RU217691U1

RU217691U1 - RF amplifier for digital broadcasting in the "NAVDAT" system

Info

Publication number: RU217691U1
Application number: RU2023102704U
Authority: RU
Inventors: Сергей Александрович Помазунов; Андрей Юрьевич Еркин; Михаил Юрьевич Кузнецов; Анна Валерьевна Максимихина; Артём Валерьевич Налобин; Наталья Александровна Орехова; Владимир Николаевич Румянцев
Filing date: 2023-02-07
Publication date: 2023-04-12

Abstract

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована в автоматизированных радиопередающих модулях усиления мощности, работающих в системе «NAVDAT». Техническим результатом полезной модели является обеспечение высоких показателей КПД при усилении сигналов с мультиплексированием и ортогональным частотным разделением (OFDM), имеющих высокий пик-фактор, которые применяются в системе «NAVDAT» для передачи информации о навигационной безопасности, с сохранением низкого уровня интермодуляционных искажений. Усилитель радиочастоты дополнительно содержит управляемый аттенюатор, блок управления и отдельные регулируемые источники смещения и отдельные датчики рабочего режима для каждого генераторного элемента в предварительном каскаде усиления и в каскадах выходных усилителей. Датчики рабочего режима включают в себя датчики температуры и датчики токов генераторных элементов. 1 ил.

The utility model relates to the field of radio engineering and can be used in automated radio transmitting power amplification modules operating in the NAVDAT system. The technical result of the utility model is to provide high efficiency indicators when amplifying signals with multiplexing and orthogonal frequency division (OFDM), which have a high crest factor, which are used in the NAVDAT system to transmit information about navigation safety, while maintaining a low level of intermodulation distortion. The radio frequency amplifier additionally contains a controlled attenuator, a control unit and separate adjustable bias sources and separate operating mode sensors for each generator element in the preliminary amplification stage and in the output amplifier stages. Operating mode sensors include temperature sensors and generator element current sensors. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована в автоматизированных радиопередающих модулях усиления мощности, работающих в системе «NAVDAT». The utility model relates to the field of radio engineering and can be used in automated radio transmitting power amplification modules operating in the NAVDAT system.

Система «NAVDAT» предназначена для цифрового радиовещания информации, касающейся безопасности и охраны на море в направлении берег-судно. В данной системе радиовещания для передачи информации используются сигналы с мультиплексированием и ортогональным частотным разделением (OFDM) с полосой 10 кГц, которые модулированы по амплитуде и имеют высокий пик-фактор. Так, согласно рекомендациям МСЭ-R M.2058-0 (02/2014) и МСЭ-R M.2010-1 (01/2019) усилителю радиочастоты необходимо работать с мощностью в пике сигнала на 7 - 10 дБ больше средней. При этом для обеспечения корректного коэффициента ошибок модуляции (MER) усилитель радиочастоты должен обеспечивать низкий уровень интермодуляционных искажений. К примеру, согласно рекомендациям МСЭ-R M.2010-1 (01/2019) коэффициент подавления интермодуляции третьего порядка передатчика должен быть не менее 40 дБн.The NAVDAT system is designed for digital broadcasting of information related to safety and security at sea in the shore-to-ship direction. This broadcasting system uses orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) signals with a bandwidth of 10 kHz, which are amplitude modulated and have a high crest factor, to transmit information. So, according to the recommendations ITU-R M.2058-0 (02/2014) and ITU-R M.2010-1 (01/2019), the radio frequency amplifier needs to operate with a signal peak power of 7 - 10 dB more than the average. At the same time, to ensure the correct modulation error ratio (MER), the RF amplifier must provide a low level of intermodulation distortion. For example, according to recommendations ITU-R M.2010-1 (01/2019), the third-order intermodulation suppression factor of the transmitter should be at least 40 dBc.

Известно, что наименьшим уровнем интермодуляционных искажений обладают усилители, работающие в режиме класса А, а в двухтактных схемах - в режиме класса В (АВ). Однако эти режимы работы характеризуются сильной зависимостью коэффициента полезного действия (КПД) от уровня входного сигнала. При передаче амплитудно-модулированных сигналов такие усилители обладают низким КПД, который, как правило, не превышает 30 %. It is known that amplifiers operating in class A mode have the lowest level of intermodulation distortion, and in push-pull circuits - in class B (AB) mode. However, these modes of operation are characterized by a strong dependence of the coefficient of performance (COP) on the level of the input signal. When transmitting amplitude-modulated signals, such amplifiers have a low efficiency, which, as a rule, does not exceed 30%.

