличенной полосой рабочих частот и повышенной линейностью по сравнению с усилителем мощности без применения автобалансировки плеч выходного каскада с квадратурным сумматором.
Полосовой усилитель мощности УВЧ- и СВЧ-диапазонов с автобалансировкой плеч выходного каскада с квадратурным сумматором реализован в макете усилителя с рабочим диапазоном частот 1,15-1,65 ГГц и номинальной мощностью не менее 45 Вт фиг. 3
Результаты измерения выходной мощности и оценки КПД макета усилителя приведены на фиг. 4. Из приведенных графиков видно, что КПД практически во всем рабочем диапазоне частот превышает 50%, что является очень высоким показателем для широкополосных усилителейL-диапазона.
Результаты определения относительного уровня второй и третьей гармоник приведены на фиг. 5. Можно видеть, что уровни второй и третьей гармоник во всем рабочем диапазоне частот не превышают минус 20 дБ, что говорит о хорошей линейности усилителя.
Данное техническое решение позволило существенно расширить рабочий диапазон усилителя. На фиг. 6 приведена зависимость измеренной выходной мощности и расчетного КПД макета усилителя, который использовался в диапазоне частот 0,2-1,8 ГГц.
Анализ графиков на фиг. 4-6 позволяет сделать вывод о том, что применение данного технического решения выходного каскада позволит существенно улучшить характеристики усилителей УВЧ- и СВЧ-диапазонов по ряду показателей, таких как КПД, линейность и широкополосность.
Применение автобалансировки плеч выходного каскада с квадратурным сумматором полосового усилителя мощности УВЧ- и СВЧ-диапазонов позволяет обеспечить работу обоих плеч усилителя в одинаковом режиме. При этом достигается равенство выходных импедансов обоих плеч усилителя и оптимальное согласование с выходным квадратурным сумматором, что позволяет сохранить заданные параметры линейности усилителя, а также повысить КПД в заданной полосе рабочих частот по сравнению с усилителем мощности без применения автобалансировки плеч выходного каскада с квадратурным сумматором.
Эффективность предложенного решения подтверждена результатами испытаний построенного на его базе макета усилителя.
Источник информации
1. http://www.techspirit.ru/spirens-170-1.html Дата посещения 04.06.2021.