ITMI20130035A1

ITMI20130035A1 - Circuito amplificatore di potenza per radiofrequenze ad alta efficienza

Info

Publication number: ITMI20130035A1
Application number: IT000035A
Authority: IT
Inventors: Daniele Valenti
Original assignee: Com Tech Italia S P A
Priority date: 2013-01-14
Filing date: 2013-01-14
Publication date: 2014-07-15

Description

CIRCUITO AMPLIFICATORE DI POTENZA PER RADIOFREQUENZE AD

ALTA EFFICIENZA

La presente invenzione concerne un circuito amplificatore di potenza per radiofrequenze ad alta efficienza.

Il campo dell’invenzione è quello degli amplificatori di potenza per radiofrequenze, come ad esempio le modulazioni digitali impiegate nel settore radiotelevisivo. In questo tipo di applicazioni si utilizzano notoriamente dei circuiti provvisti di soli amplificatori lineari, i quali hanno il vantaggio di coprire l’intera banda di frequenze richieste (nel settore radiotelevisivo UHF 470-862 MHz), però a scapito del rendimento o dell’efficienza che, a causa dell’elevato consumo energetico richiesto, si aggira intorno ad un valore del 25%.

Con l’obiettivo di accrescere questo valore di rendimento si è proposto di ridurre i consumi energetici dei noti trasmettitori ad amplificatori lineari integrando questi ultimi con degli amplificatori non lineari (configurazione “Doherty”): queste configurazioni permettono di raggiungere efficienze superiori al 35%, ma hanno l’inconveniente di potere funzionare solo su una banda molto ristretta di radiofrequenze (tipicamente il 15% del totale del campo di frequenza). Per questo motivo ad ogni cambio del valore delle radiofrequenze di esercizio del trasmettitore, occorre anche sostituire i tradizionali circuiti Doherty. Conseguentemente per ogni canale o per ogni settore di banda UHF occorre uno specifico amplificatore Doherty, che deve essere sostituito con il variare della frequenza di esercizio del trasmettitore.

Costituisce lo scopo principale della presente invenzione quello di fornire un nuovo circuito amplificatore di potenza per radiofrequenze il quale, rispetto ai noti amplificatori, permetta di coprire l’intera banda di frequenza richiesta (per esempio 470-862 MHz del canale televisivo UHF), pur con un’efficienza maggiore del 35%.

Questo scopo è raggiunto con il circuito amplificatore di potenza della rivendicazione 1. Dei preferiti modi di realizzare l’invenzione risultano dalle restanti rivendicazioni.

Rispetto ai noti circuiti amplificatori quello dell’invenzione offre il vantaggio di coprire l’intera banda della frequenza richiesta, pur raggiungendo delle efficienze di oltre il 35%.

Un ulteriore vantaggio dell’invenzione è rappresentato dal fatto che il circuito amplificatore non necessita di essere modificato o sostituito ad ogni cambio della frequenza del canale di esercizio.

Questi ed altri scopi, vantaggi e caratteristiche risultano dalla descrizione che segue di un preferito modo di realizzare il circuito amplificatore dell’invenzione illustrato, a titolo di esempio non limitativo, nelle figure delle allegate tavole di disegni. In esse:

- la figura 1 illustra un circuito amplificatore della tecnica nota;

- la figura 2 illustra una prima forma di esecuzione del circuito amplificatore dell’invenzione;

- le figure 3 e 4 illustrano delle rispettive varianti del circuito di figura 2;

- la figura 5 illustra una seconda forma di esecuzione del circuito dell’invenzione;

- le figure 6 e 7 illustrano delle rispettive varianti del circuito di figura 5.

- le figure da 8 a 11 illustrano delle ulteriori varianti del circuito dell’invenzione.

Il circuito di figura 1, noto con il nome di amplificatore “Doherty”, è del tipo che comprende un amplificatore lineare 10 ed un amplificatore non lineare 11, i quali ricevono i rispettivi segnali da un accoppiatore ibrido 12 facente parte della divisione di ingresso del circuito amplificatore nel suo insieme. Il segnale 13 in uscita dall’amplificatore lineare 10 ed il segnale 14 proveniente dall’amplificatore non lineare 11 sono inviati al circuito di combinazione di uscita, a sua volta formato da rispettive linee di sfasamento 15a e 15b, da una linea di inversione di impedenza 16 e da una linea 17 di trasformazione di impedenza.