С целью повышения КПД Вильямом Догерти (William Doherty) была предложена схема динамического изменения нагрузки двух складываемых усилителей - первый усилитель возбуждался как линейный усилитель класса В (АВ), а второй усилитель, нелинейный, класса С, который своим выходным сигналом модулировал импеданс, на который нагружен первый усилитель через инвертирующую импеданс четвертьволновую линию. Этот принцип позволял поднимать КПД усилителей до 45%.In order to increase the efficiency, William Doherty proposed a scheme for dynamically changing the load of two stackable amplifiers - the first amplifier was excited as a linear class B (AB) amplifier, and the second amplifier, non-linear, class C, which modulated the impedance with its output signal, to which the first amplifier is loaded through a quarter-wave line that inverts the impedance. This principle made it possible to raise the efficiency of amplifiers up to 45%.

Известен широкополосный усилитель мощности радиопередающего устройства, содержащий усилитель радиосигнала, который содержит оконечные каскады усиления с датчиками тока загрузки каждого генераторного элемента. Причем в каждом каскаде усиления использованы широкополосные трансформаторы на длинных линиях, для каждого генераторного элемента каскада усиления установлен отдельный регулируемый источник напряжения смещения и датчики температуры каждого генераторного элемента (патент RU № 203913 U1, H03F 1/02 (2021.02)). По совокупности признаков, данный усилитель принят за ближайший аналог.A broadband power amplifier of a radio transmitter is known, containing a radio signal amplifier, which contains final amplification stages with load current sensors of each generator element. Moreover, broadband transformers on long lines are used in each amplification stage, a separate adjustable bias voltage source and temperature sensors of each generator element are installed for each generator element of the amplification stage (patent RU No. 203913 U1, H03F 1/02 (2021.02)). Based on the combination of features, this amplifier is taken as the closest analogue.

Использование в каскадах усиления широкополосных трансформаторов на длинных линиях не позволяет использовать принцип сложения мощностей по Догерти. И поэтому, при передаче амплитудно-модулированных сигналов с высоким пик-фактором, усилитель-прототип не обеспечивает высокие показатели КПД с сохранением низкого уровня интермодуляционных искажений.The use of broadband transformers on long lines in amplification stages does not allow using the principle of power addition according to Daugherty. And therefore, when transmitting amplitude-modulated signals with a high crest factor, the prototype amplifier does not provide high efficiency while maintaining a low level of intermodulation distortion.

Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в обеспечении высоких показателей КПД при усилении сигналов с мультиплексированием и ортогональным частотным разделением (OFDM), имеющих высокий пик-фактор, которые применяются в системе «NAVDAT» для передачи информации о навигационной безопасности, с сохранением низкого уровня интермодуляционных искажений.The technical result, which the claimed utility model is aimed at, is to provide high efficiency indicators when amplifying signals with multiplexing and orthogonal frequency division (OFDM), which have a high crest factor, which are used in the NAVDAT system to transmit information about navigation safety, while maintaining a low level of intermodulation distortion.

