УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМ УСИЛЕНИЕМ Российский патент 1997 года по МПК H03F3/60 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве широкополосной ступени усиления мощности радиопередатчиков УКВ диапазона.

Известны усилители мощности с распределенным усилением (УРУ), содержащие активные элементы, например генераторные тетроды, и входную и выходную искусственные линии передачи из звеньев фильтров с отводами, подключенными к электродам соответствующих активных элементов (Алексеев О.В. Усилители мощности с распределенными усилением. Л. Энергия, 1968, с. 6, рис. 1). В таких усилителях реализуется направленное сложение мощности прямых бегущих волн, возбужденных активными элементами в выходной линии, причем активные элементы, в свою очередь, возбуждаются волной, бегущей по входной линии. Недостатком УРУ с выходной линией, составленной из одинаковых звеньев фильтров (с однородной линией), являются невысокие КПД и выходная мощность, что связано, в частности, с возбуждением обратных волн в выходной линии (Алексеева О. В. с. 31-40). Известны разновидности УРУ, в которых за счет применения неоднородной выходной линии обратная волна полностью или частично подавляется (пат. ФРГ N 1126947, пат. США N 3129387) и достигается увеличение выходной мощности и КПД (Алексеев О.В. с. 81-90). Однако необходимость использовать в выходной линии неодинаковые звенья фильтров или широкополосные трансформаторы существенно усложняет подобные УРУ, особенно на УКВ.

Известны также полосовые УРУ, во входной линии которых используют направленные ответвители или квадратурные мосты (в.з. ФРГ N 2648898, а.с. СССР N 764101, а. с. СССР N 1448384) и тем самым достигают улучшения энергетических показателей за счет компенсации потерь во входной линии или увеличения амплитуды сигнала на входах активных элементов. Однако ограничения выходной мощности и КПД, связанные с обратной волной, при этом не устраняются.

Известны также мостовые усилители мощности, в которых реализуется независимая работа n активных элементов на общую нагрузку при помощи идентичных n-канальных делителя и сумматора мощности (Проектирование радиопередающих устройств СВЧ. /Под. ред. Г.М. Уткина. М. Советское радио, 1979, с. 72-81, рис. 5.2-5.4). При n=2 делитель и сумматор чаще всего выполняют на основе квадратурного моста и такие усилители называют балансными, а при n>2 в виде комбинации квадратурных мостов или цепочки направленных ответвителей и балластных резисторов. Особенностью усилителей с квадратурными мостами является их согласованность по входу при наличии отражений от каждого активного элемента (Каганов В.И. СВЧ полупроводниковые радиопередатчики. М. Радио связь, 1981, с. 253, с. 252, рис. 8.24, с. 317, рис. 10.10, с. 324, рис. 10.20). Недостаток мостовых усилителей проявляется с расширением рабочей полосы частот: мощность, развиваемая каждым активным элементом, например генераторным тетродом, уменьшается, следовательно, уменьшаются выходная мощность и КПД усилителя. Другой недостаток сложность, обусловленная большим числом (при n>2) квадратурных мостов или направленных ответвителей и балластных резисторов.

Прототипом изобретения является полосовой усилитель мощности с распределенным усилением, в котором входная и однородная выходная линии образованы включенными одно за другим звеньями полосовых фильтров с отводами (Заенцев В.В. Широкополосное усиление. Воронеж, Изд. Воронежского университета, 1969, с. 28, рис. 18). Активные элементы прототипа, например генераторные тетроды, подключены своими входными электродами к отводам входной линии, а выходными электродами к соответствующим отводам выходной линии. При этом входные и выходные емкости активных элементов входят в структуру полосовых фильтров, а звенья входной и выходной линий имеют идентичные фазочастотные характеристики. Вход входной линии является входом усилителя, ее выход нагружен согласованным резистором, выход выходной линии является выходом усилителя, ее вход нагружен согласованным балластным резистором.

Активные элементы прототипа, возбужденные волной, бегущей по входной линии, создают в выходной линии прямые и обратные бегущие волны тока и напряжения. Прямые волны, несущие мощность к выходу, складываются синфазно, их амплитуда к выходу нарастает, а сложение обратных волн происходит с фазовыми сдвигами, зависящими от частоты. Поэтому результирующее напряжение обратной волны может (на некоторых частотах и преимущественно на первых активных элементах) быть соизмеримым по амплитуде с выходным напряжением прямой волны при фазе, изменяющейся в широких пределах. Это означает, что обратная волна либо создает значительные перенапряжения (рост амплитуды) на выходных электродах активных элементов, либо переносимая ею мощность рассевается на выходных электродах. Во избежание перехода активных элементов в перенапряженный режим, нежелательного из-за увеличения нелинейных искаженных и тепловых перегрузок сеток тетродов, а также тепловой перегрузки выходных электродов приходится использовать завышенные напряжения питания активных элементов и ограничивать их использование по току. Это приводит к снижению КПД и выходной мощности усилителя.

