Линейный свч усилитель



Линейный свч усилитель
Линейный свч усилитель
Линейный свч усилитель

 


Владельцы патента RU 2453984:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский технический университет" (RU)

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в уменьшении нелинейных искажений в широком диапазоне изменения значений коэффициента усиления усилителя мощности и амплитуды входного высокочастотного сигнала. Линейный СВЧ усилитель выполнен в виде двухконтурной системы автоматического регулирования и содержит два управляемых аттенюатора, усилитель мощности, два делителя мощности, фильтр нижних частот 6, два амплитудных детектора, сумматор, два источника опорного напряжения, два фильтра верхних частот, два звена сравнения и пиковый детектор. Первый контур системы автоматического регулирования обеспечивает малый уровень нелинейных искажений выходного сигнала, а второй контур системы автоматического регулирования за счет применения пикового детектора поддерживает высокую точность работы первого контура системы автоматического регулирования в широком диапазоне изменения коэффициента усиления усилителя мощности и амплитуды входного сигнала. При этом интегрирующие свойства пикового детектора позволяют обеспечить малые нелинейные искажения при усилении радиосигналов с различными видами модуляции и манипуляции фазы и амплитуды. 3 ил.

 

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано для усиления многочастотных модулированных радиосигналов, используемых в цифровых системах связи, телевидении и измерительном оборудовании.

Известен линейный СВЧ усилитель с обратной связью по искажению выходного сигнала (Distortion feedback, см. Kenington P.B. High linearity RF amplifier design. Norwood: Artech House microwave library, 2000, p.152). Усилитель является широкополосным и применяется для усиления групповых (многочастотных) сигналов с многопозиционной амплитудно-фазовой манипуляцией.

Недостатками рассматриваемого линейного СВЧ усилителя являются:

1) сильная зависимость уровня искажений на выходе от линейности и стабильности вспомогательного усилителя канале обратной связи; 2) отрицательная обратная связь осуществляется на высокой частоте, что ограничивает диапазон рабочих частот.

Также известен линейный СВЧ усилитель, содержащий преобразователи частоты в канале отрицательной обратной связи, которые осуществляют транспонирование частоты (Frequency retranslation, см. Nesimoglu Т., Beach M.A. Linearised mixer using frequency retranslation, UK-Patent Application: No 0117801.1, 2001). Это позволило обеспечить устойчивую работу линейного СВЧ усилителя в более широком диапазоне рабочих частот.

Основными недостатками этого линейного СВЧ усилителя являются ограниченный динамический диапазон уровня входного сигнала и невозможность адаптивной коррекции нелинейных искажений при изменении коэффициента усиления усилителя мощности за счет воздействия дестабилизирующих факторов, таких как, «старение» элементов, изменение напряжения питания и зависимость параметров элементов от изменения температуры окружающей среды.

Известен также линейный СВЧ усилитель с малым уровнем нелинейных искажений выходного сигнала (см. книгу Коганов В.И. Радиотехника nniociMathcad, М.: Горячая линия - Телеком, 2001, 416 с., ил., с.92, рис.4.17) и являющийся прототипом предлагаемого изобретения.

Прототип содержит управляемый аттенюатор, подключенный к усилителю мощности; первый делитель мощности, вход которого является входом устройства, первый выход которого подключен к первому входу управляемого аттенюатора, а второй выход - ко входу первого амплитудного детектора, второй делитель мощности, вход которого подключен к выходу усилителя мощности, первый выход которого является выходом устройства, а второй выход подключен ко входу второго амплитудного детектора, звено сравнения, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго амплитудных детекторов, а выход - ко второму входу управляемого аттенюатора.

В данном линейном СВЧ усилителе при правильном выборе параметров и уровней сигналов уменьшение нелинейных искажений достигнуто за счет действия отрицательной обратной связи по огибающей высокочастотного сигнала. Выделение огибающей высокочастотного сигнала означает, что транспонирование его частоты произведено на нулевую частоту. Следует отметить, что применение отрицательной обратной связи по погибающей высокочастотного сигнала приводит к значительному уменьшению нелинейных искажений не только в усилителях, но и в модуляторах [см. статью Рудаков Ю.Н. Система амплитудной модуляции с малым клирфактором огибающей // Вопросы радиоэлектроники. Радиоизмерительная техника. Вып.9, 1970, с.25]. В данном случае модулятор можно рассматривать как частный случай усилителя с единичным коэффициентом усиления.

