Способ построения усилителя мощности СВЧ
ULTRA-HIGH FREQUENCY POWER AMPLIFIER DESIGN METHOD

Изобретение относится к радиотехнике и позволяет строить широкополосные радиопередатчики с пониженным уровнем интермодуляционных искажений и повышенной температурной стабильностью характеристик. Изобретение может быть эффективно использовано в малогабаритных, в том числе, носимых приемопередатчиках KB радиосвязи.
При построении радиопередатчиков KB-диапазона, использующих сигналы с однополосной модуляцией, усилитель мощности (далее УМ) должен обеспечить линейность амплитудной характеристики, удовлетворяющую действующим нормам.
Это требование дополняется еще и требованием обеспечения уровня гармоник несущих частот ниже предельно допустимых значений.
Степень нелинейности некоторого четырехполюсника принято оценивать создаваемыми этим четырехполюсником интермодуляционными продуктами при некоторых стандартных условиях измерений.
Стандартными условиями измерений интермодуляционных продуктов нелинейного устройства при заданной частоте считают такие условия [1], когда входной сигнал состоит из суммы двух одинаковых по амплитуде и близких по частоте двух синусоидальных сигналов с равными амплитудами. При этом пиковое значение суммы двух одинаковых входных сигналов должно быть равно амплитуде одного синусоидального входного сигнала, такой, при которой амплитуда выходного сигнала равна заданному пиковому значению сигнала на выходе устройства.
1
2
2
1
1
2
Если тестовые сигналы имеют близкие частоты ω и ω, то степень линейности нелинейного устройства принято оценивать по ослаблению в спектре выходного сигнала комбинационных продуктов (см. ниже) третьего порядка с частотами 2ω-ω, 2ω-ω.
Известно несколько подходов к построению УМ KB диапазона, выполняющих комплекс поставленных требований. В то же время при проектировании малогабаритной или даже носимой аппаратуры многие из известных методов оказываются трудно реализуемыми на практике.
Известен способ уменьшения интермодуляционных продуктов [2], при котором в СВЧ-усилителе на транзисторах низкочастотный корректирующий сигнал огибающей с выхода модулятора или с выхода детектора подается на вход транзистора через цепи, определяющие рабочую точку. Такой способ линеаризации может быть принят за прототип.
Недостатки предложенного в [2] способа повышения линейности СВЧ-усилителя:
1) повышенная сложность аппаратной реализации;
2) зависимость степени подавления интермодуляционных продуктов от следующих факторов:
- в широком диапазоне рабочих частот происходит изменение уровня гармоник в спектре выходного сигнала;
- в широком диапазоне частот происходит изменение усиления каскадов УМ;
- имеется нескольких частотно - зависимых механизмов образования интермодуляционных продуктов.
В результате достижение высокого подавления интермодуляционных продуктов 3, 5 и более высоких порядков, когда применяют введение в цепь, определяющую режим работы усилительного элемента, сигнал с частотами огибающей не реализуется на практике.
Кроме того, предложенная схема сложна в настройке компенсирующей цепи, работающей в диапазоне изменения частот и температур.
Задача предложенной схемы построения УМ KB диапазона - снижение интермодуляционных продуктов до уровня, оговоренного действующими нормативными документами.
Поставленная задача достигается тем, что используется способ построения передающего тракта KB передатчика, включающего многокаскадный усилитель мощности, на вход которого подают сигнал от возбудителя, выход которого через коммутируемые фильтры гармоник подсоединяют к антенному устройству, контроллер, на входы которого подают сигналы с синтезатора, с датчика температуры транзисторов выходного каскада, а с выходов которого поступают сигналы, управляющие включением соответствующего фильтра гармоник, согласно изобретению для снижения уровня интермодуляционных искажений в спектре выходного сигнала в диапазоне частот и температур на затворы или базы усилительных транзисторов подают заранее выбранные при настройке напряжения смещения, которые вырабатываются соответствующими ЦАП, причем уровень сигнала, поступающего с выходов ЦАП на затворы транзисторов усилительных каскадов, работающих в нелинейных режимах, выбирают контроллером для каждой частоты из записанной в запоминающее устройство матрицы, а записанная в запоминающее устройство информация для выбранной частоты выбирается из условий минимизации на этой частоте уровня комбинационных продуктов на выходе передатчика, причем в контроллере, в зависимости от информации, поступившей с датчика температуры, корректируют уровень напряжений с каждого из ЦАП таким образом, чтобы минимизировать интермодуляционные продукты на выходе передатчика в диапазоне температур.
Для решения поставленной задачи предлагается использовать структурную схему построения передающего тракта, приведенную на фиг. 1.
