FI103743B - Linearisointipiiri - Google Patents

Description

103743

Linearisointipiiri Keksinnön tausta

Keksinnön kohteena on linearisointipiiri ja sen perustana oleva menetelmä. Keksinnön mukaisen linearisointipiirin ensisijainen käyttötarkoitus on 5 esivääristää kulkuaaltoputkivahvistimen ottosignaalin amplitudia ja vaihetta vahvistimen aiheuttaman amplitudi- ja vaihevääristymän kumoamiseksi. Tarkemmin sanottuna keksinnön mukaisen linearisointipiirin tarkoitus on se, että linearisoidun kulkuaaltoputkivahvistimen kolmannen ja viidennen kertaluvun keskeismodulaatiosärö, AM/AM- ja AM/PM-vaste, AM/PM-siirtymä ja kohina-10 tehosuhde saadaan oleellisesti minimoitua.

Tunnetut linearisointipiirit on toteutettu yhden tai kahden epälineaarisen komponentin (esimerkiksi diodin tai transistorin) avulla sekä jakamalla signaali kahteen haaraan; lineaariseen ja epälineaariseen. Edellisessä tavassa käytetään hyväksi epälineaarisen komponentin läpimenovaimennuksen tai 15 heijastuksen kasvua ottotehon funktiona. Jälkimmäisessä tavassa kompressoituva epälineaarinen haara summataan sopivalla vaihesiirrolla ja amplitudilla lineaariseen haaraan. Molemmilla tavoilla voidaan muodostaa linearisointipiiri, joka toimii tietyllä taajuudella. Eräs tällainen linearisointipiiri tunnetaan esimerkiksi US-patentista 4 752 743. Linearisointipiiriä PDL (predistortion linearizer) 20 voidaan käyttää esimerkiksi kuvion 1 mukaisesti esivääristämään kulkuaaltoputkivahvistimen TWTA (travelling wave tube amplifier) ottosignaalia. Linearisointipiiri koostuu kahdesta pääosasta, jotka ovat amplitudia vääristävä osa AM/AM ja vaihetta vääristävä osa AM/PM. (Kaksiosaisen merkinnän AM/PM : tarkoitus on osoittaa, että ottosignaalin amplitudimodulaatio aiheuttaa antosig- 25 naalin vaihemodulaatiota (yksikkö °/dB). Lisäksi linearisointipiiri PDL käsittää mekanismin tasavirran (ja modulointitaajuisen signaalin) estämiseksi. Kuviossa 1 tällainen mekanismi on signaalin kanssa sarjaan kytketty kondensaattori C11, mutta se voi olla myös (ei näytetty) muuntaja tms.

Ongelmana tunnetuissa linearisointipiireissä on, että ne toimivat 30 vain tietyllä kapealla taajuuskaistalla. Jos toimintataajuutta muutetaan, tunnetut linearisointipiirit on viritettävä uudelle toimintataajuudelle. Ne eivät siis ole riittävän laajakaistaisia.

Keksinnön lyhyt selostus

Keksinnön tavoitteena on kehittää linearisointipiiri, joka toimii laa-35 jemmalla taajuuskaistalla kuin tunnetut linearisointipiirit. Keksinnön tavoitteet 2 103743 saavutetaan menetelmällä ja linearisointipiirillä, joille on tunnusomaista se, mitä sanotaan itsenäisten patenttivaatimusten tunnusmerkkiosissa. Keksinnön edulliset suoritusmuodot ovat epäitsenäisten patenttivaatimusten kohteena.

