Широкополосный усилитель мощности по схеме Догерти
BROADBAND POWER AMPLIFIER ACCORDING TO DOHERTY CIRCUIT

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в цифровых передатчиках телевидения, радиовещания, сотовой связи.
В настоящее время, беспроводные системы передачи информации в подавляющем большинстве используют цифровые схемы модуляции несущей, которые, как правило, характеризуется высоким отношением пиковой мощности к среднему значению. Линейное усиление таких сигналов с высокой энергетической эффективностью является сложной технической задачей. Решение этой проблемы, предложенное Догерти в 1936 году для линейного усиления амплитудно-модулированных сигналов, и в настоящее время является одним из лучших при построении усилителей мощности цифровых радиопередатчиков.
вх
Известен усилитель мощности по схеме Догерти [1]. Отличительной чертой усилителя является наличие, как минимум, двух каналов усиления: основного, работающего в линейном режиме, таком, как класс В (АВ) и пикового канала усиления, работающего, как правило, в нелинейном режиме класса С. Входной сигнал в усилителе Догерти делится между основным и пиковым каналами усиления неравнозначно с фазовым сдвигом, обеспечивающим его квадратурность (90°±n⋅π), а усиленные сигналы объединяются суммирующим устройством с сохранением квадратурности. В этом случае оба усилителя в динамическом диапазоне усиливаемого сигнала имеют оптимальные, с токи зрения передачи мощности, нагрузочные сопротивления. Инвертор сопротивления, 90° фазосдвигающий элемент сумматора, модулирует (изменяет) загрузку активного элемента основного канала усиления в зависимости от величины тока поставляемого в общую нагрузку пиковым усилителем. На низких уровнях мощности пиковый усилитель не работает, а, начиная с заданного уровня, например 0,5Р, основной усилитель входит в насыщение, а пиковый переходит в линейный режим. При максимальном входном сигнале пиковый канал должен обеспечивать усиление с минимальной компрессией. Этот способ дает возможность эффективно решать проблему линейного усиления сложных амплитудно-модулированных сигналов с высокими энергетическими характеристиками. Принцип работы двухканального усилителя Догерти с высокой энергетической эффективностью показан на графике фиг. 2, а на графиках фиг. 3 показаны эпюры напряжений амплитудно-модулированного сигнала: на выходе основного усилителя - фиг. 3 а), на выходе пикового усилителя - фиг. 3 б), на общей нагрузке - фиг. 3 в). Недостатком такого усилителя является узкий диапазон рабочих частот составляющий, как правило, (2-3)% от рабочей частоты. Он обусловлен частотной зависимостью квадратурного фазосдвигающего элемента сумматора.
Известен широкополосный усилитель мощности по схеме Догерти [2]. Сложение мощностей основного и пикового усилителей осуществляется на низком волновом сопротивлении. Обеспечивается максимальная широкополосность инвертора нагрузки (90° фазовращателя) в выходном сумматоре. Выходная цепь основного усилителя конфигурирована таким образом, чтобы обеспечивалась работа в режиме усиления малых и средних по уровню сигналов. Инвертор импеданса осуществляет преобразование и модуляцию нагрузки, под воздействием пикового усилителя. Основной усилитель, инвертор импеданса, пиковый усилитель подключены к нагрузке через широкополосный трансформатор. Широкополосный трансформатор создает требуемый импеданс основному усилителю, по крайней мере, в 25% полосе пропускания радиочастоты усилителя. Недостатком такого широкополосного усилителя мощности по схеме Догерти является малый коэффициент полезного действия и высокая неравномерность амплитудно-частотной характеристики в рабочей полосе частот. Это обусловлено отрицательным влиянием гармоник на работу инвертора импеданса.
Известны способы увеличения широкополосности квадратурных фазовращателей, изложенные в [3, 4].
