Способ построения линейных усилителей мощности сверхвысоких частот диапазона и устройство для его реализации Российский патент 2023 года по МПК H03F3/195 

Заявленная группа изобретений используется в радиотехнике, радиолокации и системах связи, в частности, относится к способу построения линейных усилителей мощности сверхвысоких частот (СВЧ) диапазона и устройству для его реализации.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению, выбранного в качестве прототипа, является способ линейного усиления сигнала по мощности и устройство его реализации по патенту на изобретение RU 2721935, основанном на цифро-аналоговом преобразовании входного сигнала, модуляции им высокочастотного сигнала, усилении, ответвлении усиленного сигнала и его демодуляции, аналого-цифровом преобразовании демодулированного сигнала, согласно изобретению перед цифро-аналоговым преобразованием входного сигнала формируют его спектр и спектр цифрового демодулированного сигнала, определяют их разность, инвертируют разность спектров и смешивают со спектром входного сигнала. Устройство усиления мощности с компенсацией нелинейных искажений от известных отличается тем, что дополнительно введены последовательно соединенные формирователь спектра демодулированного сигнала, блок вычитания спектров, формирователь инверсного спектра, блок сложения спектров, блок формирования сигнала, выход которого соединен со вторым входом цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), а также формирователь спектра входного сигнала, вход которого является входом устройства, первый выход соединен с первым входом ЦАП, а второй выход - с объединенными входами блока сложения и блока вычитания спектров

Основным недостатком, как способа, так и устройства является зависимость линейных характеристик выходного сигнала от качества формирования сигнала предыскажения ввиду возможного несоответствия нелинейных искажений, полученных на выходе усилителя мощности и сигнала предыскажения, подаваемого на его вход. Таким образом, эффективность линеаризации усилителя мощности может быть существенно снижена.

Задачей заявленной группы изобретений является устранение недостатков прототипа. Техническим результатом - повышение эксплуатационных и тактико-технических характеристик радиотехнических систем, использующих многочастотные и широкополосные сигналы и снижение уровня интермодуляционных искажений различных порядков.

Технический результат достигается за счет того, что в способе построения линейных усилителей мощности сверхвысоких частот диапазона осуществляют перенос многочастотного сигнала в область низких частот с последующим выделением каждой составляющей сигнала, линейным усилением до уровня, обеспечивающего компенсацию потери преобразования в преобразователе частоты и полосовом фильтре, осуществляют обратный перенос в область высоких частот, линейным усилением и суммированием для получения результирующего выходного сигнала.

Также технический результат достигается за счет того, что устройство построения линейных усилителей мощности сверхвысоких частот диапазона состоит из преобразователя частоты, на первый вход которого поступает информационный сигнал мощностью Р_вх., а на второй вход сигнал гетеродина частотой f_гет., выход преобразователя частоты соединен с входом n-канального делителя мощности, выходы делителя мощности соединены с входами полосовых фильтров, выходы полосовых фильтров соединены с входами усилителей мощности, выходы усилителей мощности соединены с входами преобразователей частоты, выходы которых соединены с входами усилителей мощности, выходы которых соединены с входами n-канального сумматора мощности, при этом на выходе сумматора мощности образуется результирующий выходной сигнал.

Заявленная группа изобретений характеризуется схематичными изображениями.

На фиг. 1. показан пример построения устройства, реализующего предлагаемый способ.

На фиг. 2 показан спектр сигнала на входе усилителя мощности.

На фиг. 3 показан спектр сигнала после преобразователя частоты.

На фиг. 4 показан спектр сигнала после полосовых фильтров.

На фиг. 5 показан спектр сигнала после выходного усилителя мощности.

На фиг. 6 показан спектр результирующего выходного сигнала.

Пример построения устройств, реализующего предлагаемый способ, показан на фиг. 1.

Устройство состоит из преобразователя частоты 1, на первый вход которого поступает информационный сигнал мощностью Р_вх, а на второй вход сигнал гетеродина частотой f_гет.. Выход преобразователя частоты 1 соединен с входом n-канального делителя мощности 2. Выходы делителя мощности 2 соединены с входами полосовых фильтров 3.1 - 3.n. Выходы полосовых фильтров соединены с входами усилителей мощности 4.1 - 4.n. Выходы усилителей мощности соединены с входами преобразователей частоты 5.1 - 5.n, выходы которых соединены с входами усилителей мощности 6.1 - 6.n, выходы которых соединены с входами n-канального сумматора мощности 7. На выходе сумматора мощности образуется результирующий выходной сигнал.

Исходный многочастотный сигнал с мощностью Р_вх поступает на вход преобразователя частоты ПрЧ₁, где смешивается с сигналом гетеродина с частотой f_гет., и переносится в область низких частот.Далее происходит деление сигнала с последующим выделением каждой составляющей многочастотного сигнала с помощью полосовых фильтров Ф₁ - Ф_n. Усилители У₁-У_n предназначены для компенсации потерь в преобразователе частоты и полосовых фильтрах. С помощью преобразователей частоты ПрЧ₂ - ПрЧ_n происходит обратный перенос каждой составляющей в область высоких частот, являющихся рабочими частотами усилителя мощности, усиление в выходных каскадах У_вых.1 - У_вых.1 для получения требуемого уровня выходной мощности, и суммирование для получения результирующего выходного сигнала.

