Аналоговый предыскажающий линеаризатор для усилителя мощности
ANALOGUE PRE-DISTORTION LINEARIZER FOR POWER AMPLIFIER

Изобретение относится к области линеаризующих устройств и может быть использовано в составе усилителей мощности бортовой и наземной аппаратуры.
При усилении радиочастотного сигнала в усилителе мощности (УМ) на его выходе возникают нелинейные искажения, вызванные амплитудной (АМ/АМ) компрессией и амплитудно-фазовой (АМ/ФМ) конверсией нелинейного элемента. Данные искажения ухудшают качество передаваемой информации в рабочей полосе частот и нарушают требования электромагнитной совместимости за её пределами. Для коррекции нелинейных искажений, возникающих в УМ, в настоящее время используют различные системы линеаризации, наиболее эффективными из которых являются системы предыскажающей линеаризации.
Из уровня техники известен линеаризатор, применяемый для повышения линейности характеристик радиочастотного усилителя мощности (патент на изобретение US 5999047). Схема линеаризатора построена по мостовой схеме с делением на две ветви: линейную, состоящую из фазовращателя и фиксированной задержки, и нелинейную, включающая себя генератор искажений и аттенюатор. Выход схемы линеаризатора соединен с усилителем и аттенюатором. Схема управления принимает команды управления включения, отключения и формирует двухуровневый сигнал телеметрии, состояние которого показывает режим работы. Схема управления регулирует параметры линеаризатора и устанавливает коэффициент усиления выходного усилителя и затухание выходного аттенюатора. Весь линеаризатор может быть реализован на подложке, например, из поликора. Линеаризатор может использоваться с твердотельными усилителями мощности и усилителями на лампах бегущей волны, которые работают в диапазонах частот S, C, X, Ku, Ka, Q, V, W или в любой другой желаемой полосе частот.
Недостатком известного линеаризатора является более высокий уровень интермодуляционных искажений третьего, пятого и более высоких порядков относительно предлагаемого технического решения.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является линейный усилитель мощности, который состоит из последовательно соединенных входного двигателя, фазовращателя, фазорасщепителя, первого усилителя, выходного сумматора, второго усилителя, идентичного первому и включенного между вторым выходом фазорасщепителя и вторым входом выходного сумматора, между вторым выходом входного делителя и вторым входом фазорасщепителя включенного ограничителя (патент на изобретение РФ №2099855).
Однако, данное техническое решение предполагает использование двух идентичных усилителей мощности, что не приемлемо с точки зрения экономических и массо-габаритных показателей и требует высокой точности идентичности параметров.
Задачей заявляемого технического решения является уменьшение величины продуктов интермодуляционных искажений третьего, пятого и более высоких порядков, возникающих в усилителе мощности.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, является повышение линейности усилителя мощности, улучшающее качество передачи информации в рабочей полосе частот и выполнение жестких требований электромагнитной совместимости (ЭМС) за её пределами.
Структурная схема предлагаемого аналогового предыскажающего линеаризатора представлена на рисунке 1, в состав которого входят:
– сумматор-разветвитель 1 и 2;
– управляемый аттенюатор 3;
– управляемый фазовращатель 4;
– фильтр нижних частот 5;
– линейный усилитель 6;
– нелинейный блок 7;
– гибридное кольцо 8.
Входной высокочастотный сигнал поступает на вход сумматора-разветвителя 1 первый выход которого соединен со входом управляемого аттенюатора 3, выход аттенюатора 3 соединен со входом фазовращателя 4, выход которого соединен с первым входом сумматора-разветвителя 2. Второй выход сумматора-разветвителя 1 соединен с первым портом 8.1 гибридного кольца 8, второй порт 8.2 гибридного кольца 8 соединен со входом фильтра нижних частот 5, третий порт 8.3 гибридного кольца 8 соединен со входом нелинейного блока 7, четвертый порт 8.4 гибридного кольца 8 соединен со вторым входом сумматора-разветвителя 2, при этом выход сумматора-разветвителя 2 соединен со входом линейногоусилителя 6. Высокочастотный сигнал с выхода линейного усилителя 6 поступает на вход усилителя мощности, компенсируя нелинейные искажения усилителя мощности.
