УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ С ДВОЙНЫМ РЕЖИМОМ РАБОТЫ

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в радиосвязи, в частности, в радиопередающих устройствах, генерирующих как сигналы с постоянной во времени огибающей, так и многочастотные сигналы, огибающая которых изменяется во времени в значительных пределах.
Усилители мощности таких радиопередатчиков проектируются, как правило, таким образом, чтобы обеспечить требуемый уровень нелинейных комбинационных колебаний в выходном сигнале при заданной величине выходной мощности в пике огибающей усиливаемого многочастотного (в простейшем случае двухтонового) сигнала, равной средней выходной мощности в режиме усиления сигнала несущей частоты. При этом КПД усилителей при усилении сигналов с постоянной огибающей оказывается достаточно низким.
Известным решением противоречия между высокой линейностью и эффективностью является использование ключевых режимов работы мощных высокочастотных каскадов и построение усилителя мощности по методу дефазирования, раздельного усиления или полярной петли [«Транзисторные генераторы гармонических колебаний в ключевом режиме». В.Б.Козырев, В.Г.Лаврушенков, В.П.Леонов и др.; Под ред. И.А.Попова. М.: Радио и связь, 1985; Cripps S.С., «RF Power Amplifiers for Wireless Communication». Norwood, MA: Artech House, 1999.; Andrei Grebennikov, «RF AND MICROWAVE TRANSMITTER DESIGN», JOHN WILEY & SONS, INC., 2011.]. Однако в практической реализации указанные методы сложны и широкого применения в аппаратуре низовой связи не получили, несмотря на достаточно глубокую и всестороннюю теоретическую проработку.
Известны также усилители с двойным режимом работы (dual mode power amplifier), которые при усилении сигналов с изменяющейся во времени огибающей работают в линейном, а при усилении сигналов с постоянной огибающей - в нелинейном режимах. В технической литературе эти режимы получили наименование цифровой (digital mode) и аналоговый (analog mode) режимы. В аналоговом режиме такие усилители имеют повышенный КПД за счет снижения напряжения питания или напряжения смещения, коммутации согласующее-трансформирующих цепей или комбинации указанных технических решений.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является усилитель мощности с двойным режимом работы, представленный в патенте США US 5251331 «High efficiency dual mode power amplifier apparatus», Oct.5, 1993, Fig.4, принятый за прототип.
Усилитель-прототип представляет собой усилитель мощности с двойным режимом работы и содержит двухкаскадный предварительный усилитель, вход которого является входом устройства, оконечный усилитель, вход которого подключен к выходу предварительного усилителя, а выход является выходом устройства, устройство температурной стабилизации транзисторов оконечного усилителя, обеспечивающее выбор соответствующего напряжения смещения транзисторов для аналогового и цифрового режимов работы и преобразователь напряжения, подключенный к шине питания, выход которого подключен к цепям питания предварительного усилителя и оконечного каскада и имеющий вход выбора режима, на который подаются управляющие сигналы для генерирования на выходе преобразователя первого напряжения в ответ на первый управляющий сигнал и второго напряжения в ответ на второй управляющий сигнал. При этом для обеспечения высокой эффективности используется импульсный преобразователь напряжения. Как следует из описания, предварительный и оконечный усилители устройства-прототипа выполнены на биполярных транзисторах.
При выборе цифрового режима работы преобразователь напряжения отключается, и на предварительный и оконечный усилители подается (почти без потерь) напряжение с шины питания через внутреннее проходное устройство, которое представляет собой открытый транзистор с малым внутренним сопротивлением. В аналоговом режиме работы проходное устройство запирается и включается преобразователь напряжения, на выходе которого появляется напряжение, значительно меньшее, чем на шине питания. Так в усилителе-прототипе при переходе от цифрового режима работы к аналоговому напряжение питания предварительного и оконечного усилителей снижается с 12,5 В до 8,65 В. При этом напряжение смещения транзисторов оконечного усилителя также снижается с 0,7 В в цифровом режиме до 0,2 В в аналоговом режиме. В результате в первом случае оконечный усилитель при номинальной выходной мощности работает в недонапряженном режиме класса AB и обеспечивает высокую линейность, а во втором случае - в перенапряженном режиме класса BC (с углом отсечки импульсов коллекторного тока менее 90°), что обеспечивает высокую эффективность оконечного усилителя и устройства в целом, поскольку КПД импульсного преобразователя напряжения достаточно высок. В то же время средняя выходная мощность в аналоговом режиме оказывается почти в два раза (согласно описанию на 3,2 дБ) меньше пиковой выходной мощности в цифровом режиме работы, что является недостатком усилителя-прототипа. Кроме того КПД усилителя-прототипа в аналоговом режиме оказывается недостаточно высок.
