RU221587U1 - Усилитель мощности с возможностью изменения мощности выходного сигнала с сохранением КПД - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в качестве усилителя мощности выходного радиочастотного сигнала с постоянной огибающей в портативных радиосредствах. Технический результат - обеспечение возможности изменения (снижения) мощности выходного сигнала усилителя мощности радиосигнала, работающего в импульсном режиме, применяемого в составе портативных радиосредств, в процессе работы в широком диапазоне рабочих частот с малой неравномерностью мощности выходного сигнала во всем диапазоне рабочих частот. Для этого в устройство введены последовательно соединенные аттенюатор, предварительный усилитель и первый высокочастотный ключ, а также (N-1) усилитель мощности, N входных цепей согласования и (N-1) выходная цепь согласования, а также второй и третий высокочастотные ключи. Кроме того, между выходами с (N+1) по (N+M) первого высокочастотного ключа и соответствующими входами второго высокочастотного ключа введены соответствующие выходные цепи согласования. При этом входы управления аттенюатора и всех ключей выполнены с возможностью соединения шиной с внешним управляющим устройством, а вход аттенюатора является входом устройства. 2 ил.

Description

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в качестве усилителя мощности выходного радиочастотного сигнала с постоянной огибающей в портативных радиосредствах с возможностью изменения (снижения) мощности выходного сигнала и, как следствие, с возможностью экономии заряда аккумуляторной батареи.

В настоящее время при проектировании усилителей мощности радиочастотных сигналов различных радиосредств особое внимание уделяется обеспечению возможности оперативного снижения мощности выходного радиочастотного сигнала, поступающего в антенну, относительно номинального (максимального) значения. Такая необходимость вызвана, например, тем, что в процессе эксплуатации подвижных и портативных радиосредств передающее устройство может располагаться как на предельной дальности от приемного устройства, так и в относительной близости. При расположении связываемых радиосредств на расстоянии предельной дальности друг от друга радиопередающему устройству требуется излучать радиосигнал с максимально возможной мощностью для обеспечения требуемого энергетического запаса радиолинии для надежной работы радиоканала. Радиопередающее устройство может располагаться в относительной близости от радиоприемного устройства и излучение радиосигнала с максимально возможной мощностью нецелесообразно, так как может привести к ряду негативных последствий. К таким последствиям можно отнести повышенное энергопотребление и, как следствие для портативных радиосредств, сокращенное время работы от аккумуляторной батареи.

Существует три основные способа изменения (снижения) мощности выходного сигнала усилителей мощности радиосигналов и их комбинации. Например, в устройствах по патентам RU 2730911, US 5128629, US 9048800 предлагается снижать уровень входного сигнала. Такое решение хорошо подходит для линейных усилителей мощности, которые как известно обладают низким КПД и, как следствие в портативной технике применяются редко. В устройстве по патенту RU 2160502 предлагается изменять напряжение или ток смещения активного элемента усилителя мощности. При таком подходе возникает проблема сложно предсказуемого нелинейного поведения активного элемента и зачастую приходится применять дополнительные цепи обратной связи, что значительно усложняет и удорожает итоговое изделие. Также при таком подходе зачастую не удается сохранить высокий КПД. В настоящее время при построении высокоэффективных усилителей мощности радиосигналов применяют активные элементы, работающие в импульсных режимах (D или BC). А для снижения мощности выходного сигнала (или для передачи амплитудной составляющей модуляции входного радиосигнала в таких усилителях изменяют напряжение питания активного элемента. Такой подход позволяет сохранять КПД при снижении мощности выходного сигнала, и как следствие снижать энергопотребление и увеличивать время работы от аккумуляторной батареи. Но известные устройства (по патентам RU 2730911, US 6701138, US 6844776, US 7167054, US 7679433, US 9209758, TW I713303, FR 2768574) при реализации такого способа изменения мощности выходного сигнала усилители мощности зачастую громоздки, что затрудняет их применение в портативных радиосредствах.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому устройству является усилитель мощности, описанный в патенте US 6148220, H04B 7/00, принятый за прототип.