Сущность изобретения поясняется следующим.
0
1
0
2
0
0
0
0
1
Л
Л
0
Л
Л
АТТ
Л
ФВ
ФВ
2
2
НЛ
ФНЧ
НБ
ФНЧ
ФНЧ
0
ФНЧ
ФНЧ
ФНЧ
НБ
НБ
0
НБ
НБ
НБ
НБ
НБ
t
Входной высокочастотный сигнал u(t) = U(t)·cos(ωt + φ(t)) поступающий на вход устройства разделяется в сумматоре-разветвителе на два сигнала равной мощности u(t) = U(t)/2·cos(ωt + φ(t)) иu(t) = U(t)/2·cos(ωt + φ(t)), где ω = 2πf, а f– частота несущего колебания, φ() – начальная фаза, U(t) – амплитуда сигнала. Сигнал u(t) проходит через линейную ветвь устройства предыскажения, состоящую из управляемых аттенюатора 3 и фазовращателя 4, таким образом на первый вход сумматора разветвителя поступает сигнал u(t) = U(t)·cos(ωt + φ(t)), где U(t) = k·U(t)/2 – амплитуда на выходе линейной ветви, φ(t) = φ(t) + φ(t) – фаза на выходе линейной ветви, учитывающая задержку в нелинейной ветви, φ(t) – фазовый набег фазовращателя. Сигнал u(t) проходит через нелинейную ветвь устройства предыскажения, состоящую из гибридного кольца 8, к порту 8.2 которого подключен фильтр нижних частот 5, а к порту 8.3 нелинейный блок 7, представляющий собой антипараллельное включение двух диодов Шоттки. При прохождении нелинейной ветви сигнал u(t) искажается, за счет нелинейности диодов, и поступает на второй вход сумматора-разветвителя в виде u(t) = u(t) + u(t), где u(t) = U(t)·cos(ωt) - сигнал отраженный от порта 8.2 гибридного кольца 8, где U(t) = k·U(t)/4 – амплитуда отраженного сигнала от фильтра нижних частот 5, k – модуль коэффициента передачи фильтра нижних частот 5, а u(t) = U(t)·cos(ωt + φ(t)) - сигнал отраженный от порта 8.3 гибридного кольца 8, где U(t) = k(U)·U(t)/4 – амплитуда сигнала отраженного от нелинейного блока 7, k(U) – модуль коэффициента передачи нелинейного блока 7, φ(t)) – фазовый набег нелинейного блока 7.
Л
НЛ
ЛИН
ЛИН
0
ЛИН
ЛИН
ЛИН
При сложении в сумматоре-разветвителе сигналов u(t) и u(t) на выходе мы получим предыскаженный сигнал u(t) = U(t)·cos(ωt + φ(t)), где U(t) – амплитуда на выходе аналогового предыскажающего линеаризатора, φ(t) – суммарный фазовый набег аналогового предыскажающего линеаризатора, нелинейные искажения которого противофазны искажениям, возникающим в усилителе мощности, а фазовый набег противоположен по знаку. Следовательно, на выходе УМ снизится суммарный уровень нелинейных искажений.
Функционирование предлагаемого аналогового предыскажающего линеаризатора поясняется ниже на примере формирования и усиления мощности двухчастотного сигнала.
Например, на вход предлагаемого аналогового предыскажающего линеаризатора поступает сигнал вида:
<maths num="1"><img file="00000001.jpg" he="7" wi="54" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>,
(1)
1,2
1,2
1,2
0
где ω = 2πf, а f– частота первого и второго тона сигнала,U – амплитуда сигнала.
Далее сигнал разделяется в сумматоре-разветвителе на два сигнала равной мощности:
<maths num="2"><img file="00000002.jpg" he="7" wi="46" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>.
(2)
СР1
Сигнал u(t) прошедший через линейную ветвь ослабляется в управляемом аттенюаторе 3 и добавляется фазовый набег, учитывающий задержку в нелинейной ветви для правильного сложения сигналов в сумматоре-разветвителе 2. Таким образом, на выходе линейной ветви получается сигнал, описываемый выражением:
<maths num="3"><img file="00000003.jpg" he="13" wi="101" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>,
(3)
АТТ
ФВ
где k – коэффициент ослабления аттенюатора, φ – фазовый набег фазовращателя.