Задача предлагаемого технического решения - обеспечение высокой линейности в цифровом режиме работы усилителя мощности и высокого КПД в аналоговом режиме при пиковой выходной мощности в цифровом режиме равной средней выходной мощности в аналоговом режиме.
Для решения поставленной задачи в усилитель мощности с двойным режимом работы, содержащий предварительный усилитель, оконечный усилитель, имеющий коммутируемое устройство температурной стабилизации транзисторов и двухуровневый источник питания, выход которого подключен к цепям питания предварительного и оконечного усилителей, а вход - к шине питания, согласно полезной модели, введен высокочастотный коммутируемый аттенюатор, вход которого является входом усилителя мощности, выход подключен к входу предварительного усилителя, выход которого подключен к входу оконечного усилителя, выход которого является выходом усилителя мощности, причем управляющие входы коммутируемого высокочастотного аттенюатора, устройства температурной стабилизации транзисторов оконечного усилителя и двухуровнего источника питания являются входами логического сигнала управления, в соответствии с которым устанавливается аналоговый или цифровой режим работы усилителя мощности.
На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства, где обозначено:
1 - высокочастотный коммутируемый аттенюатор;
2 - предварительный усилитель;
3 - оконечный усилитель;
3.1 - высокочастотная часть оконечного усилителя;
3.2 - устройство температурной стабилизации транзисторов оконечного усилителя;
4 - двухуровневый источник питания.
Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные высокочастотный коммутируемый аттенюатор 1, предварительный усилитель 2 и оконечный усилитель 3, имеющий высокочастотную часть 3.1, выход которой является выходом устройства, и устройство температурной стабилизации транзисторов оконечного усилителя 3.2, выход которого соединен с соответствующим входом высокочастотной части 3.1. Кроме того, выход двухуровневого источника питания 4 подключен к цепям питания предварительного усилителя 2 и оконечного усилителя 3, а вход - к шине питания Еп. При этом высокочастотный коммутируемый аттенюатор 1, устройство температурной стабилизации транзисторов оконечного усилителя 3.2 и двухуровневый источник питания имеют входы управления для приема внешней команды выбора режима работы усилителя мощности.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
В цифровом режиме работы двухуровневый источник питания 4, который может быть выполнен, например, по патенту США US5239275 «Amplitude modulator circuit having multiple power supplies» по внешней команде выбора режима работы переводится в режим, когда его выходное напряжение, поступающее в цепи питания предварительного и оконечного усилителей, близко к напряжению на шине питания за счет активирования проходного транзистора, имеющего низкое внутреннее сопротивление. В аналоговом режиме проходной транзистор запирается, выходное напряжение двухуровнего источника питания снижается и определяется входящим в его состав ключевым понижающим преобразователем напряжения. При этом для обеспечения повышенной эффективности оконечного усилителя в аналоговом режиме в предлагаемом устройстве этот усилитель выполняется согласно рекомендациями патента на полезную модель RU 118810 «Широкополосный высокоэффективный усилитель мощности колебаний с угловой модуляцией» на полевых LDMOS транзисторах по двухтактной схеме с общим истоком, содержащей гибридный трансформатор для замыкания четных гармоник импульсов тока стоков упомянутых выше транзисторов, причем транзисторы оконечного усилителя должны работать в режиме класса В.
Выходная согласующе-трансформирующая цепь оконечного усилителя 3 предлагаемого устройства проектируется таким образом, чтобы при заданной величине выходной мощности в пике огибающей усиливаемого сигнала в цифровом режиме обеспечивался недонапряженный режим работы транзисторов при номинальном напряжении питания. Минимальный уровень нелинейных искажений усиливаемого сигнала в указанном режиме достигается при загрузке транзисторов по мощности существенно ниже номинальной [Завражнов Ю.В., Аралов В.Т., Волков A.M., Пупыкин Г.А. «Современное состояние, тенденции и перспективы развития усилителей мощности радиопередающих устройств» Техника средств связи. Сер. Техника радиосвязи, 1978, вып.7, с.3-21] и оптимальном напряжении смещения транзисторов оконечного усилителя в области режима АВ, устанавливаемого с помощью устройства температурной стабилизации, которое может быть выполнено, например, по патенту США US 6215358 «Temperature compensated bias network for a power amplifier and method of operation».
Для перевода оконечного усилителя в режим класса B при работе усилителя мощности в аналоговом режиме в упомянутое выше устройство температурной стабилизации дополнительно вводится переменный резистор, один вывод которого подключается к выходу устройства температурной стабилизации, а другой - через ключ, управляемый внешней командой выбора режима работы усилителя мощности, к корпусу. В аналоговом режиме работы усилителя мощности этот ключ под действием внешней команды выбора режима работы усилителя мощности находится в замкнутом состоянии, что позволяет с помощью упомянутого дополнительного переменного резистора установить необходимое напряжение смещения транзисторов оконечного усилителя. При размыкании ключа восстанавливается напряжение смещения транзисторов оконечного каскада, необходимое для работы усилителя мощности в цифровом режиме.