Указанный технический результат достигается тем, что усилитель радиочастоты содержит каскад предварительного усиления, устройство сложения и фильтрации, измеритель коэффициента бегущей волны и мощности, каскады выходных усилителей, управляемый аттенюатор и блок управления. При этом каждый каскад выходного усилителя содержит по два усилителя - первый усилитель класса АВ настроен на работу в линейном режиме, а второй усилитель класса С настроен на работу в нелинейном режиме. Второй усилитель класса С своим выходным сигналом модулирует импеданс, на который нагружен первый усилитель через инвертирующую импеданс четвертьволновую линию. Входной сигнал делится между усилителями с фазовым сдвигом, равным девяносто градусов. В этом случае, оба усилителя в динамическом диапазоне усиливаемого сигнала имеют оптимальные, с токи зрения передачи мощности, нагрузочные сопротивления. На низких уровнях мощности усилитель класса С не работает, а усилитель класса АВ работает в линейном режиме. На высоких уровнях мощности усилитель класса АВ входит в насыщение, а усилитель класса С переходит в линейный режим. Этот способ обеспечивает низкие значения нелинейных искажений с сохранением высоких показателей КПД при усилении сигналов с высоким пик-фактором. The specified technical result is achieved by the fact that the radio frequency amplifier contains a pre-amplification stage, an addition and filtering device, a traveling wave coefficient and power meter, output amplifier stages, a controlled attenuator and a control unit. In this case, each stage of the output amplifier contains two amplifiers - the first class AB amplifier is configured to operate in a linear mode, and the second class C amplifier is configured to operate in a non-linear mode. The second Class C amplifier modulates with its output signal the impedance to which the first amplifier is loaded via an impedance-inverting quarter-wave line. The input signal is divided between the amplifiers with a phase shift of ninety degrees. In this case, both amplifiers in the dynamic range of the amplified signal have optimal load resistances in terms of power transfer currents. At low power levels, the class C amplifier does not work, and the class AB amplifier operates in a linear mode. At high power levels, the class AB amplifier saturates and the class C amplifier goes into linear mode. This method provides low harmonic distortion while maintaining high efficiency while amplifying signals with a high crest factor.

Также для каждого генераторного элемента в предварительном каскаде усиления и в каскадах выходных усилителей установлены отдельные регулируемые источники смещения и отдельные датчики рабочего режима, которые включают в себя датчики температуры и датчики токов генераторных элементов. Блок управления, считывая показания датчиков рабочего режима, управляет регулируемыми источниками смещения, и, тем самым, в зависимости от технологического разброса параметров генераторных элементов и параметров окружающей среды, обеспечивает настройку усилителей класса АВ в линейный режим, а усилителей класса С в нелинейный режим. Also, for each generator element in the preliminary amplification stage and in the stages of output amplifiers, separate adjustable bias sources and separate operating mode sensors are installed, which include temperature sensors and current sensors of the generator elements. The control unit, reading the readings of the operating mode sensors, controls the adjustable bias sources, and thus, depending on the technological spread of the parameters of the generator elements and environmental parameters, ensures that class AB amplifiers are set to linear mode, and class C amplifiers to non-linear mode.

Полезная модель усилителя радиочастоты иллюстрируется структурной схемой на Фиг. 1.A utility model of a radio frequency amplifier is illustrated by the block diagram in FIG. 1.

