РАДИОЧАСТОТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ Российский патент 2011 года по МПК H03F1/32 H03F1/06 

Настоящее изобретение относится к радиочастотным усилителям мощности.

Область техники, к которой относится изобретение

Общим требованием, особенно для применений искусственных спутников, является то, что каждый элемент многоэлементной антенной решетки, например фазированных решеток, можно возбуждать с помощью соответствующего блока питания и одиночного усилителя мощности. Сигналом усиленной мощности для каждой антенны можно точно управлять по амплитуде и фазе относительно других элементов антенны. Для этой цели обычно используют твердотельные усилители мощности (solid state power amplifiers, SSPAs), но усилители должны удовлетворять строгой линейности, кпд и амплитудно-фазовым следящим характеристикам, требуемым для эксплуатации в активных антенных решетках.

Уровень нелинейных искажений, кпд и линейность усилителя можно оптимизировать при заданной выходной радиочастотной мощности путем тщательного подбора условий смещения. Однако, поскольку возбуждение усилителя уменьшено, усилитель сбрасывает мощность, и амплитуда становится менее искаженной, что приводит к падению кпд. Линейность повышается, но во многих случаях это не является применимым требованием. При эксплуатации активных антенных решеток это приводит к тому, что в некоторых или во всех усилителях работа при кпд, меньшем оптимального, зависит от информационных нагрузок и условий наведения луча (которые могут придавать амплитуде, проходящей через решетку, «конусность», когда усилители имеют плавно снижающуюся, проходящую через решетку выходную амплитуду).

Во избежание сомнений, термины, используемые выше, имеют следующие значения.

Нелинейные искажения: могут быть обозначены, например, как: уменьшение «дифференциального» или «наклонного» усиления, вызванного нелинейностью переходных характеристик усилителя. Нелинейные искажения можно понимать как уровень отклонения от линейного усиления, поскольку у усилителя приближают его характеристики насыщения к максимальному усилению.

Сброс мощности: величина, на которую входная мощность и выходная мощность уменьшаются, в связи с тем что рабочая точка усилителя перемещается вдоль его рабочей характеристики от состояния высокой мощности к состоянию его низкой мощности.

КПД: отношение выходной радиочастотной мощности, предназначенной для передачи, к входной мощности постоянного тока, обеспечиваемой блоком питания.

Линейность: как описано здесь, существуют различные меры линейности, но общей мерой является соотношение взаимной модуляции несущей (соотношение C/l - отношение мощности в целевом канале к мощности «утечки» в соседний канал многоканальной системы).

Автоматическое регулирование смещения усилителя для минимизации падения кпд при сбросе мощности раскрыто для усилителей мощности, разработанных компанией Silicon Bipolar Transistors (Кремниевые биполярные транзисторы) в работе «Последние разработки в технологии твердотельных усилителей мощности и их применимость для мобильных систем космических сегментов третьего поколения», страницы 264-268, Четвертая Международная конференция по спутниковым системам для мобильных систем связи и навигации; октябрь, 1988 г. Такая технология представляет собой аналоговую технологию, включающую в себя регулировку база-эмиттерного напряжения биполярных выходных транзисторов. Такая технология не может быть создана для работы с усилителями, использующими транзисторы с полевым эффектом (Field Effect Transistors, FETs), и поэтому для усилителей она строго ограничена для потокового использования.

Другая более сложная известная технология - в особенности усилители Chireix outphasing (LINC) и усилители Догерти. Эти устройства требуют разделения входного сигнала на два параллельных усилительных тракта, с последующим комбинированием усиленных сигналов. Такие технологии сложны для запуска и первоначально предназначены для максимизации кпд при заданном сбросе мощности, когда усилитель демонстрирует очень высокую линейность.

Ни одна из вышеупомянутых технологий не направлена на выполнение требований, касающихся усилителей, функционирующих в современной активной решетке антенн. Основное необходимое условие для таких усилителей состоит в том, что они должны отслеживать друг друга по коэффициенту усиления и фазе передачи, а во многих случаях усилители функционируют при различных уровнях возбуждения и температурах.

