Усилитель с распределенным усилением

Усилитель с распределенным усилением

Реферат

 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано при построении передающих устройств для радиосвязи. Техническим результатом является построение усилителя мощности с распределенным усилением, обеспечивающего повышение КПД при усилении СВЧ-сигналов в широкой полосе частот. Введение группы циркуляторов и самоуправляемого сумматора мощности позволяет складывать мощности прямой и обратной волны в выходной линии передачи, тем самым существенно повышается КПД усилителя в широкой полосе частот. Усилитель с распределенным усилением содержит N активных элементов, где N 3, N + 1 последовательно соединенных звеньев входной линии передачи, N + 1 звеньев выходной линии передачи, балластного резистора, N - 1 циркуляторов и самоуправляемого сумматора мощности, при этом вход первого звена входной линии передачи является входом усилителя с распределенным усилением, выход i-го звена входной линии передачи, где , соединен с входом i-го активного элемента, выход которого соединен с входом (i + 1)-го звена выходной линии передачи, первое плечо i-го циркулятора, кроме i = N, соединено с выходом (i + 1)-го звена выходной линии передачи, второе плечо i-го циркулятора соединено с входом (i + 2)-го эвена выходной линии передачи, третье плечо i-го циркулятора соединено с (i+1)-ым входом самоуправляемого сумматора мощности, выход которого является выходом усилителя с распределенным усилением. 4 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано при построении передающих устройств для радиосвязи.

Известен усилитель мощности с распределенным усилением, содержащий N звеньев выходной линии передачи, N звеньев входной линии передачи, N активных элементов, балластные резисторы, а также N-1 делителей мощности, N-1 сумматоров, N-1 линий задержки, а также N-1 звеньев дополнительной входной линии передачи (см. А.С. СССР N 1448384 за 1988 г.).

Недостатком такого усилителя является низкий КПД, поскольку усиленные отдельными активными элементами колебания делятся на прямую и обратную волны, вследствие чего теряется большая доля мощности в балластной нагрузке. Введение дополнительной входной линии с делением мощности входного колебания между этой линией и основной входной линией не дает нужного эффекта, т.к. если мощность входного сигнала сначала разделить на две (равные) части, а затем снова сложить эти части, то получиться мощность меньшая первоначальной, поскольку делители и сумматоры - элементы пассивные, вносящие дополнительные потери. Кроме того нарушается идентичность фазовых соотношений в выходной и входной линиях передачи.

Известен усилитель СВЧ, содержащий входную и выходную линии передачи с N отводами, N активных элементов, при этом отводы во входной и выходной линиях передачи разнесены на расстояние /2 друг от друга (см. А.С. СССР N 1543540 H 03 F 3/60, заявл. 29.02.88, опубл. в реферативном журнале N 9 за 1990 г.).

Недостатком данного усилителя является узкая полоса частот усиливаемых сигналов и относительно низкий КПД при использовании в широкой полосе.

Наиболее близким по количеству сходных признаков и по выполняемым функциям является усилитель с распределенным усилением (см. А.с. СССР N 1543539, H 03 F 3/60 реф. журнал "Изобретения стран мира" N 9 за 1990 г.), содержащий N активных элементов (N 3), N + 1 последовательно соединенных звеньев входной линии передачи, N + 1 последовательно соединенных звеньев выходной линии передачи, балластного резистора входной линии передачи, балластного резистора выходной линии передачи, фильтра НЧ входной линии передачи и фильтра НЧ выходной линии передачи, при этом вход первого звена входной линии передачи является входом усилителя с распределенным усилением (УРУ), а его выход - соединен с входом второго звена входной линии передачи и входом первого усилительного элемента, выход которого соединен с входом (для прямой усиленной волны ВЧ сигнала) второго звена выходной линии передачи (он же является выходом обратной волны усиленного ВЧ сигнала второго звена), вход (выход обратной волны) первого звена выходной линии передачи соединен с первым отводом балластного резистора выходной линии, второй отвод которого заземлен, выход i-го звена входной линии передачи, где соединен с входом i-го активного элемента, а выход (N + 1)-го звена входной линии передачи соединен с первым отводом балластного резистора входной линии, второй отвод которого заземлен, выход i-го активного элемента соединен с входом (i + 1)-го звена выходной линии передачи, а выход (N + 1)-го звена выходной линии передачи является выходом УРУ, к выходу (N + 1)/2 звена входной и выходной линий передачи подключены входы фильтров НЧ, выходы которых соединены с входами [(N + 1)/2 + 1]-го звеньев входной и выходной линий передачи. Данное устройство позволяет расширить полосу усиливаемых частот, а также несколько повысить КПД данного усилителя. Указанное устройство и примем в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является низкий КПД, поскольку введение фильтра нижних частот в средней части линии передачи обеспечивает лишь частичный возврат обратной волны в полезную нагрузку. В частности, обратные волны первой половины выходной линии передачи до фильтра нижних частот не доходят.

