RU2727146C1

RU2727146C1 - Broadband power amplifier according to doherty circuit

Info

Publication number: RU2727146C1
Application number: RU2019110520A
Authority: RU
Inventors: Игорь Олегович Киселев; Антон Михайлович Колотов; Юрий Викторович Михайлов; Александр Николаевич Паничев
Original assignee: Акционерное общество "Мощная аппаратура радиовещания и телевидения"
Priority date: 2019-04-09
Filing date: 2019-04-09
Publication date: 2020-07-21

Abstract

FIELD: radio equipment.

SUBSTANCE: invention relates to radio engineering, particularly to radio transmitting devices, namely to linear power amplifiers of broadband signals with high peak-factor. Broadband power amplifier according to Doherty circuit includes main two-stroke amplifier, peak two-stroke amplifier, unequal input signal divider with input matching circuits, Doherty summator, consisting of a directional coupler, matching circuits of main and peak amplifiers, consisting of strip lines with capacitors connected between them, reactive circuits consisting of series connection of microstrip lines and capacitors, broadband balancing transformer. Output of the transformer is the output of the device.

EFFECT: technical result consists in improvement of efficiency in wide frequency band with preservation of linearity of amplifying circuit.

1 cl, 16 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в цифровых передатчиках телевидения, радиовещания, сотовой связи.The invention relates to radio engineering and can be used in digital transmitters for television, radio broadcasting, cellular communications.

В настоящее время, беспроводные системы передачи информации в подавляющем большинстве используют цифровые схемы модуляции несущей, которые, как правило, характеризуется высоким отношением пиковой мощности к среднему значению. Линейное усиление таких сигналов с высокой энергетической эффективностью является сложной технической задачей. Решение этой проблемы, предложенное Догерти в 1936 году для линейного усиления амплитудно-модулированных сигналов, и в настоящее время является одним из лучших при построении усилителей мощности цифровых радиопередатчиков.Currently, wireless communication systems overwhelmingly use digital carrier modulation schemes, which, as a rule, are characterized by a high peak-to-average power ratio. Linear amplification of such signals with high energy efficiency is a complex technical problem. The solution to this problem, proposed by Doherty in 1936 for linear amplification of amplitude-modulated signals, is currently one of the best in the construction of power amplifiers for digital radio transmitters.

Известен усилитель мощности по схеме Догерти [1]. Отличительной чертой усилителя является наличие, как минимум, двух каналов усиления: основного, работающего в линейном режиме, таком, как класс В (АВ) и пикового канала усиления, работающего, как правило, в нелинейном режиме класса С. Входной сигнал в усилителе Догерти делится между основным и пиковым каналами усиления неравнозначно с фазовым сдвигом, обеспечивающим его квадратурность (90°±n⋅π), а усиленные сигналы объединяются суммирующим устройством с сохранением квадратурности. В этом случае оба усилителя в динамическом диапазоне усиливаемого сигнала имеют оптимальные, с токи зрения передачи мощности, нагрузочные сопротивления. Инвертор сопротивления, 90° фазосдвигающий элемент сумматора, модулирует (изменяет) загрузку активного элемента основного канала усиления в зависимости от величины тока поставляемого в общую нагрузку пиковым усилителем. На низких уровнях мощности пиковый усилитель не работает, а, начиная с заданного уровня, например 0,5Р_вх, основной усилитель входит в насыщение, а пиковый переходит в линейный режим. При максимальном входном сигнале пиковый канал должен обеспечивать усиление с минимальной компрессией. Этот способ дает возможность эффективно решать проблему линейного усиления сложных амплитудно-модулированных сигналов с высокими энергетическими характеристиками. Принцип работы двухканального усилителя Догерти с высокой энергетической эффективностью показан на графике фиг. 2, а на графиках фиг. 3 показаны эпюры напряжений амплитудно-модулированного сигнала: на выходе основного усилителя - фиг. 3 а), на выходе пикового усилителя - фиг. 3 б), на общей нагрузке - фиг. 3 в). Недостатком такого усилителя является узкий диапазон рабочих частот составляющий, как правило, (2-3)% от рабочей частоты. Он обусловлен частотной зависимостью квадратурного фазосдвигающего элемента сумматора.Known power amplifier according to the Doherty scheme [1]. A distinctive feature of the amplifier is the presence of at least two amplification channels: the main one, which operates in a linear mode, such as class B (AB), and a peak amplification channel, which, as a rule, operates in a non-linear mode of class C. The input signal in the Doherty amplifier is divided Between the main and peak amplification channels it is unequal to the phase shift, which ensures its quadrature (90 ° ± n⋅π), and the amplified signals are combined by an adder while maintaining the quadrature. In this case, both amplifiers in the dynamic range of the amplified signal have optimal load resistances from power transmission currents. Resistance inverter, 90 ° phase-shifting adder element, modulates (changes) the load of the active element of the main amplification channel, depending on the amount of current supplied to the total load by the peak amplifier. At low power levels, the peak amplifier does not work, and starting from a given level, for example 0.5P _in , the main amplifier saturates, and the peak goes into a linear mode. At maximum input, the peak channel should provide gain with minimum compression. This method makes it possible to effectively solve the problem of linear amplification of complex amplitude-modulated signals with high energy characteristics. The principle of operation of a high energy efficiency Dougherty two-channel amplifier is shown in the graph of FIG. 2, and in the graphs of FIG. 3 shows the voltage diagrams of the amplitude-modulated signal: at the output of the main amplifier - FIG. 3 a), at the output of the peak amplifier - Fig. 3 b), at the total load - Fig. 3 c). The disadvantage of such an amplifier is the narrow range of operating frequencies, which, as a rule, is (2-3)% of the operating frequency. It is caused by the frequency dependence of the quadrature phase-shifting adder element.

