Усилитель радиочастоты для цифрового радиовещания в системе "NAVDAT"

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована в автоматизированных радиопередающих модулях усиления мощности, работающих в системе «NAVDAT».
Система «NAVDAT» предназначена для цифрового радиовещания информации, касающейся безопасности и охраны на море в направлении берег-судно. В данной системе радиовещания для передачи информации используются сигналы с мультиплексированием и ортогональным частотным разделением (OFDM) с полосой 10 кГц, которые модулированы по амплитуде и имеют высокий пик-фактор. Так, согласно рекомендациям МСЭ-R M.2058-0 (02/2014) и МСЭ-R M.2010-1 (01/2019) усилителю радиочастоты необходимо работать с мощностью в пике сигнала на 7 - 10 дБ больше средней. При этом для обеспечения корректного коэффициента ошибок модуляции (MER) усилитель радиочастоты должен обеспечивать низкий уровень интермодуляционных искажений. К примеру, согласно рекомендациям МСЭ-R M.2010-1 (01/2019) коэффициент подавления интермодуляции третьего порядка передатчика должен быть не менее 40 дБн.
Известно, что наименьшим уровнем интермодуляционных искажений обладают усилители, работающие в режиме класса А, а в двухтактных схемах - в режиме класса В (АВ). Однако эти режимы работы характеризуются сильной зависимостью коэффициента полезного действия (КПД) от уровня входного сигнала. При передаче амплитудно-модулированных сигналов такие усилители обладают низким КПД, который, как правило, не превышает 30 %.
С целью повышения КПД Вильямом Догерти (William Doherty) была предложена схема динамического изменения нагрузки двух складываемых усилителей - первый усилитель возбуждался как линейный усилитель класса В (АВ), а второй усилитель, нелинейный, класса С, который своим выходным сигналом модулировал импеданс, на который нагружен первый усилитель через инвертирующую импеданс четвертьволновую линию. Этот принцип позволял поднимать КПД усилителей до 45%.
Известен широкополосный усилитель мощности радиопередающего устройства, содержащий усилитель радиосигнала, который содержит оконечные каскады усиления с датчиками тока загрузки каждого генераторного элемента. Причем в каждом каскаде усиления использованы широкополосные трансформаторы на длинных линиях, для каждого генераторного элемента каскада усиления установлен отдельный регулируемый источник напряжения смещения и датчики температуры каждого генераторного элемента (патент RU № 203913 U1, H03F 1/02 (2021.02)). По совокупности признаков, данный усилитель принят за ближайший аналог.
Использование в каскадах усиления широкополосных трансформаторов на длинных линиях не позволяет использовать принцип сложения мощностей по Догерти. И поэтому, при передаче амплитудно-модулированных сигналов с высоким пик-фактором, усилитель-прототип не обеспечивает высокие показатели КПД с сохранением низкого уровня интермодуляционных искажений.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в обеспечении высоких показателей КПД при усилении сигналов с мультиплексированием и ортогональным частотным разделением (OFDM), имеющих высокий пик-фактор, которые применяются в системе «NAVDAT» для передачи информации о навигационной безопасности, с сохранением низкого уровня интермодуляционных искажений.
Указанный технический результат достигается тем, что усилитель радиочастоты содержит каскад предварительного усиления, устройство сложения и фильтрации, измеритель коэффициента бегущей волны и мощности, каскады выходных усилителей, управляемый аттенюатор и блок управления. При этом каждый каскад выходного усилителя содержит по два усилителя - первый усилитель класса АВ настроен на работу в линейном режиме, а второй усилитель класса С настроен на работу в нелинейном режиме. Второй усилитель класса С своим выходным сигналом модулирует импеданс, на который нагружен первый усилитель через инвертирующую импеданс четвертьволновую линию. Входной сигнал делится между усилителями с фазовым сдвигом, равным девяносто градусов. В этом случае, оба усилителя в динамическом диапазоне усиливаемого сигнала имеют оптимальные, с токи зрения передачи мощности, нагрузочные сопротивления. На низких уровнях мощности усилитель класса С не работает, а усилитель класса АВ работает в линейном режиме. На высоких уровнях мощности усилитель класса АВ входит в насыщение, а усилитель класса С переходит в линейный режим. Этот способ обеспечивает низкие значения нелинейных искажений с сохранением высоких показателей КПД при усилении сигналов с высоким пик-фактором.
Также для каждого генераторного элемента в предварительном каскаде усиления и в каскадах выходных усилителей установлены отдельные регулируемые источники смещения и отдельные датчики рабочего режима, которые включают в себя датчики температуры и датчики токов генераторных элементов. Блок управления, считывая показания датчиков рабочего режима, управляет регулируемыми источниками смещения, и, тем самым, в зависимости от технологического разброса параметров генераторных элементов и параметров окружающей среды, обеспечивает настройку усилителей класса АВ в линейный режим, а усилителей класса С в нелинейный режим.
