КЛЮЧЕВОЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ Российский патент 2015 года по МПК H03F3/00 

Настоящее изобретение относится к области электрорадиотехники, а именно к ключевым усилителям высокой частоты, и может быть использовано в радиопередатчиках.

Одним из основных параметров радиопередатчиков является линейность усиления, что в полной мере относится и к передатчикам с ключевыми усилителями мощности.

Известны ключевые усилители с улучшенной линейностью усиления, например а.с. СССР №1104647, H03F 3/217, 1984, а.с. СССР №1314438, а.с. СССР №1490704, H03F 3/217, 1989.

Известен также ключевой усилитель мощности: патент РФ №2400923, H03F 3/217 от 07.04.2008. «КЛЮЧЕВОЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ» (прототип), Беда С.И., Муравченко В.Л., Катанович А.А., Хотулева Н.В., содержащий широтно-импульсный модулятор, высокочастотный разветвитель, двухтактный выходной каскад, однотипные усилительные элементы (транзисторы), сумматор и выходной фильтр.

Недостатком, как аналогов, так и прототипа, является наличие гармоник четных порядков в спектре усиливаемого сигнала (при этом, как показала практика, использование двухтактных схем усиления не решает проблемы ослабления четных гармоник до уровней, отвечающих все возрастающим требованиям, предъявляемым к современным усилителям мощности высокой частоты).

Целью изобретения является улучшение линейности усиления ключевых усилителей мощности за счет существенного снижения уровня гармоник четных порядков в спектре усиливаемого сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что в ключевой усилитель мощности, содержащий широтно-импульсный модулятор, высокочастотный разветвитель, выходной усилитель, содержащий N однотипных усилительных элементов, сумматор и выходной фильтр, дополнительно включен предварительный усилитель с режимом усиления класса «А», причем выход предварительного усилителя соединен со входом широтно-импульсного модулятора, выход которого соединен со входом высокочастотного разветвителя, N выходов которого соединены со входами N усилительных элементов выходного каскада, N выходов которого соединены с N входами сумматора, выход которого соединен со входом выходного фильтра.

Структурная схема предлагаемого ключевого усилителя мощности изображена на Фиг.1.

Ключевой усилитель мощности состоит из следующих функциональных блоков:

1 - предварительный усилитель;

2 - широтно-импульсный модулятор;

3 - высокочастотный разветвитель;

4 - выходной каскад;

4₁…4_N - однотипные усилительные элементы (транзисторы);

5 - сумматор;

6 - выходной фильтр.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

На вход предварительного усилителя подается усиливаемый гармонический сигнал. Предварительный усилитель поставлен в режим усиления класса «А», обеспечивающего наибольшую линейность усиления по сравнению с другими классами режима усиления сигнала.

С выхода предварительного усилителя сигнал рабочей частоты вида

i(t)=I_m(1+cosωt)

подается на вход широтно-импульсного модулятора.

В широтно-импульсном модуляторе каждый период гармонического сигнала преобразуется в суммируемую последовательность N импульсов прямоугольной формы одинаковой амплитуды. Число N определяется конкретными для разрабатываемого усилителя требованиями к уровням высших гармоник. Чем больше N, тем меньше амплитуды суммируемых импульсов, тем точнее воспроизводится гармоническое колебание и меньше уровень высших гармоник.

Форма тока на выходе сумматора представлена на Фиг.2.

I₁ - суммарная амплитуда первой гармоники N импульсов, имеющих одинаковые амплитуды 2I_m/N на выходах N усилительных элементов.

Максимальное значение тока i(t)=I_m(1+cosωt) равно 2I_m.

Величина I₁ определяется с помощью разложения Фурье:

Амплитуды высших гармоник определяются следующими соотношениями:

Длительность импульсов соответствует требованиям формирователей гармонических колебаний методом сложения прямоугольных импульсов, описанным, например, в литературе: Дмитриков В.Ф. и др. Высокоэффективные формирователи гармонических колебаний. Москва, Радио и связь, 1988.

Вся совокупность N прямоугольных импульсов поступает на сумматор, например а.с. 527008. Устройство сложения мощностей генераторов электрических колебаний. С.Е. Лондон, С.В. Томашевич, опубл. 1976.

С выхода сумматора просуммированный сигнал поступает на вход выходного фильтра, селектирующего колебания рабочей частоты.

На Фиг.3 приведен график зависимости степени подавления G(k) дБ гармоник различных порядков k (от 1-й до 21-й) для случая числа разбиений амплитуды сигнала на N=200 суммируемых прямоугольных импульсов. Величина t_n нормирована к величине периода гармонического колебания Т, принятого равным 1. Величина I_m также принята равной 1.

Величина G(k) дБ рассчитывалась по формуле:

Из графика, представленного на Фиг.3, видно, что уровень четных гармоник подавлен не менее чем на 200дБ относительно уровня подавления гармоник нечетных порядков.

Предлагаемая схема полезной модели ключевого усилителя по сравнению с другими типами ключевых усилителей мощности позволяет обеспечить требуемое подавление нечетных гармоник рабочей частоты с одновременным существенным подавлением гармоник четных порядков, улучшая линейные свойства таких усилителей мощности.

Изобретение относится к области электрорадиотехники, а именно к ключевым усилителям высокой частоты, и может быть использовано в радиопередатчиках. Технический результат изобретения заключается в улучшении линейности усиления ключевых усилителей мощности за счет существенного снижения уровня гармоник четных порядков в спектре усиливаемого сигнала. Технический результат достигается за счет ключевого усилителя, в котором высокочастотный сигнал с выхода предварительного усилителя, работающего в режиме усиления класса «А», преобразуется широтно-импульсным модулятором в ряд прямоугольных импульсов, при сложении которых воспроизводится входящий сигнал на новом уровне мощности. Усилитель имеет существенно более низкий уровень гармоник четных порядков по сравнению с известными ключевыми усилителями при сохранении требований также к подавлению гармоник нечетных порядков. 3 ил.

Ключевой усилитель мощности, содержащий широтно-импульсный модулятор, высокочастотный разветвитель, выходной усилитель, содержащий N однотипных усилительных элементов, сумматор и выходной фильтр, отличающийся тем, что дополнительно включен предварительный усилитель с режимом усиления класса «А», причем выход предварительного усилителя соединен со входом широтно-импульсного модулятора, выход которого соединен со входом высокочастотного разветвителя, N выходов которого соединены со входами N усилительных элементов выходного каскада, N выходов которого соединены с N входами сумматора, выход которого соединен со входом выходного фильтра.