Il circuito amplificatore dell’invenzione, come illustrato in figura 2, comprende una prima coppia di amplificatori lineari 18a,18b ed una seconda coppia di amplificatori non lineari 19a,19b. La coppia di amplificatori lineari 18a,18b riceve i rispettivi segnali 20a,20b che provengono da un accoppiatore ibrido 21, mentre gli amplificatori non lineari 19a,19b ricevono i rispettivi segnali 22a,22b da un corrispondente accoppiatore 23. I medesimi accoppiatori 21 e 23 ricevono i rispettivi segnali 24 e 25 da un accoppiatore ibrido iniziale 26, che a sua volta riceve il segnale di radiofrequenza in ingresso 27 e che è provvisto di un carico di bilanciamento 28. Analoghi carichi di bilanciamento 29 e 30 sono previsti rispettivamente sugli accoppiatori 21 e 23.

I segnali amplificati 31a,31b uscenti dai rispettivi amplificatori lineari 18a, 18b sono trasmessi ad un corrispondente accoppiatore ibrido 32, mentre i segnali 33a,33b provenienti dagli amplificatori non lineari, rispettivamente 19a e 19b, sono inviati ad un corrispondente accoppiatore ibrido 34, previo passaggio attraverso due linee 35a,35b di sfasamento del segnale e due linee 36a,36b di trasformazione di impedenza. Il segnale 37 in uscita dall’accoppiatore ibrido 32 è quindi inviato in cascata all’accoppiatore ibrido 34 dei segnali provenienti dagli amplificatori non lineari 19a e 19b, così da ottenere un segnale 38 in uscita dall’accoppiatore 34 risultante dalla somma delle potenze dei citati amplificatori 18a,18b e 19a,19b. Conformemente alla variante illustrata in figura 3, le linee di sfasamento 35a,35b del circuito di figura 2 sono spostate sugli ingressi dei rispettivi amplificatori non lineari 19a,19b con risultati equivalenti. Degli analoghi risultati sono raggiunti con la variante illustrata in figura 4, in cui il circuito amplificatore di figura 2 è modificato per la presenza di un’unica linea di sfasamento 39, collocata a monte dell’accoppiatore 23 associato alla citata coppia di amplificatori non lineari 19a e 19b.

Nella forma di esecuzione del circuito amplificatore dell’invenzione illustrata in figura 5, la posizione degli amplificatori lineari 18a,18b e degli amplificatori non lineari 19a,19b è invertita rispetto al circuito amplificatore di figura 2, dove il segnale 41 in uscita dall’accoppiatore 34 che riceve i segnali amplificati provenienti dagli amplificatori non lineari 19a,19b è posto in cascata rispetto al corrispondente segnale 42 in uscita dell’accoppiatore 32 collegato agli amplificatori lineari 18a,18b.

Nelle varianti delle figure 6 e 7 il circuito di figura 5 è modificato prevedendo le linee di sfasamento 35a,35b a monte degli amplificatori lineari 18a,18b e, rispettivamente, realizzando un'unica linea di sfasamento 40 collocata a monte dell’accoppiatore 23 collegato alla coppia di amplificatori lineari 18a,18b. Nella sua forma di esecuzione illustrata figura 8, il circuito amplificatore di figura 2 è modificato integrando la coppia di amplificatori lineari 18a,18b con due coppie di amplificatori non lineari, rispettivamente 19a,19b e 19c,19d. Ancora una volta sono previsti degli accoppiatori ibridi 21 e 32 per i segnali rispettivamente in entrata ed in uscita dagli amplificatori lineari 18a e 18b, un accoppiatore ibrido 23 di trasmissione del segnale 22a alla prima coppia di amplificatori non lineari 19a,19b e del segnale 22b alla seconda coppia di amplificatori non lineari 19c,19d ed un accoppiatore ibrido 34 che riceve i segnali 44 e 45 provenienti dalle rispettive coppie di amplificatori non lineari 19a,19b e 19c,19d. Il segnale 37 in uscita dall’accoppiatore 32 è quindi inviato in cascata all’accoppiatore 34, così da ottenere ancora un segnale amplificato 38 che è la somma delle potenze dei citati amplificatori lineari 18a,18b e non lineari, rispettivamente 19a,19b e 19c,19d.

