ЛИНЕЙНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ Российский патент 1997 года по МПК H03F1/32 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве усилителя мощности, обеспечивающего низкий уровень нелинейных искажений выходного сигнала.

Известны устройства [1, 2] в которых путем расщепления входного сигнала на две составляющие с постоянными амплитудами с последующим их усилением нелинейными усилителями в высокоэнергетическом режиме и сложением усиленных сигналов в выходном устройстве, восстанавливающем структуру исходного сигнала на большем по сравнению с исходным уровне мощности, обеспечивается высокий КПД нелинейных усилителей.

Однако использование в известных устройствах [1, 2] нелинейно-частотных преобразований типа детектирование, нелинейная модуляция и других ограничивает допустимую спектральную полосу усиливаемых сигналов.

Известен усилитель мощности (прототип) [3] содержащий последовательно соединенные выходной делитель, фазовращатель, фазорасщепитель, первый усилитель, выходной сумматор, второй усилитель, идентичный первому и включенный между вторым выходом фазорасщепителя и вторым входом выходного сумматора. С целью уменьшения уровня нелинейных искажений между вторым выходом входного делителя и вторым входом фазорасщепителя включены последовательно соединенные третий усилитель, идентичный первому и второму, и фильтр нижних частот.

Достоинством данного линейного усилителя мощности является возможность уменьшения наиболее сильных нелинейных искажений третьего порядка посредством выбора соответствующего режима работы по постоянному току третьего усилителя. Однако у рассматриваемого линейного усилителя мощности имеются недостатки, заключающиеся в использовании осуществляемого в ветви третьего усилителя и фильтра нижних частот нелинейно-частотного преобразования, которое уменьшает допустимую спектральную полосу усиливаемых сигналов, и в невозможности обеспечения высоких значений КПД первого и второго усилителей.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание устройства, обеспечивающего уменьшение уровня нелинейных искажений и расщепление допустимой спектральной полосы усиливаемого сигнала при обеспечении высокого КПД нелинейных усилителей как элементов линейного усилителя мощности.

В отличие от прототипа [3] функционирование заявляемого линейного усилителя мощности не связано с принципиальной небходимостью осуществления нелинейных частотных преобразований, уменьшающих допустимую спектральную полосу усиливаемого сигнала.

В предлагаемом линейном усилителе мощности, содержащем последовательно соединенные выходной делитель, фазовращатель, фазорасщепитель, первый усилитель, выходной сумматор, второй усилитель, идентичный первому и включенный между вторым выходом фазорасщепителя и вторым входом выходного сумматора, между вторым выходом входного делителя и вторым входом фазорасщепителя включен ограничитель, а первый и второй усилители выполнены в виде одинаковых нелинейных усилителей. Входной сигнал проходит через входной делитель, фазовращатель, ограничитель, фазорасщепитель, преобразуется в результате в два сигнала с постоянными и равными амплитудами, которые поступают на входы первого и второго усилителей, усиливаются в них в режиме с высоким КПД и суммируются в выходном сумматоре таким образом, что выходной сигнал воспроизводит в усиленном виде входной сигнал без искажений формы.

На фиг. 1 приведена электрическая структурная схема линейного усилителя мощности. На фиг. 2 приведена электрическая принципиальная схема варианта практической реализации ограничителя. На фиг. 3 приведена амплитудная характеристика ограничителя. На фиг. 4 представлена зависимость от нормированной входной мощности нормированного входного сопротивления нелинейного элемента ограничителя. На фиг. 5 представлены зависимости, характеризующие работу нелинейного корректора ограничителя. Фиг. 6 поясняет работу фазорасщепителя линейного усилителя мощности.

Линейный усилитель мощности (фиг. 1) содержит выходной делитель 1, фазовращатель 2, ограничитель 3, фазорасщепитель 4, первый и второй усилители 5, 6, выполненные в виде одинаковых нелинейных усилителей, выходной сумматор 7.

Реализация входного делителя 1, фозовращателя 2, фазорасщепителя 4, нелинейных усилителей 5, 6, выходного сумматора 7 описана в [4] В качестве фазорасщепителя 4 и выходного сумматора 7 используются 3 дБ направленные ответвители.