Целью изобретения является построение усилителя мощности с распределенным усилением, обеспечивающего повышение коэффициента полезного действия при усилении СВЧ сигналов (колебаний) в широкой полосе частот.

Поставленная цель достигается тем, что в усилитель мощности с распределенным усилением, содержащий N, где N 3, активных элементов, N + 1 последовательно соединенных звеньев входной линии передачи, N + 1 звеньев выходной линии передачи и балластный резистор, при этом вход первого звена входной линии передачи является входом усилителя с распределенным усилением, а его выход - соединен с входом второго звена входной линии передачи и с входом первого активного элемента, выход которого соединен с входом второго звена выходной линии передачи, выход i-го звена входной линии передачи, где соединен с входом i-го активного элемента, а выход (N + 1)-го звена входной линии передачи соединен с первым отводом балластного резистора, второй отвод которого заземлен, выход i-го активного элемента соединен с входом (i + 1)-го звена выходной линии передачи, дополнительно введены N-1 циркуляторов и самоуправляемый сумматор мощности. При этом первое плечо i-го циркулятора, кроме i = N, соединено с выходом (i + 1)-го звена выходной линии передачи. Второе плечо i-го циркулятора соединено с входом (i + 2)-го звена выходной линии передачи, а второе плечо (N - 1)-го циркулятора соединено с входом (N + 1)-го звена выходной линии передачи, выход которого соединен с (N + 1)-м входом самоуправляемого сумматора мощности. Вход первого звена выходной линии передачи соединен с первым входом самоуправляемого сумматора мощности. Третье плечо i-го циркулятора соединено с (i + 1)-м входом, самоуправляемого сумматора мощности, выход которого является выходом усилителя с распределенным усилением.

Сущность изобретения. Повышение КПД достигается благодаря тому, что мощности обратных волн, возникающих в выходной линии, не теряются в балластной нагрузке и не рассеиваются на выходных электродах активных элементов, как это имеет место в прототипе, а с помощью группы циркуляторов направляются ко входам самоуправляемого сумматора мощности, где обратные волны, поступившие на первые i входов самоуправляемого сумматора мощности, и прямая волна, поступившая на (i+1)-й вход сумматора с помощью системы автоматического синфазирования синфазируются и с помощью последовательной цепочки самоуправляемых элементов сложения складываются по мощности, обеспечивая на выходе усилителя с распределенным усилением мощность сигнала, равную сумме мощностей прямой и всех обратных волн.

Усиливаемый (входной) сигнал распространяется по входной линии передачи с N отводами, в которой создается режим бегущий волны. С отводов входной линии передачи ВЧ колебания поступают на управляющие входы активных элементов, где осуществляется их усиление по мощности. Усиленные по мощности колебания с выходов активных элементов поступают в выходную линию передачи, возбуждая в ней прямые и обратные волны. Поскольку элементы задержки во входной и выходной линиях передачи идентичны, скорости распространения волн в них одинаковы. Прямые волны, распространяющиеся через цепочку соединенных циркуляторов и элементов задержки, распространяются к выходу, складываются на ее выходе (на (i+1)-м входе самоуправляемого сумматора мощности) синфазно, образуя суммарную мощность прямой волны. Другая половина выходной мощности активных элементов переносится обратными волнами благодаря введенным циркуляторам к первым i входам самоуправляемого сумматора мощности, в котором мощности всех обратных волн и мощность прошедшей через выходную линию передачи прямой волны складываются, благодаря чему обеспечивается значительное повышение КПД усилителя с распределенным усилением.