В работе «Решения для полосового усилителя мощности для космического сегмента ИНМАРСАТ (International Maritime Satellite Organization Международная организация морской спутниковой связи, ИНМАРСАТ)», семинар IEE по микроволновым и радиочастотным усилителям мощности, 7 декабря, 2000 г., Д. Сеймур, страницы 6/1-6/6, раскрыта система для регулирования твердотельного усилителя мощности (solid state power amplifier, SSPA) по коэффициенту усиления, крутизне амплитудно-частотной характеристики и фазе, таким образом, чтобы эти характеристики оставались строго постоянными, и чтобы они отслеживались относительно других SSPA решетки, с большим количеством SSPA. Система включает в себя электронный стабилизатор напряжения (Electronic Power Conditioner, EPC), который представляет собой блок питания, адаптированный для использования в космических приложениях. Управление ASIC (applications specific integrated circuit, специализированная интегральная схема) принимает сигнал температуры усилителя и входной питающий сигнал усилителя и получает доступ к цифровым компенсационным данным, содержащимся в (electrically erasable programmable read-only memory, электрически стираемое программируемое постоянное запоминиющее устройство) для обеспечения, в зависимости от получаемых сигналов, соответствующих аналоговых управляющих сигналов, для управления коэффициентом усиления, крутизной амплитудно-частотной характеристики и фазой усилителя.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей EEPROM настоящего изобретения является обеспечение системы усилителя, которая может значительно улучшить характеристики усилителя во всем динамическом диапазоне.

Согласно своей первой особенности изобретение обеспечивает систему усилителя для питания электроэнергией элемента антенны, причем система усилителя содержит:

средство радиочастотного усилителя, имеющее канал, усиливающий сигнал, который включает в себя, по меньшей мере, силовой выходной каскад;

средство источника питания электроэнергией, для обеспечения переменного значения напряжения постоянного тока для электропитания, по меньшей мере, упомянутого силового выходного каскада упомянутого средства радиочастотного усилителя;

средство управления для приема в качестве управляющего входного сигнала входной мощности от упомянутого средства радиочастотного усилителя, для обеспечения, в ответ на управляющий входной сигнал, сигнала управления напряжением для упомянутого средства источника электропитания, для определения значения упомянутого напряжения постоянного тока;

и упомянутое средство управления, установленное таким образом, чтобы значение упомянутого напряжения постоянного тока для упомянутого силового выходного каскада изменялось так, чтобы управлять нелинейными искажениями упомянутого средства радиочастотного усилителя для изменения значений упомянутой входной мощности, пригодное для регулирования, по меньшей мере, одной из характеристик: линейности усилителя, кпд усилителя и теплового рассеивания упомянутого средства радиочастотного усилителя.

Согласно своей второй особенности изобретение обеспечивает систему усилителя для электропитания элемента антенны, причем система усилителя содержит:

средство радиочастотного усилителя, имеющее канал, усиливающий сигнал, который включает в себя, по меньшей мере, силовой выходной каскад;

средство источника электропитания для обеспечения изменяемого значения напряжения постоянного тока для электропитания, по меньшей мере, упомянутого силового выходного каскада упомянутого средства радиочастотного усилителя;

средство управления для приема в качестве управляющего входного сигнала сигнала входной мощности от упомянутого средства радиочастотного усилителя, для обеспечения, в ответ на управляющий входной сигнал, сигнала управления напряжением для упомянутого средства источника питания, для определения значения упомянутого напряжения постоянного тока;

и упомянутое средство управления, включающее в себя средство хранения, которое содержит набор управляющих слов, которые задают выходные значения упомянутого сигнала управления напряжением для изменения значений упомянутой входной мощности, посредством которого изменяют значение упомянутого напряжения постоянного тока, и посредством которого управляют заданным параметром упомянутого средства радиочастотного усилителя.

Система усилителя в соответствии с изобретением может питать одноэлементную антенну для космической, воздушной или наземно базируемой передачи. Однако система усилителя адаптирована конкретно для возбуждения соответствующего элемента многоэлементной антенны или антенной решетки для космического корабля. Таким образом, обеспечено множество таких усилительных систем, возбуждающих соответствующие элементы антенны, например удобно размещенные в виде матричного усилителя мощности (Matrix Power Amplifier, MPA). Предпочтительно, чтобы усилительная система представляла собой твердотельный усилитель мощности (solid state power amplifiers, SSPA), адаптированный для космических применений, который включает в себя радиочастотный усилитель, электронный стабилизатор напряжения и секцию управления. Секция управления может быть выполнена на той же монтажной плате или интегрирована с компонентами радиочастотного усилителя. Радиочастотный усилитель имеет усиливающий канал, обычно включающий в себя предварительный усилитель, усилитель-формирователь и усилитель мощности или силовой выходной каскад. По желанию, силовой выходной каскад может содержать множество усилительных блоков, установленных в последовательной/параллельной решетке.