Предварительный усилитель 2 предлагаемого устройства проектируется таким образом, чтобы при заданной величине входной мощности усилителя и минимальном ослаблении сигнала высокочастотным коммутируемым аттенюатором создать уровень возбуждения оконечного усилителя 3, необходимый для обеспечения на его выходе требуемой мощности в аналоговом режиме работы (равной мощности в пике огибающей усиливаемого сигнала в цифровом режиме работы усилителя мощности) с учетом работы оконечного усилителя в режиме класса B при пониженном напряжении питания. При этом для упомянутой величины выходной мощности согласно [Аралов В.Т., Строев А.С., Шунулин А.В. «Высокоэффективный широкополосный усилитель мощности». Теория и техника радиосвязи. 2012, №2, стр.115-119] при напряжении питания в аналоговом режиме на (20-25)% ниже, чем напряжение питания в цифровом режиме, прогнозируется такое сочетание напряжения питания и уровня возбуждения при котором реализуется квазиключевой режим работы оконечного усилителя с максимально возможным КПД, который теоретически может достигать величины 88,6%, что обеспечивает высокую эффективность предлагаемого усилителя мощности в целом в аналоговом режиме работы.
В цифровом же режиме работы усилителя, когда коэффициент усиления высокочастотного тракта усилителя возрастает вследствие повышения напряжения питания предварительного 2 и оконечного 3 усилителей и увеличения начального тока транзисторов оконечного усилителя 3, высокочастотный коммутируемый аттенюатор 1 должен обеспечить ослабление сигнала, необходимое для того, чтобы выходная мощность предлагаемого усилителя в пике огибающей усиливаемого сигнала была равна номинальной. Отвечающий изложенным выше требованиям высокочастотный коммутируемый аттенюатор 1 может быть выполнен, например, на основе П-образного резистивного аттенюатора, обеспечивающего необходимый коэффициент ослабления высокочастотного сигнала, и реле, управляемого ключом, имеющим вход для приема внешней команды выбора режима работы усилителя мощности. В зависимости от выбранного режима работы упомянутый резистивный аттенюатор с помощью реле (в качестве которого может использоваться, например, реле типа IM06GR фирмы Axicom, имеющее две группы перекидных контактов) замещается перемычкой, в результате чего сигнал проходит через высокочастотный коммутируемый аттенюатор 1 без ослабления (аналоговый режим), либо включается в высокочастотный тракт (цифровой режим), обеспечивая необходимое ослабление сигнала.
Линейность и эффективность усилителя мощности в значительной мере определяется характеристиками его оконечного усилителя 3. Моделирование такого усилителя, выполненного в качестве примера на мощном высокочастотном LDMOS балансном транзисторе BLF574 с учетом изложенных выше рекомендаций, касающихся цифрового режима, показало, что при напряжении питания 50 В и режиме класса АВ с оптимальным начальным током 0,69 А двухтактный усилитель с выходной трансформирующей цепью, имеющей коэффициент трансформации 1:4, на частоте 30 МГц имеет выходную мощность в пике огибающей 300 Вт и уровень нелинейных комбинационных колебаний 3-го и 5-го порядка при стандартном двухтоновом тестировании минус 39 и минус 44 дБ соответственно. В однотоновом режиме при напряжении питания 50 В и выходной мощности 300 Вт этот усилитель имеет КПД по первой гармонике 66%. Перевод усилителя в режим класса B с начальным током 50 мА увеличивает КПД до 69%. Снижение напряжения питания в этом режиме, как это производится в устройстве-прототипе, приводит к повышению КПД (фиг.2, кривая 1), однако выходная мощность усилителя при этом, как показывает моделирование, уменьшается практически пропорционально изменению напряжения питания. В то же время, если одновременно со снижением напряжения питания увеличивать мощность возбуждения рассматриваемого усилителя до уровня, обеспечивающего постоянную величину выходной мощности 300 Вт, то КПД возрастает в значительно большей степени, причем в области напряжения питания, в данном примере равного 38 В, КПД приобретает прогнозируемое максимальное значение и составляет 84,9% (фиг.2, кривая 2).
Достоинством предлагаемого усилителя мощности является то, что в нем реализуется подобный режим работы с максимальным КПД оконечного усилителя 3, что обеспечивает его более высокую эффективность по сравнению с устройством-прототипом в аналоговом режиме работы. При необходимости получения на выходе предлагаемого устройства значительной величины выходной мощности оконечный усилитель может быть выполнен по модульному принципу с использованием мостовых схем суммирования/деления мощности [Проектирование радиопередатчиков: Учеб. пособие для вузов / В.В.Шахгильдян, М.С.Шумилин, В.Б.Козырев и др.; Под ред. В.В.Шахгильдяна. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 2000. - 650 с.].