Согласно Фиг. 1, усилитель радиочастоты содержит каскад предварительного усиления 1, включающий в себя регулируемый источник смещения 12 и датчик рабочего режима 13, устройство сложения и фильтрации 2, измеритель коэффициента бегущей волны и мощности 3, каскады выходных усилителей 4, которые состоят из делителей мощности 5, усилителей класса АВ 6, усилителей класса С 7, согласующих трансформаторов 8, четвертьволновых линий 9, регулируемых источников смещений 12 и датчиков рабочего режима 13. Также усилитель мощности содержит управляемый аттенюатор 10 и блок управления 11. При этом первый вход управляемого аттенюатора 10 является входом усилителя радиочастоты, а выход управляемого аттенюатора 10 соединен со входом каскада предварительного усиления 1, выходы которого соединены со входами каскадов выходных усилителей 4. Входами каскадов выходных усилителей 4 являются входы делителей мощности 5, первые выходы которых соединены со входами усилителей класса АВ 6, работающих в линейном режиме, а вторые выходы делителей мощности 5 соединены со входами усилителей класса С 7, работающих в нелинейном режиме. Разность фаз сигнала на первых и вторых выходах делителей мощности 5 составляет девяносто градусов. Выходы усилителей класса С 7 соединены со входами согласующих трансформаторов 8 и выходами четвертьволновых линий 9, входы которых соединены с выходами усилителей класса АВ 6. Выходы согласующих трансформаторов 8 являются выходами каскадов выходных усилителей 4, которые соединены со входами устройства сложения и фильтрации 2, выход которого соединен со входом измерителя коэффициента бегущей волны и мощности 3, первый выход которого является выходом усилителя радиочастоты. Второй выход измерителя коэффициента бегущей волны и мощности 3 соединен с соответствующим входом блока управления 11, выходы которого соединены со входами управляемых источников смещений 12 и со вторым входом управляемого аттенюатора 10. Также с соответствующими входами блока управления 11 соединены выходы датчиков рабочего режима 13, которые включают в себя датчики температуры и датчики токов генераторных элементов. При этом в предварительном каскаде усиления 1 и в каскадах выходных усилителей 4 напряжения смещения регулируется на каждый генераторный элемент отдельно, и на каждый генераторный элемент установлен отдельный датчик рабочего режима 13. According to FIG. 1, the radio frequency amplifier contains a pre-amplifier stage 1, which includes an adjustable bias source 12 and an operating mode sensor 13, an addition and filtering device 2, a traveling wave ratio and power meter 3, output amplifier stages 4, which consist of power dividers 5, amplifiers class AB 6, class C amplifiers 7, matching transformers 8, quarter-wave lines 9, adjustable bias sources 12 and operating mode sensors 13. Also, the power amplifier contains a controlled attenuator 10 and a control unit 11. The first input of the controlled attenuator 10 is the input of the radio frequency amplifier , and the output of the controlled attenuator 10 is connected to the input of the preamp stage 1, the outputs of which are connected to the inputs of the stages of the output amplifiers 4. The inputs of the stages of the output amplifiers 4 are the inputs of the power dividers 5, the first outputs of which are connected to the inputs of class AB 6 amplifiers operating in a linear mode , and the second outputs of the power dividers 5 are connected to the inputs of Class C amplifiers 7 operating in a non-linear mode. The phase difference of the signal at the first and second outputs of the power dividers 5 is ninety degrees. The outputs of class C 7 amplifiers are connected to the inputs of matching transformers 8 and the outputs of quarter-wave lines 9, the inputs of which are connected to the outputs of amplifiers of class AB 6. The outputs of matching transformers 8 are the outputs of cascades of output amplifiers 4, which are connected to the inputs of the addition and filtering device 2, the output of which connected to the input of the traveling wave ratio and power meter 3, the first output of which is the output of the radio frequency amplifier. The second output of the traveling wave ratio and power meter 3 is connected to the corresponding input of the control unit 11, the outputs of which are connected to the inputs of the controlled displacement sources 12 and to the second input of the controlled attenuator 10. Also, the outputs of the operating mode sensors 13 are connected to the corresponding inputs of the control unit 11, which include temperature sensors and current sensors of generator elements. At the same time, in the preliminary amplification stage 1 and in the output amplifier stages 4, the bias voltage is regulated separately for each generator element, and a separate operating mode sensor 13 is installed for each generator element.

Устройство сложения и фильтрации 2 предназначено для сложения мощностей каскадов выходных усилителей 4 и для подавления высших гармонических составляющих выходного сигнала усилителя радиочастоты.The addition and filtering device 2 is designed to add the powers of the cascades of the output amplifiers 4 and to suppress the higher harmonic components of the output signal of the radio frequency amplifier.

Управляемый аттенюатор 10 предназначен для регулирования уровня радиосигнала, поступающего на вход каскада предварительного усиления 1.Controlled attenuator 10 is designed to control the level of the radio signal at the input of the pre-amplification stage 1.

Блок управления 11 представляет собой управляющую микро-ЭВМ, выполненную на основе контроллера. Он предназначен для проведения анализа сигналов с датчиков рабочего режима 13 и от измерителя коэффициента бегущей волны и мощности 3 в целях управления регулируемыми источниками смещения 12 и управляемым аттенюатором 10.The control unit 11 is a control micro-computer, made on the basis of the controller. It is designed to analyze the signals from the operating mode sensors 13 and from the traveling wave ratio and power meter 3 in order to control the adjustable bias sources 12 and the controlled attenuator 10.

Таким образом, в усилителе радиочастоты обеспечивается автоматическая настройка и удержание режимов работы усилителей, необходимых для реализации принципа сложения мощностей по Догерти. Это обеспечивает высокие показатели КПД при усилении сигналов с мультиплексированием и ортогональным частотным разделением (OFDM), имеющих высокий пик-фактор, которые применяются в системе «NAVDAT» для передачи информации о навигационной безопасности, с сохранением низкого уровня интермодуляционных искажений.Thus, the radio-frequency amplifier provides automatic tuning and maintenance of the operating modes of the amplifiers necessary to implement the principle of power summation according to Daugherty. This provides high efficiency amplification of orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) signals with a high crest factor, which are used in the NAVDAT system for the transmission of information about navigational safety, while maintaining a low level of intermodulation distortion.

