ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ДВУХТАКТНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ Российский патент 2000 года по МПК H03F3/26 H03F1/42 H03F3/21 H03H7/42 H04B1/00 

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в высокочастотных широкополосных двухтактных усилителях мощности, входящих в состав радиопередающих устройств.

Для передачи высокочастотных сигналов используются широкополосные двухтактные усилители мощности (с подавлением четных гармоник), выходной сигнал которых передается через переключаемые фильтры гармоник, обеспечивающих передачу сигнала с рабочей частотой и подавление гармонических составляющих [Л1, Л2] . Для обеспечения линейной амплитудной характеристики и повышения КПД двухтактных высокочастотных широкополосных усилителей мощности, работающих обычно в нелинейном режиме (класс B или AB), необходимо сформировать активное нагрузочное сопротивление по первой гармонике (f₀) и низкоомное реактивное сопротивление для нечетных гармонических составляющих (3f₀, 5f₀) передаваемого сигнала [Л1, Л2]. Эта проблема имеет различные решения.

Известны двухтактные усилители мощности [Л1, стр. 115], в которых выходные цепи содержат Г-образные формирующие контуры (C_ФОРМ, L_ФОРМ), устанавливаемые на выходах усилителей двухтактного каскада. Наличие двух формирующих контуров в двухтактном усилителе не позволяет обеспечить одинаковые нагрузочные сопротивления для каждого транзистора (из-за отклонения емкости и индуктивности от номинального значения), затрудняет конструктивное исполнение Г-образных формирующих контуров в низкоомных цепях и приводит к неустойчивости работы усилителей при работе в области верхних рабочих частот.

В двухтактном усилителе мощности, выбранном в качестве прототипа [Л2, стр. 106], между коллекторами транзисторов выходной цепи содержится конденсатор, который вместе с индуктивностью рассеяния трансформатора формирует резонанс на частоте выше максимальной рабочей частоты на 10%. Частота этого резонанса должна изменяться из-за изменения магнитной проницаемости магнитопровода трансформатора при дестабилизирующих воздействиях (температура, влага и т.д.), что приведет к изменению нагрузочного сопротивления для передаваемого сигнала и для его гармонических составляющих. Кроме того, индуктивность рассеяния трансформатора зависит от его конструкции, что вызывает изменение емкости конденсатора между коллекторами транзисторов в широких пределах, а от этого зависит нагрузочная реактивность для гармонических составляющих, что в конечном счете не позволяет реализовывать максимальное значение КПД усилителя мощности.

Целью настоящего изобретения является повышение КПД и линейности амплитудной характеристики высокочастотного широкополосного двухтактного усилителя, нагруженного на переключаемый фильтр гармоник. Указанная цель достигается тем, что в высокочастотном широкополосном усилителе мощности, содержащем симметрирующий трансформатор, соединительный кабель и поддиапазонные переключаемые фильтры гармоник, используется фильтр нижних частот (ФНЧ) с частотой среза, превышающей верхнюю рабочую частоту усилителя мощности, причем первый конденсатор ФНЧ устанавливается параллельно выходным электродам двухтактного каскада усилителя мощности, на входе симметрирующего трансформатора, а последовательная индуктивность и параллельный входу соединительного кабеля конденсатор ФНЧ включается в несимметричной цепи между симметрирующим трансформатором и соединительным кабелем.

Для передаваемого сигнала установка ФНЧ с частотой среза, превышающей верхнюю рабочую частоту, не оказывает существенного воздействия, поскольку волновые сопротивления кабелей и характеристические сопротивления ФНЧ и фильтра гармоник согласованы с нагрузочным сопротивлением усилителя мощности, а коэффициент стоячей волны тракта может быть близким к 1. Для гармонических составляющих сигнала, передаваемого через переключаемый фильтр гармоник верхнего поддиапазона частот, конденсатор ФНЧ, устанавливаемый на выходе двухтактного каскада усилителя мощности, оказывает шунтирующее воздействие.

Для гармонических составляющих сигнала, передаваемого через переключаемый фильтр гармоник нижних поддиапазонов частот, основное шунтирующее воздействие оказывает эквивалентная входная емкость фильтра гармоник.

Для гармонических составляющих сигнала, передаваемых через переключаемый фильтр гармоник средних поддиапазонов частот, шунтирующее воздействие формируется за счет входного конденсатора ФНЧ и трансформированного в емкостную реактивность через симметрирующий трансформатор реактивного сопротивления последовательно соединенных индуктивностей и емкостей второго конденсатора ФНЧ, а также трансформированной через соединительный кабель входной емкостной реактивности переключаемого фильтра гармоник.

Приведенные пояснения подтверждаются следующими формулами для эквивалентной емкости фильтра гармоник C_f, пересчитанной через соединительный кабель к ФНЧ, - С'_f и нормированной проводимости согласующего звена для гармонических составляющих передаваемого сигнала - Y.

где f - частота гармоники передаваемого сигнала;
l₁ - длина соединительного кабеля;
ε - диэлектрическая проницаемость внутренней изоляции кабеля;
R - волновое сопротивление кабеля;
с - скорость света в пространстве.

где f₁ - частота среза ФНЧ;
α₁, α₂ - нормированные значения элементов ФНЧ;
l₂ - длина кабеля симметрирующего трансформатора;

Сопоставительный анализ схемы с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается по структуре и соединениям, следовательно, оно соответствует критерию "новизна". Трансформирующие свойства длинных линий (кабелей) широко известны, однако использование их в сочетании с элементами ФНЧ в высокочастотных широкополосных согласующих устройствах с целью обеспечения передачи сигнала с рабочей частотой и шунтирования высших гармонических составляющих позволяет сформировать оптимальную нагрузку для двухтактного усилителя мощности, вследствие чего повышаются линейность амплитудной характеристики и КПД усилителя мощности, из чего следует вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

На чертеже изображена структурная схема высокочастотного широкополосного двухтактного усилителя мощности, состоящего из двух усилителей 1, первого конденсатора 2 ФНЧ, симметрирующего трансформатора 3, индуктивности 4 ФНЧ, второго конденсатора 5 ФНЧ, соединительного кабеля 6, двух высокочастотных переключателей 7 и фильтров гармоник 8.