В области частот модулирующего сигнала для рассматриваемого линейного СВЧ усилителя справедливо уравнение, которое получено в результате анализа прототипа как системы автоматического регулирования (см. вышеупомянутую книгу Коганов В.И. Радиотехника плюс Mathcad, стр.93)

где Uвх(t) и Uвых(t) - соответственно амплитуды высокочастотных сигналов на входе и выходе линейного СВЧ усилителя;

k1 и k2 - коэффициенты передачи первого и второго делителей мощности по второму выходу;

kAT - коэффициент передачи управляемого аттенюатора;

kУCp(Uвх(t)) - коэффициент усиления усилителя мощности при разомкнутой цепи обратной связи;

kAT0 - значение kAT в рабочей точке;

S - крутизна регулировочной характеристики аттенюатора.

Из (1) следует, что при малых значениях Uвх(t) в прототипе выполняются условия:

Тогда выражение (1) примет вид

где kУС 0 - коэффициент усиления усилителя мощности kУСр(Uвх) при малых значениях Uвх(t).

Таким образом, при малых значениях Uвх(t) общий коэффициент усиления устройства равен kУС≈kAT·kУС0=const. Это означает, что при малой амплитуде входного сигнала прототип обладает достаточно высокой линейностью.

При больших значениях Uвх(t) выполняются следующие условия:

и коэффициент усиления линейного СВЧ усилителя равен

Поскольку прототип при номинальных значениях параметров обладает достаточно хорошей линейностью, то во всем динамическом диапазоне изменения Uвх(t) должно выполняться условие

Поэтому приравнивая выражения (4) и (7), получим условие линейности прототипа в следующем виде

Если условие (9) не выполняется, то не обеспечивается малый уровень нелинейных искажений. Воздействие таких дестабилизирующих факторов, как изменение напряжения питания, уменьшение коэффициента усиления усилителя мощности, например, при изменении температуры окружающей среды или длительном сроке эксплуатации, а также изменение уровня входного сигнала приводит к изменению kУС0. Поэтому для выполнения условия (9) требуется дополнительная регулировка положения рабочей точки управляемого аттенюатора. Изменяя положение рабочей точки, можно корректировать значение коэффициента передачи управляемого аттенюатора kAT0, поскольку

где UУ0 - значение управляющего напряжения, определяющее положение рабочей точки на регулировочной характеристике управляемого аттенюатора.

Учитывая, что для управляемого аттенюатора существует ограничение kAT0≤1 и его характеристика управления, как правило, является нелинейной, то при уменьшении UУ0 наблюдается эффект насыщения на регулировочной характеристике (см. вышеупомянутую книгу Коганов В.И. Радиотехника плюс Mathcad, с.92, рис.4.18). Это приводит к существенному уменьшению крутизны регулировочной характеристики Sу. Следовательно, малые нелинейные искажения в прототипе будут обеспечиваться только в определенном диапазоне значений амплитуды входного высокочастотного сигнала Uвх(t). При увеличении Uвх(t) нелинейные искажения увеличиваются, поэтому диапазон изменения амплитуды входного высокочастотного сигнала в прототипе оказывается небольшим.

Кроме того, при новом положении рабочей точки управляемого аттенюатора UУ0 уменьшается глубина отрицательной обратной связи, в результате чего увеличиваются нелинейные искажения выходного сигнала при заданной амплитуде входного высокочастотного сигнала.

Таким образом, в прототипе существенно возрастают нелинейные искажения при воздействии дестабилизирующих факторов, приводящих к изменению коэффициента усиления усилителя мощности kУС0. Это, в свою очередь, приводит к изменению положения рабочей точки на регулировочной характеристике управляемого аттенюатора UУ0 и к изменению коэффициента передачи управляемого аттенюатора kAT0 (см. вышеупомянутую книгу Коганов В.И. Радиотехника плюс Mathcad, с.93).

Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение нелинейных искажений в широком диапазоне изменения значений коэффициента усиления усилителя мощности и амплитуды входного высокочастотного сигнала.