Укрупненная функциональная схема устройства-прототипа представлена на фиг. 1. Без нарушения функциональности блок контроллера (Controller) вынесен за функциональную схему и представлен в виде внешнего управляющего устройства, соединенного с регулятором напряжения шиной управления. Генератор входного напряжения $$V_{in}$$ вынесен за функциональную схему и показан как вход от возбудителя или модулятора. Сопротивление нагрузки $$R_L$$ вынесено за функциональную схему и представлено выходом устройства, который можно подключить либо к антенне, либо к другой необходимой нагрузке.

На фиг.1 введены следующие обозначения:

1.1 - первый усилитель мощности (УМ);

2 - регулятор напряжения (РН);

3.1 - выходная цепь согласования (ЦС);

4 - шина управления.

Устройство-прототип содержит последовательно соединенные первый усилитель мощности 1.1 и цепь согласования 3.1, выход которой является выходом устройства для подключения к внешней нагрузке, например, антенне. Выход регулятора напряжения 2 соединен со вторым входом усилителя мощности 1.1, третий вход которого подключен к общей шине. Первый вход регулятора напряжения 2 подключен к внешнему источнику напряжения питания $${\text{U}}_{\text{ПИТ}\text{.}}$$ . Второй вход регулятора напряжения 2 выполнен с возможностью соединения посредством шины управления 4 с внешним управляющим устройством (на фиг. 1 не показан). Вход усилителя мощности 1.1 является входом устройства для радиосигналов от внешнего возбудителя (ВЗБ) или модулятора.

Устройство-прототип работает следующим образом.

В процессе работы радиосигнал от внешнего возбудителя или модулятора поступает на вход усилителя мощности УМ 1.1, работающего в импульсном режиме, где происходит основное усиление. Затем через цепь согласования ЦС 3.1, которая обычно строится на основе резонансных цепей и в которой происходит требуемое согласование выходного импеданса УМ 1.1 и входного импеданса нагрузки, поступает на выход в нагрузку (например, антенну). Цепь согласования ЦС 3.1 необходима для обеспечения передачи максимальной мощности радиосигнала в нагрузку, а также для дополнительного подавления нежелательных гармонических составляющих выходного радиосигнала. При этом УМ 1.1 запитывается через регулятор напряжения 2 от внешнего напряжения питания $${\text{U}}_{\text{ПИТ}\text{.}}$$ . При работе в импульсном режиме размах напряжения выходного сигнала усилителя мощности 1.1, а, следовательно, и мощность сигнала, отдаваемая в нагрузку, определяется в общем случае напряжением питания активного элемента (транзистора), на основе которого построен УМ 1.1. Таким образом, при необходимости снижения мощности выходного сигнала УМ 1.1 требуется снизить выходное напряжение РН 2. Для этого в устройстве-прототипе от внешнего устройства управления по шине управления 4 поступает команда в РН 2 на изменение выходного напряжения. Если, например, регулятор напряжения 2 построен на основе DC/DC преобразователя напряжения (Fig.8 в US6148220), то его выходное напряжение может определяться напряжением обратной связи $${\text{U}}_{\text{FB}}$$ . В составе РН 2 должно быть устройство, с помощью которого по команде от внешнего УУ можно устанавливать требуемое напряжение обратной связи $${\text{U}}_{\text{FB}}$$ . Таким устройством может быть, например, банк переключаемых резистивных делителей напряжения, цифровой потенциометр или цифро-аналоговый преобразователь. При этом в составе внешнего устройства управления должна быть память для хранения настроек, соответствующие требуемым уровням мощности выходного сигнала УМ 1.1. Исходя из этого, количество уровней напряжения обратной связи $${\text{U}}_{\text{FB}}$$ , которые могут устанавливаться с внешнего УУ, так или иначе ограничено.