Keksintö perustuu ensiksikin siihen havaintoon, että tietyn kulkuajan 5 omaavan, sopivilla biasointivälineillä biasoidun epälineaarisen siirtojohdon ja kulkuaaltoputkivahvistimen vaihevääristymät tulotehon funktiona ovat laajalla taajuuskaistalla toisilleen käänteiset. Keksinnön käytännön toteutus perustuu siihen, että linearisointipiirin ainakin vaihetta vääristävä osa käsittää epälineaarisen siirtojohdon ja laajakaistaiset biasointivälineet epälineaarisen siirtojoh-10 don biasoimiseksi sopivasti tulevan amplitudimodulaation mukaan muuttuvaan toimintapisteeseen. Tässä yhteydessä laajakaistaiset biasointivälineet tarkoittavat sitä, että modulaatiokaistaleveydellä niiden ottoimpedanssi on suunniteltu sopivaksi modulaation detektoimiseksi mutta kantoaaltotaajuudella niiden ottoimpedanssi on suuri. Rakenne on siis alipäästösuotimen tyyppinen. Siirto-15 johto käsittää useita asteita, joista kukin aste käsittää signaalin kanssa sarjaan kytketyn induktanssin ja signaalin kanssa rinnan kytketyn kapasitanssin. Se muodostetaan käytännössä sellaisella komponenttien järjestelyllä, joka toteuttaa ammattilaisen tuntemat siirtojohtojen ominaisyhtälöt, kuten jäljempänä tarkemmin selostetaan. Asteiden lukumäärä on ainakin kaksi. Käytännössä 20 niitä tarvitaan n. 20. Epälineaarinen siirtojohto tarkoittaa sitä, että induktanssi ja/tai kapasitanssi (käytännössä kapasitanssi) muuttuu ottosignaalin hetkellisen jännitteen tai virran funktiona. Kantoaaltoteho on siis detektoitava ja de-tektoidulla signaalilla on ohjattava siirtojohdon jännitettä modulaatiokaistalla. Epälineaarisen siirtojohdon käytännön toteutus on yleensä signaalin kanssa : 25 sarjassa oleva induktanssi ja rinnakkain oleva sopivasti biasoitu puolijohdelii tos, kuten diodi.

Keksinnön mukainen linearisointipiiri on laajakaistainen. Sen vaihe-vääristymä on laajalla taajuuskaistalla vastakkainen kulkuaaltoputken aiheuttamalle vaihevääristymälle. Kulkuaaltoputken kulkuaika kasvaa ottotehon kas-30 väessä, kun taas keksinnön mukaisen linearisointipiirin kulkuaika vastaavasti lyhenee, joten linearisointipiirin ja kulkuaaltoputken vaihevääristymät kumoavat toisensa laajalla taajuusalueella.

Keksinnön mukaisen linearisointipiirin aktiivinen osa on erittäin yksinkertainen epälineaarinen siirtojohto. Käytännössä siirtojohto toteutetaan 35 kahdella komponentilla, joista toinen voi olla vain pätkä johdinta. Tämä tarjoaa erittäin monipuoliset muuntelumahdollisuudet ilman, että koko piirin monimut- 3 103743 kaisuus merkittävästi kasvaa. Epälineaarinen siirtojohto tunnetaan muista ympäristöistä, joten sen toteuttaminen, mitoittaminen ja käyttäytyminen ovat alan ammattilaisen helposti hallittavissa.

Kuvioiden lyhyt selostus 5 Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yhteydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joista:

Kuvio 1 on esivääristimen periaatekuva;

Kuviot 2-3 esittävät siirtojohdon sijaiskytkentää;

Kuvio 4 esittää amplitudia vääristävän osan erästä mahdollista ιοί o teutusta;

Kuvio 5 esittää piiriä, joka soveltuu sekä vaiheen että amplitudin vääristämiseen.

Keksinnön yksityiskohtainen selostus

Kuvio 2 esittää siirtojohdon sijaiskytkentää. Siirtojohto sijaiskytken-15 töineen ja mitoituksineen on alan ammattilaisen hyvin tuntemaa tekniikkaa, mutta sen käyttö linearisointipiirissä on uutta. Siirtojohto muodostuu signaalin kanssa sarjassa olevista induktansseista Ls ja rinnan kytketyistä kapasitansseista Cp. Epälineaarinen siirtojohto muodostuu siten, että kapasitanssin Cp arvo muuttuu sen yli olevan jännitteen Vj funktiona, siis Cp = C(Vj). Kun otto-20 signaalin RF-teho ilmaistaan (detektoidaan) jollakin sopivalla tekniikalla, ja detektoidulla AM-signaalilla ohjataan jännitettä Vj, niin Cp saadaan pienenemään ottotehon kasvaessa. Käytännön piirissä rinnakkaiskapasitanssi Cp to-: teutetaan sopivalla puolijohderajapinnalla, kuten PN-liitoksella, Schottky- liitoksella tai PIN-diodilla. Tällaisessa liitoksessa yhdistyvät kaikki epälineaari-25 suuden kannalta oleelliset toiminnot, nimittäin RF-tehon detektointi, jännitteen Vj ohjaus laajakaistaisten biasointivälineiden avulla ja epälineaarinen kapasitanssi Cp. Mitä tahansa rajapintaa tai komponenttia, joka toteuttaa nämä kolme oleellista toimintaa voidaan tämän hakemuksen tarkoittamassa mielessä > diodina.