Заявленное устройство поясняется чертежами, на которых: на фиг. 1 показана общая структурная схема заявляемого усилителя с распределенным усилением; на фиг. 2 показана структурная схема самоуправляемого сумматора мощности; на фиг. 3 показана структурная схема самоуправляемого элемента сложения мощности; на фиг. 4 показана структурная схема фазового дискриминатора.

Заявленное устройство, показанное на фиг.1, состоит из: N активных элементов 1₁...1_N, N+1 последовательно соединенных звеньев входной линии передачи 2₁...2_N+1, N+1 звеньев выходной линии передачи 3₁... 3_N+1, балластного резистора 4, N-1 циркуляторов 5₁...5_N-1 и самоуправляемого сумматора мощности 6, при этом вход первого звена входной линии передачи 2₁ является входом усилителя с распределенным усилением, а его выход - соединен с входом второго звена входной линии передачи 2₂ и с входом первого активного элемента 1₁, выход которого соединен с входом второго звена 3₂ и с входом (для обратной усиленной волны) первого звена 3₁ выходной линии передачи, выход i-го звена 2₁ входной линии передачи, где соединен с входом i-го активного элемента 1_i, выход i-го активного элемента 1_i соединен с входом (i + 1)-го звена 3_i+1 выходной линии передачи, выход (N + 1)-го звена 2_N+1 входной линии передачи соединен с первым отводом балластного резистора 4, второй отвод которого заземлен, а вход - с выходом N-го звена 2_N входной линии передачи и с входом N-го активного элемента 1_N, выход которого соединен с входом (N + 1)-го звена 3_N+1 выходной линии передачи, первое плечо i-го циркулятора 5_i, кроме i = N, соединено с выходом (i + 1)-го звена выходной линии передачи 3_i+1, второе плечо i-го циркулятора 5_i соединено с входом (i + 2)-го звена выходной линии передачи 3_i+2, а второе плечо (N - 1)-го циркулятора 5_N-1 соединено с входом (N + 1)-го звена выходной линии передачи 3_N+1, выход которого соединен с (N + 1)-м входом самоуправляемого сумматора мощности 6, выход (для обратной усиленной волны) первого звена выходной линии передачи 3₁ соединен с первым входом самоуправляемого сумматора мощности 6, третье плечо 1-го циркулятора 5_i соединено с (i + 1)-м входом самоуправляемого сумматора мощности 6, выход которого является выходом усилителя с распределенным усилением.

В качестве циркуляторов 5_N-1, которые идентичны, (фиг.1), может быть использован мощный широкополосный Y - циркулятор, описанный в заявке 2518823, Франция, заявл. 18.12.81, N 8123736, опубл. 24.06.83 МКИ H 01 P 5/12.

Вариант построения самоуправляемого сумматора мощности 6 представлен на фиг. 2. Самоуправляемый сумматор мощности состоит из N идентичных самоуправляемых элементов сложения мощностей 6.1₁...6.1_N, идентичных фазовых дискриминаторов 6.2₁. . .6.2_N, идентичных управляемых фазовращателей 6.3₁...6.3_N, балластных резисторов 6.4₁. . .6.4_N, при этом первый вход самоуправляемого сумматора мощности соединен с первым входом самоуправляемого элемента сложения мощностей 6.1₁, (i+1)-й вход самоуправляемого сумматора мощности через i-й управляемый фазовращатель, где соединен с вторым входом i-го самоуправляемого элемента сложения мощностей, первый выход i-го самоуправляемого элемента сложения мощности соединен с первым входом (i+1)-го самоуправляемого элемента сложения мощности, первый выход N-го самоуправляемого элемента сложения мощности 6.2_N является выходом самоуправляемого сумматора мощности и одновременно выходом усилителя мощности с распределенным усилением, входы каждого самоуправляемого элемента сложения 6.1_i соединены с соответствующими входами фазового дискриминатора 6.2_i, выход которого соединен с управляющим входом управляемого фазовращателя 6.3_i, второй выход каждого самоуправляемого элемента сложения мощности 6.1_i соединен с первым отводом балластного резистора 6.4_i, второй отвод которого заземлен.