Недостатки устройства-прототипа следующие:

- работа в ограниченном и относительно узком диапазоне рабочих частот, который определяется резонансным свойствами цепи согласования 3.1;

- диапазон рабочих частот также определяется в большой степени изменением (зачастую значительным) входного сопротивления активного элемента, на базе которого строится усилитель мощности;

- применение резонансных цепей в качестве ЦС 3.1 порождает противоречие - либо малая неравномерность мощности выходного сигнала УМ в узком диапазоне рабочих частот, либо большая неравномерность мощности выходного сигнала УМ в широком диапазоне рабочих частот, при этом ограничение по уровням выходного напряжения регулятора напряжения 2 также в свою очередь порождает противоречие - либо обеспечивается «плавное» (много уровней) изменение выходной мощности УМ без компенсации неравномерности в диапазоне рабочих частот, либо обеспечивается компенсация неравномерности в диапазоне рабочих частот с «грубым» (мало уровней) изменением выходной мощности УМ.

Задача, на решение которой направлено заявляемое устройство, заключается в обеспечении возможности изменения (снижения) мощности выходного сигнала усилителя мощности радиосигнала, работающего в импульсном режиме, применяемого в составе портативных радиосредств, в процессе работы в широком диапазоне рабочих частот с малой неравномерностью мощности выходного сигнала во всем диапазоне рабочих частот.

Для решения поставленной задачи в усилитель мощности с возможностью изменения мощности выходного сигнала, содержащий последовательно соединенные первый усилитель мощности и первую выходную цепь согласования, а также регулятор напряжения, первый вход которого соединен с источником питания, а его второй вход выполнен с возможностью соединения посредством шины с внешним управляющим устройством; третий вход усилителя мощности подключен к общей шине, согласно полезной модели, введены последовательно соединенные аттенюатор, предварительный усилитель и первый высокочастотный ключ, N выходов которого соединены с входами N входных цепей согласования, выходы которых соединены с входами соответствующих N усилителей мощности, выходы (N-1) усилителей мощности соединены с входами соответствующих (N-1) выходных цепей согласования, при этом выходы N выходных цепей согласования соединены с соответствующими входами второго высокочастотного ключа; выходы с (N+1) по (N+М) первого высокочастотного ключа соединены с входами с (N+1) по (N+М) выходных цепей согласования, выходы которых соединены с соответствующими входами второго высокочастотного ключа, выход которого является выходом устройства, кроме того, выход регулятора напряжения соединен с входом третьего высокочастотного ключа, N выходов которого соединены со вторыми входами соответствующих усилителей мощности; третьи входы (N-1) усилителей мощности подключены к общей шине; входы управления аттенюатора, первого, второго и третьего высокочастотных ключей выполнены с возможностью соединения посредством шины с внешним управляющим устройством; вход аттенюатора является входом устройства.

Блок-схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 2, где введены следующие обозначения:

1.1-1.N - усилители мощности (УМ);

2 - регулятор напряжения (РН);

3.1 -3.(N+M) - выходные цепи согласования (ВыхЦС);

4 - шина управления (ШУ);

5 - аттенюатор (Атт);

6 - предварительный усилитель (ПрУс);

7.1 - 7.N - входные цепи согласования (ВхЦС);

8, 9, 10 - первый, второй и третий высокочастотные ключи (К).

