Усилительное устройство для управляемого возврата мощности потерь

Усилительное устройство для управляемого возврата мощности потерь

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к усилительному устройству для начального сигнала, имеющего начальную частоту,

причем усилительное устройство имеет определитель входного сигнала, на который подается начальный сигнал и который на основе начального сигнала определяет первый входной сигнал и второй входной сигнал,

причем определитель входного сигнала подает первый входной сигнал на первый усилитель, который усиливает первый входной сигнал до первого выходного сигнала,

причем определитель входного сигнала подает второй входной сигнал на второй усилитель, который усиливает второй входной сигнал до второго выходного сигнала,

причем выходные сигналы имеют равные друг другу амплитуды и начальную частоту, а их сдвиг фаз по отношению друг к другу, относительно начальной частоты, зависит от величины амплитуды начального сигнала,

причем усилители свои выходные сигналы подают на общий элемент связи, который на основе выходных сигналов формирует полезный сигнал и сигнал потерь,

причем элемент связи выполнен таким образом, что

общая мощность, которую имеют совместно полезный сигнал и сигнал потерь, не зависит от сдвига фаз выходных сигналов,

частичная мощность, которую имеет полезный сигнал, максимальна, если сдвиг фаз выходных сигналов имеет предопределенное значение, и

частичная мощность, которую имеет полезный сигнал, при отклонении сдвига фаз выходных сигналов от предопределенного значения уменьшается,

причем элемент связи подает полезный сигнал на нагрузку и подает сигнал потерь на выпрямительное устройство,

причем выпрямительное устройство выпрямляет сигнал потерь и подает выпрямленный сигнал потерь на устройство электропитания усилительного устройства.

Предложенное изобретение также относится к способу функционирования для подобного усилительного устройства.

Усилительное устройство вышеуказанного типа и способ функционирования подобного усилительного устройства известны, например, из US 6133788 и US 6285251 B1.

Известно, что отдельный усилитель свой максимальный кпд достигает только тогда, когда он работает при своем максимальном насыщенном выходном уровне (или по меньшей мере близко к нему). Чтобы иметь возможность поддерживать максимальный кпд в относительно большом диапазоне мощности, применяются усилительные устройства, которые содержат два усилителя. Оба усилителя эксплуатируются таким образом, что они оба работают при их максимальном насыщенном выходном уровне. Выходные сигналы объединяются посредством соответствующего элемента связи в полезный сигнал. Амплитуда полезного сигнала устанавливается за счет того, что сдвиг фаз обоих выходных сигналов устанавливается соответствующим образом. В качестве элемента связи, как правило, применяется гибрид или кольцевой элемент связи.

Если сдвиг фаз выходных сигналов отличается от нуля, то дополнительно к полезному сигналу имеет место также сигнал потерь. Сигнал потерь приводит к негативным реактивным воздействиям на усилитель. Для исключения подобных реактивных воздействий может, например, предусматриваться сопротивление, которое преобразует сигнал потерь в тепло. Применение сопротивления улучшает условия работы (сниженные реактивные воздействия на усилители, сниженные искажения и т.п.) усилительного устройства. Однако сопротивление приводит, особенно при большом сдвиге фаз, то есть при низкой частичной мощности полезного сигнала, к понижению общей эффективности усилительного устройства.

Указанные усилительные устройства используются в том числе в устройствах мобильной связи. Они также используются в других приборах с батарейным питанием. В случае приборов с батарейным питанием эффективность энергии имеет особенное значение. Поэтому уже пытались вместо сопротивления применять выпрямительное устройство, которое выпрямляет сигнал помех и выпрямленный сигнал помех подает на устройство электроснабжения усилительного устройства.

В уровне техники усилительное устройство выполняется с неуправляемыми выпрямительными элементами (диодами). При применении подобных выпрямительных элементов на ограничивающее действие выпрямительных элементов невозможно оказывать влияние. Тем самым эффективное сопротивление усилительного устройства зависит от модуляции, то есть от сдвига фаз выходных сигналов. Ввиду изменчивости эффективного сопротивления усилительного устройства усилительное устройство не является хорошо согласованным при всех сдвигах фаз. При некоторых сдвигах фаз в усилителе возникают отражения, которые, со своей стороны, обуславливают нелинейные искажения и снижения эффективности.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы усилительное устройство вышеназванного типа таким образом усовершенствовать и таким образом эксплуатировать, чтобы можно было избежать отражений в усилители.

