Усилитель мощности

Полезная модель относится к усилителям мощности УВЧ диапазона и может использоваться в радиопередающих устройствах, в том числе телевизионных передатчиках. Технический результат: повышение коэффициента полезного действия усилителя мощности со сложением двух двухтактных усилителей. Введение дополнительных четвертьволновых линий дало возможность реализовать принцип динамической регулировки нагрузки (принцип сложения мощности по Догерти) при работе с двухтактными усилителями мощности.

Полезная модель относится к радиотехнике и может использоваться в радиопередающих устройствах УВЧ диапазона, в том числе телевизионных передатчиках.

Для уменьшения количества ступеней сложения, сумматоров и делителей ведущие фирмы-изготовители мощных транзисторов (Motorola, NXP) две транзисторные структуры выполняют в общем корпусе (например, BLF888, BLF878) для реализации компактной двухтактной схемы их включения на УВЧ [1, 2]. Симметрирование входов и выходов согласующих цепей таких транзисторов осуществляется трансформирующими четвертьволновыми участками коаксиальных линий с полосковыми компенсаторами [3].

Широко известный квадратурный усилитель мощности [4] со сложением двух усилителей принят по совокупности признаков в качестве аналога полезной модели. Квадратурный усилитель радиосигналов, содержащий два усилителя, выполненные по двухтактной схеме [5], как наиболее близкий аналог, принят за прототип. Также стоит отметить, что такой усилитель мощности широко применяется на практике, в частности в цифровых телевизионных передатчиках.

В связи с требованиями стандарта [6] к качеству цифрового сигнала, а именно для обеспечения уровня средней погрешности модуляции (MER) не менее 35дБ, усилителю необходимо работать с мощностью в пике сигнала в 7÷8 раз больше средней. Из-за такого соотношения средней и пиковой мощности в усилителе-прототипе КПД не превышает 27÷30%, а в целом передатчик имеет КПД еще ниже ~20%. Низкий КПД является серьезным недостатком прототипа, требующим устранения.

В 1930 г. сотрудником фирмы «Белл» Вильямом Догерти (William Doherty) была предложена схема динамического изменения нагрузки двух складываемых усилителей с тем, чтобы сигнал до среднего уровня с высоким КПД усиливал только один усилитель («основной»), а пики сигнала усиливались обоими усилителями («основным» и «пиковым») с обычным низким КПД [7]. В целом, КПД усилителей повышался с 27÷30% до 40÷45%. Этот принцип был реализован в мощных вещательных передатчиках длинных и средних волн [8]. В последнее время найдены решения суммирования по Догерти для усилителя УВЧ диапазона [9]. Фирмы выпускают и автономные узлы под названием «Сумматор Догерти» [10]. Однако во всех известных авторам устройствах суммируются однотактные усилители, не содержащие трансформирующих участков линий. Поэтому, например, патентуемыми фирмой «Anoren» сумматорами нельзя складывать широко применяемые двухтактные схемы. Необходимо было найти решение, устраняющее этот недостаток и позволяющее применить принцип повышения КПД Догерти к прототипу.

Задачей, на решение которой была направлена разработка данной полезной модели, является повышение коэффициента полезного действия усилителя мощности со сложением двух усилителей, построенных по двухтактной схеме, за счет использования метода динамической регулировки нагрузки (метода Догерти).

Сущность метода Догерти широко известна и не нуждается в дополнительном подробном описании, однако напомним, что динамическая регулировка нагрузки по Догерти основана на использовании трансформирующих элементов, а именно: усилитель Догерти использует два усилителя мощности - первый усилитель возбуждается как линейный усилитель класса В (АВ), а второй усилитель, нелинейный, класса С, своим выходным сигналом модулирует импеданс, на который нагружен первый усилитель мощности через инвертирующую импеданс четвертьволновую линию.

Ввиду того, что в усилителе мощности, построенном по двухтактной схеме, на выходе включены четвертьволновые линии, исполняющие роль симметрирующих устройств [3], использовать метод Догерти в классическом виде не представляется возможным, т.к. указанные выше четвертьволновые симметрирующие устройства окажут трансформирующее воздействие на нагрузку, которую ощущают усилители, и эффект динамической регулировки будет потерян.

