Высокочастотный усилитель мощности со сниженной мощностью рассеяния

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в радиосвязи, в частности, в радиопередающих устройствах с угловой модуляцией УКВ диапазона.
Особенностью упомянутых выше радиопередающих устройств является то, что коэффициент стоячей волны (КСВ) их антенн может достигать значений, равных 5. При этом в усилителях мощности используются схемы защиты от перегрузки, в частности, от перегрузки по мощности рассеяния транзисторов выходного каскада в режиме рассогласования.
Известны схемы высокочастотных усилителей мощности, в которых защита от перегрузки в режиме рассогласования построена на основе направленного ответвителя (датчика падающей и отраженной волны), а регулировка уровня усиливаемого сигнала производится управляемым аттенюатором [US 4563775, US 6803818, US 6731915] или изменением напряжения смещения усилителя [US 7440731].
Недостатком этих устройств является низкая эффективность выходного каскада усилителя мощности при работе на рассогласованную нагрузку вследствие чего возрастает мощность рассеяния транзисторов выходного каскада усилителя, поскольку снижается степень напряженности их режима работы.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство температурной стабилизации, представленное в заявке
US 2006/0220739, принятое за прототип.
На фиг. 1 представлена схема устройства-прототипа, где обозначено:
1 - источник питающего напряжения;
2 - регулятор напряжения;
3 - усилитель мощности;
4 - источник напряжения смещения;
5 - интегратор;
6 - пороговое устройство;
7 - усилитель постоянного тока;
8 - источник опорного напряжения;
9 - сумматор;
10 - направленный ответвитель;
11 - амплитудный детектор.
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные усилитель мощности 3, направленный ответвитель 10, первый выход которого является выходом устройства. Второй выход амплитудного детектора 11 подключен к входу усилителя постоянного тока 7, выход которого соединен с первым входом порогового устройства 6, ко второму входу которого подключен выход источника опорного напряжения 8. Последовательно соединенные источник питающего напряжения 1 и регулятор напряжения 2, выход которого соединен со вторым входом усилителя мощности 3, третий вход которого подсоединен к выходу источника напряжения смещения 4. При этом первый вход усилителя мощности 3 является входом устройства. Кроме того, выход порогового устройства 6 соединен с входом интегратора 5, выход которого соединен со вторым входом регулятора напряжения 2.
Устройство-прототип работает следующим образом.
При подаче на вход усилителя высокочастотного сигнала последний усиливается и с выхода усилителя мощности 3 через направленный ответвитель 10 подается на выход устройства. С выхода направленного ответвителя 10 сигнал подается на вход амплитудного детектора 11, с выхода которого напряжение через усилитель постоянного тока 7 подается на первый вход порогового устройства 6, на другой вход которого подается напряжение с выхода источника опорного напряжения 8. С выхода порогового устройства 6 напряжение через интегратор 5 подается на управляющий вход регулятора напряжения 2, через который на усилитель мощности 3 подается напряжение питания. В том случае, когда выходная мощность усилителя мощности 3 возрастает выше установленного значения, на выходе порогового устройства 6 появляется напряжение, петля регулирования замыкается и напряжение на выходе регулятора напряжения 2 снижается. В результате выходная мощность усилителя 3 стабилизируется.
Недостатком устройства-прототипа является большая мощность рассеяния транзисторов усилителя мощности при работе на рассогласованную нагрузку.
Задача предлагаемого технического решения - снижение мощности рассеяния транзисторов усилителя мощности при работе на рассогласованную нагрузку.
Для решения поставленной задачи в высокочастотный усилитель мощности со сниженной мощностью рассеяния, содержащий последовательно соединенные усилитель мощности, направленный ответвитель и первый амплитудный детектор, а также последовательно соединенные источник питающего напряжения и регулятор напряжения, выход которого соединен со вторым входом усилителя мощности, третий вход которого подключен к выходу источника напряжения смещения, кроме того, усилитель постоянного тока, выход которого соединен с первым входом порогового устройства, второй вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, выход порогового устройства через интегратор соединен со вторым входом регулятора напряжения, при этом первый вход усилителя мощности является входом устройства, выход направленного ответвителя является выходом устройства, согласно полезной модели, введены последовательно соединенные делитель напряжения и второй амплитудный детектор, а также сумматор, выход которого соединен с входом усилителя постоянного тока; выход первого амплитудного детектора соединен с первым входом сумматора, второй вход которого подсоединен к выходу второго амплитудного детектора, при этом направленный ответвитель выполнен двунаправленным и его третий выход соединен с входом делителя напряжения.
На фиг. 2 представлена схема предлагаемого устройства, где обозначено:
1 - источник питающего напряжения;
2 - регулятор напряжения;
3 - усилитель мощности;
4 - источник напряжения смещения;
5 - интегратор;
6 - пороговое устройство;
7 - усилитель постоянного тока;
8 - источник опорного напряжения;
9 - сумматор;
10 - двунаправленный ответвитель;
11, 13 - первый и второй амплитудные детекторы;
12 - делитель напряжения.
Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные усилитель мощности 3, двунаправленный ответвитель 10, первый выход которого является выходом устройства. Второй выход двунаправленного ответвителя 10 через первый амплитудный детектор 11 подключен к первому входу сумматора 9, выход которого через усилитель постоянного тока 7 соединен с первым входом порогового устройства 6, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения 8. Третий выход двунаправленного ответвителя 10 (канал отраженной волны) через последовательно соединенные делитель напряжения 12 и второй амплитудный детектор 13 соединен со вторым входом сумматора 9. Последовательно соединенные источник питающего напряжения 1 и регулятор напряжения 2, выход которого соединен со вторым входом усилителя мощности 3, третий вход которого подсоединен к выходу источника напряжения смещения 4. При этом первый (высокочастотный) вход усилителя мощности 3 является входом устройства. Кроме того, выход порогового устройства 6 соединен с входом интегратора 5, выход которого соединен со вторым входом регулятора напряжения 2.
Работает предлагаемое устройство следующим образом.
К выходу устройства подключают эквивалент нагрузки 50 Ом (75 Ом) (на фиг. 2 не показан) и подают на вход усилителя высокочастотный сигнал. Изменяя уровень выходного напряжения источника опорного напряжения 8 устанавливают на эквиваленте нагрузки заданную величину выходной мощности усилителя. Поскольку в этом случае от нагрузки мощность не отражается, то в устройстве действует петля регулирования только по падающей мощности и регулятор напряжения 2, с выхода которого на второй вход усилителя мощности 3 подается напряжение питания, под действием выходного напряжения интегратора 5 устанавливается в соответствующее положение.
Таким образом производится калибровка устройства при его работе на согласованную нагрузку.
При подключении к выходу устройства рассогласованной нагрузки (антенны) к петле регулирования по падающей мощности за счет сумматора 9 подключается вторая петля регулирования - по отраженной мощности и напряжение на выходе порогового устройства 6 возрастает. Выходное напряжение усилителя постоянного тока 7 и интегратора 5 становится больше, а напряжение на выходе регулятора напряжения 2 снижается. В результате снижается выходная мощность усилителя и, соответственно, снижаются мощности рассеяния транзисторов усилителя 3 при работе на рассогласованную нагрузку. Степень дополнительного снижения напряжения питания транзисторов усилителя 3 при работе на рассогласованную нагрузку определяется делителем напряжения 12, с выхода которого напряжение подается на вход второго амплитудного детектора 13.
Для подтверждения работоспособности предлагаемого устройства и решения поставленной задачи было проведено электронное моделирование работы на рассогласованную нагрузку с коэффициентом стоячей волны КСВ от 1 до 6. При этом моделировался 10-ваттный усилитель УКВ диапазона, выполненный по двухтактной схеме на транзисторе BLP10H610 с напряжением питания 17 В. При этом фаза нагрузки полагалась равной -170°, а коэффициент деления делителя напряжения равным 0,4. Расчеты велись на частоте 80 МГц.
Результаты моделирования приведены в таблице 1 для устройства-прототипа и в таблице 2 для предлагаемого устройства. На рисунке фиг. 3 приведены результаты расчета мощности рассеяния транзистора при разных КСВ нагрузки для прототипа (кривая 1) и предлагаемого устройства (кривая 2).
Phase = -170°, Рвх = 2Вт
Таблица 1
Vp = const
Vp =
Епит, В
Ррасс, Вт
Рвых, Вт
КСВ = 1,0
1,493
17,0
6,078
10,523
КСВ = 1,5
1,490
17,0
9,142
10,313
КСВ = 2,0
1,490
17,0
11,483
9,567
КСВ = 3,0
1,494
16,9
12,803
7,962
КСВ = 4,0
1,491
16,0
12,983
6,984
КСВ = 5,0
1,491
15,0
12,445
5,722
КСВ = 6,0
1,490
14,3
11,489
4,983
Phase = -170°, Рвх = 2Вт
Таблица 2
Vp + 0,4*Vo= const
Vp =
Епит, В
Ррасс, Вт
Рвых, Вт
КСВ = 1,0
1,493
17,0
6,078
10,523
КСВ = 1,5
1,491
15,14
7,186
8,900
КСВ = 2,0
1,494
13,87
7,650
7,565
КСВ = 3,0
1,490
11,95
7,303
5,689
КСВ = 4,0
1,490
10,85
6,425
4,761
КСВ = 5,0
1,492
10,03
6,089
3,694
КСВ = 6,0
1,491
9,83
5,844
3,130
Представленные результаты показывают существенное снижение мощности рассеяния транзисторов усилителя мощности 3 в предлагаемом устройстве по сравнению с устройством-прототипом при работе на рассогласованную нагрузку.