ЛИНЕЙНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ С РАЗДЕЛЬНЫМ УСИЛЕНИЕМ

ЛИНЕЙНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ С РАЗДЕЛЬНЫМ УСЩШНИЕМ
Полезная модель относится к радиотехнике и может использоваться в качестве усилителя мощности суммы канальных сигналов при ЧРК, сигналов с амплитудно-фазовой модуляцией.
Известен усилитель мощности (УМ), реализованный по методу раздельного усиления, позволяющий существенно повысить КПД усилителя, основанный на представлении усиливаемого сигнала как сигнала с амплитудно-фазовой модуляцией. Данный метод успешно применяется в технике однополосных усилителей мощности (Kahn L.R. Singl-Sideband Transmission by Envelope Elimination and Restoration. - Proc. IRE, 1952, V.40, N7). В патенте США N5105164 М1СИ НОЗ Fl/26,1993 предложен усилитель, построенный по принципу раздельного усиления, предназначенный для усиления суммы канальных сигналов при частотном разделении каналов (СКС ЧРК) в радиотелефонных системах. Усилитель включает в себя канал выделения и усиления фазомодулированной составляющей, состоящий из последовательно соединенных амплитудного ограничителя (АО) и усилителя фазомодулированного сигнала (УФМС) и канал выделения и усиления огибающей, состоящий из последовательно соединенных амплитудного детектора (АД), усилителя огибающей (УО), амплитудного модулятора (AM), на второй высокочастотный вход которого подается сигнал с выхода УФМС, а также цепи обратной связи по огибающей, подключаемой к выходу AM и ко второму (инвертирующему) входу УО и состоящей из амплитудного детектора.
Недостаток усилителя состоит в том, что помимо нелинейных искажений, вызванных нелинейностью AM, АД и УО, возникают искажения, связанные с неидеальностью характеристики реального АО, амплитуднофазовой конверсией (АФК) в АО и AM, с различной инерционностью (неидентичностью ФЧХ) каналов усилителя, нестабильностью нулевого уровня канала выделения и усиления огибающей.
Прототипом предлагаемого усилителя мощности является линейный усилитель (см.Ромашов В.В., Коровин А.Н., Ивушкин Н.Ю. Линейный усилитель мощности многочастотных сигналов. - Системы, методы обработки и анализа данных/отв.ред. С.С.Садыков - Ташкент: НПО Кибернетика АН РУз, 1997), в котором предлагается в качестве УФМС использовать мощный автогенератор, охваченный петлей фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Петля ФАПЧ представляет собой кольцо из последовательно соединенных фазового детектора (ФД) и мощного автогенератора (МАГ). При этом возможно существенно снизить требования к характеристике АО, что уменьшит АФК в нем. Кроме этого, ФЧХ каналов УМ определяются в основном входящими в них фильтрами нижних частот (ФНЧ), а для системы ФАПЧ еще и полосой удержания, что позволяет достаточно легко получить идентичные ФЧХ.
Недостатками схемы является: 1) в моменты времени, когда огибающая амплитуды входного сигнала принимает нулевое или близкое к нему значение, происходит быстрое изменение фазы входного сигнала, крутизна фазового детектора резко падает вследствие уменьшения уровня входного сигнала и кольцо ФАПЧ перестает отслеживать фазу входного сигнала, 2) сохранение относительно высокого уровня искажений, вызванных амплитудно-фазовой конверсией в амплитудном ограничителе, 3) необходимость с высокой точностью поддерживать нулевой уровень канала выделения и усиления огибающей. В результате этого в УМ повышается уровень интермодуляционных искажений.
Целью предлагаемого технического решения является уменьшение уровня интермодуляционных искажений в УМ с раздельным усилением.