Conformemente alla variante illustrata in figura 8, le linee di sfasamento 35a,35b,35c,35d sono poste sugli ingressi delle rispettive coppie di amplificatori non lineari 19a,19b e 19c,19d. Degli analoghi risultati sono raggiunti con la variante illustrata in figura 9, in cui il circuito amplificatore di figura 8 è modificato per la presenza di linee di sfasamento 39a,39b collocate a monte delle rispettive coppie di amplificatori non lineari 19a,19b e 19c,19d. Nella stessa variante di figura 9 sono inoltre previste delle linee di trasformazione di impedenza 43a,43b per ciascuna coppia dei medesimi amplificatori non lineari, rispettivamente 19a,19b e 19c,19d.

Nella forma di esecuzione illustrata alle figure 10 e 11 il circuito amplificatore di figura 8 è modificato integrando la coppia di amplificatori lineari 18a,18b con una prima serie di tre amplificatori non lineari 19a,19b,19c ed una seconda serie di tre amplificatori non lineari 19d,19e,19f. In questa forma di realizzazione la prima serie di amplificatori non lineari 19a,19b,19c riceve il segnale 22a dall’accoppiatore ibrido 23 del circuito di divisione di ingresso e trasmette il segnale amplificato 46 all’accoppiatore ibrido 34 del circuito di combinazione di uscita. Dal canto suo la seconda serie di amplificatori non lineari 19d,19e,19f riceve il segnale 22b dal medesimo accoppiatore ibrido 23 e trasmette il segnale amplificato 47 all’accoppiatore ibrido 34. In particolare nella variante illustrata in figura 11 sono previste delle linee di sfasamento 39a,39b collocate a monte delle rispettive serie di amplificatori non lineari 19a,19b,19c e 19d,19e,19f. Nella stessa variante di figura 11 sono inoltre presenti delle linee di trasformazione di impedenza 43a,43b per ciascuna delle medesime serie di tre amplificatori non lineari. Il circuito amplificatore di figura 3 dell’invenzione è stato messo a confronto con un analogo circuito Doherty di figura 1, questi circuiti avendo in comune due identici amplificatori lineari e due identici amplificatori non-lineari.

Il citato confronto ha permesso di costruire la seguente tabella:

Doherty (Fig. 1) Invenzione (Fig. 3) Efficienza > 35% > 35% Larghezza di 15% 60%

banda relativa

da cui risulta che il circuito amplificatore dell’invenzione conserva le alte efficienze dei noti circuiti Doherty, pur coprendo fino al 60% della banda di frequenze di esercizio del trasmettitore (in particolare l’intera banda di 470-862 MHz del canale radiotelevisivo UHF).