Вариант построения самоуправляемого элемента сложения мощности 6.1 представлен на фиг. 3. Самоуправляемый элемент сложения мощности состоит ив мостовых устройств квадратурного типа 6.1₁, 6.1₂, управляемого фазовращателя 6.1₃, фазовращателя на 90^o 6.1₄ и фазового дискриминатора 6.1₅, при этом входы первого мостового устройства 6.1₁ являются соответствующими входами самоуправляемого элемента сложения мощности, а выходы второго мостового устройства 6.1₂ - выходами самоуправляемого элемента сложения мощности, первый выход первого мостового устройства 6.1₁ через управляемый фазовращатель 6.1₃ соединен с первым входом второго мостового устройства 6.1₂, второй вход которого соединен с вторым выходом первого мостового устройства 6.1₁ непосредственно, первый вход второго мостового устройства 6.1₂ соединен с первым входом фазового дискриминатора 6.1₅, второй вход второго мостового устройства 6.1₂ через фазовращатель на 90^o 6.1₄ соединен с вторым входом фазового дискриминатора 6.1₅, выход которого соединен с управляющим входом управляемого фазовращателя 6.1₃.

В качестве мостового устройства квадратурного типа 6.1₁, 6.1₂ (фиг.3) может быть использовано, например, щелевое волноводное мостовое устройство, описанное в книге "Устройства сложения и распределения мощностей высокочастотных колебаний" /В.В.Зайцев, В.М.Катушкина, С.Е.Лондон, 3.И.Модель под ред. З. И. Моделя. - М.: Сов. радио, 1980, - 296 с., рис. 6.24 на стр. 97, рис.6.26 на стр. 98., либо квадратурное мостовое устройство на связанных линиях, описанное в книге "Радиопередающие устройства": Учебник для ВУЗов / Л. А. Белов, М.В.Благовещенский, В.М.Багаев и др. под ред. М.В.Благовещенского, Г.М.Уткина - М.: Радио и связь, 1982, - 480 с., рис. 6.12, стр. 114.

В качестве управляемого фазовращателя 6.1₃ (фиг. 3), 6.3 (фиг. 2) может быть использован управляемый ферритовый фазовращатель Реджиа-Спенсера, описанный в книге Сазонова Д.М., Гридина А.И. и Мишустина Б.А. "Устройства СВЧ" / под редакцией Д. М.Сазонова. - М.: Высшая школа, 1981, рис. 9.15 и 9.16 стр. 282, 283.

В качестве фазовращателя на 90^o 6.1₄ (фиг. 3) может быть использован отрезок линии (коаксиального кабеля или волновода) с длиной, обеспечивающей фазовую задержку сигнала на 90^o.

Фазовые дискриминаторы 6.2 (фиг. 2) и 6.1₅ (фиг. 3) идентичны и содержат (фиг. 4) два амплитудных ограничителя 6.2₁ и 6.2₂, два дифференцирующих устройства 6.2₃ и 6.2₄, два диода 6.2₅ и 6.2₆, инвертор 6.2₇, триггер 6.2₈, электронный интегратор 6.2₉, при этом вход первого ограничителя 6.2₁ является одним из входов фазового дискриминатора, а выход через дифференцирующее устройство 6.2₃ соединен с анодом диода 6.2₅, катод которого соединен с первым входом триггера 6.2₈, вход второго амплитудного ограничителя 6.2₂ является вторым входом фазового дискриминатора, а выход через дифференцирующее устройство 6.2₄ соединен с катодом диода 6.2₆, анод которого через инвертор 6.2₇ соединен со вторым входом триггера 6.2₈, выход которого через электронный интегратор 6.2₉ соединен с выходом фазового дискриминатора.

В качестве дифференцирующих устройств 6.2₃ и 6.2₄ (фиг.4) может быть использована дифференцирующая цепь, схема которой приведена в книге Ерофеева Ю. Н. "Импульсные устройства".: Учебное пособие для ВУЗов. - М.: Высшая школа, 1989, - 527 с., рис. 2.45, стр. 76.

В качестве инвертора 6.2₇ (фиг.4) можно использовать, например, инвертирующий импульсный трансформатор, схема которого приведена в книге Гольденберга Л. И. "Импульсные и цифровые устройства": Учебник для ВУЗов. - М.; Связь, 1973, - 496 с., на стр. 52, рис. 1.32 в.