30 Kuten tunnetaan, siirtojohdon ominaisimpedanssi Z0 = yJTsTCp ja etenemiskerroin γ- to^LsCp. Saijainduktanssina Ls toimii esimerkiksi sopiva kela tai lyhyt pätkä mitä tahansa suurimpedanssista johdinta, kuten mikrolius-kaa. Ominaisimpedanssiksi Z0 mitoitetaan tyypillisesti 50Ω.

4 103743

Kuvio 3 esittää siirtojohdon sijaiskytkentää tilanteessa, jossa de-tektoiva liitos on biasoitu johtavalle alueelle. Kapasitanssien Cp rinnalle muodostuu konduktanssi Gp, joka aiheuttaa linjassa häviöitä. Myös konduktanssi Gp riippuu liitoksen yli vaikuttavasta jännitteestä Vj. Kun siis liitosjännite Vj 5 muuttuu ottotehon kasvaessa, niin konduktanssi Gp pienenee ja linjan vaimennus pienenee. Tietyllä biasoinnilla epälineaarinen siirtojohto siis vääristää amplitudia ja jollakin toisella biasoinnilla se vääristää vaihetta eli kulkuaikaa. Amplitudin vääristäminen vääristää samalla myös vaihetta, mutta valitsemalla vaihe- ja amplitudivääristymät sopivasti ja sijoittamalla osien väliin laajakais-10 täinen vahvistin, voidaan saada aikaan sopiva vaiheen ja amplitudin esivää-ristymä.

Kuvio 4 esittää amplitudia vääristävän osan AM/AM erästä mahdollista toteutusta. Amplitudivääristymä saadaan aikaan signaalin kanssa sarjaan kytketyllä diodilla D41, jonka rinnalle on kytketty rinnakkaisresonanssipiiri, jo-15 hon kuuluu kondensaattori C41 ja induktanssi L41. Induktanssi L41 on piirin toimintataajuudella rinnakkaisresonanssissa diodin D41 (kapasitiivisen) reak-tanssin kanssa. Tämä estää tehokkaasti signaalin etenemisen piirin reaktiivisten komponenttien kautta ja estää siten vaihevääristymän syntymisen. Vastuksen R41 resistanssi pienentää resonanssipiirin hyvyyslukua (Q-arvoa) ja 20 kasvattaa siten piirin toimintataajuuskaistaa. Resistanssi määrää piirin läpi-menovaimennuksen pienellä ottoteholla, jolloin diodi D41 ei johda. Diodi D41 on biasoitu säädettävällä esijännitteellä VB1-VB2 kelojen L42 ja L43 kautta, jotka estävät radiotaajuisen signaalin etenemisen. Kun ottosignaalin amplitudi lisättynä biasointijännitteellä kasvaa suuremmaksi kuin diodin D41 myötä-: 25 suuntaisen johtamisen kynnysjännite, niin diodi D41 alkaa johtaa tietyn osan ottosignaalin jaksosta. Jakson aikainen keskimääräinen resistanssi pienenee ja läpimenevän signaalin vaimennus pienenee ottotehon funktiona. Tämä ottotehon funktiona tapahtuva vaimennuksen pieneneminen on säädettävissä biasjännitteellä VB1-VB2. Kuviossa 4 tällaisia biasoidun diodin ja resonanssi-30 piirin rinnankytkentöjä 41 on kytketty kaksi kappaletta peräkkäin riittävän dynamiikan saavuttamiseksi. Niitä voi luonnollisesti olla useampiakin kuin kaksi. Lisäksi osien 41 väliin ja/tai jälkeen voidaan kytkeä laajakaistaisia vahvistimia häviöiden kompensoimiseksi.

Kuvio 5 esittää käytännön toteutuksena piiriä, joka soveltuu vaiheen 35 vääristämiseen (lohko AM/PM kuviossa 1). Kuvion 5 piiri perustuu sopivasti biasoidun epälineaarisen siirtojohdon käyttöön signaalin esivääristämiseksi.