Эта задача решается усилительным устройством с признаками пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения соответствующего изобретению усилительного устройства являются предметом зависимых пунктов 2-4 формулы изобретения.

Указанная задача также решается способом функционирования с признаками пункта 5 формулы изобретения. Предпочтительный вариант выполнения соответствующего изобретению способа функционирования является предметом зависимого пункта 6 формулы изобретения.

В соответствии с изобретением предусмотрено выполнить усилительное устройство вышеназванного типа таким образом, что выпрямительное устройство в качестве выпрямительных элементов имеет активные компоненты и что активные компоненты управляются синхронно с начальной частотой.

В соответствующем изобретению способе функционирования предусмотрено соответствующим образом эксплуатировать усилительное устройство, то есть активными компонентами, действующими в качестве выпрямительных элементов, управлять синхронно с начальной частотой и при этом выпрямлять сигнал помех.

На основе применения активных компонентов, управляемых синхронно с начальной частотой (синхронных выпрямителей), можно управлять временами запирания и проводимости активных компонентов. За счет этого может оптимизироваться эффективный нагрузочный импеданс для мощности потерь. Во взаимодействии с элементом связи и установкой сдвига фаз, за счет этого может достигаться то, что

- на нагрузку подается полезный сигнал с желательной частичной мощностью,

- оба усилителя работают с оптимальным (в частности, независимым от модуляции) нагрузочным импедансом,

- модуляционные нелинейности, искажения и реактивные воздействия поддерживаются низкими, и

- при этом достигается высокая полная эффективность.

Активные компоненты могут быть выполнены согласно потребности. Предпочтительно речь идет о полевых транзисторах, в частности о MOSFET (полевой транзистор со структурой металл - оксид - полупроводник).

Для оптимизации управления активными компонентами может быть, в частности, предусмотрено, что на управляющее устройство для выпрямительного устройства подается сдвиг фаз выходных сигналов и управляющее устройство учитывает сдвиг фаз при определении управляющих сигналов для активных компонентов.

Другие преимущества и особенности вытекают из последующего описания примера выполнения со ссылками на чертежи, на которых в принципиальном представлении показано следующее:

фиг.1 - блок-схема усилительного устройства,

фиг.2 - векторная диаграмма,

фиг.3 - выпрямительное устройство, и

фиг.4 и 5 - временные диаграммы.

Согласно фиг.1 усилительное устройство 1 содержит определитель 2 входного сигнала. На определитель 2 входного сигнала подается начальный сигнал s. Начальный сигнал s является переменным сигналом, который имеет начальную частоту f и амплитуду а. Понятие «начальная частота» при этом выбрано таким образом, чтобы показать взаимосвязь с начальным сигналом s. Какое-либо дальнейшее значение не вкладывается в понятие «начальная частота». Часто в случае начального сигнала s речь идет о сигнале в частотном диапазоне выше 20 МГц. В некоторых случаях начальный сигнал s имеет начальную частоту f даже выше одного ГГц. Отчасти превышаются даже 10 ГГц.

Определитель 2 входного сигнала определяет на основе начального сигнала s первый входной сигнал s1. Первый входной сигнал s1 имеет начальную частоту f. Если первый усилитель 3, который усиливает первый входной сигнал s1 до первого выходного сигнала S1, имеет нелинейности, то первый входной сигнал s1 определителем 2 входного сигнала соответственно предыскажается, так что нелинейности первого усилителя 3 предварительно компенсируются.

Определитель 2 входного сигнала подает входной сигнал s1 на первый усилитель 3. Первый усилитель 3 усиливает первый входной сигнал s1 до первого выходного сигнала S1.

Определитель 2 входного сигнала определяет на основе начального сигнала s также второй входной сигнал s2. Второй входной сигнал s2 также имеет начальную частоту f. Если второй усилитель 4, который усиливает второй входной сигнал s2 до второго выходного сигнала S2, имеет нелинейности, то второй входной сигнал s2 может предыскажаться определителем 2 входного сигнала соответствующим образом, так что нелинейности второго усилителя 4 предварительно компенсируются.