Предлагаемая структурная схема содержит возбудитель 1, с выхода которого сигнал подается на линеаризуемый УМ радиопередатчика 2, представляющий собой несколько последовательно включенных усилительных каскадов. Как правило, предоконечный и оконечный каскады строятся по двухтактной схеме с целью снижения уровня четных гармоник. Транзисторы предоконечного и оконечного каскадов в УМ работают в режиме большого сигнала. Широкополосные входные и выходные устройства таких каскадов, делители и сумматоры, как правило, выполняют на ферритовых сердечниках. Ферритовые сердечники в режиме большого сигнала также имеют частотно зависимую нелинейную характеристику индукции от напряженности магнитного поля, то есть от протекающего по обмотке устройства тока.
Более подробная структурная схема общепринятого построения усилителя мощности с подсоединенными к его выходу элементами передающего тракта приведена на фиг 2. Как следует из вышесказанного, все элементы 1...10 схемы на фиг. 2 в режиме большого сигнала являются нелинейными устройствами.
В добавление к этому, в связи с технологическими разбросами даже выполненные на однотипных транзисторах плечи балансных усилительных каскадов имеют отличающиеся передаточные характеристики, которые изменяются при изменении рабочей частоты.
Работу устройства, выполненного по предложенной структурной схеме фиг. 1, можно объяснить, проанализировав механизм образования в многокаскадном усилителе интермодуляционных продуктов.
iƒ_ВЫХ
iƒ_ВХ
iƒ_ВЫХ
jƒ
i_ВХ
jƒ
i_ВХ
iƒ_ВХ
Нелинейная амплитудная характеристика любого i-того из устройств на фиг. 2, входящих в многокаскадный УМ на фиг. 1, представляет собой на каждой частоте ƒ зависимость амплитуды выходного сигнала U(t) от амплитуды входного U(t) и описывается некоторой функцией U(t)=F[U(t)]. Функция F[U(t)] может быть полиномом степени m входного сигнала U(t). Тогда многочлен, описывающий нелинейную амплитудную характеристику некоторого i-того элемента схемы фиг. 2 на частоте ƒ запишется в виде:
Амплитудная характеристика идеального линейного усилителя должна иметь вид
Сравнивая (1) и (2), можем утверждать, что амплитудная характеристика нелинейного усилительного звена может быть представлена суммой
где
Именно слагаемые, входящие в правую часть выражения (4), образуют комбинационные продукты разных порядков.
Как пояснено выше, тестовый входной сигнал при оценке нелинейности любого i-го устройства схемы (фиг. 2) запишется:
iƒ_ВХ_0
Если обозначить через U значение входного сигнала на частоте ƒ для i-го узла схемы (фиг. 2), при котором выходной сигнал принимает номинальное пиковое значение, выражение (5) запишется:
Подставив теперь (6) в выражение (1), получим сумму тригонометрических выражений:
Каждое i-е из m слагаемых выражения (7) представляет собой бином Ньютона.
Известно [3], что выражение типа (7) может быть представлено слагаемыми, имеющими комбинационные частоты
1
2
k
Здесь n, n, …, n положительные или отрицательные целые числа, в том числе ноль,
1
2
k
ω, ω, …, ω - частоты, присутствующие на входе нелинейного элемента схемы.
КОМ
Порядком комбинационного продукта ω называют величину N, равную
Если на вход исследуемого элемента схемы (фиг. 2) подан бигармонический сигнал (5), то слагаемых в (8) всего 2. Порядок комбинационных частот может быть любым, но не большим степени т полинома вида (7).
При кубическом полиноме (7) и при двухчастотном входном сигнале в спектре нелинейного i-го элемента схемы на фиг. 2 будут частоты, приведенные в таблице 1.
Понятно, что при более высоких степенях полинома, аппроксимирующего нелинейную передаточную характеристику, количество комбинационных частот в спектре выходного сигнала и, соответственно, в таблице, подобной таблице 1, растет. Растет количество комбинационных частот одного порядка и при увеличении количества частот на входе нелинейного элемента.
Мы рассмотрели образование комбинационных частотных продуктов в каком-либо нелинейном элементе схемы, приведенной на фиг. 2.
Если имеется два последовательно включенных нелинейных элемента, а на входе первого из них бигармонический сигнал, то на входе второго, последовательно с первым включенного нелинейного элемента, действует уже не только два сигнала тестовых частот, но и комбинационные продукты, полученные после прохождения сигнала через первый нелинейный элемент схемы. Это продукты 1, 2, 3 и более высоких порядков (см. табл. 1).
На выходе второго нелинейного элемента в последовательной цепочке появятся свои комбинационные продукты. Их порядок может быть ниже, чем третий, а частоты при этом совпадать с комбинационной частотой третьего порядка на выходе первого нелинейного элемента.