Поставленная цель достигается тем, что в схеме линейного усилителя мощности с раздельным усилением, содержащей первый амплитудный детектор, последовательно соединенные первый фильтр нижних частот, усилитель огибающей, амплитудный модулятор, выход которого является выходом всего устройства, последовательно соединенные первый амплитудный ограничитель, вход которого соединен со входом первого амплитудного детектора и является входом всего устройства, фазовый детектор, второй фильтр нижних частот, мощный автогенератор, выход которого соединен с высокочастотным входом амплитудного модулятора, предлагается использовать вместо амплитудного модулятора балансный модулятор, первый амплитудный детектор заменить на первый синхронный амплитудный детектор, опорный сигнал для которого снимается с выхода вновь введенного управляемого фазовращателя с постоянным фазовым сдвигом 7С/2, высокочастотный вход которого подключен к выходу мощного автогенератора, а управляющий через вновь введенный третий фильтр нижних частот к выходу фазового детектора, а также ввести последовательно соединенные второй синхронный амплитудный детектор, сигнальный вход которого подключен к выходу балансного модулятора, а вход опорного сигнала - к выходу мощного автогенератора, инвертор, сумматор, при этом второй вход сумматора подсоединяется к выходу первого амплитудного детектора, а выход - ко входу первого фильтра нижних частот, изменить подключение второго входа фазового детектора, соединив через вновь вводимый второй амплитудный ограничитель с выходом балансного модулятора.
Существенным отличием предложенного УМ с раздельным усилением является уменьшение интермодуляционных искажений УМ вследствие уменьшения интермодуляционных искажений, вызываемых АФК в амплитудных ограничителях, отработки скачков фазы входного сигнала на л: в канале выделения и усиления огибаюшей, устранения постоянной составляющей в спектре сигнала в канале выделения и усиления огибающей за счет введения БМ и САД с опорными сигналами, снимаемыми с выхода МАГа.
Предлагаемое техническое решение, по мнению заявителей, обладает существенными отличиями, так как при поиске не выявлены аналоги, содержащие признаки, сходные с отличительными.
На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема предлагаемого устройства. На фиг.2 и фиг.З представлены временные диаграммы, поясняющие принцип работы схемы.
Линейный усилитель мощности с раздельным усилением содержит последовательно соединенные первый синхронный амплитудный детектор САД1, сумматор СУМ2, первый ФНЧЗ, усилитель огибающей УО4, балансный модулятор БМ5, выход которого является выходом всего устройства, последовательно соединенные первый амплитудный ограничитель АО6, вход которого соединен со входом САД1 и является входом всего устройства, фазовый детектор ФД7, второй ФНЧ8, мощный автогенератор МАГ9, выход которого соединен с высокочастотным входом БМ5, последовательно соединенные второй синхронный амплитудный детектор С АД 10, сигнальный вход которого соединен с выходом БМ5, а вход опорного сигнала - с выходом МАГ9, инвертор ИНВ11, выход которого подсоединен ко второму входу сумматора, последовательно соединенные третий ФНЧ12, вход которого подключен к выходу ФД7, управляемый фазовращатель с постоянным фазовым сдвигом 7i;/2 УФВ13, высокочастотный вход которого подключен к выходу МАГ9, а выход - к входу опорного сигнала первого САД1, второй амплитудный ограничитель АО 14, вход которого подключен к выходу БМ5, а выход - ко второму входу ФД7.
Линейный усилитель мощности с раздельным усилением работает сяедующим образом.
При подаче на вход испытательного двухчастотного сигнала вида S(t)  А sin(coi t) + А sin(ro21) (см. фиг.2 а - полный сигнал, фиг.2 б - огибающая) к моменту времени ti система ФАПЧ входит в синхронизм и полная фаза выходного сигнала МАГ9 становится равной:
OBb,x(t)  Фвх (t) + Фош(1) + 7Е/2,
где Фвх (t) - полная фаза входного сигнала,
Фош(1) - остаточная фазовая ошибка системы ФАПЧ, Фош(1) « 7г/2, 7С/2 - фазовый сдвиг за счет работы системы ФАПЧ.