Силовой выходной каскад может включать в себя один или несколько силовых транзисторов. В соответствии с предпочтительным вариантом современной технологии, силовые транзисторы представляют собой полевые транзисторы (field-effect transistor, FETs), но они могут быть и биполярными транзисторами, или транзисторами, которые еще не имеют общего промышленного применения. Существуют различные типы транзисторов, все рассматриваемые как FET, например HFET (Heterojunction Field-Effect Transistor, полевой транзистор с управляющим гетеропереходом), PHEMT (Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor, транзистор с высокой подвижностью электронов). Силовые транзисторы могут быть изготовлены из высококачественного GaAs или GaN, или из других материалов, таких как Si, SiGe, SiC, алмаз, пластмассы. Не исключены и термоионные устройства, такие как TWTA (traveling-wave-tube amplifier, усилитель на лампе бегущей волны).

Средство источника электропитания для системы усилителя может содержать электронный стабилизатор напряжения (Electronic Power Conditioner, EPC), который адаптирован для использования в космических применениях, и принимает питание от шины питания космического корабля, и обеспечивает управляемое напряжение питания постоянного тока (основное вторичное напряжение) для питания средства радиочастотного усилителя и средства управления. Для усилителей с FET транзисторами напряжение постоянного тока представляет собой напряжение стока FET транзистора. В соответствии с изобретением величину напряжения питания постоянного тока, подаваемого на выходной каскад радиочастотного усилителя, регулируют в зависимости от управляющего входного сигнала, подаваемого на блок питания со средства управления. Предпочтительно, величину напряжения питания постоянного тока, подаваемого на предконечный каскад радиочастотного усилителя, регулируют аналогичным образом.

Средство управления, при использовании SSPA, может представлять собой интегральные схемы, установленные на тех же монтажных платах, что и радиочастотный усилитель; в качестве альтернативы его можно сформировать отдельно от усилителя. Такое средство управления принимает управляющие входные сигналы с усилителя, главным образом, сигнал входной мощности и сигнал температуры, и обеспечивает управляющие выходные сигналы для управления выбранными параметрами усилителя, например коэффициентом усиления, фазой передачи и крутизны амплитудно-частотной характеристики (за счет регулирования характеристик предусилителя). В соответствии с изобретением средство управления обеспечивает управляющий выходной сигнал для средства источника питания для изменения напряжения питания постоянного тока, подаваемого на выходной силовой каскад усилителя мощности, для управления выбранными параметрами усилителя. Основными параметрами для управления являются линейность и кпд. Однако можно управлять и другими параметрами, например тепловым рассеянием. Как указано выше, важной единицей измерения линейности является соотношение C/l, однако можно использовать и другие единицы измерения, такие как коэффициент мощности шума (Noise Power Ratio, NPR) или коэффициент мощности соседнего канала (Adjacent Channel Power Ratio, ACPR). Соотношение C/l обычно используют для систем с несколькими несущими, но ACPR можно использовать для систем с одной несущей, где можно определить мощность в боковых лепестках единственной несущей, относительно мощности в главном лепестке.

Желаемый способ управления состоит в поддержании постоянной линейности (интермодуляционное соотношение несущей (C/l)), или линейности, находящейся в желаемых пределах, при поддержании кпд в приемлемых пределах, для изменения значений входного сигнала усилителя, выше желаемого диапазона значений радиочастотного выходного сигнала. В качестве альтернативы, тепловое рассеяние или кпд можно поддерживать постоянным. Для этой цели в изобретении регулируют нелинейные искажения, для изменения уровней входной мощности, путем изменения питающего напряжения постоянного тока, подаваемого на силовой выходной каскад радиочастотного усилителя.

Это может быть возможным для управления обеспечением вышеописанного способа управления, по меньшей мере, частично с помощью цифровых и аналоговых схем и телеуправляемых сигналов. Схемы средства управления можно обеспечить в любой удобной форме, например в форме ASIC, которые были приняты подходящими. В соответствии с изобретением является предпочтительным, чтобы был предусмотрен EEPROM или другое долговременное средство хранения, в котором содержатся данные, в форме массива управляющих слов, которые задают управляющие выходные значения для достижения желаемых состояний выходного сигнала усилителя. Таким образом, если желательным является поддержание линейности постоянной в желательном диапазоне для изменения значений радиочастотной входной мощности, управляющие слова будут содержать массив соответствующих питающих напряжений постоянного тока для изменения радиочастотной входной мощности. Если предусмотрены другие входные сигналы, такие как температура, и другие выходные сигналы, такие как радиочастотная выходная мощность и фаза, то размеры массива и количество секций управляющих слов будут соответствующим образом повышаться.