В качестве триггера 6.2₈ можно использовать асинхронный RS-триггер, схема которого приведена в книге Г.Н.Горбачева и Е.Е.Чаплыгина. "Промышленная электроника": Учебник для ВУЗов. / под ред. В.А.Лабунцова. - М.: Энергоатомиздат, 1988, - 320 с., на стр. 156, рис. 420.

В качестве электронного интегратора 6.2₉ можно использовать, например, электронный интегратор, схема которого приведена в книге Ерофеева Ю.Н. "Импульсные устройства": Учебное пособие для ВУЗов по специальности радиотехника. - М.: Высшая школа, 1989, - 527 с., на стр. 85, рис. 2.54.

В качестве амплитудных ограничителей 6.2₁ и 6.2₂ можно использовать, например, двухсторонний ограничитель, схема которого приведена в книге Ерофеева Ю.Н. "Импульсные устройства": Учебное пособие для ВУЗов. - М.: Высшая школа, 1989, - 527 с., на стр. 154, рис. 3.76, либо схема на стр. 156, рис. 3.78, при этом параметры ограничителя должны быть выбраны такими, чтобы обеспечить глубокое ограничение.

В общем случае усилитель с распределенным усилением построен на идее синфазного сложения токов нескольких совместно работающих усилительных активных элементов без суммирования входных и выходных емкостей активных элементов путем их включения в две искусственные линии передачи - входную и выходную. Элементы входной и выходной линии подбирают таким образом, чтобы достигалось одинаковое время задержки сигнала в обеих линиях, а соответственно и фазовые сдвиги, вносимые элементами звеньев входной и выходной линий передачи. Такой способ объединения усилительных активных элементов позволяет получить коэффициент усиления по напряжению больше единицы в широкой полосе частот, так как эквивалентная крутизна каскада УРУ определяется выражением S_экв = nS/2, где n -количество усилительных элементов УРУ, a S - крутизна одного усилительного элемента.

Число активных элементов расчитывается исходя из требуемой выходной мощности усилителя. Оно естественно зависит от мощности, отдаваемой отдельным активным элементом и определяется с помощью выражения n = (1/₁I_m)(8P/_a)^1/2, где I_m - амплитуда импульса анодного тока, ₁ - коэффициент разложения импульса анодного тока, или коэффициент Берга, P - отдаваемая лампой мощность, _a - характеристическое сопротивление линий передачи. Как правило минимальное число активных элементов может быть в пределах 3, а максимальное - порядка 10...15. При большем числе активных элементов увеличивается склонность усилителя к самовозбуждению, сказывается затухание в линиях передачи, усложняется регулировка. Методика расчета числа активных элементов и характеристического сопротивления линий передачи приведена в книге О.В.Алексеева, А.А.Головков, В.В.Полевой и др., под ред. Алексеева О.В. "Широкополосные радиопередающие устройства" - М.: Связь, 1978, - 302 с.

Заявленное устройство работает следующим образом.

На вход первого звена входной линии передачи 4₁ подается усиливаемый ВЧ сигнал, который распространяясь вдоль входной линии передачи 2₁...2_N+1 ответвляется в N отводах и поступает на управляющие входы активных элементов. Благодаря наличию звеньев входной линии передачи 2₁...2_N+1 и балластного резистора 4, во входной линии обеспечивается режим бегущей волны. Усиленные ВЧ сигналы с выходов активных элементов 1₁...1_N поступают в выходную линию передачи, на входы звеньев 3₁...3_N+1, возбуждая в ней прямые и обратные волны.

Прямые волны распространяются через цепочку соединенных последовательно циркуляторов 5, звеньев 3 выходной линии передачи к выходу (правому на схеме концу выходной линии передачи), складываются на ее выходе (на (N+1)-м входе самоуправляемого сумматора мощности 6) синфазно, образуя суммарную мощность прямой волны.

Обратная волна от первого активного элемента 1_i через первое звено выходной линии передачи 3₁ поступает на первый вход самоуправляемого сумматора мощности 6, обратная волна от (i+1)-го активного элемента через i-й циркулятор 5_i поступает на (i+1)-й вход самоуправляемого сумматора мощности 6.