Задача достигается тем, что в линейный СВЧ усилитель, содержащий первый делитель мощности, первый выход которого соединен со входом первого управляемого аттенюатора, выход которого соединен со входом усилителя мощности, на выходе которого включен второй делитель мощности, первый выход которого является выходом устройства, при этом ко вторым выходам первого и второго делителей мощности соответственно подключены первый и второй амплитудные детекторы, выходы которых через первый и второй фильтры верхних частот подключены ко входам первого звена сравнения, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, второй вход которого подключен к первому источнику: опорного напряжения, при этом выход первого сумматора через фильтр нижних частот соединен с управляющим входом первого управляемого аттенюатора, введены пиковый детектор, второй управляемый аттенюатор, второй сумматор и второе устройство сравнения, первый вход которого соединен с выходом пикового детектора, вход которого соединен со вторым выходом второго делителя мощности, при этом второй вход второго устройства сравнения соединен со вторым источником опорного напряжения, а выход второго устройства сравнения соединен с управляющим входом второго управляемого аттенюатора, вход которого является входом.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 - регулировочная характеристика управляемого аттенюатора, на фиг.3 - амплитудная характеристика усилителя мощности, используемого в устройстве.

Предлагаемый линейный СВЧ усилитель (фиг.1) содержит первый управляемый аттенюатор 3, выход которого подключен ко входу усилителя мощности 4, выход которого подключен ко входу второго делителя мощности 5. Первый выход делителя мощности 5 является выходом предлагаемого устройства. Ко второму выходу делителя мощности 5 подключен вход второго амплитудного детектора 10, к выходу которого через второй фильтр верхних частот 13 подключен второй вход первого звена сравнения 12. Выход первого звена сравнения 12 подключен к первому входу сумматора 8, второй вход которого подключен к первому источнику опорного напряжения 9 (U01). Выход первого звена сравнения 8 через фильтр нижних частот 6 подключен к управляющему входу первого управляемого аттенюатора 3. Вход пикового детектора 16 соединен со вторым выходом второго делителя мощности 5, а выход пикового детектора 16 подключен к первому входу второго звена сравнения 15. Второй вход второго звена сравнения 15 подключен ко второму источнику опорного напряжения 14 (U02). Выход второго звена сравнения 15 подключен к управляющему входу второго управляемого аттенюатора 1, вход которого является входом предлагаемого устройства, а выход подключен ко входу первого делителя мощности 2, первый выход которого подключен ко входу первого управляемого аттенюатора 3, а второй выход подключен ко входу первого амплитудного детектора 7, выход которого через первый фильтр верхних частот 11 соединен с первым входом первого звена сравнения 12.

Предлагаемый линейный СВЧ усилитель работает следующим образом.

Как видно из рассмотрения фиг.1, предлагаемый линейный СВЧ усилитель содержит два контура системы автоматического регулирования. В первый контур входят следующие элементы: управляемый аттенюатор 3, усилитель мощности А, первый и второй делители мощности 2 и 5, первый и второй амплитудные детекторы 7 и 10, звено сравнения 12, первый и второй фильтры верхних частот 11 и 13, сумматор 8, первый источник опорного напряжения 9 (U01) и фильтр нижних частот 6.

Для обеспечения устойчивости первого контура, представляющего собой систему автоматического регулирования, должны быть выполнены следующие условия [Рудаков Ю.Н. Система амплитудной модуляции с малым клирфактором огибающей // Вопросы радиоэлектроники. Радиоизмерительная техника. Вып.9, 1970, стр.25]:

где ωАД - полоса рабочих частот амплитудных детекторов 7 и 10,

ωгрФНЧ - частота среза фильтра низких частот 6,

ωгрФВЧ - частота среза фильтров высоких частот 11 и 13.

Второй контур системы автоматического регулирования, в который входят пиковый детектор 16, второе звено сравнения 15, второй источник опорного напряжения 14 (U02) и управляемый аттенюатор 1, обеспечивает с достаточно высокой точностью выполнение следующего равенства

где kУСp - коэффициент усиления по напряжению усилителя мощности 4,

kAT1 и kAT2 - коэффициенты передачи по напряжению соответственно первого и второго управляемых аттенюаторов 3 и 1,

p1 и р2 - коэффициенты передачи по напряжению по первому выходу делителей мощности 2 и 5 соответственно,

Uвх max - максимальная амплитуда высокочастотного сигнала, подаваемого на вход линейного СВЧ усилителя.

