УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ РАДИОПЕРЕДАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА

Заявляемая полезная модель относится к области электрорадиотехнике и может быть использована в широкополосных автоматизированных радиопередающих модулях усиления мощности.
Известен усилитель мощности, содержащий предварительный усилитель, два усилительных модуля, регулируемый фазовращатель, регулируемый источник напряжения смещения, мост сложения мощности, балластный резистор, причем в него дополнительно включены датчик тока и блок анализа изменений тока в балластном резисторе и формирования сигналов управления фазовращателем и источником напряжения смещения, при этом датчик тока включен между корпусной клеммой балластного резистора и корпусом, а его выход соединен со входом блока анализа изменений тока в балластном резисторе и формирования сигналов управления фазовращателем и источником напряжения смещения, одна выходная цепь управления которого соединена со входом цепи управления регулируемого фазовращателя, а другая соединена со входом управления регулируемого источника напряжения смещения (патент РФ №71197, 2008 г.).
К недостаткам указанного усилителя следует отнести:
1. Отсутствие контроля токов загрузки генераторных элементов оконечных каскадов, что при применении регулируемого источника напряжения смещения, работающего по данным, получаемым с датчика выходного тока высокочастотного (ВЧ) сигнала на балластном резисторе и сигнала рассогласования с фазовращателя, может привести к выходу генераторных элементов из рабочего режима (недонапряженный, перенапряженный), следствием чего является снижение коэффициента полезного действия (КПД) и надежности усилителя.
2. Отсутствие контроля и регулировки рабочего режима генераторных элементов предварительного каскада усиления, что, в свою очередь, при регулировке генераторных элементов оконечных каскадов усиления по току в балластном резисторе может привести к невыполнению требований по ослаблению гармонических и дискретных составляющих в выходном сигнале, а также не выполнению требований по нелинейным искажениям в телефонных режимах работы усилителя.
Также известен усилитель мощности, содержащий усилитель радиосигнала, устройство считывания рабочего режима, устройство регулировки рабочего режима и запоминающее устройство, при этом в него дополнительно включены N датчиков уровней сигналов в N заранее определенных для контроля точках усилителя и устройство отображения информации, причем выходы датчиков уровней сигналов соединены с N входами запоминающего устройства, вход устройства считывания рабочего режима соединен с контролируемой в целях регулировки точкой усилителя радиочастоты, а его выход соединен с соответствующим ему входом запоминающего устройства, вход устройства регулировки рабочего режима соединен с выходом запоминающего устройства, а его выход соединен с регулируемым элементом усилителя, другой выход запоминающего устройства соединен со входом устройства отображения информации (патент РФ №95924, 2010 г.). Данный усилитель принят за ближайший аналог.
К недостатку указанного усилителя следует отнести применение одного регулируемого элемента на N генераторных элементов, изменение параметров работы которого осуществляют по результирующему сигналу с N датчиков, что не позволяет достичь высоких показателей по КПД, надежности, нелинейным искажениям, подавлению высших гармонических и дискретных составляющих в выходном ВЧ сигнале в широкой полосе рабочих частот.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в обеспечении высоких показателей надежности, КПД. ослабления высших гармонических и дискретных составляющих выходного ВЧ сигнала, снижения нелинейных искажений в телефонных режимах работы усилителя, а также в расширении диапазона рабочих частот усилителя мощности.