Для обеспечения управляющих слов осуществляют исходный процесс характеризации системы усилителя, при котором желаемый параметр усилителя, такой как линейность, подвергается цифровому управлению посредством испытательного оборудования, до постоянного значения, при изменении входной мощности, при выполнении всего набора технических требований. Питающее напряжение постоянного тока подвергают цифровому управлению для поддержания нелинейных искажений выходного каскада усилителя в требуемых значениях для поддержания линейности постоянной. Записанные управляющие слова отображают соответствующие значения питающего напряжения постоянного тока для значений входной мощности. Ограниченный комплект управляющих слов можно хранить (важнейшие точки), а процесс интерполяции можно осуществлять для определения управляющих слов для промежуточных значений входных/выходных сигналов.

Таким образом, настоящее изобретение, по меньшей мере, в своей предпочтительной форме отображает встроенную бортовую автономную и/или телеуправляемую технологию управления, в которой посредством смешанной аналоговой и цифровой электронной схемы, соединенной с электронной памятью, которая содержит данные (полученные из наземных испытаний),

• линейность и

• кпд суммарной мощности, вместе с любым или всеми параметрами:

• коэффициент усиления,

• относительный коэффициент усиления частотной характеристики,

• фазы передачи твердотельного усилителя мощности.

одновременно автоматически поддерживаются на постоянных уровнях (или на близких к постоянным уровням) и находятся выше заданных пороговых значений, тогда как усилитель возбуждают при широком диапазоне уровней выходной мощности, и подвергаются температурным изменениям.

Изобретение может содержать встроенную бортовую технологию управления, в которой посредством управления степенью нелинейных искажений усилителя может проявляться значительное повышение кпд усилителя при широком диапазоне уровней выходной мощности. Возможность сделать это нашло различные воплощения в различных типах усилителя и его применений, а функциональная возможность изобретения может быть расширена до одновременного управления другими параметрами усилителя, если потребуется. При использовании на космических кораблях на уровне полезной нагрузки изобретение является фактором, способствующим получению высокоэффективных активных антенных решеток для гибкого обзора поверхности Земли, и дает возможность для исключения дорогостоящей и работающей с большими потерями сети Output Networks.

Изобретение обеспечивает уникальную степень гибкости усилителя, поскольку существует потенциально проблематичное взаимодействие с коэффициентом усиления усилителя, которое в любом реальном применении может быть неприемлемым, и ее достижение аналоговыми средствами может быть крайне сложным/нецелесообразным. Это дополнительно подчеркивается при принятии во внимание типичных требований для эксплуатации при верхних значениях температуры.

Согласно альтернативному варианту воплощения изобретения управление нелинейными искажениями усилителя и кпд осуществляют через телеуправление. В данном случае усилитель может демонстрировать требуемые нелинейные искажения и кпд, но только при дискретных, телеуправляемых установочных параметрах выходной мощности.

Краткое описание чертежей

Предпочтительные варианты воплощения изобретения далее будут описаны со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых:

Фиг.1 представляет собой принципиальную схему примерного средства управления, используемого в предпочтительных вариантах воплощения изобретения;

Фиг.2 представляет собой схематическую блок-схему первого предпочтительного варианта воплощения изобретения;

Фиг.3 представляет собой схематическую блок-схему второго предпочтительного варианта воплощения изобретения;

Фиг.4 представляет собой график, иллюстрирующий рабочие характеристики SSPA согласно известному уровню техники;

Фиг.5 представляет собой график, иллюстрирующий рабочие характеристики, ожидаемые в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.6 представляет собой график, иллюстрирующий рабочие характеристики, ожидаемые в соответствии с настоящим изобретением для системы с несколькими несущими, в которой использованы силовые транзисторы на основе GaN в выходном каскаде;

Фиг.7 представляет собой график, иллюстрирующий рабочие характеристики, ожидаемые в соответствии с настоящим изобретением для системы с одной несущей, в которой использованы силовые транзисторы на основе GaN в выходном каскаде;

Фиг.8 представляет собой схематическую блок-схему третьего предпочтительного варианта воплощения изобретения;

Фиг.9 представляет собой более подробное изображение средства управления согласно Фиг.1; и

Фиг.10 представляет собой концептуальную блок-схему системы усилителя согласно настоящему изобретению, в качестве примера которого приведен SSPA.