Ограничитель 3 содержит (фиг. 2) циркулятор 8, нелинейный элемент НЭ, состоящий из отрезка линии передачи 9 длиной λ/4 полупроводниковых диодов 10, 11, катушки индуктивности 12, резистора 13, линейный усилитель 14, нелинейный корректор НК, состоящий из полупроводниковых диодов 15, 16, отрезка линии передачи 17 длиной λ/4 полупроводниковых диодов 18, 19, линейного усилителя 20. Реализация линейных усилителей 14, 20 описана в [5]
Входом ограничителя 3 является плечо "а" циркулятора 8. К плечу "б" циркулятора 8 подключен первый вывод отрезка линии передачи 9. Ко второму выводу отрезка линии передачи 9 подключены анод диода 10, катод диода 11 и первый электрод катушки индуктивности 12. Катод диода 10, анод диода 11 и второй электрод катушки индуктивности 12 подключены к первому электроду резистора 13. Второй электрод резистора 13 подключен к общему электроду схемы. К плечу "в" циркулятора 8 подключен вход линейного усилителя 14. К выходу линейного усилителя 14 подключены катод диода 15, анод диода 16 и первый вывод отрезка линии передачи 17. Вторые электроды диодов 15, 16 подключены к общему электроду схемы. Второй вывод отрезка линии передачи 17 подключен к входу линейного усилителя 20. К входу линейного усилителя 20 подключены также катод диода 18 и анод диода 19. Вторые электроды диодов 18, 19 подключены к общему электроду схемы. Выход линейного усилителя 20 является выходом ограничителя 3.

Линейный усилитель мощности работает следующим образом.

Входной сигнал q(t) разделяется входным делителем 1 на два сигнала q1(t) и q2(t). Сигнал q1(t) поступает на вход фазовращателя 2. Сигнал q2(t) поступает на вход ограничителя 3 (фиг. 2). С плеча "а" циркулятора 8 сигнал q2(t) поступает в плечо "б", к которому подключен нелинейный элемент НЭ. Отраженный от входа НЭ сигнал q8(t) поступает в плечо "в" и далее на вход линейного усилителя 14. Выходной сигнал линейного усилителя 14 q14(t) корректируется нелинейным корректором НК и усиливается линейным усилителем 20. Выходной сигнал фазовращателя 2 s(t) и выходной сигнал ограничителя 3 r(t) поступают на входы фазорасщепителя 4, преобразуются в два сигнала s1(t), s2(t) с постоянными и равными амплитудами, но переменными во времени на входы нелинейных усилителей 5, 6, усиливаются в них и после суммирования в выходном сумматоре 7 преобразуются в выходной сигнал p(t).

Входной делитель 1, фазовращатель 2, ограничитель 3 опишем характеристиками, связывающими мощности сигналов на их входах и выходах.

Отношение мощностей сигналов q1(t) и q2(t) на выходах входного делителя 1 обозначим коэффициентом
K1 Pq1/Pq2, (1)
где Pq1, Pq2 мощности гармоники основной частоты ω0 сигналов q1(t), q2(t).

Отношение мощностей сигналов q1(t) и s(t) на входе и выходе фазовращателя 2 обозначим коэффициентом
K2 Ps/Pq1, (2)
где Ps мощность гармоники основной частоты ω0 сигнала s(t) на выходе фазовращателя 2.

На фиг. 3 представлена амплитудная характеристика ограничителя 3, где Pr мощность гармоники основной частоты ω0 сигнала r(t) на выходе ограничителя 3, Prмакс максимальное значение мощности Pr, Pq2_макс максимальное значение мощности Pq2, Pq20 значение мощности Pq, при котором Pr Pr_макс.

Амплитудная характеристика ограничителя 3 (фиг. 3) описывается выражением

где К3 Pr_макс/(Pq2_макс Pq20) коэффициент формы амплитудной характеристики ограничителя 3.

Амплитудная характеристика (3) реализуется с помощью нелинейного элемента НЭ, подключенного к плечу "б" циркулятора 8 (фиг. 2) и имеющего выходное сопротивление R, изменяющееся в зависимости от мощности сигнала q2(t).