*
Наиболее близким к заявляемому устройству по максимальному числу существенных признаков является широкополосный усилитель мощности по схеме Догерти [5]. В изобретении представлена система усилителей, включающая основной усилитель, конфигурированный для работы в режиме усиления малых и средних сигналов, и пиковый усилитель, работающей в режиме высокой мощности. Устройство преобразования импеданса представляет собой неуравновешенный трансформатор в режиме малой мощности и симметричный трансформатор в режиме высокой мощности. Широкополосность усилителя достигается за счет применения в качестве сумматора Догерти трансформатора сопротивлений, выполненного на линиях с сильной электромагнитной связью Ze>20Zo. (Ze - волновое сопротивление линии для синфазных составляющих сигнала; Zo - волновое сопротивление линии для противофазных составляющих сигнала). Недостатком такого усилителя мощности по схеме Догерти является, как и в усилителе [2], невысокий коэффициент полезного действия в широкой полосе частот, обусловленный наличием гармоник в сигналах суммируемых усилителей. Кроме того, предлагаемое конструктивное исполнение трансформатора, обладает высокой индуктивностью рассеяния, что, в конечном счете, отрицательно влияет на линейность, равномерность амплитудно-частотной характеристики и коэффициент полезного действия (КПД) усилителя.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое решение: повышение коэффициента полезного действия в широкой полосе частот на высоком уровне мощности при сохранении линейности усилительного тракта.
Широкополосный усилитель мощности по схеме Догерти, содержащий основной усилитель, пиковый усилитель, а также согласующие цепи основного и пикового усилителей и симметрирующий трансформатор, выход которого соединен с нагрузкой отличающийся тем, что введены направленный ответвитель и реактивные цепи по числу входов ответвителя, направленный ответвитель выполнен в виде гибкой полосковой линии с сильной электромагнитной связью (Ze>>Zo) и неравными длинами проводников в области электромагнитной связи, при этом короткий проводник имеет электромагнитную связь между входами ответвителя по внешней стороне проводника, а длинный проводник не имеет упомянутой связи, и, кроме того каждая реактивная цепь состоит из последовательного соединения микрополосковой линии и конденсатора, при этом усилители выполнены двухтактными, их выходы соединены с одноименными входами согласующих цепей, которые выполнены симметричными и на средней частоте рабочего диапазона обеспечивают фазовый сдвиг 90°, причем выходы согласующей цепи основного усилителя непосредственно подключены ко входам направленного ответвителя и симметрирующего трансформатора, выходы пикового усилителя через другую согласующую цепь подключены к противоположным входам направленного ответвителя, а реактивные цепи включены между одноименными входами направленного ответвителя и корпусом.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, показанными на фиг. 1÷16.
На фиг. 1 представлена структурная схема заявляемого широкополосного усилителя мощности по схеме Догерти.
На фиг. 2 показан «Принцип повышения энергетической эффективности двухканального усилителя Догерти».
На фиг. 3 показаны «Эпюры напряжений амплитудно-модулированного сигнала: на выходе основного усилителя - а), на выходе пикового усилителя - б), на общей нагрузке - в)».
На фиг. 4 приведена «Эквивалентная схема выходной цепи усилителя для режима "малых" и "средних" сигналов».
На фиг. 5 приведена «Эквивалентная схема выходной цепи усилителя для режима большого сигнала».
На фиг. 6 показан «Вариант исполнения широкополосного фазовращателя на основе гибкой полосковой линии».
На фиг. 7 приведена «Фазочастотная характеристика направленного ответвителя на основе гибкой полосковой линии»
На фиг. 8 показано «Входное сопротивление сумматора Догерти по входу основного канала усиления».
На фиг. 9 показана «Развязка между основным и пиковым усилителями в режиме малого и среднего сигналов».
На фиг. 10 приведен «Коэффициент передачи мощности основного усилителя в нагрузку».
На фиг. 11 показано «Входное сопротивление сумматора Догерти по входу пикового канала».
На фиг. 12 показана «Развязка между пиковым и основным усилителями в режиме большого сигнала»
На фиг. 13 приведен «Коэффициент передачи мощности пикового усилителя в нагрузку».