Заявляемое устройство содержит последовательно соединенные аттенюатор 5, предварительный усилитель 6 и первый высокочастотный ключ 8, N выходов которого соединены с входами соответствующих входных цепей согласования 7.1÷7.N, выходы которых через соответствующие усилители мощности 1.1÷1.N соединены с входами выходных цепей согласования 3.1÷3.N соответственно. При этом выходы высокочастотного ключа 8 с (N+1) по (N+М) соединены через соответствующие выходные цепи согласования с 3.(N+1) по 3.(N+М) c (N+1) по (N+М) входами второго высокочастотного ключа 9, выход которого является выходом устройства. Выход регулятора напряжения 2 соединен с входом третьего высокочастотного ключа 10, N выходов которого соединены со вторыми входами N усилителей мощности 1.1÷1N соответственно. Третьи входы усилителей мощности 1.1÷1N подключены к общей шине. Кроме того, входы управления регулятора напряжения 2, аттенюатора Атт 5, первого 8, второго 9 и третьего 10 высокочастотных ключей объединены шиной управления 4 для соединения с внешним управляющим устройством (на фиг. 2 не показано).

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Входной радиосигнал от возбудителя или модулятора поступает на вход аттенюатора 5, где его уровень ослабляется так, чтобы обеспечить требуемый режим работы широкополосного предварительного усилителя 6. Под требуемым режимом работы ПрУс 6 понимается такой режим, при котором на выходе предварительного усилителя 6 формируется радиосигнал требуемой (обычно максимальной для ПрУс 6) мощности, достаточной для работы активного элемента усилителя мощности в импульсном режиме. Но при этом ПрУс 6 не должен ограничивать входной сигнал по уровню, то есть уровень выходного сигнала Атт 5 не должен быть выше входной однодецибельной точки компрессии (IP_1dB) предварительного усилителя 6.

По команде от внешнего устройства управления УУ выбираются соответствующие требуемому диапазону рабочих частот положения первого 8, второго 9 и третьего 10 ключей. При этом усиленный в ПрУс 6 радиосигнал поступает на соответствующий вход выбранной входной цепи согласования 7.k. Входная цепь согласования 7.k необходима для согласования выходного сопротивления ПрУс 6, которое обычно составляет 50 Ом в широком диапазоне рабочих частот, с входным импедансом активного элемента усилителя мощности 1.k, что обеспечивает наиболее полную передачу мощности от ПрУс 6 в соответствующий УМ 1.k. Затем после основного усиления в соответствующем усилителе мощности 1.k высокочастотный сигнал поступает на соответствующую выходную цепь согласования 3.k, где происходит согласование выходного импеданса УМ 1.k с входным импедансом нагрузки (например, антенны) для обеспечения наиболее полной передачи полезной мощности в нагрузку.

При этом для обеспечения подачи требуемого напряжения питания на выбранный УМ 1.k происходит соответствующая коммутация выходного напряжения РН 2 через третий ключ 10.

При необходимости изменить мощность выходного сигнала от внешнего устройства управления поступает команда в РН 2 на изменение выходного напряжения питания. А при необходимости изменить диапазон выходных частот от внешнего устройства управления поступает команда на ключи 8, 9 и 10, и выбирается такая связка «входная цепь согласования 7.k - усилитель мощности 1.k - выходная цепь согласования 3.k», которая обеспечивает наиболее эффективную работу в выбранном диапазоне частот. При этом для снижения неравномерности в диапазоне рабочих частот уровень выходного сигнала может в некотором (малом) диапазоне регулироваться за счет изменения уровня входного сигнала путем подачи команды по шине управления 4 на соответствующее изменение коэффициента ослабления в аттенюаторе 5.

При необходимости снизить мощность выходного сигнала до значений ниже, либо равных мощности выходного сигнала ПрУс 6, от внешнего УУ по шине 4 поступает команда на первый 8 и второй 9 ключи на коммутацию выходного сигнала с предварительного усилителя 6 на выход устройства через один из [(N+1)÷(N+M)]-ых выходов первого 8 ключа и соответствующую ему выходную цепь согласования с 3.(N+1) по 3.(N+M) на соответствующий вход второго 9 ключа. Также в этом режиме работы мощность выходного сигнала изменяется путем подачи соответствующей команды от внешнего УУ по шине 4 на аттенюатор 5. При этом все усилители мощности 1.1-1.N посредством третьего ключа 10 отключаются от источника напряжения питания и не потребляют мощность. При наличии возможности можно перевести РН 2 в ждущий режим. Этим достигается дополнительная экономия заряда аккумуляторной батареи.