103743 « 5

Epälineaarinen siirtojohto koostuu useista sarjainduktanssin ja rinnakkaiska-pasitanssin muodostamista asteista 51, kuten kuvioiden 2 ja 3 yhteydessä on esitetty. Sarjainduktansseja ovat kuvion 5 tapauksessa kelat L51 - L55 ja rin-nakkaiskapasitansseja diodien D51 - D55 kapasitanssit Cp. Siirtojohto on bia-5 soitu biasointijännitteellä VB1 vastuksen RB ja kelan L57 kautta. Kelojen L52 ja L53 välissä oleva katkoviiva havainnollistaa sitä, että sarjainduktanssin ja rinnakkaiskapasitanssin muodostamia asteita 51 voidaan kytkeä peräkkäin enemmän tai vähemmän kuin mitä kuviossa 5 on esitetty. Näiden asteiden 51 toiminta on selostettu kuvioiden 2 ja 3 yhteydessä. Sarjainduktanssin ja rin-10 nakkaiskapasitanssin arvot määräävät siirtojohdon ominaisimpedanssin Z0 ja etenemiskertoimen γ. Induktanssin ja kapasitanssin on oltava riittävän pieniä, jotta alipäästötyyppisen linjan rajataajuus olisi selvästi toimintataajuuden yläpuolella. Tulotehon kasvaessa linjan diodit D51 - D55 alkavat johtaa, jolloin diodit muuttuvat enemmän estosuuntaisiksi bias-linjan sarjaresistanssin RB yli 15 syntyvän jännite-eron johdosta. Tämä pienentää diodien liitoskapasitanssia Cp, jolloin epälineaarisen siirtojohdon etenemiskerroin ja linjan sähköinen pituus pienenevät. Piirin ominaisuuksia voidaan säätää biasoinnilla, siis bias-jännitteellä VB1 ja/tai muuttamalla biasointivastuksen RB arvoa. RB voi olla sähköisesti tai mekaanisesti säädettävä. Piirin ominaisuuksia voidaan säätää 20 myös muuttamalla aktiivisten diodien lukumäärää. Viitemerkki 53 esittää erästä mahdollista mekanismia aktiivisten diodien lukumäärän muuttamiseksi. Diodit D54 ja D55 on erotettu maasta vastaavasti kondensaattoreilla C51 ja C52 ja niiden bias-jännitteet tuodaan induktanssien L58 ja 59 kautta. Kondensaattorit C51 ja C52 mitoitetaan siten, että ne maadoittavat kantoaaltotaajuu-: 25 den. Tässä tapauksessa bias-jännitelähteitä kutsutaan aktivointijännitteiksi VA1 ja VA2, koska merkinnällä halutaan korostaa, että diodit D54 ja D55 voidaan tehdä kokonaan aktiivisiksi tai epäaktiivisiksi (ei vain hieman säätää niiden aiheuttamaa vaihesiirtoa). Jos esimerkiksi aktivointijännite VA1 on riittävän negatiivinen, niin diodi D54 on selvästi estosuuntainen kaikilla ottotehon 30 arvoilla. Tällöin diodin D54 kapasitanssi ei muutu ottotehon funktiona ja linjan etenemiskertoimen muutos ja sähköisen pituuden muutos ottotehon funktiona pienenevät. Tällaisen piirin etuna on huomattavan monipuoliset konfigurointi-mahdollisuudet.

Kuvion 5 mukaista piiriä voidaan käyttää myös amplitudin vääristä-35 miseen. Tämä tapahtuu biasoimalla diodit D51 - D55 osittain myötäsuuntaisik-si, kuten kuvion 3 yhteydessä selostettiin.

6 103743

Kuvion 1 mukainen esivääristin PDL voidaan toteuttaa kytkemällä peräkkäin kuvion 4 mukainen amplitudin vääristin ja kuvion 5 mukainen vaiheen vääristin. Vaihtoehtona tälle järjestelylle voidaan kytkeä peräkkäin kaksi kuvion 5 mukaista piiriä, joista ensimmäinen muuttaa amplitudia ja toinen vai-5 hetta (tai päinvastoin). Vaihetta muuttavan piirin diodit D51 - D55 biasoidaan estosuuntaisiksi ja amplitudia muuttavan piirin diodit D51 - D55 vastaavasti osittain myötäsuuntaisiksi. Viime mainitun järjestelyn etuna on, että lineari-sointipiirin vaihetta vääristävä osa ja amplitudia vääristävä osa ovat rakenteeltaan samanlaiset ja ainoa ero niiden välillä on erilainen biasointi.