На фиг. 4 представлены качественные зависимости при изменении сопротивления резистора 13 R13 и характеристического сопротивления отрезка линии передачи 9 ρ9. Здесь R входное сопротивление НЭ; ρ8 - - характеристическое сопротивление циркулятора 8; Pq2/Pq2_макс; сопротивление при R13опт оптимальный номинал резистора 13.

Оптимальный номинал резистора 13 R13опт определяется условием (фиг. 4, кривая 2)

Выбором характеристического сопротивления отрезка линии передачи 9 ρ9 минимизируется влияние высших гармоник тока диодов 10, 11 на характеристики НЭ. Экспериментально определено соотношение для выбора номинала ρ9:

Номинал катушки индуктивности 12 определяется условием
L = 1/(ω20

Для определения зависимости выходной мощности гармоники основной частоты w₀ сигнала q14(t) на выходе линейного усилителя 14 Р14 от Pq2 используем известную из литературы [6] зависимость
Р_отр/Р_пад ((1-R)/(1+R))², (7)
где Р_пад, Р_отр мощности, падающая на НЭ и отраженная от НЭ.

Полагаем, что

где К14 коэффициент усиления по мощности линейного усилителя 14.

Подставляя (8) в (7) и используя зависимость (фиг. 4, кривая 2), получаем зависимость представленную на фиг. 5, а. Здесь Р14/Р14_макс, Р14_макс мощность гармоники основной частоты ω₀ сигнала q14(t) на выходе линейного усилителя 14.

Нелинейный корректор НК (фиг. 2) характеризуется зависимостью Рнк(Р14), представленной на фиг. 5, б, где Рнк мощность сигнала гармоники основной частоты ω₀ сигнала на выходе НК; Рнк_макс значения мощности Рнк при Р14 Р14_макс, соответствующие различным значениям ρ17;ρ17 - характеристическое сопротивление отрезка линии передачи 17.

Экспериментальным выбором характеристического сопротивления ρ17 и коэффициента К14 осуществляется коррекция формы амплитудной характеристики ограничителя 3.

Результирующая зависимость Pr(Pq2) (3) обеспечивается путем выбора коэффициента усиления по мощности К20 линейного усилителя 20 из условия
К20 Pr_макс/Рнк_макс. (9)
Так как в предлагаемом линейном усилителе мощности в явном виде не используются механизмы детектирования и преобразования частоты, то для дальнейшего рассмотрения сигналы в звеньях усилителя мощности (фиг. 1) представим амплитудами в векторной форме, а именно

где А, В, С, D, Е комплексные амплитуды рассматриваемых сигналов.

Амплитуды сигналов на входах нелинейных усилителей 5, 6 должны быть постоянными и равны друг другу:

где W постоянное положительное число, требующее конкретизации; коэффициент введен для удобства дальнейшего рассмотрения.

Согласно (10) и фиг. 1 с учетом приведенных в [6] выражений и ограничений для коэффициентов передачи фазорасщепителя 4, реализуемого в виде 3 дБ направленного ответвителя без потерь мощности [4] имеем для составляющих А(t), В(t), С(t) и D(t) следующие соотношения:

где α,β,γ фазы, характеризующие коэффициенты передачи фазорасщепителя в виде 3 дБ направленного ответвителя.

Сигналы s1(t) и s2(t) с комплексными амплитудами С(t) и D(t), удовлетворяющими соотношениям (11), (12), усиливаются нелинейными усилителями 5, 6 без искажений, что обусловлено постоянством модулей амплитуд C(t) и D(t). При этом амплитуда сигнала р(t) на выходе линейного усилителя мощности согласно (10) и фиг. 1 с учетом коэффициентов передачи для выходного сумматора 7, выполненного в таком же виде, что и фазорасщепитель 4, но развернутого по отношению к последнему в плоскости на 180^o и нагруженного на одном из выходов баластным сопротивлением, будет равна

где G коэффициент передачи нелинейных усилителей 5, 6.

