Радиопередающее устройство

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована в системах радиосвязи, работающих преимущественно в коротковолновом диапазоне.
Известно устройство автоматической стабилизации мощности (авт.св. №1136306, опубл. 23.01.1985 г)., используемое в радиопередающих устройствах и обеспечивающее уменьшение мощности, рассеиваемой транзисторами выходного усилителя мощности (ВУМ) в переходном режиме. Повышение КПД усилителя мощности в данном устройстве обеспечивается за счет введения управляемого источника питания и элементов, осуществляющих автоматически такую регулировку, при которой усилитель мощности при изменении импеданса нагрузки переходит в оптимальный режим. Подстройка под импеданс нагрузки производится за счет применения антенного согласующего блока.
Недостатком применения данного антенного согласующего блока в радиопередающих устройствах является длительное время настройки вследствие наличия механических элементов коммутации, которые также снижают надежность устройства. К тому же построение антенных согласующих блоков для больших мощностей весьма проблематично в связи с необходимостью применения реактивных элементов с большими габаритами, способных работать при большой мощности.
Известен также широкополосный радиопередатчик (РФ №94025336, опубл. 27.05.1996 г.). В данном устройстве высокочастотный сигнал с выхода возбудителя подается на вход широкополосного усилителя мощности, затем усиленный сигнал с выхода усилителя мощности поступает на вход октавного фильтра, соответствующего частоте ВЧ-сигнала. С выхода октавного фильтра сигнал поступает на регулируемую линию задержки, электрическая длина которой изменяется, обеспечивая тем самым разность фаз падающей и отраженной волн на выходе мощности, что приводит к увеличению выходной мощности и КПД. С выхода линии задержки сигнал подается на вход настроенного согласующего устройства и далее поступает на его выход.
Недостатком данного решения является то, что реализация регулируемой линии задержки требует применения механических элементов коммутации, которые снижают надежность устройства. Еще одним недостатком является необходимость подбора электрической длины линии задержки при первичной настройке изделия на частоту из рабочего диапазона для текущей нагрузки, что увеличивает время подготовки изделия к работе.
Наиболее близким по своей технической сущности аналогом (прототипом) к заявляемому устройству является известное радиопередающее устройство с автоматической адаптацией к нагрузке (патент РФ №2271605, опубл. 10.03.2006 г.), которое содержит возбудитель, регулируемый и выходной каскады, источник питания в виде силового импульсного модуля, управляемого от широтно-импульсного контроллера, и источник опорного напряжения, а также первый и второй дифференциальные усилители, первый и второй перемножители, датчик амплитуды входного сигнала, датчик тока потребления выходного каскада и датчик пикового напряжения выходного каскада. В данном устройстве увеличение выходной мощности и промышленного КПД достигается благодаря использованию импульсного источника питания с падающей регулировочной характеристикой, обеспечивающего постоянство отдаваемой в нагрузку мощности, а также благодаря поддержанию напряжения возбуждения выходного каскада на уровне, обеспечивающем его работу в критическом (оптимальном) режиме.
Данное решение позволяет при работе на рассогласованную нагрузку поддерживать уровень возбуждения транзисторов выходного каскада на оптимальном уровне, обеспечивающим максимальное КПД при отсутствии амплитудной модуляции (например, при фазовой или частотной модуляции), когда амплитуда сигнала постоянна. При наличии амплитудной модуляции данное устройство должно поддерживать напряжение питания транзисторов выходного каскада, обеспечивающее работу при пиках амплитуды сигнала. При снижении амплитуды полезного сигнала вследствие наличия амплитудной модуляции происходит снижение амплитуды сигнала на коллекторе транзисторов при неизменном напряжении питания, что приводит к уменьшению КПД радиопередающего устройства. Таким образом, недостатком данного устройства является снижение КПД для амплитудно-модулированных сигналов вследствие выхода напряжения возбуждения выходного каскада из критического (оптимального) режима в соответствии с огибающей сигнала.