Таким образом, за счет использования нескольких последовательно соединенных связок «ВхЦС 7.k - УМ 1.k - ВыхЦС 3.k» («входная цепь согласования 7.k - усилитель мощности 1.k - выходная цепь согласования 3.k»), коммутации сигнала на первом 8 и втором 9 высокочастотных ключах и коммутации напряжения питания для УМ 1.k третьим ключом 10 возможно существенно расширить диапазон рабочих частот устройства, а за счет подстройки уровня входного сигнала на аттенюаторе 5 возможно обеспечить малую неравномерность мощности выходного сигнала при обеспечении широкого диапазона изменения мощности выходного сигнала с сохранением высокого КПД.

Таким образом, реализация предлагаемого устройства даёт возможность увеличения времени работы от аккумуляторной батареи усилителя мощности радиосигнала, работающего в импульсном режиме, применяемого в составе портативных радиосредств, при обеспечении возможности оперативного изменения (снижения) мощности выходного сигнала в процессе работы в широком диапазоне рабочих частот с малой неравномерностью мощности выходного сигнала во всем диапазоне рабочий частот.

В качестве активного элемента для усилителей мощности УМ может быть использован транзистор AFT05MS004N фирмы NXP; в качестве управляемого аттенюатора 5 - микросхема pe42704 фирмы Peregrine Semiconductor; в качестве предварительного усилителя 6 - микросхема SPF5043Z фирмы Qorvo; в качестве первого высокочастотного ключа 8 - микросхема PE42850 фирмы Peregrine Semiconductor; в качестве второго высокочастотного ключа 9 - микросхема PE42850 фирмы Peregrine Semiconductor; в качестве регулятора напряжения 2 - микросхема VNA3 фирмы voltbricks.

Третий ключ 10 может быть выполнен на основе набора MOSFET переключателей FDC6420C фирмы ON Semiconductor.

Достигаемый технический результат - обеспечение возможности изменения (снижения) мощности выходного сигнала усилителя мощности радиосигнала, работающего в импульсном режиме, применяемого в составе портативных радиосредств, в процессе работы в широком диапазоне рабочих частот с малой неравномерностью мощности выходного сигнала во всем диапазоне рабочих частот.

Claims (1)

1. Усилитель мощности с возможностью изменения мощности выходного сигнала, содержащий последовательно соединенные первый усилитель мощности и первую выходную цепь согласования, а также регулятор напряжения, первый вход которого соединен с источником питания, а его второй вход выполнен с возможностью соединения посредством шины с внешним управляющим устройством, третий вход усилителя мощности подключен к общей шине, отличающийся тем, что введены последовательно соединенные аттенюатор, предварительный усилитель и первый высокочастотный ключ, N выходов которого соединены с входами N входных цепей согласования, выходы которых соединены с входами соответствующих N усилителей мощности, выходы (N-1) усилителей мощности соединены с входами соответствующих (N-1) выходных цепей согласования, при этом выходы N выходных цепей согласования соединены с соответствующими входами второго высокочастотного ключа, выходы с (N+1) по (N+М) первого высокочастотного ключа соединены с входами с (N+1) по (N+М) выходных цепей согласования, выходы которых соединены с соответствующими входами второго высокочастотного ключа, выход которого является выходом устройства, кроме того, выход регулятора напряжения соединен с входом третьего высокочастотного ключа, N выходов которого соединены со вторыми входами соответствующих усилителей мощности, третьи входы (N-1) усилителей мощности подключены к общей шине, входы управления аттенюатора, первого, второго и третьего высокочастотных ключей выполнены с возможностью соединения посредством шины с внешним управляющим устройством, вход аттенюатора является входом устройства.