Выражения (10), (13) с учетом (2) показывают, что выходной сигнал р(t) воспроизводит в усиленном виде входной сигнал фазовращателя 2 q1(t) и, соответственно, входной сигнал линейного усилителя мощности q(t) с некоторым запаздыванием, не нарушающим работу последнего.

Для определения зависимости В(А), характеризующей работу ограничителя 3, полагаем

Тогда (11) с учетом (12) можно представить в виде

Выражения (14), (15) представляют формулировку требуемых для выполнения условия (11) соотношений между амплитудами и фазами на выходах фазовращателя 2 и ограничителя 3. Отсюда на основании (14) получаем следующее требование для мощностей:
Pr Psмакс Ps (16)
В свою очередь, число n в (15) определяет дискреты допустимых значений γ и ψ которые следует выбирать из условия равенства или приближенного равенства наклонов фазочастотных характеристик фазовращателя 2 и ограничителя 3. Это условие соответствует одинаковому или почти одинаковому времени запаздывания сигналов в этих устройствах, что необходимо для нормального функционирования линейного усилителя мощности в динамическом режиме.

Определим условия, вытекающие из необходимости выполнения равенства (16).

Используя (1) и (2), получаем
Ps K2 • Pq1 K1 • K2 • Pq2.

Подставляем это выражение в (16) и, считая, что
Psмакс K1 • K2 • Pq2макс,
получаем
Pr K1 • K2 • (Pq2макс Pq2). (17)
Из сравнения (17) и (3) видно, что равенство (16) реализуется при условиях
Pq20 < Pq2макс, К3 K1 • K2. (18)
Условия (18) реализуются соответствующим выбором номинала резистора 13 и коэффициента усиления линейного усилителя 20 (фиг. 2).

В свою очередь, фазовое соотношение (15) реализуется с помощью фазовращателя 2.

Для выявления особенностей предлагаемого линейного усилителя мощности рассмотрим зависимость В(А) при v = π•m, ψ = π•l (m, l -2, -1, 0, 1, 2), что согласно (15) можно реализовать в случае γ = π/2 при использовании в качестве фазорасщепителя 4 квадратурного 3 дБ-направленного ответвителя [4] В этом случае искомая зависимость В(А) в соответствии с (14) имеет вид

На фиг. 6,а,б представлены зависимости В(А), где А, В амплитуды сигналов s(t), r(t) при Φ = π•m, ψ = π•l.
На фиг. 6,а сплошной и штриховой линиями изображены зависимости В(А) согласно выражению (19) соответственно для знака "+" и знака "-". На фиг. 6,б для сравнения приведена аналогичная зависимость в соответствии с выражениями, представляющими результат тригонометрической теории, содержащейся в работе [2]
Из фиг. 6,а,б следует, что сопоставляемые зависимости различаются качественно. В первом случае (фиг. 6,а) зависимостей две и обе они нечетные, во втором (фиг. 6,б) одна четная зависимость.

Принципиальный характер рассматриваемого различия следует из анализа прохождения через сопоставляемые устройства тестового бигармонического сигнала
S(t) = cos(ω₁•t)+cos(ω2•t) = A(t)•cos(ω₀•t),
где A(t) = 2•cos((ω_l-ω₂)•t/2, ω₀= (ω₁+ω₂)/2.
Из приведенных выражений следует, что амплитуда группового тестового сигнала A(t) с течением времени принимает как положительные, так и отрицательные значения, в связи с чем отклик B(t) в двух противопоставляемых случаях (фиг. 6 а,б) будет принципиально различным.

Таким образом, по сравнению с известными устройствами заявляемый линейный усилитель мощности позволяет достичь уменьшения уровня нелинейных искажений и расширения допустимой спектральной полосы усиливаемого сигнала при обеспечении высокого КПД нелинейных усилителей.

Практическое применение предлагаемого линейного усилителя мощности опробовано в диапазоне частот f (850.1700) МГц. На частоте f₀ 1 ГГц при максимальной выходной мощности в режиме линейного усиления более 25 Вт КПД устройства в режиме максимальной мощности составил 40% В режиме стандартного двухтонового равноамплитудного испытания с разносом частот 0.10 МГц при интегральной выходной мощности более 12,5 Вт был получен уровень интермодуляционных компонент менее -23 дБ относительно каждой из полезных гармонических составляющих.