Другим фактором, ограничивающим выходную мощность и КПД усилителя-прототипа, является малая величина уровня характеристического сопротивления звеньев выходной линии, определяющего нагрузочное сопротивление активных элементов

Здесь C_вых выходная емкость активного элемента,
Δf_a полоса прозрачности фильтровых звеньев, образующих выходную линию,
f₀ центральная частота.

Известно, что выходная мощность и КПД УРУ пропорциональны частотно-зависимой величине ρ_a. Чтобы получить достаточно малую неравномерность мощности в рабочей полосе частот Δf, ширину полосы прозрачности звеньев выходной линии выбирают с большим запасом Δf_a=(1,25 ÷ 1,5)Δf (Заенцев В.В. с. 42), что и вызывает снижение ρ_a, а следовательно, выходной мощности и КПД.

Таким образом, анализ показывает, что выходная мощность и КПД УРУ могут быть увеличены, во-первых, за счет подавления обратной волны в выходной линии, а во-вторых, за счет увеличения нагрузочного сопротивления активных элементов (в случае тетродов сопротивления анодной нагрузки).

Указанный технический эффект достигается, если в известный усилитель мощности с распределенным усилием, содержащий активные элементы, например генераторные тетроды, и входную и выходную искусственные линии передачи, образованные включенными одно за другим звеньями полосовых фильтров с отводами, в котором входные электроды активных элементов подключены к отводам входной, а выходные электроды к соответствующим отводам выходной линии передачи, введены n входных и n выходных квадратурных мостов - восьмиполюсников, где 2n≥4 число активных элементов, а также 2n входных и 2n выходных корректирующих реактивных четырехполюсников с идентичными фазочастотными характеристиками. При этом каждое звено полосового фильтра во входной линии образовано из входных квадратурных мостов и двумя входными корректирующими четырехполюсниками, а каждое звено полосового фильтра в выходной линии одним из выходных квадратурных мостов и двумя выходными корректирующими четырехполюсниками. Входы названных четырехполюсников подключены к двум плечам соответствующего квадратурного моста, имеющим электромагнитную развязку, выходы этих четырехполюсников образуют отводы, а два других плеча квадратурного моста являются входом и выходом звена полосового фильтра.

На чертеже показана структурная схема усилителя.

Усилитель содержит четное число 2n≥4 активных элементов (тетродов) 1, n входных (2) и n выходных (3) квадратурных мостов восьмиполюсников, 2n входных (4) и 2n выходных (5) корректирующих реактивных четырехполюсников, согласованные резистор 6 и балластный резистор 7. Кроме того, показаны конденсаторы 8 блокировки экранных сеток тетродов 1.

Каждое звено полосового фильтра во входной линии образовано мостом 2 и двумя четырехполюсниками 4, входы которых подключены к двум плечам моста 2, имеющим электромагнитную развязку, а выходы, образующие отводы, к входным электродам соответствующей пары активных элементов 1. Два других плеча моста 2 являются входом и выходом звена. Входная линия состоит из n подобных включенных одно за другим звеньев, причем вход первого звена является входом усилителя, а выход n-го нагружен согласованным резистором 6.

Каждое звено полосового фильтра в выходной линии образовано мостом 3 и двумя четырехполюсниками 5, входы которых подключены к двум плечам моста 3, имеющим электромагнитную развязку, а выходы, образующие отводы, к выходным электродам соответствующей пары активных элементов 1. Два других плеча моста 3 являются входом и выходом звена. Выходная линия состоит из n подобных включенных одно за другим звеньев, причем выход n-го звена является выходом усилителя, а выход первого звена нагружен согласованным балластным резистором 7.

В качестве квадратурных мостов 2 и 3 целесообразно выбрать наиболее широкополосную и простую их разновидность трехдецибельные направленные ответвители на связанных линиях, обладающие идеальными развязкой и согласованием на всех частотах. Сопротивление резисторов 6 и 7 должно равняться сопротивлению мостов 2 и 3.