В реальных условиях амплитуда входного высокочастотного сигнала Uвх max может изменяться в достаточно широких пределах. Кроме того, за счет влияния дестабилизирующих факторов (температура окружающей среды, старение элементов, изменение напряжения источника питания), может изменяться величина коэффициента усиления по напряжению усилителя мощности 4 - kУСр. Работой второго контура системы автоматического регулирования с помощью управления величиной kАТ2 при изменяющихся Uвх max и kУСp обеспечивается выполнение условия (13), т.е. стабилизация максимального уровня выходного сигнала Uвых max=const. При этом, за счет интегрирующих свойств применяемого в данном контуре системы автоматического регулирования пикового детектора 16, поддерживается выполнение условия (13) для одночастотного и многочастотного сигналов с различными видами аналоговой и цифровой модуляции. Заданный уровень амплитуды выходного сигнала определяется величиной напряжения U02, подаваемого на второй вход второго звена сравнения 15 от второго источника опорного напряжения 14:

где kПД - коэффициент передачи по напряжению пикового детектора 16.

Отметим, что при усилении многочастотных и модулированных сигналов амплитуда входного сигнала Uвх(t) может меняться в широких пределах, однако за счет применения пикового детектора оказывается стабилизированным максимальный уровень амплитуды выходного сигнала Uвых max, то есть стабилизируется пиковая мощность, а не средняя мощность за период модулирующего сигнала. Это обеспечивает уменьшение нелинейных искажений при любом виде модуляции с различным уровнем средней мощности.

Поскольку пиковый детектор 16 имеет очень большую постоянную времени по сравнению с остальными структурными блоками, второй контур системы автоматического регулирования можно считать системой первого порядка, т.е. абсолютно устойчивой. Поэтому на выходе второго устройства сравнения не нужно применять фильтр нижних частот.

Как показано на фиг.2, при стабильном, т.е. постоянном уровне Uвых max, опорное напряжение U01 в первом контуре системы автоматического регулирования задает рабочую точку управляемого аттенюатора 3 на середине его регулировочной характеристики UУ0=U01.

Полоса пропускания первого устройства сравнения 12 равна ΔF1=n·(Fmax-Fmin), a полоса пропускания второго устройства сравнения 15 удовлетворяет условию

где Fmax, Fmin - соответственно максимальная и минимальная частоты в спектре сигнала на выходе первого амплитудного детектора 7;

n - порядок нелинейных искажений (число гармоник модулирующего сигнала).

Полосы пропускания амплитудных детекторов 7 и 10 соответствуют ширине спектра усиливаемого сигнала, а полоса пропускания пикового детектора 14 соответствует требованиям обеспечения устойчивости предлагаемого СВЧ усилителя, выполненного на основе системы автоматического регулирования. Применение фильтров верхних частот 11 и 13 устраняет влияние постоянных составляющих на выходах амплитудных детекторов 7 и 10 при различных видах модуляции усиливаемого сигнала.

Таким образом, предложенный линейный СВЧ усилитель обеспечивает уменьшение нелинейных искажений в широком диапазоне изменения значений коэффициента усиления усилителя мощности и амплитуды входного высокочастотного сигнала. При этом входной сигнал может быть одночастотным или многочастотным, аналоговым или цифровым, с различными видами модуляции, применяемыми в системах беспроводной связи и цифровом телевидении: амплитудной, балансной, QAM, FSK/PSK.

Линейный СВЧ усилитель, содержащий первый делитель мощности, первый выход которого соединен со входом первого управляемого аттенюатора, выход которого соединен с входом усилителя мощности, на выходе которого включен второй делитель мощности, первый выход которого является выходом устройства, при этом ко вторым выходам первого и второго делителя мощности соответственно подключены первый и второй амплитудные детекторы, выходы которых через первый и второй фильтры верхних частот подключены к входам первого устройства сравнения, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, второй вход которого подключен к первому источнику опорного напряжения, при этом выход первого сумматора через фильтр нижних частот соединен с управляющим входом первого управляемого аттенюатора, отличающийся тем, что в него дополнительно введены пиковый детектор, второй управляемый аттенюатор, второй сумматор и второе устройство сравнения, первый вход которого соединен с выходом пикового детектора, вход которого соединен со вторым выходом второго делителя мощности, при этом второй вход второго устройства сравнения соединен со вторым источником опорного напряжения, а выход второго устройства сравнения соединен с управляющим входом второго управляемого аттенюатора, вход которого является входом предлагаемого устройства.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к области линейного усиления амплитудно-модулированных сигналов, и может быть применено в системах линеаризации характеристик усилителей мощности.

Изобретение относится к комбинированному усилителю (3, 4, 120), радиостанции (100), включающей в себя такой комбинированный усилитель, и к способу повышения кпд такого комбинированного усилителя в частности.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, широкополосных усилителях систем связи, фазорасщепителях и т.п.).