Указанный технический результат достигается тем, что усилитель мощности радиопередающего устройства, содержащий усилитель радиосигнала с датчиками уровней сигналов и устройство отображения информации, включает в себя блок микроконтроллера, устройство управления напряжениями смещения, блок фильтров с измерителем коэффициента бегущей волны (КБВ) и мощности, регулируемый импульсный источник питания (РИИП) с датчиками тока, напряжения и температуры, блок управления напряжением и током РИИП, при этом усилитель радиосигнала содержит предварительный каскад усиления, каскад раскачки оконечных каскадов усиления, оконечные каскады усиления и измерители КБВ и мощности, причем в каждом каскаде усиления использованы широкополосные трансформаторы на согласованных многопроводных линиях, а для каждого генераторного элемента каскада усиления установлен отдельный регулируемый источник напряжения смещения, кроме того датчики уровней сигналов включают датчики температуры генераторных элементов, при этом выходы датчиков уровней сигналов, датчиков токов, напряжений и температуры РИИП и измерителей КБВ и мощности соединены с соответствующими входами блока микроконтроллера, выходы блока микроконтроллера соединены со входом устройства управления напряжениями смещения и входом блока управления напряжением и током РИИП, выходы которых, в свою очередь, соединены со входами каскадов усиления и входом РИИП, кроме того. выход блока микроконтроллера соединен со входом устройства отображения информации, а выход усилителя радиосигнала соединен с блоком фильтров.
Полезная модель иллюстрируется схемами, на которых изображено:
- на Фиг.1 - структурная схема усилителя мощности радиопередающего устройства;
- на Фиг.2 - структурная схема усилителя радиосигнала.
Согласно Фиг.1, усилитель мощности радиопередающего устройства содержит усилитель радиосигнала 1, датчики уровней сигналов 2, устройство управления напряжениями смещения 3, блок микроконтроллера 4, блок фильтров 5, регулируемый импульсный источник питания (РИИП) 6, блок управления напряжением и током РИИП 7, устройство отображения информации 8, датчики тока, напряжения питания и температуры 9, измерители КБВ и мощности 10.
Согласно Фиг.1, 2 усилитель радиосигнала 1 включает в себя предварительный каскад усиления 11, каскад раскачки оконечных каскадов усиления 12, два оконечных каскада усиления 13 и измерители КБВ и мощности 10. Для обеспечения возможности работы в широком диапазоне частот в усилителе применяются высокочастотные мощные генераторные элементы 14, например, спаренные полевые транзисторы 2П978Г или 2П979В. а в качестве трансформаторов сопротивления в каскадах усиления 11, 12 и 13 используются широкополосные трансформаторы на согласованных многопроводных линиях 15. Для обеспечения работы генераторных элементов 14 в оптимальном режиме в каждом из каскадов усиления 11, 12 и 13 установлен регулируемый источник напряжения смещения 16, при этом в оконечных каскадах напряжение смещения регулируется на каждый генераторный элемент 14 отдельно.
Датчики уровней сигналов 2 включают в себя датчики ВЧ напряжения на входе каскадов усиления 11, 12 и 13 и датчики температуры на генераторных элементах 14.
Устройство управления напряжениями смещения 3 представляет собой цифроаналоговый преобразователь для выработки управляющих сигналов на регулируемые источники напряжения смещения, установленные в каскадах усиления 11, 12 и 13.
Блок микроконтроллера 4 представляет собой управляющую микро-ЭВМ, выполненную на основе контроллеров, например AT90CAN128-16MU, и работает под управлением мультизадачной операционной системы ММОС.Он осуществляет анализ сигналов с датчиков 2, 9 и измерителей КБВ и мощности 10 и вырабатывает команды управления на устройство управления напряжениями смещения 3 и блок управления напряжением и током 7, а также обеспечивает выдачу информации о параметрах работы усилителя мощности на устройство отображения информации 8.
Блок фильтров 5 предназначен для подавления высших гармонических и дискретных составляющих высокочастотного напряжения рабочей частоты усилителя радиосигнала 1 и конструктивно состоит из двух блоков: первый блок предназначен для работы в диапазоне частот 1,5-30,0 МГц и содержит 7 фильтров гармоник, второй блок предназначен для работы в диапазоне частот 28,0-80,0 МГц и содержит 3 фильтра гармоник. Каждый фильтр гармоник состоит из фильтра верхних и нижних частот. Кроме того, блок фильтров 5 содержит измеритель КБВ и мощности 10.