1
2
1
2
1
2
1
2
Например, если у второго нелинейного элемента одновременно на входе присутствует частота 2ω и частота ω, то комбинационная составляющая второго порядка, образованная во втором нелинейном элементе, будет иметь частоту 2ω-ω. Эта частота равна комбинационной составляющей третьего порядка, образованной в первом нелинейном элементе. В то же время комбинационная составляющая с частотой 2ω-ω на входе второго нелинейного элемента даст на его выходе комбинационную составляющую первого порядка так же с частотой 2ω-ω.
1
2
1
2
Кроме того, частоты ω и ω на входе второго нелинейного элемента дадут на его выходе такую же частоту 2ω-ω, являющуюся для второго нелинейного элемента комбинационной составляющей 3 порядка.
1
2
Суммарная мощность комбинационного продукта с частотой 2ω-ω на выходе цепочки из двух нелинейных элементов образовывается от суммирования составляющих этой частоты, имеющих разные порядки и разный механизм образования. Результат сложения нескольких сигналов одной и той же частоты, но имеющих разный механизм их образования и разные комбинационные порядки, зависит от фазовых соотношений между ними и от того, каковы коэффициенты полиномов первого и второго последовательно включенных нелинейных элементов.
1
2
2
1
Если образовать цепочку последовательно включенных не 2, а большего числа нелинейных элементов, то количество механизмов образования комбинационных продуктов с частотами 2ω-ω, 2ω-ω, являющихся для первого нелинейного элемента комбинационными продуктами третьего порядка, будет расти. Амплитуды этих продуктов зависят от режима работы каждого из нелинейных элементов и того, как они образованы в цепочке.
Режимом работы для усилительных элементов назовем совокупность следующих параметров
- рабочая частота,
- напряжение питания,
- температура транзистора,
- напряжение смешения на затворе (базе) транзистора.
Будем изменять для каждой рабочей частоты несущей и каждой температуры выходных транзисторов передатчика смещение на затворах (базах) усилительных элементов. При этом изменяются коэффициенты полиномов (1), влияющие на уровни комбинационных продуктов при разных механизмах образования таких продуктов. Так как суммарная мощность комбинационного продукта на выходе усилителя зависит от множества коэффициентов полиномов, то варьируя смещениями, можно выбрать такой их набор, который обеспечит минимум интермодуляционных продуктов при заданной рабочей частоте и заданном напряжении питания.
Решение поставленной задачи - минимизация комбинационных продуктов на выходе УМ KB передатчика, реализуется в схеме, приведенной на фиг. 1.
В состав передатчика входят:
- многокаскадный усилитель мощности 2 с предварительным усилителем 2-1, двухтактным предоконечным усилителем мощности 2-2 и двухтактным оконечным усилителем мощности 2-3;
- коммутируемые фильтры гармоник 3;
- синтезатор 1, с одного из выходов которого сигнал подается на вход многокаскадного усилителя мощности 2, а со второго выхода код частоты поступает на контроллер 6.
С выхода усилителя мощности 2 сигнал поступает на один из коммутируемых фильтров гармоник 3 и затем на антенное устройство 4. Команда на включение соответствующего фильтра гармоник поступает от контроллера 6.
На входы контроллера 6 поступают:
- код рабочей частоты с синтезатора 1;
- код температуры корпуса выходного транзистора с датчика температуры 8;
- коды напряжений смещения транзисторов из устройства памяти 7.
Контроллер 6 обрабатывает поступающие с входов данные и выдает на цифроаналоговые преобразователи 5 коды напряжений смещения, такие, при которых минимизируются комбинационные продукты на выходе передатчика. Одновременно с контроллера 6 подаются команды на фильтры гармоник 4, которыми подключается нужный из них.
При настройке передатчика на множестве рабочих частот устанавливаются такие величины напряжений смещения усилительных транзисторов, при которых минимизируются интермодуляционные продукты, поступающие в антенное устройство.
Частоты и значения смещений, при которых минимизируются комбинационные продукты, в процессе настройки передатчика записываются в устройство памяти 7, образуя матрицу «частота - набор напряжений смещения».
В силу причин, описанных выше, подбор напряжений смещения усилительных транзисторов оконечного и предоконечного каскада минимизирует комбинационные частотные составляющие в выходном спектре усилителя.
Наличие датчика температуры позволяет вводить поправки в напряжения смещения, зависящие от температуры корпуса выходных транзисторов.
Экспериментально достигнуто снижение уровня комбинационных продуктов на выходе усилителя мощности KB диапазона на 3...8 дБ.
Источники информации
1. ГОСТ 22579-86 Патент RU 2487464, классификация по МПК H03F, опубл. 10.12. 2012 г, п. 3 патентной формулы.
2. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высшая школа, 2-е издание. - 446 с. раздел 11.4, стр. 288, 289.