В связи с этим авторами предложено между выходами симметрирующих устройств двухтактных усилителей и соответствующими входами сумматора Догерти включить дополнительные четвертьволновые линии с волновым сопротивлением, равным сопротивлению нагрузки усилителя. Вновь введенные четвертьволновые участки линии совместно с четвертьволновыми симметрирующими устройствами образуют нетрансформирующие динамическое изменение нагрузки полуволновые линии. Отметим, что длина указанных участков равна четверти длины волны на средней частоте рабочего канала лишь приближенно. На практике она уточняется из условия трансформации участком линии совместно с симметрирующим устройством выходного сопротивления закрытого транзистора пикового усилителя в максимальную величину в точке сложения.

В итоге полезная модель отличается от усилителя-прототипа тем, что вместо выходного 3дБ моста-сумматора установлены четвертьволновые участки линий и сумматор Догерти, а также настройкой режимов работы усилителей. В квадратурном усилителе мощности со сложением двух двухтактных усилителей, принятым за прототип, оба усилителя работают одинаково, в режиме В (АВ) [3]. В виду того, что при переходе от квадратурной схемы сложения к сложению по Догерти роль «пикового» усилителя изменилась (в соответствии с общей идеей, он должен отпираться только при подаче на его вход сигналов с уровнем мощности, большим четверти пикового), он настроен на работу в режиме С, «основной» же усилитель работает в режиме АВ, т.к. его функция осталась прежней.

Технический результат заключается в том, что благодаря введению указанных линий и сумматора Догерти, а также настройке усилителей, КПД предлагаемого устройства значительно возрастает. Например, авторами достигнуто увеличение КПД с 27% до 40% по сравнению с обычным усилителем без динамической регулировки нагрузки.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого усилителя мощности, на фиг.2 - структурная схема двухтактного усилителя мощности, входящего в состав усилителя.

Предлагаемый усилитель (фиг.1) содержит основной двухтактный усилитель 1, пиковый двухтактный усилитель 2, делитель 3 с дополнительным девяностоградусным сдвигом фазы в одном плече, сумматор Догерти 4, включающий четвертьволновый трансформатор 7 и четвертьволновый трансформатор 8, а также четвертьволновые линии 5, 6. На выход усилителя подключена нагрузка 9.

Оба двухтактных усилителя выполнены по одинаковой схеме (фиг.2). На входе установлено симметрирующее устройство 10, представляющее собой четвертьволновый отрезок коаксиальной линии с полосковым компенсатором, оно соединено с входной согласующей цепью 1. Цепь, в свою очередь, подключена к транзистору 12, содержащему две транзисторные структуры для обеспечения двухтактной схемы работы. К выходу транзистора подключена выходная согласующая цепь 13, к выходу которой подсоединено выходное согласующее устройство 14, аналогичное входному, но подключенное зеркально относительно него. Усилители отличаются друг от друга режимом работы - в то время как «основной» настроен на работу в линейном режиме АВ, «пиковый» работает в нелинейном режиме С. Режим работы транзистора задается напряжением смещения. Его источник, а также источник напряжения питания, не представлены на чертеже, так как являются общеизвестными элементами и вид их исполнения не принципиален.

Для распределения входной мощности между двухтактными усилителями используется делитель мощности. Принципиальным является условие, что входной сигнал на двухтактный усилитель 3, играющий роль «пикового», приходит с задержкой по фазе на девяносто градусов относительно «основного». Такая задержка может быть реализована либо самим делителем (например, мостовым), либо введением фазосдвигающей линии при использовании синфазного делителя мощности. При этом вход делителя является входом предлагаемого усилителя мощности, а его выходы подключены к входным симметрирующим устройствам двухтактных усилителей в соответствии с вышеобозначенным условием.

К выходным симметрирующим устройствам, которые являются выходами двухтактных усилителей, подключено по одной линии, нейтрализующей их трансформирующее действие. Линии могут быть выполнены как в виде отрезков коаксиальных кабелей, так и в виде полосковых линий. Их длина выбирается из условия трансформации участком линии совместно с симметрирующим устройством выходного сопротивления закрытого транзистора пикового усилителя в максимальную величину в точке сложения.

Последним звеном усилителя является широко известный сумматор Догерти, состоящий из двух четвертьволновых трансформаторов. Трансформатор 7 играет главную роль в схеме, так как именно через него изменяющееся при отпирании и запирании пикового транзистора сопротивление на входе трансформатора 8 передается к выходу основного усилителя, осуществляя тем самым динамическую регулировку нагрузки. Его волновое сопротивление выбирается равным сопротивлению нагрузки усилителя. Трансформатор 8 используется для согласования сопротивлений нагрузки 9 с одной стороны и двух линий от двухтактных усилителей с другой, при работе усилителя в целом в режиме пиковой мощности. Его волновое сопротивление выбирается исходя из выполняемой функции. Выход сумматора является выходом усилителя, а входы подключены к вышеуказанным линиям, причем так, чтобы четвертьволновый трансформатор из сумматора Догерти компенсировал фазовый сдвиг, вносимый на входе усилителя делителем мощности или фазосдвигающим элементом.