Регулируемый импульсный источник питания (РИИП) 6 предназначен для формирования напряжений постоянного тока для питания цепей усилителя мощности и включает в себя два модуля питания с выходным напряжением до 50B и током до 50А и один модуль питания с выходным напряжением до 50В и током до 30А. Для каждого модуля питания установлены датчики тока, напряжения и температуры 9.
Блок управления напряжением и током РИИП 7 представляет собой цифроаналоговый преобразователь для выработки управляющих сигналов на модули питания РИИП 6.
Устройство отображения информации 8 выполнено на базе жидкокристаллической панели и предназначено для отображения рабочих параметров усилителя мощности.
Выходы датчиков уровней сигналов 2, датчиков токов, напряжений и температуры 9 и измерителей КБВ и мощности 10 соединены с соответствующими входами блока микроконтроллера 4. Выходы блока микроконтроллера 4 соединены со входами устройства управления напряжениями смещения 3 и блоком управления напряжением и током РИИП 7. Выходы устройства управления напряжениями смещения 3 соединены со входами каскадов усиления 11, 12 и 13, а выходы блока управления напряжением и током РИИП 7 соединены со входами РИИП 6. Кроме того, выход блока микроконтроллера 4 соединен со входом устройства отображения информации 8, а выход усилителя радиосигнала 1 соединен с блоком фильтров 5.
Таким образом, в усилителе мощности образована глубокая обратная связь, обеспечивающая поддержание оптимальных рабочих режимов всех элементов усилителя мощности в зависимости от параметров нагрузки, заданного уровня выходной мощности, установленных классов излучения и параметров окружающей среды.
Усилитель мощности радиопередающего устройства работает следующим образом.
В момент включения усилителя мощности на каскадах усиления 11, 12 и 13 в усилителе радиосигнала 1 устанавливаются начальные значения напряжения смещения, а в РИИП 6 начальные значения напряжения питания каскадов усиления 11, 12 и 13 так, чтобы уровень выходной ВЧ мощности соответствовал примерно 20% от номинального. За время порядка 3,0 мс блок микроконтроллера 4 собирает информацию с датчиков 2, 9 и измерителей КБВ и мощности 10 и, в зависимости от уровня КБВ нагрузки и установленного оператором уровня выходной мощности, вырабатывает команды управления на устройство управления напряжениями смещения 3 и блок управления напряжением и током РИИП 7 для установки оптимальных режимов работы генераторных элементов 14 усилителя радиосигнала 1.
В дальнейшем, блок микроконтроллера 4 опрашивает датчики 2, 9 и измерители КБВ и мощности 10 и, в зависимости от полученных значений выходной мощности, температуры генераторных элементов 14, тока загрузки каскадов усиления 11, 12 и 13, вырабатывает команды управления на устройство управления напряжениями смещения 3 и блок управления напряжением и током РИИП 7 для удержания оптимальных режимов работы генераторных элементов 14.
Все данные, снятые с датчиков, по запросу оператора могут быть выведены на устройство отображения информации 8 для проверки работоспособности всех узлов усилителя мощности.
Таким образом, за счет разветвленной системы контроля и обработки данных блоком микроконтроллера обеспечивается автоматическое управление процессом работы радиопередающего устройства в целом. Реализованная возможность раздельного управления напряжением смещения и напряжением питания генераторных элементов усилителя радиосигнала позволяет обеспечить высокий КПД устройства до 45%, и, как следствие, улучшить показатели надежности. Оптимизация рабочих режимов генераторных элементов позволяет снизить уровень высших гармонических и дискретных составляющих в выходном ВЧ сигнале, а также снизить уровень нелинейных искажений при работе в телефонных режимах работы усилителя. Применение в каскадах усиления мощных высокочастотных генераторных элементов и трансформаторов сопротивления, построенных на основе широкополосных трансформаторов на согласованных многопроводных линиях, позволяет расширить диапазон рабочих частот усилителя мощности до 80 МГц.