Описание предпочтительного варианта воплощения

Рассмотрим сначала Фиг.10, где система усилителя согласно изобретению в одной примерной форме внедрена в виде твердотельного усилителя мощности (solid state power amplifier, SSPA), в котором секция источника питания содержит электронный стабилизатор напряжения (Electronic Power Conditioner, EPC) 10, причем секция 12 радиочастотного усилителя имеет канал усиления, включающий в себя предварительный усилитель 14, усилитель-формирователь 16 (предконечный каскад усилителя мощности) и усилитель мощности 18 (выходной каскад). Секция управления содержит цифровую 20 схему управления (digital control scheme, DCS), которая обеспечивает управляющими выходными сигналами предварительный 14 усилитель, и EPC 10. В частности, DCS 20 обеспечивает аналоговый управляющий сигнал по линии 22 в EPC 10, цифровой сигнал по линии 24 на фазовое управление 26 в предварительном усилителе 14 (в качестве альтернативы можно использовать аналоговое фазовое управление), аналоговый управляющий сигнал по линии 28 на управление 30 крутизной амплитудно-частотной характеристики и аналоговый управляющий сигнал по линии 32 на управление 34 коэффициентом усиления в предварительном усилителе 14. EPC 10 обеспечивает изменяемое напряжение 36 источника электропитания постоянного тока (напряжения стока или напряжения стока источника) на выходной каскад 18 и предконечный каскад 16 усилителя мощности.

Обратимся к Фиг.1 и 9, где DCS 20 состоит из смешанного управления аналогово-цифровых сигналов ASIC 40 и электронного стираемого постоянного запоминающего устройства 42 (Electronically Erasable Read Only Memory, EEPROM). Управление ASIC имеет два аналоговых входных порта 44, 46 опорных сигналов и три аналоговых (22, 28, 32) плюс один последовательный цифровой (24) выходных портов управления, доступных для пользователя. Как правило, входные опорные сигналы 44, 46 (обычно температура и входная мощность усилителя) оцифровываются в аналогово-цифровых преобразователях 48 и управляют блоком 49 цифровой обработки управления ASIC, считывающего значащие управляющие слова, хранящиеся в EEPROM. Управляющие слова 50 можно удобно хранить в матричной форме, показанной схематически в виде рядов для входной мощности и столбцов для входной температуры. Доступные управляющие слова затем обрабатываются посредством ASIC и оцифровываются в цифроаналоговых преобразователях 52 для обеспечения управляющих сигналов в его выходных портах 22-32. Управление ASIC 40 имеет программируемый интерфейс I2C 54 (могут быть использованы и другие стандартные интерфейсы), в результате чего может запрашиваться EEPROM, загруженная и считываемая в ходе запуска усилителя или процесса характеризации.

Для всех вариантов воплощения, описанных в настоящем документе, принцип работы DCS 20 состоит в том, что усилитель, как часть процесса обработки, «охарактеризован» по всему диапазону его технических требований, особенно по диапазону входной мощности и температуры. В ходе данного процесса характеризации требуемые параметры управляются посредством программного обеспечения и испытательного оборудования, сопряженного с DCS, посредством цифровой настройки до желаемых значений, и, затем, полученные цифровые «управляющие слова» записывают. Таким образом, набирают массив цифровых управляющих слов 50 или «важнейших точек». Программное обеспечение может интерполировать между важнейшими точками для составления полного «скорректированного массива», который загружают в EEPROM 42. В качестве альтернативы в EEPROM 42 хранятся только важнейшие точки, с интерполяцией, выполняемой в реальном времени посредством ASIC 40. В обеих схемах результат состоит в том, что используются данные EEPROM, посредством схем в ASIC, для приведения в действие корректирующих элементов, включенных в конструкцию усилителя для достижения требуемой характеристики.

Фиг.2 иллюстрирует первый вариант воплощения изобретения, с частями, подобными частям на Фиг.1, 9 и 10 и обозначенными одинаковыми номерами ссылок (также как и для всех последующих фигур). В данном случае на DCS 20 подают одиночный входной опорный сигнал 46 от радиочастотного усилителя 12, напряжение которого связано с его входной мощностью. Используют только один из аналоговых выходных сигналов 22 DCS, и он сопряжен с EPC 10 для управления подачей основного напряжения 36 на управляющий 16 и выходной 18 сток полевых транзисторов FET. В ходе процесса характеризации усилитель используют по всему его динамическому диапазону входной мощности и, посредством вышеупомянутого программного обеспечения и испытательного оборудования, осуществляют цифровое управление основным напряжением 36 EPC для поддержания предконечного и выходного каскадов 16, 18 радиочастотного усилителя при требуемой нелинейности искажений, в целях поддержания постоянного соотношения C/l.