На фиг. 14 приведена фотография макета широкополосного усилителя мощности по схеме Догерти.
На фиг. 15 показан снимок тепловизора макета усилителя мощности, работающего в номинальном режиме на 54 ТВ канале.
На фиг. 16 приведена таблица энергетических и качественных характеристик макета усилителя мощности.
На чертеже фиг. 1 представлена структурная схема широкополосного усилителя мощности по схеме Догерти.
Широкополосный усилитель мощности по схеме Догерти содержит основной усилитель 1, пиковый усилитель 2, неравнозначный делитель входного сигнала 3 с входными согласующими цепями 4, 5, а также сумматор Догерти 6, состоящий из направленного ответвителя 7, согласующих цепей основного и пикового усилителей 8, 9, которые содержат полосковые линии 10, 11 с подключенным между ними конденсаторами 12, 13, реактивных цепей 14, 15, 16, 17, состоящих из последовательного соединения микрополосковых линий 18, 19, 20, 21 и конденсаторов 22, 23, 24, 25 и широкополосного симметрирующего трансформатора 26, выход которого соединен с нагрузкой. Направленный ответвитель 7 выполнен в виде гибкой полосковой линии с сильной электромагнитной связью (Ze>>Zo) и неравными длинами проводников в области электромагнитной связи, при этом короткий проводник имеет электромагнитную связь между входами ответвителя по внешней стороне проводника, а длинный проводник не имеет упомянутой связи. Усилители 1, 2 выполнены двухтактными, их выходы соединены с одноименными входами согласующих цепей 8, 9, которые на средней частоте рабочего диапазона обеспечивают фазовый сдвиг 90°. Причем выходы согласующей цепи 8 основного усилителя подключены ко входам направленного ответвителя 7 и симметрирующего трансформатора 26, а выходы согласующей цепи 9 пикового усилителя 2 подключены к противоположным входам направленного ответвителя 7. Реактивные цепи 14, 15, 16, 17 включены между одноименными входами направленного ответвителя и корпусом.
Усилитель работает следующим образом. На общий вход усилителя подается высокочастотный сигнал с динамично изменяющейся амплитудой, характеризующийся высоким отношением пиковой мощности к среднему значению. Входной сигнал в усилителе делится между основным и пиковым усилителями неравнозначно с фазовым сдвигом, обеспечивающим его квадратурность. На низких и средних уровнях мощности основной усилитель работает как линейный усилитель класса «В». В рабочем диапазоне частот, за счет соответствующей реализации суммирующей цепи, он работает на активную нагрузку и имеет хорошую развязку с пиковым усилителем. Практически вся мощность основного усилителя поступает в нагрузку. С ростом уровня входного сигнала основной усилитель входит в насыщение, а пиковый выходит в активный режим. Как и в классической схеме усилителя Догерти, переход установлен на уровне мощности 6 дБ, что соответствует половине пикового входного напряжения. В зависимости от структуры усиливаемого сигнала диапазон может быть выбран иным. Для сигнала DVB Т-2 наиболее оптимальным, с токи зрения реализации энергетических характеристик и линейности усилителя, является уровень (7-8) дБ.