10 Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että keksinnön perusajatus voi daan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritusmuodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (10)

103743

1. Menetelmä radiotaajuisen ottosignaalin esivääristämiseksi, jossa menetelmässä estetään tasavirran ja modulointitaajuisen signaalin kulku, ja signaaliin kohdistetaan amplitudin vääristys ja vaiheen vääristys, tunnettu 5 siitä, että ainakin vaihetta vääristettäessä signaali johdetaan epälineaarisen siirtojohdon kautta ja mainittu epälineaarinen siirtojohto biasoidaan oleellisesti vaihetta vääristävälle alueelle.

2. Li n ea risoi nti pi i ri (PDL) radiotaajuisen ottosignaalin esivääristämiseksi, joka käsittää tasavirran ja modulointitaajuuden estovälineet (C11) sekä 10 amplitudia vääristävän osan (AM/AM) ja vaihetta vääristävän osan (AM/PM), tunnettu siitä, että: - ainakin vaihetta vääristävä osa (AM/PM) käsittää laajakaistaiset biasointivälineet (52) ja niille vasteellisen epälineaarisen siirtojohdon (51); ja - biasointivälineet (52) on sovitettu biasoimaan epälineaarinen siir- 15 tojohto (51) oleellisesti vaihetta vääristävälle alueelle.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen linearisointipiiri, tunnettu siitä, että epälineaarinen siirtojohto (51) käsittää signaalin kanssa sarjaan kytketyn induktanssin (L51) ja signaalin kanssa rinnan kytketyn diodin (D51).

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen linearisointipiiri, tunnettu 20 siitä, että epälineaarinen siirtojohto (51) käsittää useita induktansseja (L51 - L55) ja useita diodeja (D51 - D55) sekä välineet (53), joilla osa diodeista (D54 - D55) voidaan kytkeä epäaktiiviseksi.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen linearisointipiiri, tunnettu siitä, että välineet (53), joilla osa diodeista voidaan kytkeä epäaktiivisiksi, kä- 25 sittävät kunkin kytkettävän diodin (D54, D55) maasta erottavan kapasitanssin (C51, C52) sekä välineet (VA1, VA2, L58, L59) kyseisen diodin biasoimiseksi voimakkaan estosuuntaiseksi.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 2-5 mukainen linearisointipiiri, tunnettu siitä, että amplitudia vääristävä osa (AM/AM) käsittää ainakin yh- 30 den asteen (41), johon kuuluu signaalin kanssa sarjaan kytketty diodi (D41), biasointivälineineen (VB1, VB2, L42, L43) sekä diodin (D41) rinnalle kytketty rinnakkaisresonanssipiiri (L41, C41), johon lisäksi kuuluu sen hyvyyslukua alentava resistanssi (R41). ίϋό/ 46

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen linearisointipiiri, tunnettu siitä, että se käsittää useita oleellisesti samanlaisia sarjaan kytkettyjä asteita (41).

8. Jonkin patenttivaatimuksen 2 - 5 mukainen linearisointipiiri, 5 tunnettu siitä, että amplitudia vääristävä osa (AM/AM) on rakenteeltaan oleellisesti samanlainen kuin mainittu vaihetta vääristävä osa (AM/PM), mutta mainittu epälineaarinen siirtojohto (51) on biasoitu oleellisesti amplitudia vääristävälle alueelle.

9. Jonkin patenttivaatimuksen 2 - 8 mukainen linearisointipiiri, 10 tunnettu siitä, että se käsittää useita peräkkäin kytkettyjä amplitudia ja/tai vaihetta vääristäviä osia ja niiden väliin kytkettyjä vahvistimia.

10. Oleellisesti vaihetta vääristävälle alueelle biasoidun epälineaarisen siirtojohdon käyttö radiotaajuisen signaalin vaiheen esivääristämiseen. 103743