Вариант воплощения согласно Фиг.2 представляет собой минимальную конфигурацию. На практике, коэффициент усиления усилителя может изменяться регулированием подачи питания стока на возбуждение и выход FET-транзистора, а также могут возникнуть температурные эффекты, с которыми возможно придется иметь дело. Поэтому второй вариант воплощения, показанный на Фиг.3, иллюстрирует конфигурацию изобретения, которое имеет большее практическое применение, где также используют DCS 20 для поддержания полного коэффициента усиления усилителя на постоянном уровне на всем рабочем динамическом диапазоне и температурном диапазоне. Второй опорный входной сигнал 44 подают на DCS 22 от температурного 60 датчика, выполненного на плате усилителя, а второй аналоговый выходной сигнал 32 используют для возбуждения регулируемого аттенюатора 34 (или другого цифрового или аналогового устройства с переменным коэффициентом усиления/ослабления) в радиочастотной цепи. В ходе процесса характеризации усилитель используют по всему динамическому диапазону его входной мощности и по всему диапазону рабочих температур. Таким образом, данные набираются не только для настройки нелинейных искажений с помощью возбуждающего входного сигнала, а также для исключения любых нежелательных изменений нелинейных искажений и абсолютного коэффициента усиления с температурой.

Сравнение между собой характеристик усилителя со смещением фиксированного класса A/B, оптимизированного для конкретной требуемой выходной мощности, и характеристик, предполагаемых согласно настоящему изобретению, приведено на Фиг.4 и 5. В усилителе использованы управляющий и выходной FET-транзисторы на основе GaAs, и он включает в себя секцию предварительного усилителя для повышения коэффициента усиления. Фиг.4 иллюстрирует случай фиксированного смещения, где условия смещения, в частности источник напряжения стока, в данном случае были отрегулированы и зафиксированы для достижения оптимальных характеристик в обычной рабочей точке (normal operating point, NOP), составляющей в данном случае чуть менее 12,0 дБ·Вт. Можно видеть, что максимальный кпд в 31% достигается при соотношении трехтональной несущей к интермодуляции (C/l), равном 20 дБ; это значение является типичной добротностью для мобильного усилителя мощности. Однако, поскольку усилитель сбрасывает мощность, кпд падает достаточно быстро, возникает повышение C/l, но это обычно не является техническим требованием системы. Поскольку данный усилитель снабжен DCS, спроектированной для управления полным коэффициентом усиления усилителя в динамическом диапазоне, то факт, что усилитель имеет нелинейные искажения в 2дБ, остается нераскрытым.

Фиг.5 иллюстрирует улучшение характеристик того же усилителя, включенного в вариант воплощения согласно Фиг.3. В данном случае функция DCS 20 расширена до автоматического поддержания соотношения C/l усилителя на уровне 20 дБ на всем динамическом диапазоне выходной мощности, находящемся чуть выше 3 дБ. Управление нелинейными искажениями скрыто в DCS, также управляющей полным коэффициентом усиления усилителя. Из Фиг.5 непосредственно видно, что, хотя максимальный кпд не больше кпд для случаев фиксированного смещения, кпд при сбросе мощности сильно повышен, а точнее более 30% в диапазоне выходной мощности 10,5-22 Вт. Динамический диапазон, выше которого данные характеристики могут быть достигнуты, зависит от минимальной допустимой линейности (C/l), требуемой, но, в конечном счете, ограниченной пределами допустимого напряжения для управляющего и выходного FET-транзистора.

Следует отметить, что изобретение в равной мере можно применить для достижения постоянного кпд или даже постоянной характеристики рассеяния во всем заданном динамическом диапазоне.

Настоящее изобретение можно применить к FET-транзиторам, в которых соединена технология широкополосного промежутка на основе нитрида галлия (GaN), а благодаря более высокому диапазону напряжения стока, допускаемому при использовании этих компонентов, можно получить намного более широкие динамические диапазоны.

Фиг.6 иллюстрирует ожидаемые характеристики единичного выходного каскада на основе GaN в режиме работы с несколькими несущими и при применении изобретения для поддержания соотношения C/l постоянным и равным 20 дБ. В данном случае во всем динамическом диапазоне выходной мощности, вблизи 4 дБ (63-26 Вт), кпд поддерживается выше 45%.

Фиг.7 иллюстрирует ожидаемые характеристики для такого же выходного каскада на основе GaN в режиме работы с одной несущей, где, в данном случае, нелинейное искажение отрегулировано до достижения постоянного значения 2 дБ. Из Фиг.7 видно, что во всем динамическом диапазоне выходной мощности 126-52 Вт кпд поддерживается выше 56%.

Фиг.8 иллюстрирует третий вариант воплощения изобретения, где DCS 20 расширена до ее максимальной способности к применению для работы усилителя в фазированной решетчатой антенне передающего спутника для связи с подвижными объектами. Здесь требуется, чтобы все усилители отслеживали друг за другом по коэффициенту усиления и фазе передачи при повышенной температуре и при работе на различных радиочастотных уровнях возбуждения. Таким образом, по сравнению со вторым вариантом воплощения согласно Фиг.3, обеспечены линии 24, 28 управления, управляемая фаза и крутизна амплитудно-частотной характеристики 26, 30. Схемы DCS в настоящее время используют для достижения таких характеристик, указанных на Фиг.5-7 при одновременном управлении усилителем выше требуемого динамического диапазона и температуры, как:

• полный коэффициент усиления,

• фаза передачи,

• амплитудно-частотная характеристика.