Источники информации
1. Cox D.C. Leck R.P. Component signal separation and recombination for linear amplification with nonlinear componrnts. IEEE Transaktion on Communications Tech. V.COM-23, 1975, N 11, pp. 1281 1287.

2. Couch L. Walker J.L. A VHF LINC amplifier. "Conf. Proc. IEEE SOUTHEA STCON 82, Destin, FLA. Apr. 4-7, 1982", New York, N.Y. 1982, pp. 122 125.

3. Герус В.Л. Усилитель мощности. Авторское свидетельство. SUN 1543537 A1, кл. H 03 F 1/32, заявл. 04.04.88, опубл. 15.02.90, Бюл. N 6.

4.Антенны и устройства СВЧ (проектирование фазированных антенных решеток). Под.ред. Д. И. Воскресенского. М. Радио и связь, 1981, с. 409 - 411, 358 359, 383 386, 261 303.

5. Гассанов Л.Г. Липатов А.А. Марков В.В. Могильченко Н.А. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. М. Радио и связь, 1988, с. 168 174.

6. Фельдштейн А.Л. Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М. Связь, 1971, с. 41, 22, 172, 174, 175.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве усилителя мощности, обеспечивающего низкий уровень нелинейных искажений выходного сигнала. В предлагаемом линейном усилителе мощности, содержащем последовательно соединенные входной двигатель, фазовращатель, фазорасщепитель, первый усилитель, выходной сумматор, второй усилитель, идентичный первому и включенный между вторым выходом фазорасщепителя и вторым входом выходного сумматора, между вторым выходом входного делителя и вторым входом фазорасщепителя включен ограничитель, а первый и второй усилители выполнены в виде одинаковых нелинейных усилителей. Входной сигнал проходит через входной делитель, фазовращатель, ограничитель, имеющий амплитудную характеристику, описываемую соотношением:

где Pr - мощность гармоники основной частоты сигнала на выходе ограничителя; Pq2 - мощности гармоники основной частоты сигнала на выходе делителя; Prмакс - максимальное значение мощности Pr; Pq2макс - максимальное значение мощности Pq2; Pq20 - значение мощности Pq2, при котором Pr = Prмакс; K3 - коэффициент формы амплитудной характеристики; фазорасщепитель, преобразуется в результате в два сигнала с постоянными и равными амплитудами, которые поступают на входы первого и второго усилителей, усиливаются в них в режиме с высоким КПД и суммируются в выходном сумматоре так, что выходной сигнал воспроизводит в усиленном виде входной сигнал без искажения формы. 1 з. п. ф-лы, 6 ил.

1. Линейный усилитель мощности, содержащий последовательно соединенные входной делитель, фазовращатель, фазорасщепитель, первый усилитель, выходной сумматор, второй усилитель, идентичный первому и включенный между вторым выходов фазорасщепителя и вторым входом выходного сумматора, отличающийся тем, что между вторым выходом входного делителя и вторым входом фазорасщепителя включен ограничитель, имеющий амплитудную характеристику, описываемую соотношением

где P_r мощность гармоники основной частоты сигнала на выходе ограничителя;
P_q2 - мощности гармоники основной частоты сигнала на выходе делителя;
максимальное значение мощности P_r;
максимальное значение мощности P_q2;
P_q20 значение мощности P_q2, при котором ,
КЗ коэффициент формы амплитудной характеристики,
а первый и второй усилители выполнены в виде нелинейных усилителей. 2. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что в нем ограничитель содержит циркулятор, первое плечо которого соединено с нелинейным элементом, а второе плечо соединено с последовательно соединенными первым линейным усилителем, нелинейным корректором, вторым линейным усилителем, выход которого является выходом ограничителя, причем нелинейный элемент выполнен в виде последовательно соединенных отрезка линии передачи, катушки индуктивности, резистора, второй электрод которого подключен к общему электроду нелинейного элемента, первого полупроводникового диода, включенного между электродами катушки индуктивности, второго полупроводникового диода, идентичного первому и включенного с изменением полярности по отношению к первому диоду также между электродами катушки индуктивности.