Четырехполюсники 4 и 5 являются полосовыми фильтрами, которые включают в себя соответственно входную и выходную емкость активного элемента 1. Эти четырехполюсники формируют амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) усилителя, поэтому число элементов (контуров) в четырехзполюсниках 4 и 5 определяется требованиями к АЧХ с увеличением числа элементов АЧХ приближается к прямоугольной. Фазочастотные характеристики четырехполюсников 4 и 5 должны быть идентичны: Φ₄(ω)=Φ₅-(ω)=Φ(ω).
Входное сопротивление каждого четырехполюсника 5 со стороны активного элемента 1 является "анодной нагрузкой" соответствующего тетрода R_a+jX_a и в пределах рабочей полосы частот Δf преимущественно имеет активный характер (X_a<<R_a). Для генераторных тетродов, работающих в недонапряженном или критическом режиме, и других типов активных элементов, имеющих высокое динамическое внутреннее сопротивление R_i, справедливо R_a<<R_i, поэтому выходы четырехполюсников 5 (со стороны активных элементов) можно считать разомкнутыми.

Входное сопротивление четырехполюсников 4 со стороны активных элементов 1 R_g+jX_g также имеет преимущественно активный характер (X_g<<R_g) в пределах Δf, причем величина R_g много меньше входного сопротивления тетродов, работающих в схеме с общим катодом с малыми или нулевыми токами управляющей сетки, или других типов активных элементов с высоким входным сопротивлением. Поэтому выходы четырехполюсников 4 также можно считать разомкнутыми. Заметим, что при низкоомных входах активных элементов, например, при использовании биполярных транзисторов, выходы четырехполюсников 4 следовало бы считать замкнутыми накоротко. Что касается входов четырехполюсников 4 и 5, то они согласованы с соответствующими мостами (2 или 3), но в том только смысле, что при передаче сигнала от моста к четырехполюсникам (или обратно) отсутствуют или сведены к минимуму локальные отражения на стыке моста и соответствующих четырехполюсников.

Для описания работы усилителя коэффициенты передачи в мостах 2 и 3 примем равными

где j мнимая единица. В мостах на связанных линиях эти равенства строго выполняются лишь на центральной частоте, однако в пределах, например, 50-процентной полосы частот отклонение модулей не превышает 4% а в пределах октавы 8% при строгом сохранении квадратурного соотношения между p и q (Каганов В.И. с. 255, формулы 8.75).

Усилитель работает следующим образом. Источник сигнала с амплитудой ЭДС ε создает на входе усилителя падающую волну напряжения с амплитудой e/2, которая после деления первым из квадратурных мостов 2 с коэффициентами p и q подводится через четырехполюсники 4 к входным электродам первой пары активных элементов 1. Поскольку выходы четырехполюсников 4 можно считать разомкнутыми, то коэффициент отражения Г ≈ 1 и амплитуда напряжения на разомкнутых выходах удваивается: 1+Г ≈ 2. Две отраженные волны вторично передаются через четырехполюсники 4 и мост 2 к входу и выходу первого звена входной линии. На входе звена обе волны оказываются в противофазе и взаимно уничтожаются (p²+q²=0), а на выходе складываются синфазно: 0,5εe^-j2Φ(pq+pq)= -j0,5εe^-j2Φ. Здесь Φ фазовый сдвиг четырехполюсника 4. Во втором и последующих звеньях входной линии указанные процессы повторяются, мощность входного сигнала поглощается резистором 6. Таким образом, на входных электродах активных элементов 1 развиваются напряжения, амплитуда которых с учетом трансформации в четырехзполюсниках 4 (), коэффициентов передачи мостов ) и удвоения при отражении составляет

а фаза образует ряд:

Аналогичное распределение имеет фаза первой гармоники тока активных элементов 1, в частности токи каждой пары активных элементов, начиная с первой, находятся в квадратурном соотношении и создают на выходных электродах пары активных элементов, сдвинутые по фазе на π/2, "собственные" напряжения с амплитудой U_a1=I_a1R_a, где I_a1 амплитуда первой гармоники тока. Два указанных напряжения передаются через четырехполюсники 5 и мост 3 к входу соответствующего звена выходной линии. При передаче к входу звена напряжения оказываются в противофазе и взаимно уничтожаются . Таким образом, обратная волна, которая переносит мощность к балластному резистору 7, в выходной линии не образуется.