В модификациях настоящего изобретения метод достижения управления нелинейных искажений усилителя и кпд осуществляется посредством телеуправления. В данном случае усилитель демонстрирует требуемое нелинейное искажение и кпд, но только при дискретных, телеуправляемых установочных параметрах выходной мощности. Под действием входного телеуправляемого сигнала, на EPC 10, EPC 10 изменяет напряжение 36 питания стока радиочастотного усилителя 12 до достижения им заданного значения. Некоторые такие значения можно регулировать посредством команд. Это может привести к приближенной форме управления, которая может быть приемлемой в некоторых обстоятельствах.

На практике, коэффициент усиления усилителя будет изменяться при изменении напряжения стока, управляемого посредством команд, и это возможно придется компенсировать. Дополнительно, может потребоваться температурная компенсация коэффициента усиления. Следовательно, такая альтернатива телеуправления может по желанию включать в себя схему DCS 20, которая в свою очередь включает в себя EEPROM 42 для компенсации изменения коэффициента усиления. Если требуется, чтобы усилитель продемонстрировал постоянный коэффициент усиления и фазовую характеристику, требуемую для работы в фазированных антенных решетках, то можно использовать DCS, аналогичные тем, которые использованы на Фиг.8, причем в EEPROM можно хранить таблицу коррекции данных для каждого уровня телеуправляемых сигналов.

Изобретение относится к твердотельным усилителям мощности (solid state power amplifier, SSPA) для питания электроэнергией единичного элемента многоэлементной антенны. Технический результат: повышение точности и эффективности. SSPA содержит радиочастотный усилитель, имеющий усиливающий сигнал канал, который включает в себя предварительный усилитель, оконечный усилитель (16) и силовой выходной каскад (18), электронный стабилизатор напряжения (Electronic Power Conditioner, ЕРС) для обеспечения переменного значения напряжения постоянного тока для питания электроэнергией силового выходного каскада (18) радиочастотного усилителя; управление ASIC (40) для приема входного питающего сигнала (46) радиочастотного усилителя для обеспечения сигнала управления напряжением на ЕРС для определения значения напряжения постоянного тока, причем управление ASIC, обращающееся к памяти EEPROM (42), в которой хранится набор управляющих слов, определяющих выходные значения управляющего выходного сигнала для изменения значений упомянутой входной мощности, вследствие чего можно изменять значение напряжения (36) постоянного тока силового выходного каскада (18), для управления нелинейными искажениями радиочастотного усилителя для изменения значений входной мощности в целях поддержания постоянной линейности усилителя. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Система усилителя для электропитания элемента антенны, причем система усилителя содержит:
средство радиочастотного усилителя, имеющее канал, усиливающий сигнал, который включает в себя, по меньшей мере, силовой выходной каскад;
средство источника электропитания для обеспечения изменяемого значения напряжения постоянного тока для электропитания, по меньшей мере, упомянутого силового выходного каскада упомянутого средства радиочастотного усилителя;
средство управления для приема в качестве первого управляющего входного сигнала сигнала входной мощности упомянутого средства радиочастотного усилителя и в качестве второго управляющего входного сигнала сигнала температуры средства радиочастотного усилителя для обеспечения в ответ на первый и второй управляющие входные сигналы сигнала управления напряжением для упомянутого средства источника электропитания для определения значения упомянутого напряжения постоянного тока;
и упомянутое средство управления, установленное таким образом, чтобы значение упомянутого напряжения постоянного тока для упомянутого силового выходного каскада изменялось так, чтобы управлять нелинейными искажениями упомянутого средства радиочастотного усилителя для изменения значений упомянутой входной мощности и температуры для регулирования, по меньшей мере, одного из: линейности усилителя, кпд усилителя и теплового рассеивания упомянутого средства радиочастотного усилителя.

2. Система усилителя по п.1, в которой линейность усилителя поддерживают постоянной или в заданных пределах во всем желаемом диапазоне.

3. Система усилителя по п.1, в которой упомянутое средство радиочастотного усилителя включает в себя предконечный каскад усилителя мощности, причем упомянутое средство источника электропитания установлено для обеспечения упомянутого изменяемого значения напряжения постоянного тока для предконечного каскада усилителя мощности.

4. Система усилителя по п.1, в которой средство управления установлено для обеспечения телеуправляемых сигналов на упомянутое средство источника электропитания для определения значения упомянутого напряжения постоянного тока.