Определитель 2 входного сигнала подает второй входной сигнал s2 на второй усилитель 4. Второй усилитель 4 усиливает второй входной сигнал s2 до второго выходного сигнала S2.

Определитель 2 входного сигнала может быть выполнен известным образом. Например, определитель 2 входного сигнала может быть выполнен как цифровой сигнальный процессор, который на основе начального сигнала s определяет квадратурные сигналы, на основе которых в свою очередь определяются первый входной сигнал s1 и второй входной сигнал s2. Структура и способ работы цифрового сигнального процессора и определение квадратурных сигналов общеизвестны для специалистов.

Первый выходной сигнал S1 и второй выходной сигнал S2 имеют согласно фиг.2 одинаковую амплитуду А. Амплитуда А не зависит от амплитуды а начального сигнала s. Она лежит в диапазоне максимальной амплитуды усилителей 3, 4. Первый выходной сигнал S1 и второй выходной сигнал S2 имеют, однако, - относительно начальной частоты f - сдвиг фаз φ по отношению друг к другу. Сдвиг фаз φ зависит от амплитуды а начального сигнала s.

Как правило, усилители 3, 4 выполнены одинаково и работают одинаковым образом (в особенности, с одинаковым усилением). Как правило, приведенное выше описание (одинаковая амплитуда, которая не зависит от амплитуды а начального сигнала s, и сдвиг фаз φ, который зависит от амплитуды а начального сигнала s) равным образом справедливо для входных сигналов s1, s2, подаваемых на усилители 3, 4.

Усилители 3, 4 подают свои выходные сигналы S1, S2 согласно фиг.1 на общий элемент связи 5. Элемент связи 5 формирует на основе выходных сигналов S1, S2 полезный сигнал N и сигнал потерь V. Элемент связи 5 может быть выполнен, например, как кольцевой элемент связи, как направленный ответвитель, как 90°-гибрид или как 180°-гибрид. В этих случаях элемент связи 5 образует суммарный сигнал и разностный сигнал из обоих выходных сигналов S1, S2. Суммарный сигнал соответствует в этом случае полезному сигналу N, а разностный сигнал - сигналу потерь V.

Элемент связи 5 является работающим без потерь элементом связи 5. Он выполнен таким образом, что он поданные на него выходные сигналы S1, S2 без потерь преобразует в полезный сигнал N и сигнал потерь V. В частности, поэтому общая мощность, которую совместно имеют полезный сигнал N и сигнал потерь V, является независимой от сдвига фаз φ выходных сигналов S1, S2. Амплитуда (и связанная с ней частичная мощность), которую имеет полезный сигнал N, напротив, согласно фиг.2 имеет сдвиг фаз φ. Если сдвиг фаз φ равен предопределенному значению, то частичная мощность полезного сигнала N максимальна, а частичная мощность сигнала потерь V минимальна. В оптимальном случае частичная мощность полезного сигнала N равна в этом случае сумме отдельных мощностей обоих выходных сигналов S1, S2, а частичная мощность сигнала потерь V равна нулю. Чем далее отклоняется сдвиг фаз φ от предопределенного значения, тем меньше частичная мощность полезного сигнала N. Частичная мощность полезного сигнала N снижается, таким образом, с отклонением сдвига фаз φ от предопределенного значения, как правило, строго монотонно.

Предопределенное значение, при котором частичная мощность полезного сигнала N максимальна, зависит от типа элемента связи 5. Оно может составлять, например, 90° или 180°. В представлении на фиг.2 принято, что предопределенное значение равно 0°.

Элемент связи 5 подает полезный сигнал N на нагрузку 6. Элемент связи 5 также подает сигнал потерь V на выпрямительное устройство 7. Нагрузка 6 может, например, согласно фиг.1 представлять собой передающую антенну. Однако также могут иметь место другие нагрузки. В случае передающей антенны усилительное устройство 1 является составной частью так называемого «дефазированного передатчика». Выпрямительное устройство 7 выпрямляет сигнал потерь V. Выпрямленный сигнал потерь подается выпрямительным устройством 7 на устройство 8 электропитания усилительного устройства 1.