Для пояснения сути изобретения рассмотрим эквивалентные схемы усилителя для режима «малых» и «средних» сигналов и для режима большого сигнала. Как уже отмечалось, предлагаемый усилитель Догерти состоит из двух каналов усиления: основного и пикового. При проектировании усилителя, использующего перенапряженный режим в основном канале усиления, необходимо учесть, что выходное сопротивление транзисторов, работающих в недонапряженном режиме значительно больше оптимальной нагрузки, а в перенапряженном режиме - значительно меньше. При работе усилителя транзисторы основного канала из режима генераторов тока переходят в режим генераторов напряжения. На фиг. 4 приведена эквивалентная схема выходной цепи усилителя Догерти для режима "малых" и "средних" сигналов, а на фиг. 5 эквивалентная схема выходной цепи для режима большого сигнала. При усилении гармонического сигнала с отсечкой тока форма импульсов стокового тока транзисторов в недонапряженном режиме представляет собой отрезки косинусоиды, а при переходе из активной области в область насыщения (из недонапряженного в перенапряженный режим) форма импульсов зависит не только от формы напряжения возбуждения, но и от характера нагрузки. В резонансном усилителе форма напряжения на выходных электродах транзистора остается гармонической при любой форме тока. Но в режиме насыщения в импульсе тока формируется провал косинусоидальной формы, отрицательно влияющий на энергетические характеристики усилителя. Если резонансная частота нагрузочной цепи не совпадает с рабочей частотой усилителя, то провал импульса тока смещается относительно основного импульса. В усилителе с широкополосной (апериодической) нагрузкой форма тока повторяет форму напряжения с поворотом на 180°, характерным для схемы включения транзисторов общий исток. Используя кусочно-линейную аппроксимацию вольтамперной характеристики транзисторов, можно показать, что апериодическая нагрузка в стоковой цепи основного канала дает существенный выигрыш в энергетической эффективности усилителя [6, 7] Усеченный сверху и снизу импульс тока насыщения можно представить как разность импульсов усеченных снизу. Если в недонапряженном режиме ток транзистора определяется выражением (1) и представляет собой импульсы косинусоидальной формы с амплитудой Im и шириной 2θ, то в режиме насыщения при апериодической нагрузке ток определяется выражением (2), а при резонансной - выражением (3).
где θо - верхний угол отсечки косинусоиды;
θп - угол отсечки косинусоидальной впадины.
Известно [8], что КПД усилителя по выходной цепи определяется выражением:
где ξ - коэффициент использования питающего напряжения;
γ - коэффициент формы импульса тока, под которым понимают отношение амплитуды первой гармоники к постоянной составляющей.
Анализируя выражения (2), (3) видим, что с увеличением входного сигнала (в режиме насыщения) КПД усилителя с апериодической нагрузкой будет стремиться к значению  а с частотно-зависимой нагрузкой будет уменьшаться за счет влияния амплитудного провала в импульсах тока. При усилении сигналов с высоким пик-фактором частотно-зависимая нагрузка создает определенные трудности в реализации эффективных усилителей Догерти. Основной канал усилителя Догерти входит в глубокое насыщение, и в импульсах тока транзисторов наблюдаются значительные амплитудные провалы. Известный способ оптимизации нагрузок усилителей основного и пикового каналов достигался введением дополнительных линий 2, 3, 4, 5 [9], импедансы которых определялись относительно номинальных уровней мощности, а линии являлись инверторами нагрузки. Однако таким техническим решением невозможно создать оптимальные импедансы для первой, второй и третьей гармоник одновременно. Следовательно, из-за влияния гармоник между основным и пиковым усилителями, максимальная мощность, эффективность и приемлемая линейность в этой структуре не достигались. Аналогично и в усилителе-прототипе потенциально достижимый КПД падает с ростом пик-фактора усиливаемого сигнала. В заявляемом усилителе синтез широкополосного сумматора Догерти (6) осуществлен с учетом оптимального согласования нагрузки, как на основной частоте, так и на второй и третей гармониках. Создан нулевой импеданс для второй гармоники (двухтактное включение транзисторов в усилителях), и высокий для третьей (включение реактивных цепей 14, 15. 16. 17). За счет поворота фазы третей гармоники пикового усилителя и широкополосной трансформации нагрузки трансформатором (26) в усилителе основного канала произведено уплощение косинусоидального импульса тока транзисторов.