В связи с указанными выше обстоятельствами потребовалось решение технической проблемы, заключающейся в обеспечении увеличения КПД радиопередающего устройства, работающего с амплитудно-модулированными сигналами на рассогласованную нагрузку.
Технический результат, достигаемый использованием настоящей полезной модели, заключается в увеличении КПД радиопередающего устройства, работающего на рассогласованную нагрузку с амплитудно-модулированными сигналами.
Указанный технический результат при использовании заявляемого устройства достигается тем, что в известное радиопередающее устройство, содержащее возбудитель, регулируемый и выходной каскады, датчик амплитуды входного сигнала, управляемый источник питания, перемножитель, первый и второй дифференциальные усилители, источник опорного напряжения, дополнительно введены датчик остаточного напряжения, датчик пиковой мощности и второй источник опорного напряжения.
Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявляемом устройстве обеспечивается увеличение КПД радиопередающего устройства, работающего на рассогласованную нагрузку с амплитудно-модулированными сигналами, т.е. достигается сформулированный технический результат.
Заявляемое устройство поясняется фиг. 1, на которой показана общая структурная схема устройства.
Радиопередающее устройство, показанное на фиг. 1, состоит из возбудителя (1), выход которого подключен к входу датчика амплитуды входного сигнала (2) и входу регулируемого каскада (3) и через последовательно соединенные регулируемый каскад (3), выходной каскад (8), датчик пиковой мощности (11) к нагрузке. Измерительный выход датчика пиковой мощности (11) подключен к первому входу второго дифференциального усилителя (10), второй вход которого подключен к выходу второго источника опорного напряжения (12), а выход второго дифференциального усилителя подключен к перемножителю (6). Второй вход перемножителя (6) подключен к выходу датчика амплитуды входного сигнала (2), а выход перемножителя (6) через управляемый источник питания (7) подключен к выходному каскаду (8), при этом выходной каскад (8) через датчик остаточного напряжения (9) подключен к первому входу первого дифференциального усилителя (4), к второму входу которого подключен первый источник опорного напряжения (5), а выход первого дифференциального усилителя подключен к регулируемому каскаду (3).
Возбудитель (1) предназначен для формирования высокочастотного информационного сигнала и может быть реализован на базе цифрового формирователя сигнала.
В качестве датчика амплитуды входного сигнала (2), предназначенного для выделения низкочастотной огибающей (тренда) из высокочастотного сигнала, может быть использован амплитудный детектор.
Регулируемый каскад (3), обеспечивающий изменение коэффициента усиления пропорционально управляющему сигналу, представляет собой усилитель мощности с управляемым коэффициентом усиления.
Первый и второй дифференциальные усилители (4), (10) могут быть реализованы на базе операционного усилителя, в виде устройств с двумя входами. При этом выходной сигнал первого дифференциального усилителя равен разности входных напряжений между первым источником опорного напряжения и датчиком остаточного напряжения, а выходной сигнал второго дифференциального усилителя равен разности входных напряжений между первым источником опорного напряжения и датчиком пиковой мощности.
В качестве первого и второго источников опорного напряжения (5), (12) может быть использован высокостабильный регулируемый генератор напряжения. При этом уровень напряжения первого источника опорного напряжения пропорционален уровню остаточного напряжения транзисторов выходного каскада, а уровень напряжения второго источника опорного напряжения пропорционален мощности, передаваемой в нагрузку.
Перемножитель (6) представляет собой устройство с двумя входами, выходной сигнал которого равен произведению напряжения низкочастотной огибающей и выходного напряжения второго дифференциального усилителя, и может быть реализован на базе специальной микросхемы.
Управляемый источник питания (7) обеспечивает питанием выходной каскад, с напряжением, пропорциональным входному сигналу, и может быть реализован на базе управляемого контроллера широтно-импульсной модуляции и силового модуля.