Устройство работает следующим образом. Противофазный сигнал с выхода усилителей 1 подводится к конденсатору 2 ФНЧ и входу симметрирующего трансформатора 3, выход которого соединен с другими элементами ФНЧ - индуктивностью 4 и конденсатором 5. Так как частота среза ФНЧ выше верхней рабочей частоты, волновое сопротивление кабеля и характеристическое сопротивление ФНЧ согласованы, то сигнал с рабочей частотой передается к согласованной нагрузке без ослабления. Далее сигнал через соединительный кабель 6 с волновым сопротивлением, равным нагрузочному, передается через переключатели 7 и фильтр гармоник 8 к полезной согласованной нагрузке. Сигнал с рабочей частотой с выхода двухтактного усилителя 1 передается к выходу через соединительные, согласующие и фильтрующие цепи без ослабления, так как потери на отражение, определяемые суммарным коэффициентом стоячей волны тракта, могут быть сведены к минимуму выбором номиналов элементов.

Нечетные гармонические составляющие передаваемого сигнала через фильтр гармоник верхнего поддиапазона частот шунтируются конденсатором 2 ФНЧ. Подавление четных гармоник передаваемого сигнала осуществляется типовой схемой двухтактного усилителя.

Нечетные гармонические составляющие передаваемого сигнала через фильтр гармоник среднего поддиапазона частот шунтируются суммарной емкостью конденсатора 2 ФНЧ и трансформированным в емкость симметрирующим трансформатором 3 последовательно соединенных индуктивности 5 и конденсатора 5 ФНЧ с учетом реактивности, трансформированной соединительным кабелем 6, эквивалентной входной емкости фильтра гармоник 8.

Нечетные гармонические составляющие сигнала, передаваемого через фильтр гармоник 8 нижних поддиапазонов частот, шунтируются эквивалентной входной емкостью фильтра гармоник 8. Выбор длин кабеля симметрирующего трансформатора 3 и соединительного кабеля 6 должен производиться таким образом, чтобы эквивалентная нагрузочная емкость для нечетных гармоник сигнала, передаваемого через фильтр гармоник 8 каждого поддиапазона частот, оказывала шунтирующее воздействие.

Нечетные гармонические составляющие передаваемого сигнала через фильтр гармоник 8 нижних поддиапазонов частот шунтируются эквивалентной входной емкостью фильтра гармоник 8.

Вследствие шунтирующего воздействия эквивалентной нагрузочной емкости для нечетных гармоник форма напряжения на выходных электродах двухтактного усилителя имеет синусоидальный характер, и каждый усилитель 1 работает в недонапряженном режиме, а рабочая точка не попадает в область линии критического режима даже при максимально допустимой отдаваемой мощности, что предопределяет линейность амплитудной характеристики усилителя. Шунтирующая емкостная нагрузочная реактивность для нечетных гармонических составляющих передаваемого сигнала не вызывает увеличения импульса тока транзистора. Ток потребления транзистора пропорционален только току первой гармоники, мощность которой выделяется в полезной нагрузке, вследствие чего повышается КПД усилителя.

Приведенные формулы позволяют выбрать оптимальные номиналы элементов ФНЧ, фильтров гармоник, длину соединительного кабеля и длину кабеля симметрирующего трансформатора. Положительные экспериментальные результаты подтверждаются расчетами. КПД рассматриваемого усилителя не ниже 50% во всем рабочем диапазоне частот при степени подавления продуктов интермодуляции большей либо равной минус 33 дБ, что выше чем у прототипа.

Источники информации
1. Проектирование радиопередающих устройств. Под редакцией В.В.Шахгильдяна. М.: Радио и связь, 1993, с. 115.

2. РЭД. Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике. - М.: Мир, 1990, с. 106.

В высокочастотном широкополосном двухтактном усилителе мощности, содержащем два усилителя мощности (1), симметрирующий трансформатор (3), соединительный кабель (6) и переключаемые поддиапазонные фильтры гармоник (8), использован фильтр нижних частот (ФНЧ) с частотой среза, превышающей верхнюю рабочую частоту усилителя мощности (1). Первый конденсатор (2) ФНЧ устанавливается на входе симметрирующего трансформатора (3). Последовательная индуктивность (4) и параллельный входу соединительного кабеля конденсатор (5) ФНЧ включаются в несимметричной цепи между симметрирующим трансформатором (3) и соединительным кабелем (6). Технический результат: повышение КПД и линейности. 1 ил.

Высокочастотный широкополосный усилитель мощности, содержащий двухтактный усилительный каскад, симметрирующий трансформатор, соединительный кабель и переключаемые поддиапазонные фильтры гармоник и, отличающийся тем, что, сигнал усилительного каскада передается к соединительному кабелю и переключаемым поддиапазонным фильтрам гармоник через фильтр нижних частот (ФНЧ) с частотой среза, превышающей верхнюю рабочую частоту усилителя мощности, причем первый конденсатор ФНЧ устанавливается параллельно выходным электродам усилителя мощности на входе симметрирующего трансформатора, а последовательная индуктивность и параллельный входу соединительного кабеля конденсатор ФНЧ включаются в несимметричной цепи между симметрирующим трансформатором и соединительным кабелем.