Для простоты нелинейный блок 7, подключенный к порту 8.3 гибридного кольца 8, можно аппроксимировать выражением:
<maths num="4"><img file="00000004.jpg" he="8" wi="69" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>,
(4)
1
3
5
где b, b, b> 0 – коэффициенты аппроксимации нелинейной характеристики диодов Шоттки.
СР2
В гибридном кольце 8 сигнал u(t), поступающий на порт 8.1, разделяется на два сигнала равной мощности, одна часть которого практически полностью гасится в фильтре нижних частот 5, подключенного к порту 8.2, а другая часть отражается от нелинейного блока 7, подключенного к порту 8.3, и на выходе порта 8.4 происходит сложение отраженных сигналов, результат которого описывается выражением:
<maths num="5"><img file="00000005.jpg" he="62" wi="148" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
, (5)
ФНЧ
НБ
где k – модуль коэффициента передачи фильтра нижних частот 5, φ(U) – фазовый набег нелинейного блока 7.
В выражении (5) опущены составляющие третьей и пятой гармоники, так как они не попадают в рабочую полосу УМ, поэтому ими можно пренебречь.
После сложения сигналов линейной и нелинейно ветви в сумматоре-разветвителе 2 сигнал усиливается линейным усилителем 6. Таким образом, сигнал на выходе аналогового предыскажающего линеаризатора описывается выражением:
<maths num="6"><img file="00000006.jpg" he="55" wi="128" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
, (6)
УМ
где k – коэффициент усиления линейного усилителя 6.
Если аппроксимировать передаточную характеристику активного элемента усилителя мощности полиномом вида:
<maths num="7"><img file="00000007.jpg" he="8" wi="70" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>,
(7)
1
3
5
где а> 0, а, а< 0 – коэффициенты аппроксимации АМ-АМ компрессии усилителя мощности, и пропустить через него сигнал описываемый выражением (6), то в спектре сигнала на выходе усилителя мощности в полосе усиления возникают интермодуляционные составляющие третьего и пятого порядка на частотах , , , , которые компенсируются составляющими на тех же частотах, представленных в выражении (6), прошедшими через линейную часть характеристики (7), за счет синфазного сложения в противофазе. Компенсация АМ/ФМ конверсии усилителя мощности происходит за счет того, что фазовая характеристика нелинейного блока 7 противоположна по знаку и при сложении двух этих фазовых набегов результирующий фазовый набег сигнала на выходе усилителя мощности  будет стремиться к нулю.
ФВ
АТТ
ЛУ
ф
ф
см
Таким образом, подбором параметров аналогового предыскажающего линеаризатора (φ, k, k, R, С, Е) достигается уменьшение уровня продуктов интермодуляционных искажений третьего, пятого порядка и более высоких порядков, возникающих на выходе усилителя мощности.
При формировании и усилении полосового сигнала процессы взаимодействия будут идентичны описанным выше.
Оптимальные значения параметров сопротивления и емкости фильтра нижних частот 5, напряжения смещения диодов, коэффициента затухания управляемого аттенюатора 3, фазового набега фазовращателя 4, и коэффициента усиления линейного усилителя 6 подбираются при регулировании аналогового предыскажающего линеаризатора под конкретный усилитель мощности с известными нелинейными характеристиками.
Результаты модельных и экспериментальных исследований аналогового предыскажающего линеаризатора показали, что при произвольном полосовом передаваемом высокочастотном сигнале по предлагаемой схеме удаётся значительно снизить уровень интермодуляционных искажений третьего, пятого и более высокого порядка в усилителе мощности, что подтверждает возможность достижения технического результата.
Таким образом, введение аналогового предыскажающего линеаризатора по предлагаемой схеме в состав усилителя мощности обеспечивает достижение технического результата – повышение линейности усилителя мощности, улучшающее качество передачи информации в рабочей полосе частот и выполнение жестких требований ЭМС за пределами рабочей полосы частот.