При передаче к выходу звена два напряжения становятся синфазными и при сложении образуют прямую волну напряжения, которая переносит всю мощность, развиваемую активными элементами 1 к выходу усилителя. Вклад каждой пары активных элементов 1 в амплитуде прямой волны составляет

а фаза на выходах звеньев линии соответствует четным членам ряда (1). Таким образом, в выходной линии происходит синфазное сложение прямых волн напряжения, возбужденных каждой из n пар активных элементов, и на выходе n-го звена, т.е. на выходе усилителя амплитуды прямой волны равна

При этом выходная мощность, выделяющаяся в нагрузке с сопротивлением R₀

На выходе каждого звена выходной линии, начиная со второго, прямая волна, как и во входной линии, претерпевает деление мостом 3 с коэффициентами p и q, передачу через четырехполюсники 5 с коэффициентом , отражение от их разомкнутых выходов (Г≈1) и вторичную передачу к входу и выходу звена. На выходе звена две отраженные волны, будучи в противофазе, взаимно уничтожаются (p²+q²=0), а на выходе складываются синфазно, создавая поток мощности, направленный к выходу усилителя. При отражении от выходов четырехполюсников 5, которое происходит с удвоением амплитуды (1+Г≈2), создаются "сторонние" напряжения на выходных электродах (K 2, 3,n), амплитуда "стороннего" напряжения равна 2(K-1)U_a1, а фазы "сторонних" напряжений соответствуют ряду (1), начиная с третьего его члена, т.е. совпадают с фазой "собственных" напряжений. Поэтому распределение амплитуды суммарного ("стороннего и "собственного") напряжения между выходными электродами активных элементов 1 имеет вид:
U_a1, U_a1, 3U_a1, 3U_a1, 5U_a1, 5U_a1,(2n-1)U_a1, (2n-1)U_a1,
где U_a1=I_a1R_a.

Для сравнения укажем аналогичный ряд в усилителе-прототипе с тем же числом (2n) активных элементов (Алексеев О.В. с. 36)

где ρ_a характеристическое сопротивление звеньев выходной линии прототипа, Φ фазовый сдвиг на звено, а второе слагаемое есть комплексная амплитуда обратной волны. Выходная мощность в прототипе (Алексеев О.В. с. 31)

Преимущества предлагаемого усилителя перед прототипом выявляют из сопоставления выражений (2) (5). Можно выделить несколько факторов, способствующих увеличению выходной мощности и КПД предлагаемого усилителя.

Во-первых, следует сопоставить величину сопротивления "анодной нагрузки" в предлагаемом усилителе (R_a) и в прототипе 0,5 ρ_a. Заметим, что при R_a=0,5 ρ_a выходные мощности (2) и (5) обоих усилителей совпадают. Однако на самом деле R_a > 0,5 ρ_a. Как уже отмечалось, уровень ρ_a(f_o) определяется шириной полосы прозрачности Δf_a выходной линии, которая выбирается с запасом по отношению к рабочей полосе частот Δf. Можно показать, что, например, при коэффициенте запаса 1,3, когда

неравномерность ρ_a и выходной мощности прототипа в пределах Δf составляет 2,0 дБ (Заенцев В.В. с. 39). Что же касается величины R_a, то при той же неравномерности (2,0 дБ) двух- и трехконтурный односторонне нагруженный чебышевский фильтр имеет соответственно (Маттей Д. Л. Янг Л. Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. T.I. М. Связь, 1971, с. 102):

т. е. в 1,27-2,3 раза выше, чем 0,5 ρ_a. При снижении неравномерности до 1,0 дБ выигрыш возрастает до 1,64-2,48 раз. Соответственным получается и выигрыш в выходной мощности и КПД, которые пропорциональны величине R_a.

Другие факторы, определяющие достижение поставленной цели, сопряжены с изменением режима питания активных элементов. Как известно, в мощных УРУ практикуется индивидуализация питающих напряжений и тока ламп как средство улучшения энергопараметров (Алексеев О.В. с. 70, 110-111).

Отсутствие обратной волны в выходной линии заявленного усилителя исключает свойственное прототипу рассеяние (на некоторых частотах) мощности, переносимой обратной волной, на выходных электродах элементов. Это позволяет, не выходя за пределы допустимой рассеиваемой мощности, увеличить использование активных элементов по току, т.е. увеличить постоянную составляющую и первую гармонику тока, что приводит к увеличению выходной мощности усилителя.