L’invenzione, come sopra descritta ed illustrata nelle figure, può essere utilizzata per amplificare delle frequenze diverse da quelle considerate negli esempi, come per esempio la banda III che copre l’intervallo di 170-240 MHz, oppure le frequenze della telefonia mobile, della radio digitale e simili.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Circuito amplificatore di potenza per radiofrequenze, del tipo provvisto di un circuito di divisione del segnale di ingresso, di amplificatori dei segnali provenienti dal detto circuito di divisione di ingresso e di un circuito di combinazione dei segnali di uscita dai detti amplificatori, caratterizzato dal fatto che il detto circuito di divisione del segnale di ingresso comprende un accoppiatore ibrido (26) per la trasmissione di un segnale (24) ad un accoppiatore ibrido (21) e di un segnale (25) ad un accoppiatore ibrido (23), il detto accoppiatore ibrido (21) trasmettendo due segnali (20a,20b) a dei rispettivi amplificatori lineari (18a,18b) e il citato accoppiatore ibrido (23) trasmettendo un segnale (22a) ad almeno un amplificatore non lineare (19a; 19a,19b; 19a,19b,19c) e un segnale (22b) ad almeno un amplificatore non lineare (19b; 19c,19d; 19d,19e,19f). 2. Circuito secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere una prima coppia di amplificatori lineari (18a,18b) ed una seconda coppia di amplificatori non lineari (19a,19b), la detta coppia di amplificatori lineari (18a,18b) ricevendo i rispettivi segnali (20a,20b) dal detto accoppiatore ibrido (21), gli amplificatori non lineari (19a,19b) ricevendo i rispettivi segnali (22a,22b) dal citato accoppiatore ibrido (23). 3. Circuito secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre un accoppiatore ibrido (32) di combinazione dei segnali amplificati uscenti dai rispettivi amplificatori lineari (18a,18b) ed un accoppiatore ibrido (34) di combinazione dei segnali amplificati provenienti dai detti amplificatori non lineari (19a,19b). 4. Circuito secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto di prevedere delle linee di sfasamento (35a,35b) e delle linee (36a,36b) di trasformazione di impedenza. 5. Circuito secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto di presentare un’unica linea di sfasamento (39) collocata a monte del detto accoppiatore (23), oppure un’unica linea di sfasamento (40) posta a monte del detto accoppiatore (21). 6. Circuito secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere una coppia di amplificatori lineari (18a,18b) e due coppie di amplificatori non lineari, rispettivamente (19a,19b;19c,19d), il detto circuito comprendendo inoltre degli accoppiatori ibridi (21,32) per i segnali rispettivamente in entrata ed in uscita dai detti amplificatori lineari (18a,18b), un accoppiatore ibrido (23) di trasmissione del segnale (22a) alla prima coppia di amplificatori non lineari (19a,19b) e di trasmissione del segnale (22b) alla seconda coppia di amplificatori non lineari (19c,19d), nonché un accoppiatore ibrido (34) che riceve i segnali (44,45) provenienti dalle rispettive coppie di amplificatori non lineari (19a,19b;19c,19d). 7. Circuito secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto di comprendere delle linee di sfasamento (35a,35b,35c,35d) collocate sugli ingressi delle rispettive coppie di amplificatori non lineari (19a,19b;19c,19d). 8. Circuito secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto di comprendere delle linee di sfasamento (39a;39b) collocate a monte delle rispettive coppie di amplificatori non lineari (19a,19b;19c,19d) e delle linee di trasformazione di impedenza (43a;43b) per ciascuna coppia dei detti amplificatori non lineari, rispettivamente (19a,19b;19c,19d). 9. Circuito secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere una coppia di amplificatori lineari (18a,18b), una prima serie di tre amplificatori non lineari (19a,19b,19c) ed una seconda serie di tre amplificatori non lineari (19d,19e,19f). 10. Circuito secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che la detta prima serie di amplificatori non lineari (19a,19b,19c) riceve il segnale (22a) dall’accoppiatore ibrido (23) e trasmette il segnale amplificato (46) al detto accoppiatore ibrido (34), mentre la seconda serie di amplificatori non lineari (19d,19e,19f) riceve il segnale (22b) dal medesimo accoppiatore ibrido (23) e trasmette il segnale amplificato (47) al citato accoppiatore ibrido (34). 11. Circuito secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto di prevedere inoltre delle linee di sfasamento (39a,39b) collocate a monte delle rispettive serie di amplificatori non lineari (19a,19b,19c;19d,19e,19f), delle linee di trasformazione di impedenza (43a,43b) essendo inoltre previste per ciascuna delle medesime serie di amplificatori non lineari. 12. Circuito secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il segnale (37) in uscita dal detto accoppiatore ibrido (32) è posto in cascata al citato accoppiatore ibrido (34), così da ottenere un segnale (38) in uscita dall’accoppiatore (34) risultante dalla somma delle potenze dei citati amplificatori. 