С первого входа самоуправляемого сумматора мощности 6 (см. фиг. 2) ВЧ колебание подается на первый вход самоуправляемого элемента сложения 6.1₁, а со второго входа - через управляемый фазовращатель 6.3₁ - на второй вход самоуправляемого элемента сложения 6.1₁. В общем случае амплитуды (мощности) и фазы ВЧ колебаний, поступающих на первый и второй вход каждого из самоуправляемых элементов сложения 6.1_i различны. Для обеспечения эффективного сложения мощностей самоуправляемый элемент сложения 6.1_i содержит два квадратурных мостовых устройства 6.1₁ и 6.1₂. При этом первое мостовое устройство 6.1₁ выполняет функции равного деления мощностей ВЧ колебаний, поступивших на его первый и второй входы между его первым и вторым выходами. Для обеспечения равного деления мощностей на выходах первого мостового устройства P_вых1 = P_вых2 = 1/2 (P_вых1 + P_вых2) при равенстве P_вых1 и P_вых2 необходимо, чтобы колебания на входах мостового устройства были синфазными. Эту задачу выполняет система синфазирования, состоящая из фазового дискриминатора 6.2₁ и управляемого фазовращателя 6.3₁.

В свою очередь второе мостовое устройство 6.1₂ (фиг. 3) обеспечивает сложение поступающих на его входы мощностей ВЧ колебаний на одном (первом) выходе, без потери в балластном резисторе 6.4₁, подключенному к его второму выходу, если на его входах ВЧ колебания будут иметь равные амплитуды (мощности) и фазовый сдвиг (разность фаз входных колебаний), равный 90^o. Эту задачу выполняет система автоматического фазирования, состоящая из управляемого фазовращателя 6.1₃, фазовращателя на 90^o 6.1₄ и фазового дискриминатора 6.1₅. В целях устранения неоднозначности установления фазового сдвига на входах второго мостового устройства (+90^o или -90^o) фазовый дискриминатор должен иметь дискриминационную характеристику пилообразного вида. Такую характеристику обеспечивает фазовый дискриминатор, структурная схема которого представлена на фиг. 4.

На первый вход каждого из последующих самоуправляемых элементов сложения подается ВЧ колебание с мощностью, равной сумме мощностей, полученных от сложения ВЧ колебаний обратных волн в предыдущих самоуправляемых элементов сложения. На первый вход последнего самоуправляемого элемента сложения 6.1_N подается ВЧ колебание, полученное суммированием колебаний обратных волн от всех активных элементов, а на второй его вход суммарное колебание прямых волн. В результате на выходе последнего самоуправляемого элемента сложения и на выходе усилителя с распределенным усилением получаем ВЧ колебание с мощностью, равной сумме мощностей всех прямых и обратных волн. Благодаря этому существенно повышается КПД устройства.

Формула изобретения

Усилитель с распределенным усилением, содержащий N активных элементов, где N 3, N + 1 последовательно соединенных звеньев входной линии передачи и N + 1 звеньев выходной линии передачи с одинаковым временем задержки сигнала в обеих линиях передачи, и балластный резистор, при этом вход первого звена входной линии передачи является входом усилителя с распределенным усилением, а его выход соединен с входом второго звена входной линии передачи и с входом первого активного элемента, выход которого соединен с входом второго звена выходной линии передачи, выход i-го звена входной линии передачи, где соединен с входом i-го активного элемента, а выход (N + 1)-го звена входной линии передачи соединен с первым отводом балластного резистора, второй отвод которого заземлен, выход i-го активного элемента соединен с входом (i + 1)-го звена выходной линии передачи, отличающийся тем, что в него дополнительно введены N - 1 циркуляторов и самоуправляемый сумматор мощности, при этом первое плечо i-го циркулятора, кроме i = N, соединено с выходом (i + 1)-го звена выходной линии передачи, второе плечо i-го циркулятора соединено с входом (i + 2)-го звена выходной линии передачи, а второе плечо (N - 1)-го циркулятора соединено с входом (N + 1)-го звена входной линии передачи, выход которого соединен с (N + 1)-м входом самоуправляемого сумматора мощности, вход первого звена выходной линии передачи соединен с первым входом самоуправляемого сумматора мощности, третье плечо i-го циркулятора соединено с (i + 1)-м входом самоуправляемого сумматора мощности, выход которого является выходом усилителя с распределенным усилением.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4