Кроме того, подавление обратной волны исключает и возможное (на некоторых частотах) увеличение амплитуды колебаний на выходных электродах активных элементов, преимущественно первых, как это свойственно прототипу. Это позволяет понизить величину питающего напряжения первых активных элементов (анодного питания) без перехода активных элементов в недопустимый перенапряженный режим, в котором резко возрастают нелинейные искажения и тепловые нагрузки на сетки тетродов. Снижение питающих напряжений приводит к уменьшению мощности, потребляемой от источника питания, что способствует увеличению КПД.

Наконец, еще один фактор, способствующий повышению КПД, вытекает из сопоставления ряда (3) для амплитуды напряжений на выходных электродах активных элементов 1 с формулой (4) для тех же напряжений в прототипе. Как видно, по крайней мере половина активных элементов 1 (нечетные) в заявленном усилителе имеют во всей полосе частот Δf амплитуду выходного напряжения, меньшую, чем в прототипе. Это обстоятельство дает дополнительную возможность понизить напряжения питания нечетных активных элементов 1 и тем самым повысить КПД заявленного усилителя.

Последний фактор связан с более высокой, чем в прототипе, амплитудой управляющего напряжения на входных электродах активных элементов. В прототипе

где P_вх мощность входного сигнала;
ρ_c характеристическое сопротивление звеньев входной линии.

В заявленном усилителе, как было показано,

или учитывая, что P_вх = 0,5(0,5 ε)²/R_o,

Величина сопротивления R_g соотносится с ρ_c также, как и в выходной линии R_a и ρ_a, т.е. R_д > 0,5 ρ_c, что дает более высокий уровень напряжения возбуждения U_вx. Это приводит либо к увеличению амплитуды первой гармоники тока активных элементов 1 (при неизменных питающих напряжениях) и, следовательно, выходной мощности, либо позволяет (при прежней амплитуде тока) снизить постоянную составляющую тока, т.е. повысить КПД усилителя.

Использование: в качестве широкополосной ступени усиления мощности радиопередатчиков УКВ диапазона. Сущность изобретения: усилитель с распределенным усилением содержит 2n≥4 активных элементов 1, n входных 2 и n выходных 3 квадратурных мостов-восьмиполюсников, 2n входных 4 и 2n выходных 5 корректирующих реактивных четырехполюсников, имеющих идентичные фазочастотные характеристики, согласованные резистор 6 и балластный резистор 7. Мосты 2 и четырехполюсники 4 образуют входную, а мосты 3 и четырехполюсники 5 - выходную линии передачи, каждую в виде включенных одно за другим звеньев полосовых фильтров с отводами. Каждое звено входной и выходной линии образовано одним мостом и двумя четырехполюсниками, соответственно входными 2 и 4 или выходными 3 и 5, причем входы четырехполюсников подключены к двум плечам моста, имеющим электромагнитную развязку, выходы этих четырехполюсников образуют отводы, а два других плеча моста являются входом и выходом звена полосового фильтра. Между соответствующими отводами входной и выходной линий включены активные элементы. Выход входной и вход выходной линий нагружены резисторами 6 и 7. Увеличение выходной мощности и КПД обусловлено подавлением обратной волны в выходной линии, а также увеличением нагрузочного сопротивления активных элементов. 1 ил.

Усилитель мощности с распределенным усилением, содержащий активные элементы, входную и выходную линии передачи, образованные включенными одно за другим звеньями полосовых фильтров с отводами, при этом входные электроды активных элементов подключены к отводам входной, а выходные электроды к соответствующим отводам выходной линий передачи, отличающийся тем, что в него введены n входных и n выходных квадратурных мостов-восьмиполюсников, где 2n ≥ 4 число активных элементов, а также 2n входных и 2n выходных корректирующих реактивных четырехполюсников, имеющих идентичные фазочастотные характеристики, причем каждое из звеньев полосовых фильтров во входной линии передачи образовано одним из входных квадратурных мостов-восьмиполюсников и двумя входными корректирующими реактивными четырехполюсниками, а в выходной линии передачи одним из выходных квадратурных мостов-восьмиполюсников и двумя выходными корректирующими реактивными четырехполюсниками, при этом входы указанных корректирующих реактивных четырехполюсников подключены к двум плечам соответствующего квадратурного моста-восьмиполюсника, имеющим электромагнитную развязку, выходы этих корректирующих реактивных четырехполюсников образуют отводы звена полосового фильтра, входом и выходом которого являются два других плеча квадратурного моста-восьмиполюсника.