Усилитель мощности работает следующим образом.

Пусть сопротивление нагрузки 50 Ом, тогда волновое сопротивление линии 8-35 Ом, линий 5, 6 и 7-50 Ом. Волновое сопротивление участка 14 определяется необходимым режимом, пусть к примеру оно равно 25 Омам. Входной высокочастотный амплитудно- или OFDM модулированный сигнал делится между основным и пиковым двухтактными усилителями. При малых амплитудах входного сигнала усиление происходит в основном двухтактном усилителе, а пиковый в это время заперт. Высокий выходной импеданс и отсутствие его сигнала в точке соединения линий 6, 7 и 8 не нарушают нагрузку 25 Ом, обеспечиваемую 50-омной нагрузкой 9 и трансформатором 8. Она трансформируется к цепи 13 основного усилителя 1 в 25 Ом. При превышении входным сигналом порогового значения, транзистор пикового усилителя отпирается, его сигнал на входе линии 8 синфазно складывается с сигналом основного усилителя и последний ощущает увеличение сопротивления нагрузки до 50 Ом при равенстве сигналов. Эквивалентное сопротивление, подводимое к выходу цепи 13 основного усилителя 1, становится равным 12,5 Ом, то есть в два раза меньше, чем при малом сигнале. Таким образом, транзистор основного усилителя всегда работает в оптимальном режиме с высоким КПД, а пиковый усилитель работает только с частью сигнала, соответствующей пиковой мощности, и соответственно, с низкой средней мощностью и потреблением. Эффект динамического изменения нагрузки (эффект Догерти) сохранен.

Устройство реализовано в цифровом телевизионном передатчике Нева-Ц-1 со средней мощностью 1 кВт и мощностью в пике сигнала 7 кВт. В двух 600-ваттных блоках усиления мощности передатчика одновременно работают восемь заявленных устройств. КПД передатчика увеличено с 19% до 27%, КПД в каждом из восьми усилителей увеличилось с 27% до 40% при сохранении качественных показателей: MER равно 35дБ, как у прототипа. Важно также, что для увеличения КПД практически не пришлось изменять конструкцию блоков усилителей: восемь сумматоров двухтактных усилителей по настоящей заявке размещены вместо полосковых 3дБ мостов-сумматоров оконечных усилителей.

Литература:

1. www.ru.nxp.com/documents/data_sheet/b1f888.pdf

2. www.ru.nxp.com/documents/data_sheet/b1f878.pdf

3. «Проектирование радиопередающих устройств» под ред. дтн В.В.Шахгильдяна, Москва, «Связь», 1976 г., с.179-181

4. «Оценка возможности снижения некоторых видов нежелательных колебаний в широкополосных усилителях мощности ОВЧ диапазона», И.А.Бурков, Н.А.Трухин, «Радиотехника», 1984 г., 2.

5. Свидетельство на полезную модель 14705 «Квадратурный усилитель радиосигналов с угловой модуляцией», 2000 г.

6. «Правила применения оборудования систем телевизионного вещания. Часть I. Правила применения передатчиков эфирного телевидения.» от 10.01.2006 г.

7. W. H. Doherty "A new high efficiency power amplifier for modulated waves" Sept. 1935

8. Патент 65144 «Мощный усилитель типа усилителя Догерти», 1940 г.

9. NXP RF Power Product Presentation, 11/2011 г.

10. www.anaren.com/products/doherty-combiners

Усилитель мощности, содержащий два двухтактных усилителя и делитель мощности, вход которого является входом усилителя мощности, а первый выход соединен со входом первого двухтактного усилителя, настроенного на работу в линейном режиме АВ, а также сумматор мощности, выход которого является выходом усилителя мощности, отличающийся тем, что введены две четвертьволновые линии, разница фаз сигнала на первом и втором выходах делителя мощности составляет девяносто градусов, второй выход делителя мощности соединен со входом второго двухтактного усилителя, настроенного на работу в нелинейном режиме С, а сумматор мощности выполнен по схеме Догерти и состоит из двух соединенных последовательно четвертьволновых трансформаторов, при этом первая четвертьволновая линия включена между выходом первого двухтактного усилителя и входом первого четвертьволнового трансформатора сумматора мощности, а вторая - между выходом второго двухтактного усилителя и точкой соединения трансформаторов сумматора мощности.