Оценку эффективности предлагаемых решений выполняли на компьютере методом электромагнитного моделирования объемной структуры сумматора Догерти (6). Задавались, для определенности, средней частотой рабочего диапазона равной 600 МГц (дециметровый телевизионный диапазон). Направленный ответвитель, в виде гибкой полосковой линии с сильной электромагнитной связью и неравными длинами проводников в области связи, использовался в качестве широкополосного 90° фазовращателя. Он может быть выполнен на основе линии, проводники которой не имеют механической связи с диэлектриком и иметь форму спиральной катушки или полукольца, как, например, показано на фиг. 6. На фиг. 7 приведена его фазочастотная характеристика, полученная методом электромагнитного моделирования. Анализ усилителя в режиме «малых» и «средних» сигналов выполняли в соответствии со схемой фиг. 4, а в режиме большого сигнала соответствии со схемой фиг. 5. с учетом влияния второй и третей гармоник. На фиг. 8…фиг. 13 приведены графики основных характеристик сумматора Догерти (6), полученные в результате анализа.
На низких и средних уровнях мощности основной усилитель работает на активную нагрузку (фиг. 8) как линейный усилитель класса «В» и в рабочем диапазоне частот и имеет хорошую развязку с пиковым каналом (фиг. 9). Практически вся мощность основного усилителя поступает в нагрузку (фиг. 10).
Пиковый усилитель, на большом уровне мощности, в рабочем диапазоне частот так же работает на активную нагрузку (фиг. 11) и хорошо развязан с основным усилителем (фиг. 12). Следует обратить внимание на широкополосные свойства тракта передачи мощности пикового канала (фиг. 13), которые и определяют диапазон работы и энергетическую эффективность усилителя в целом.
Был разработан и изготовлен макет широкополосного усилителя мощности по схеме Догерти. Фотография макета показана на фиг. 14. Макет усилителя в стандарте DVB Т-2 (пик-фактор сигнала 10-12 дБ) в полосе частот дециметрового диапазона обеспечивал уровень средней эффективной мощности 170 Вт с КПД по стоковой цепи (40-52)% и линейностью MER>35,5 дБ. Характеристики макетного образца показаны на фиг. 16. На фиг. 15 приведена фотография макета усилителя, работающего в номинальном режиме, выполненная тепловизором. По выделяемым в элементах усилителя тепловой мощности, эквивалентной токам высокой частоты, можно зрительно проследить за работой сумматора Догерти. Чтобы подчеркнуть эффективность решения, полезно вспомнить КПД «идеального» усилителя мощности в классе «В». При усилении гармонического сигнала с постоянной амплитудой и максимальной выходной мощности он составляет 78.5%, тогда как при усилении OFDM (DVB Т-2) сигнала с пик-фактором (10-12) дБ только 20-25%. Усилитель-прототип, в силу своей структуры и конструктивной реализации сумматора Догерти, такими характеристиками не обладает.
Литература.
1. Doherty, W.H. (1936). A New High Efficiency Power Amplifier for Modulated Waves, Proceedings of Institute of Radio Engineers, pp. 1163-1182, September 1936.
2. Richard Wilson, Morgan Hill, WIDEBAND DOHERTY AMPLIFIER CIRCUIT. US 8,193,857 B1.
3. В.M. Schiffman, "A New Class of Broad-Band Microwave 90-Degree Phase Shifter," IRE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT-6, Apr. 1958, pp. 232-237.
4. Лондон С.E., Томашевич С.В. Справочник по высокочастотным трансформаторным устройствам. - М.: Радио и связь, 1984. - 216 с. Стр. 80
5. Chong Mei, Jamesville, WIDEBAND DOHERTY AMPLIFIER NETWORK. US 8,896,373 B2.
6. Дашенков В.M. Исследование нелинейных преобразований сигналов Мн: БГУИР. 2000. - 27 с. Стр. 7-11
7. Генераторы с внешним возбуждением и автогенераторы диапазона высоких частот. Дворников А.А., Коптев Г.И., Панина Т.А. / Под ред. Г.М. Уткина. - М.: Изд-во МЭИ, 1990 - 80 с.
8. Радиопередающие устройства. Под ред. Г.А. Зейтленка. М., «Связь», 1969; 542 стр. Стр. 33
9. Chong Mei, Jamesville, DOHERTY POWER AMPLIFIER NETWORK US 20130093534.