13. Circuito secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che il segnale (41) in uscita dall’accoppiatore (34) che riceve i segnali amplificati provenienti dagli amplificatori non lineari (19a,19b) è posto in cascata con il corrispondente segnale (42) in uscita dell’accoppiatore (32) collegato agli amplificatori lineari (18a,18b). 14. Circuito secondo una o più delle rivendicazioni 1 a 13, caratterizzato dal fatto di presentare un’efficienza maggiore del 35% per una larghezza di banda relativa pari ad almeno il 60% di quella richiesta. CLAIMS 1. A boosting circuit for radio frequencies, of the type equipped with a division circuit of the input signal, of signal amplifiers coming from said input division circuit and a combinational circuit of the output signals from said amplifiers, characterized in that said division circuit of the input signal comprises a hybrid coupler (26) for the transmission of a signal (24) to a hybrid coupler (21) and a signal (25) to a hybrid coupler (23), said hybrid coupler (21) transmitting two signals (20a, 20b) to respective linear amplifiers (18a, 18b) and said hybrid coupler (23) transmitting a signal (22a) to at least one nonlinear amplifier (19a; 19a,19b; 19a,19b,19c) and a signal (22b) to at least one non-linear amplifier (19b; 19c,19d; 19d,19e,19f).
2. The circuit according to claim 1, characterized in that it comprises a first pair of linear amplifiers (18a, 18b) and a second pair of non-linear amplifiers (19a,19b), said pair of linear amplifiers (18a,18b) receiving the respective signals (20a,20b) from said hybrid coupler (21), the non-linear amplifiers (19a,19b), receiving the respective signals (22a, 22b) from said hybrid coupler (23).
3. The circuit according to claim 2, characterized in that it also comprises a combinational hybrid coupler (32) of the amplified signals coming from the respective linear amplifiers (18a,18b) and a combinational hybrid coupler (34) of the amplified signals coming from said non-linear amplifiers (19a,19b).
4. The circuit according to claim 3, characterized in that it comprises phase-shift lines (33a,35b) and impedance transformation lines (36a,36b).
5. The circuit according to claim 3, characterized in that it has a single phase-shift line (39) situated upstream of said coupler (23), or a single phase-shift line (40) situated upstream of said coupler (21).
6. The circuit according to claim 1, characterized in that it comprises a pair of linear amplifiers (18a, 18b) and two pairs of non-linear amplifiers, respectively (19a,19b;19c,19d), said circuit also comprising hybrid couplers (21,32) for input and output signals from said linear amplifiers (18a,18b) respectively, a hybrid coupler (23) for the transmission of the signal (22a) to the first pair of non-linear amplifiers (19a,19b) and for the transmission of the signal (22b) to the second nonlinear amplifiers (19c,19d), in addition to a hybrid coupler (34) which receives the signals (44,45) coming from the respective pairs of non-linear amplifiers (19a,19b;19c,19d).
7. The circuit according to claim 6, characterized in that it comprises phase-shift lines (35a,35b,35c,35d) situated on the inputs of the respective pairs of non-linear amplifiers (19a,19b;19c,19d).
8. The circuit according to claim 6, characterized in that it comprises phase-shift lines (39a;39b) situated upstream of the respective pairs of non-linear amplifiers (19a,19b;19c,19d) and impedance transformation lines (43a; 43b) for each pair of said non-linear amplifiers, respectively (19a,19b;19c,19d).
9. The circuit according to claim 1, characterized in that it comprises a pair of linear amplifiers (18a,18b), a first series of three non-linear amplifiers (19a,19b;19c) and a second series of three non-linear amplifiers (19d,19e,19f).
10. The circuit according to claim 9, characterized in that said first series of non-linear amplifiers (19a,19b;19c) receives the signal (22a) from the hybrid coupler (23) and transmits the amplified signal (46) to said hybrid coupler (34), whereas the second series of non-linear amplifiers (19d,19e,19f) receives the signal (22b) from the same hybrid coupler (23) and transmits the amplified signal (47) to said hybrid coupler (34).
11. The circuit according to claim 10, characterized in that it also comprises phase-shift lines (39a;39b) situated upstream of the respective series of nonlinear amplifiers (19a,19b,19c;19d,19e,19f), impedance transformation lines (43a;43b) also being envisaged for each of the same series of non-linear amplifiers.
12. The circuit according to one or more of the previous claims, characterized in that the output signal (37) from said hybrid coupler (32) is situated in cascade with respect to said hybrid coupler (34), so as to obtain a signal (38) at the output of the coupler (34) deriving from the total power of said amplifiers.
13. The circuit according to claim 3, characterized in that the signal (41) at the output of the coupler (34) which receives the amplified signals coming from the non-linear amplifiers (19a,19b) is situated in cascade with respect to the corresponding signal (42) at the output of the coupler (32) connected to the linear amplifiers (18a,18b).
14. The circuit according to one or more of the claims from 1 to 13, characterized in that it has an efficiency 35% higher for a relative bandwidth equal to at least 60% of that required.