Согласно фиг.3 выпрямительное устройство 7 выполнено как мостовой выпрямитель. Это выполнение является типовым случаем выпрямительного устройства. Однако также возможны другие выполнения, в частности, выполнение в виде простого полуволнового выпрямителя. Согласно фиг.3 выпрямительное устройство 7 в качестве выпрямительных элементов 9 имеет активные компоненты. Активные компоненты 9 могут выполняться в зависимости от потребностей. Предпочтительным образом активные компоненты 9 выполнены как полевые транзисторы, в частности как MOSFET. Однако также возможно выполнение в виде IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором).

В общем случае является достаточным, если на каждую токовую ветвь выпрямительного устройства 7 по меньшей мере один из соответствующих находящихся в токовой ветви выпрямительных элементов 9 выполнен как активный компонент 9. При выполнении выпрямительного устройства 7 согласно фиг.3 могли бы, например, два из четырех выпрямительных элементов 9 быть выполнены как простые, неуправляемые выпрямительные элементы (диоды). Согласно фиг.3, однако, все выпрямительные элементы 9 выполнены как активные компоненты.

Активные компоненты 9 управляются согласно фиг.4 синхронно с начальной частотой f. Тем самым они выпрямляют сигнал потерь V.

Для корректного управления активными компонентами 9 на управляющее устройство 10 для выпрямительного устройства 7, разумеется, подается сигнал, осциллирующий с начальной частотой f, например, начальный сигнал s или соответствующий тактовый сигнал. С помощью этого сигнала управляющее устройство 10 определяет, какие ветви моста выпрямительного устройства 7 могут управляться как проводящие, а какие ветви моста должны оставаться запертыми. Предпочтительным образом, на управляющее устройство 10 также подается сдвиг фаз φ выходных сигналов S1, S2. В этом случае управляющее устройство 10 может учитывать сдвиг фаз φ при определении управляющих сигналов с1, с2 для активных компонентов 9. Это показано на фиг.4 и 5 тем, что для сдвига фаз φ в изображении фиг.5 указаны другие времена запирания и проводимости активных компонентов 9, чем для сдвига фаз φ в изображении фиг.4.

Предложенное изобретение имеет множество преимуществ. В частности, простым способом может достигаться высокая эффективность энергии, причем по существу не возникают никакие реактивные воздействия на усилители 3, 4. Тем самым обеспечивается особенно хорошая линейность усилителей 3, 4.

Соответствующее изобретению усилительное устройство 1 может применяться для различных целей использования. Предпочтительным образом соответствующее изобретению усилительное устройство 1 применяется в мобильных приборах с батарейным питанием, например, в приборах мобильной радиосвязи, включая мобильные телефоны. Также возможно применение в мощных передатчиках. Примерами таких мощных передатчиков являются передающие усилители для передающих антенн и градиентные катушки магниторезонансных установок.

Приведенное выше описание служит исключительно пояснению предложенного изобретения. Объем защиты предложенного изобретения должен определяться исключительно приложенной формулой изобретения.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