Полезная модель усилителя радиочастоты иллюстрируется структурной схемой на Фиг. 1.
Согласно Фиг. 1, усилитель радиочастоты содержит каскад предварительного усиления 1, включающий в себя регулируемый источник смещения 12 и датчик рабочего режима 13, устройство сложения и фильтрации 2, измеритель коэффициента бегущей волны и мощности 3, каскады выходных усилителей 4, которые состоят из делителей мощности 5, усилителей класса АВ 6, усилителей класса С 7, согласующих трансформаторов 8, четвертьволновых линий 9, регулируемых источников смещений 12 и датчиков рабочего режима 13. Также усилитель мощности содержит управляемый аттенюатор 10 и блок управления 11. При этом первый вход управляемого аттенюатора 10 является входом усилителя радиочастоты, а выход управляемого аттенюатора 10 соединен со входом каскада предварительного усиления 1, выходы которого соединены со входами каскадов выходных усилителей 4. Входами каскадов выходных усилителей 4 являются входы делителей мощности 5, первые выходы которых соединены со входами усилителей класса АВ 6, работающих в линейном режиме, а вторые выходы делителей мощности 5 соединены со входами усилителей класса С 7, работающих в нелинейном режиме. Разность фаз сигнала на первых и вторых выходах делителей мощности 5 составляет девяносто градусов. Выходы усилителей класса С 7 соединены со входами согласующих трансформаторов 8 и выходами четвертьволновых линий 9, входы которых соединены с выходами усилителей класса АВ 6. Выходы согласующих трансформаторов 8 являются выходами каскадов выходных усилителей 4, которые соединены со входами устройства сложения и фильтрации 2, выход которого соединен со входом измерителя коэффициента бегущей волны и мощности 3, первый выход которого является выходом усилителя радиочастоты. Второй выход измерителя коэффициента бегущей волны и мощности 3 соединен с соответствующим входом блока управления 11, выходы которого соединены со входами управляемых источников смещений 12 и со вторым входом управляемого аттенюатора 10. Также с соответствующими входами блока управления 11 соединены выходы датчиков рабочего режима 13, которые включают в себя датчики температуры и датчики токов генераторных элементов. При этом в предварительном каскаде усиления 1 и в каскадах выходных усилителей 4 напряжения смещения регулируется на каждый генераторный элемент отдельно, и на каждый генераторный элемент установлен отдельный датчик рабочего режима 13.
Устройство сложения и фильтрации 2 предназначено для сложения мощностей каскадов выходных усилителей 4 и для подавления высших гармонических составляющих выходного сигнала усилителя радиочастоты.
Управляемый аттенюатор 10 предназначен для регулирования уровня радиосигнала, поступающего на вход каскада предварительного усиления 1.
Блок управления 11 представляет собой управляющую микро-ЭВМ, выполненную на основе контроллера. Он предназначен для проведения анализа сигналов с датчиков рабочего режима 13 и от измерителя коэффициента бегущей волны и мощности 3 в целях управления регулируемыми источниками смещения 12 и управляемым аттенюатором 10.
Таким образом, в усилителе радиочастоты обеспечивается автоматическая настройка и удержание режимов работы усилителей, необходимых для реализации принципа сложения мощностей по Догерти. Это обеспечивает высокие показатели КПД при усилении сигналов с мультиплексированием и ортогональным частотным разделением (OFDM), имеющих высокий пик-фактор, которые применяются в системе «NAVDAT» для передачи информации о навигационной безопасности, с сохранением низкого уровня интермодуляционных искажений.
Усилитель радиочастоты работает следующим образом.
В момент включения усилителя радиочастоты блок управления 11 считывает показания датчиков рабочего режима 13 и вырабатывает управляющие напряжения для регулируемых источников смещений 12. Регулируемые источники смещений 12 под воздействием управляющих напряжений меняют напряжения смещений на каскаде предварительного усиления 1 и на усилителях класса АВ 6 до выхода их на работу в линейном режиме. Одновременно, блок управления 11 меняет напряжения смещений на усилителях класса С 7 до выхода их на работу в нелинейном режиме (класс С).
В процессе работы на излучение, блок управления 11 непрерывно контролирует показания датчиков рабочего режима 13, измерителя коэффициента бегущей волны и мощности 3 и вычисляет выходную мощность, температуры и токи генераторных элементов. В зависимости от вычисленных значений, блок управления 11 изменяет параметры управляемого аттенюатора 10 для поддержания требуемого уровня выходной мощности и удержания генераторных элементов в области безопасной работы. Одновременно, блок управления 11 управляет регулируемыми источниками смещений 12 для поддержания рабочих режимов усилительных каскадов.
Таким образом, за счет разветвленной системы контроля и управления, блок управления 11 обеспечивает автоматическое управление процессом работы усилителя радиочастоты в целом.