Изобретение относится к малошумящим усилителям (МШУ). .

Изобретение относится к малошумящим усилителям (МШУ). .

Изобретение относится к твердотельным усилителям мощности (solid state power amplifier, SSPA) для питания электроэнергией единичного элемента многоэлементной антенны. .

Изобретение относится к твердотельным усилителям мощности (solid state power amplifier, SSPA) для питания электроэнергией единичного элемента многоэлементной антенны. .

Изобретение относится к системам и способам линеаризации усилителя мощности и может применяться в современных беспроводных передатчиках. .

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиолокации, и может быть использовано в системах возбуждения СВЧ-генераторов на лавинно-пролетных диодах и диодах Ганна.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, широкополосных и избирательных усилителях ВЧ и СВЧ диапазонов).

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам формирования опорного напряжения, и может быть использовано при создании источников стабильного напряжения постоянного тока

Изобретение относится к способу компенсации искажения сигнала в излучающей полезной нагрузке

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве буферного усилителя "малой" мощности в приемо-передающих устройствах, в которые устанавливают перед оконечными усилителями, для получения максимальной выходной мощности

Изобретение относится к электронике и может быть использовано для периодической компенсации дрейфа нуля в усилителях при усилении малых напряжений и измерительных сигналов от источников с большим выходным сопротивлением

Изобретение относится к многопортовым усилителям и может быть использовано в системе спутниковой связи
Изобретение относится к вычислительной и микропроцессорной технике и предназначено для защиты электронной аппаратуры от выхода из строя вследствие перенапряжений на линиях передачи сигналов

Предлагаемое техническое решение относится к радиотехнике и может быть использовано в области радиосвязи и радиолокации. Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом малошумящем полосовом балансном усилителе СВЧ, содержащем два однокаскадных транзисторных усилителя, включенных между входным и выходным каскадно-соединенными трехдецибельными направленными ответвителями, выходы транзисторных усилителей подключены к входам выходного трехдецибельного направленного ответвителя через линии передачи, соединенные последовательно с полосно-пропускающими фильтрами, отражающими энергию за пределами полосы пропускания, причем фазовый набег ϕ каждой линии передачи на частоте, расположенной в области подъема АЧХ входных согласующих цепей транзисторных усилителей, составляет φ = [ a r c t g ( − j X f j Z ) + a r c t g ( − j X T j Z ) ] Технический результат заключается в существенном улучшении интермодуляционной избирательности радиоприемников при сохранении высокой чувствительности. 3 ил.

Настоящее изобретение относится к схеме беспроводной связи. Беспроводная схема в электронном устройстве содержит схему выходного усилителя мощности для усиления передаваемых сигналов радиочастоты. Схема усилителя мощности запитана с использованием напряжения смещения. Амплитуда напряжения смещения избирательно понижена для экономии потребления. Схема управления содержит таблицу заданных значений напряжений смещения, используемую в различных условиях. Эти условия содержат требуемые выходные мощности, определяемые качеством канала связи, статус режима передачи, и требуемые скорости передачи данных. Когда качество канала является низким или когда требуются высокие скорости передачи данных, напряжение смещения поддерживается на сравнительно высоком уровне для обеспечения того, что усилитель мощности работает линейно и не проявляет излишних шумов. Технический результат заключается в экономии потребляемой мощности при понижении напряжения смещения, когда качество канала является высоким или скорости передачи данных являются низкими. 8 н. и 10 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве приемного усилителя активных фазированных антенных решеток (АФАР) со встроенной системой тестирования и калибровки, где требуются высокие показатели чувствительности. Достигаемый технический результат - расширение функциональных возможностей за счет ограничения мощности входного сигнала и переключения входного сигнала на калибровочный сигнал без ухудшения чувствительности по входному сигналу. Балансный усилитель СВЧ содержит два идентичных по параметрам усилителя, включенных между каскадно-соединенными входным и выходным трехдецибельными направленными ответвителями, балластная цепь входного трехдецибельного направленного ответвителя содержит узел ввода калибровочного сигнала, а каждое выходное плечо выходного трехдецибельного направленного ответвителя через управляемый переключатель может быть подключено либо на выход балансного усилителя СВЧ, либо к согласованной балластной нагрузке, при этом идентичные по параметрам усилители на своих входах содержат ограничители мощности отражательного типа. 3 ил.
Наверх