1 усилительное устройство

2 определитель входного сигнала

3, 4 усилитель

5 элемент связи

6 нагрузка

7 выпрямительное устройство

8 устройство электропитания

9 выпрямительные элементы/активные компоненты

10 управляющее устройство

а, А амплитуды

с1, с2 управляющие сигналы

f начальная частота

N полезный сигнал

S начальный сигнал

s1, s2 входные сигналы

S1, S2 выходные сигналы

V сигнал потерь

φ сдвиг фаз

1. Усилительное устройство для начального сигнала (s), имеющего начальную частоту (f),причем усилительное устройство имеет определитель (2) входного сигнала, на который подается начальный сигнал (s) и который на основе начального сигнала (s) определяет первый входной сигнал (s1) и второй входной сигнал (s2),причем определитель (2) входного сигнала подает первый входной сигнал (s1) на первый усилитель (3), который усиливает первый входной сигнал (s1) до первого выходного сигнала (S1),причем определитель (2) входного сигнала подает второй входной сигнал (s2) на второй усилитель (4), который усиливает второй входной сигнал (s2) до второго выходного сигнала (S2),причем выходные сигналы (S1, S2) имеют равные друг другу амплитуды (А) и начальную частоту (f), а их сдвиг фаз (φ) по отношению друг к другу, относительно начальной частоты (f), зависит от величины амплитуды (а) начального сигнала (s),причем усилители (3, 4) свои выходные сигналы (S1, S2) подают на общий элемент связи (5), который на основе выходных сигналов (S1, S2) формирует полезный сигнал (N) и сигнал потерь (V),причем элемент связи (5) выполнен таким образом, чтообщая мощность, которую имеют совместно полезный сигнал (N) и сигнал потерь (V), не зависит от сдвига фаз (φ) выходных сигналов (S1, S2),частичная мощность, которую имеет полезный сигнал (N), максимальна, если сдвиг фаз (φ) выходных сигналов (S1, S2) имеет предопределенное значение, ичастичная мощность, которую имеет полезный сигнал (N), при отклонении сдвига фаз (φ) выходных сигналов (S1, S2) от предопределенного значения уменьшается,причем элемент связи (5) подает полезный сигнал (N) на нагрузку (6) и подает сигнал потерь (V) на выпрямительное устройство (7),причем выпрямительное устройство (7) выпрямляет сигнал потерь (V) и подает выпрямленный сигнал потерь на устройство электропитания (8) усилительного устройства,отличающееся тем, чтовыпрямительное устройство (7) в качестве выпрямительных элементов (9) имеет активные компоненты (9) и что активные компоненты (9) управляются синхронно с начальной частотой (f).

2. Усилительное устройство по п.1, отличающееся тем, что активные компоненты (9) выполнены как полевые транзисторы.

3. Усилительное устройство по п.2, отличающееся тем, что полевые транзисторы выполнены как MOSFET.

4. Усилительное устройство по пп.1, 2 или 3, отличающееся тем, что на управляющее устройство (10) для выпрямительного устройства (7) подается сдвиг фаз (φ) выходных сигналов и управляющее устройство (10) учитывает сдвиг фаз (φ) при определении управляющих сигналов (с1, с2) для активных компонентов (9).

5. Способ функционирования для усилительного устройства (1),причем на определитель (2) входного сигнала усилительного устройства (1) подается начальный сигнал (s), который имеет начальную частоту (f),причем определитель (2) входного сигнала на основе начального сигнала (s) определяет первый входной сигнал (s1) и второй входной сигнал (s2),причем определитель (2) входного сигнала подает первый входной сигнал (s1) на первый усилитель (3), который усиливает первый входной сигнал (s1) до первого выходного сигнала (S1),причем определитель (2) входного сигнала подает второй входной сигнал (s2) на второй усилитель (4), который усиливает второй входной сигнал (s2) до второго выходного сигнала (S2),причем выходные сигналы (S1, S2) имеют равные друг другу амплитуды (А) и начальную частоту (f), а их сдвиг фаз (φ) по отношению друг к другу, относительно начальной частоты (f), зависит от величины амплитуды (а) начального сигнала (s),причем усилители (3, 4) свои выходные сигналы (S1, S2) подают на общий элемент связи (5), который на основе выходных сигналов (S1, S2) формирует полезный сигнал (N) и сигнал потерь (V),причем общая мощность, которую имеют совместно полезный сигнал (N) и сигнал потерь (V), не зависит от сдвига фаз (φ) выходных сигналов (S1, S2), частичная мощность, которую имеет полезный сигнал (N), максимальна, если сдвиг фаз (φ) выходных сигналов (S1, S2) имеет предопределенное значение, и частичная мощность, которую имеет полезный сигнал (N), при отклонении сдвига фаз (φ) выходных сигналов (S1, S2) от предопределенного значения уменьшается,причем элемент связи (5) подает полезный сигнал (N) на нагрузку (6) и подает сигнал потерь (V) на выпрямительное устройство (7),причем выпрямительное устройство (7) выпрямляет сигнал потерь (V) и подает выпрямленный сигнал потерь на устройство электропитания (8) усилительного устройства (1),причем действующие в качестве выпрямительных элементов (9) активные компоненты выпрямительного устройства (7) управляются синхронно с начальной частотой (f) и при этом выпрямляют сигнал помех (V).

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что на управляющее устройство (10) для выпрямительного устройства (7) подается сдвиг фаз (φ) выходных сигналов (S1, S2) и управляющее устройство (10) учитывает сдвиг фаз (φ) при определении управляющих сигналов (с1, с2) для активных компонентов (9).