5. Система усилителя по пп.1-4, в которой упомянутое средство радиочастотного усилителя включает в себя средство предварительного усилителя, имеющее средство для изменения, по меньшей мере, одного из: коэффициента усиления, крутизны амплитудно-частотной характеристики усилителя и фазы передачи, а упомянутое средство управления обеспечивается, по меньшей мере, одним управляющим выходным сигналом для управления, по меньшей мере, одним из: коэффициентом усиления, крутизной амплитудно-частотной характеристики усилителя и фазой передачи.

6. Система усилителя по любому одному пп.1-4, в которой средство управления включает в себя средство хранения, которое содержит набор управляющих слов, которые задают значения упомянутого сигнала управления напряжением для изменения значений упомянутого сигнала входной мощности и упомянутого сигнала температуры.

7. Система усилителя по п.6, в которой упомянутое средство управления включает в себя схемное средство для приема упомянутых управляющих входных сигналов упомянутого сигнала, входной мощности и сигнала температуры и для обращения в ответ на них к упомянутому средству хранения для доступа к одному из упомянутых управляющих слов, а также для обеспечения упомянутого сигнала управления напряжением значением, определяемым упомянутым одним управляющим словом.

8. Система усилителя по п.7, в которой упомянутое средство радиочастотного усилителя включает в себя средство предварительного усилителя, имеющее средство для изменения, по меньшей мере, одного из: коэффициента усиления, крутизны амплитудно-частотной характеристики усилителя и фазы передачи, а упомянутое средство управления обеспечивается, по меньшей мере, одним управляющим выходным сигналом для управления, по меньшей мере, одним из: коэффициентом усиления, крутизной амплитудно-частотной характеристики усилителя и фазой передачи.

9. Система усилителя по п.8, в которой упомянутый набор управляющих слов определяет значения упомянутого одного управляющего выходного сигнала для изменения значений упомянутого сигнала входной мощности и/или упомянутого сигнала температуры.

10. Система усилителя по п.1, в которой упомянутый силовой выходной каскад включает в себя, по меньшей мере, один силовой транзистор.

11. Система усилителя по п.10, в которой упомянутый один силовой транзистор содержит FET.

12. Система усилителя по п.1, содержащая твердотельный усилитель мощности, включающий в себя упомянутое средство радиочастотного усилителя и упомянутое средство управления, смонтированное на одной или нескольких монтажных платах, а упомянутое средство источника электропитания содержит электронный стабилизатор напряжения.

13. Система усилителя по п.1, в которой антенна является одиночным элементом многоэлементной антенны.

14. Способ управления системой усилителя для электропитания элемента антенны, система усилителя содержит средство радиочастотного усилителя, имеющее канал, усиливающий сигнал, который включает в себя, по меньшей мере, силовой выходной каскад; и средство источника электропитания для обеспечения напряжения постоянного тока для электропитания, по меньшей мере, упомянутого силового выходного каскада упомянутого средства радиочастотного усилителя; при этом способ содержит этапы, на которых:
контролируют входную мощность на упомянутом средстве радиочастотного усилителя и температуру на средстве радиочастотного усилителя и
изменяют, в ответ на упомянутую входную мощность и температуру, значение упомянутого напряжения постоянного тока, посредством которого управляют нелинейными искажениями упомянутого средства радиочастотного усилителя для изменения значений упомянутой входной мощности и температуры в целях регулирования, по меньшей мере, одного из: линейности усилителя, кпд усилителя и теплового рассеяния средства радиочастотного усилителя.

15. Система усилителя для электропитания элемента антенны, система усилителя содержит:
средство радиочастотного усилителя, имеющее канал, усиливающий сигнал, который включает в себя, по меньшей мере, силовой выходной каскад;
средство источника электропитания для обеспечения изменяемого значения напряжения постоянного тока для электропитания, по меньшей мере, упомянутого силового выходного каскада упомянутого средства радиочастотного усилителя;
средство управления для приема в качестве первого управляющего входного сигнала сигнала входной мощности от упомянутого средства радиочастотного усилителя и в качестве второго управляющего входного сигнала сигнала температуры средства радиочастотного усилителя для обеспечения в ответ на первый и второй управляющие входные сигналы сигнала управления напряжением для упомянутого средства источника электропитания для определения значения упомянутого напряжения постоянного тока; и
средство управления, включающее в себя средство хранения, которое содержит набор управляющих слов, которые задают выходные значения упомянутого сигнала управления напряжением для изменения значений упомянутого сигнала входной мощности и упомянутого сигнала температуры, посредством чего изменяют значение упомянутого напряжения постоянного тока и таким образом управляют заданным параметром упомянутого средства радиочастотного усилителя.