в то же время сигнал, подаваемый на опорный вход первого САД1, с выхода УФВ13, в котором осуществляется фазовая модуляция с целью устранения фазовой ошибки Oom(t), имеет фазу
Oonl(t)  Фвх (t) + Oom(t) + 7С/2 +OyoB13(t)  OBX (t),
где Фyфвlз(t)  - Ooffl(t) - л;/2 - дополнительный сдвиг фазы в УФВ13.
Вследствие этого первый САД1 выделяет сигнал, пропорциональный огибающей амплитуды сигнала S(t), независимо от значений Фвх (t) и Фош (интервал ti - 1з фиг.2 е и фиг.2 б). Продетектированный сигнал через СУМ2, первый ФНЧЗ поступает на модулирующий вход БМ5, производя модуляцию выходного сигнала МАГ9. Цепь отрицательной обратной связи по огибающей, состоящая из последовательно соединенных второго С АД 10 и PfflBll, уменьшает нелинейные искажения, связанные с нелинейностью модуляционной характеристики БМ5 и расширяет диапазон рабочих частот канала выделения и усиления огибающей.
Начиная с момента t2, вследствие того, что огибающая амплитуды сигнала S(t) значительно уменьшается, ограничители АО6 и АО 14 выходят из режима ограничения и к моменту времени 1з сигналы на их выходах равны нулю (фиг.2 г, д), В этом случае крутизна характеристики ФД7 также уменьшается до нуля, петля ФАПЧ разрывается и перестает отслеживать изменения фазы сигнала S(t). В момент ts фаза сигнала S(t) изменяется скачкообразно на 71 (фиг.2 в), в результате чего фаза опорного сигнала первого САД1 становится равной:
Oonl(t)  Фвх (t) + 71.
Далее, когда огибающая амплитуды вновь начинает возрастать, сигнал на выходе первого САД1 будет иметь противоположный (в данном случае отрицательный) знак по отношению к сигналу на его выходе до момента 1з (фиг.2 е после 1з).
Сигнал на выходе БМ5 так же изменит знак, что эквивалентно скачку фазы на 71. При этом фаза выходного сигнала Фвых(1) вновь станет равно ФБХ (t) с точностью ДО малого значения Фош(1) и с момента t4 будет поддерживаться вновь замкнувшейся петлей ФАПЧ. Выходной сигнал УМ показан на фиг.2 ж.
В предложенном усилителе мощности происходит значительное уменьшение интермодуляционных искажений за счет отработки фазовых скачков усиливаемого сигнала на 7С не системой ФАПЧ, а вследствие работы балансного модулятора. Поэтому может быть снижено требование к быстродействию петли ФАПЧ, При условии идентичности амплитудных ограничителей, входящих в состав УМ, происходит взаимная компенсация их АФК в ФД7, что уменьшает интермодуляционные искажения усилителя в целом. Кроме того, поскольку в канале выделения и усиления огибающей амплитуды сигнал принимает как положительные, так и отрицательные значения, то составляющие его звенья могут не пропускать постоянную составляющую, при условии, что огибающая входного сигнала достаточно часто принимает нулевое или близкое к нему значение (указанный эффект поясняют диаграммы на фиг.З).
Доказательством возможности осуществления предлагаемого устройства является то, что в нем применены типовые блоки, выполненные по широко известным схемам: синхронные амплитудные и фазовые детекторы могут быть выполнены на основе балансных или кольцевых перемножителей, управляемый фазовращатель - частотноперестраиваемой реактивной цепи (например, контзф) с амплитудным ограничителем на выходе для устранения паразитной амплитудной модуляции, мощный автогенератор может быть собран на основе фазированного усилителя мощности (см. Судаков Ю.И., Нагорный Д,Я. Мощные транзисторные LCавтогенераторы на основе фазированных усилителей мощности. - М.: Радиотехника, 1989, №4), балансный модулятор с применением синтезированных нелинейных реактивных элементов (см. Бочаров М.И., Новожилов О.П. Балансный модулятор на синтезированных нелинейных реактивных элементах. - М.: Радиотехника, 1989, №5), в качестве усилителя огибающей можно применить маломощный широкополосный линейный усилитель класса А.