На фиг. 2-6 представлены результаты моделирования, поясняющие работу устройства, реализующего предлагаемый способ. Тип входного сигнала - многочастотный с тремя поднесущими (выбран для примера). На фиг. 2 представлен спектр сигнала на входе усилителя мощности.

Спектр сигнала после преобразователя частоты ПрЧ₁ представлен на фиг. 3.

Наблюдается появление в спектре сигнала нелинейных искажений, образовавшихся после прохождения многочастотного сигнала через преобразователь частоты, что является следствием нелинейности данного типа устройств. Максимальный уровень нелинейных искажений - не более 25,3 дБн. После деления сигнала и прохождения через полосовые фильтры низкой частоты, происходит выделение каждой составляющей многочастотного сигнала.

На фиг. 4 представлен спектр сигнала после вышеуказанных преобразований (показана одна поднесущая, спектр сигнала для остальных поднесущих выглядит аналогично).

Далее происходит усиление каждой поднесущей в выходных усилителях У_вых.1 - У_вых.n, обеспечивающих линейное усиление до требуемого уровня мощности. Для каждой поднесущей предусмотрен свой канал усиления, что исключает возможность появления нелинейных искажений, в том числе интермодуляционных. Спектр сигнала после выходных усилителей представлен на фиг. 5 (показана одна поднесущая, спектр сигнала для остальных поднесущих выглядит аналогично).

После выходных усилителей происходит суммирование всех поднесущих для получения результирующего выходного сигнала. Спектр результирующего выходного сигнала представлен на фиг. 6.

При этом уровень нелинейных искажений составляет более 50 дБн, что является подтверждением работоспособности предложенного способа построения линейных усилителей мощности. Также стоит отметить тот факт, что предложенный способ не предполагает использования обратных, либо прямых связей, с наличием аттенюаторов и фазовращателей, которые используются в схемах линеаризации, так как указанные типы связей чувствительны к разбросу параметров входящих в них элементов и требуют практически прецизионного согласования для обеспечения корректной работы всей схемы линеаризации. Также предлагаемый способ исключает использование цифровых устройств для формирования сигналов предыскажений, что значительно упрощает схемотехнику устройств, реализующих предложенный способ, и существенно повышает их эффективность.

Выделение каждой составляющей многочастотного сигнала позволяет избежать появления нелинейных искажений, в том числе интермодуляционных, различных порядков, т.к. линейное усиление одночастотных сигналов не приводит к образованию нелинейных искажений, в том числе интермодуляционных.

Технический результат изобретения достигается за счет выделения каждой составляющей многочастотного сигнала, и дальнейшего усиления уже одночастотных сигналов с последующим суммированием для получения результирующего выходного сигнала. Таким образом, уровень нелинейных искажений различных порядков, в том числе интермодуляционных, минимален, что подтверждается результатами моделирования.

Группа изобретений используется в радиотехнике, радиолокации и системах связи, в частности относится к способу построения линейных усилителей мощности сверхвысоких частот (СВЧ) диапазона и устройству для его реализации. Техническим результатом является повышение эксплуатационных и тактико-технических характеристик радиотехнических систем, использующих многочастотные и широкополосные сигналы, и снижение уровня интермодуляционных искажений различных порядков. Он достигается за счет того, что в способе построения линейных усилителей мощности сверхвысоких частот диапазона осуществляют перенос многочастотного сигнала в область низких частот с последующим выделением каждой составляющей сигнала, линейным усилением до уровня, обеспечивающего компенсацию потери преобразования в преобразователе частоты и полосовом фильтре, осуществляют обратный перенос в область высоких частот с линейным усилением и суммированием для получения результирующего выходного сигнала. Также технический результат достигается за счет того, что предложено устройство построения линейных усилителей мощности сверхвысоких частот диапазона. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ построения линейных усилителей мощности сверхвысоких частот диапазона, характеризующийся тем, что осуществляют перенос многочастотного сигнала в область низких частот с последующим выделением каждой составляющей сигнала, линейным усилением до уровня, обеспечивающего компенсацию потери преобразования в преобразователе частоты и полосовом фильтре, осуществляют обратный перенос в область высоких частот с линейным усилением и суммированием для получения результирующего выходного сигнала.

2. Устройство построения линейных усилителей мощности сверхвысоких частот диапазона, характеризующееся тем, что состоит из преобразователя частоты, на первый вход которого поступает информационный сигнал мощностью Р_вх., а на второй вход сигнал гетеродина частотой f_гет., выход преобразователя частоты соединен с входом n-канального делителя мощности, выходы делителя мощности соединены с входами полосовых фильтров, выходы полосовых фильтров соединены с входами усилителей мощности, выходы усилителей мощности соединены с входами преобразователей частоты, выходы которых соединены с входами усилителей мощности, выходы которых соединены с входами n-канального сумматора мощности, при этом на выходе сумматора мощности образуется результирующий выходной сигнал.