Выходной каскад (8), усиливающий высокочастотный информационный сигнал до заданной мощности, может быть выполнен на мощных транзисторах.
В качестве датчика остаточного напряжения (9), который предназначен для измерения уровня остаточного напряжения транзисторов выходного каскада, может быть использован амплитудный детектор минимального уровня сигнала.
Датчик пиковой мощности (11) предназначен для измерения пиковой мощности, поступающей в нагрузку, и может быть реализован на базе направленного ответвителя.
Заявляемое устройство работает следующим образом:
С возбудителя (1) амплитудно-модулированный информационный сигнал поступает на вход датчика амплитуды входного сигнала (2) и на вход регулируемого каскада (3). Коэффициент усиления регулируемого каскада (3) изменяется пропорционально выходному сигналу первого дифференциального усилителя (4), определяемого разностью напряжений между первым источником опорного напряжения (5) и датчиком остаточного напряжения (9). Напряжение возбуждения выходного каскада (8) поддерживается в оптимальном режиме, обеспечивающем максимально возможный КПД для усилителя класса «АВ», с помощью датчика остаточного напряжения (9). Напряжение от датчика остаточного напряжения (9) поступает на прямой вход первого дифференциального усилителя (4), изменяя пропорционально уровень возбуждения через регулируемый каскад (3). Например, при увеличении напряжения питания или при уменьшении сопротивления нагрузки остаточное напряжение на транзисторах выходного каскада (8) увеличивается и для поддержания оптимального режима работы транзисторов выходного каскада (8) необходимо увеличить возбуждение. Большее напряжение поступает на прямой вход первого дифференциального усилителя (4), увеличивая напряжение возбуждения и уменьшая остаточное напряжение до установления равновесия, задаваемого первым источником опорного напряжения (5).
Уровень мощности, поступающей в нагрузку, измеряется с помощью датчика пиковой мощности (11), напряжение с измерительного выхода которого пропорционально проходящей пиковой мощности. Напряжение поступает на инвертирующий вход второго дифференциального усилителя (10), прямой вход которого подключен к второму источнику опорного напряжения (12). При увеличении выходной мощности уменьшается напряжение на выходе второго дифференциального усилителя (10), и наоборот. Сигнал с выхода второго дифференциального усилителя (10) поступает на первый вход перемножителя (6). На выходе перемножителя (6) формируется сигнал, задающий напряжение управляемого источника питания (7). Таким образом, при увеличении выходной мощности выше заданной, происходит понижение напряжения питания выходного каскада (8) и наоборот, до установления равновесия, задаваемогом вторым источником опорного напряжения (12).
После изменения напряжения питания происходит подстройка уровня возбуждения транзисторов выходного каскада (8) до установления оптимального режима работы, обеспечивающего максимальный КПД. Таким образом, осуществляется стабилизация уровня мощности и поддержание высокого КПД при работе устройства на реальную нагрузку, отличающуюся от согласованной.
При наличии огибающей в информационном сигнале КПД устройства будет снижаться из-за периодического выхода уровня возбуждения из оптимального режима, выходной каскад (8) будет достигать максимума КПД только на пиках амплитуды сигнала. Для повышения КПД при работе с амплитудно-модулированными сигналами дополнительно из информационного сигнала с помощью датчика амплитуды входного сигнала (2) выделяется низкочастотная огибающая, поступающая второй вход перемножителя (6) и обеспечивающая пропорциональное изменение напряжения питания выходного каскада (8) с помощью управляемого источника питания (7). Таким образом, напряжение питания повторяет огибающую информационного сигнала, обеспечивая оптимальный режим транзисторов выходного каскада (8) при наличии амплитудной модуляции сигнала.
Данное решения позволяет обеспечивать максимально возможный КПД транзисторов выходного каскада (8), работающих в классе «АВ» при наличии амплитудной модуляции информационного сигнала.