Усилитель радиочастоты работает следующим образом.The RF amplifier works as follows.

В момент включения усилителя радиочастоты блок управления 11 считывает показания датчиков рабочего режима 13 и вырабатывает управляющие напряжения для регулируемых источников смещений 12. Регулируемые источники смещений 12 под воздействием управляющих напряжений меняют напряжения смещений на каскаде предварительного усиления 1 и на усилителях класса АВ 6 до выхода их на работу в линейном режиме. Одновременно, блок управления 11 меняет напряжения смещений на усилителях класса С 7 до выхода их на работу в нелинейном режиме (класс С). At the moment the radio frequency amplifier is turned on, the control unit 11 reads the readings of the operating mode sensors 13 and generates control voltages for adjustable bias sources 12. The adjustable bias sources 12, under the influence of control voltages, change the bias voltages on the preamp stage 1 and on class AB 6 amplifiers until they reach the work in linear mode. At the same time, the control unit 11 changes the bias voltages on class C amplifiers 7 before they start working in a non-linear mode (class C).

В процессе работы на излучение, блок управления 11 непрерывно контролирует показания датчиков рабочего режима 13, измерителя коэффициента бегущей волны и мощности 3 и вычисляет выходную мощность, температуры и токи генераторных элементов. В зависимости от вычисленных значений, блок управления 11 изменяет параметры управляемого аттенюатора 10 для поддержания требуемого уровня выходной мощности и удержания генераторных элементов в области безопасной работы. Одновременно, блок управления 11 управляет регулируемыми источниками смещений 12 для поддержания рабочих режимов усилительных каскадов.In the process of radiation operation, the control unit 11 continuously monitors the readings of the operating mode sensors 13, the traveling wave coefficient and power meter 3 and calculates the output power, temperatures and currents of the generator elements. Depending on the calculated values, the control unit 11 changes the parameters of the controlled attenuator 10 to maintain the required output power level and keep the generator elements in the safe operation area. At the same time, the control unit 11 controls the adjustable bias sources 12 to maintain the operating modes of the amplifying stages.

Таким образом, за счет разветвленной системы контроля и управления, блок управления 11 обеспечивает автоматическое управление процессом работы усилителя радиочастоты в целом.Thus, due to the extensive monitoring and control system, the control unit 11 provides automatic control of the operation of the radio frequency amplifier as a whole.

Claims

A radio frequency amplifier containing a pre-amplifier stage, a summing and filtering device, a traveling wave ratio and power meter, output amplifier stages containing two amplifiers and power dividers each, the inputs of which are the inputs of the output amplifier stages, and the first outputs are connected to the inputs of the first class AB amplifiers , configured to operate in a linear mode, the second outputs of the power dividers are connected to the inputs of the second class C amplifiers configured to operate in a nonlinear mode, the phase difference of the signal at the first and second outputs of the power dividers is 90 °, the outputs of the second class C amplifiers are connected to the inputs of the matching transformers and the outputs of quarter-wave lines, the inputs of which are connected to the outputs of the first class AB amplifiers, the outputs of the matching transformers are the outputs of the cascades of the output amplifiers, which are connected to the inputs of the summing and filtering device, the output of which is connected to the input of the traveling wave ratio and power meter, while the outputs of the cascade of the preliminary amplification stages are connected to the inputs of the stages of the output amplifiers, and the first output of the traveling wave and power meter is the output of the radio frequency amplifier, characterized in that it contains a controlled attenuator, the output of which is connected to the input of the preliminary stage of amplification, and the first input is the input of the radio frequency amplifier, which contains control unit, and for each generator element in the preliminary amplification stage and in the output amplifier stages, separate adjustable bias sources and separate operating mode sensors are installed, which include temperature sensors and current sensors of the generator elements, while the second input of the controlled attenuator and inputs of regulated sources the displacements are connected to the outputs of the control unit, the inputs of which are connected to the outputs of the operating mode sensors and the second output of the traveling wave coefficient and power meter.