Известен широкополосный усилитель мощности по схеме Догерти [2]. Сложение мощностей основного и пикового усилителей осуществляется на низком волновом сопротивлении. Обеспечивается максимальная широкополосность инвертора нагрузки (90° фазовращателя) в выходном сумматоре. Выходная цепь основного усилителя конфигурирована таким образом, чтобы обеспечивалась работа в режиме усиления малых и средних по уровню сигналов. Инвертор импеданса осуществляет преобразование и модуляцию нагрузки, под воздействием пикового усилителя. Основной усилитель, инвертор импеданса, пиковый усилитель подключены к нагрузке через широкополосный трансформатор. Широкополосный трансформатор создает требуемый импеданс основному усилителю, по крайней мере, в 25% полосе пропускания радиочастоты усилителя. Недостатком такого широкополосного усилителя мощности по схеме Догерти является малый коэффициент полезного действия и высокая неравномерность амплитудно-частотной характеристики в рабочей полосе частот. Это обусловлено отрицательным влиянием гармоник на работу инвертора импеданса.Known broadband power amplifier according to the Dougherty scheme [2]. The addition of the powers of the main and peak amplifiers is carried out at a low characteristic impedance. Provides the maximum bandwidth of the load inverter (90 ° phase shifter) in the output combiner. The output circuit of the main amplifier is configured to handle small to medium amplification. The impedance inverter converts and modulates the load, driven by a peak amplifier. The main amplifier, impedance inverter, and peak amplifier are connected to the load through a broadband transformer. The broadband transformer provides the required impedance to the main amplifier in at least 25% of the amplifier's RF bandwidth. The disadvantage of such a broadband power amplifier according to the Doherty scheme is the low efficiency and high unevenness of the amplitude-frequency characteristic in the operating frequency band. This is due to the negative influence of harmonics on the operation of the impedance inverter.

Известны способы увеличения широкополосности квадратурных фазовращателей, изложенные в [3, 4].Known methods for increasing the bandwidth of quadrature phase shifters, described in [3, 4].

Наиболее близким к заявляемому устройству по максимальному числу существенных признаков является широкополосный усилитель мощности по схеме Догерти [5]. В изобретении представлена система усилителей, включающая основной усилитель, конфигурированный для работы в режиме усиления малых и средних сигналов, и пиковый усилитель, работающей в режиме высокой мощности. Устройство преобразования импеданса представляет собой неуравновешенный трансформатор в режиме малой мощности и симметричный трансформатор в режиме высокой мощности. Широкополосность усилителя достигается за счет применения в качестве сумматора Догерти трансформатора сопротивлений, выполненного на линиях с сильной электромагнитной связью Ze>20_*Zo. (Ze - волновое сопротивление линии для синфазных составляющих сигнала; Zo - волновое сопротивление линии для противофазных составляющих сигнала). Недостатком такого усилителя мощности по схеме Догерти является, как и в усилителе [2], невысокий коэффициент полезного действия в широкой полосе частот, обусловленный наличием гармоник в сигналах суммируемых усилителей. Кроме того, предлагаемое конструктивное исполнение трансформатора, обладает высокой индуктивностью рассеяния, что, в конечном счете, отрицательно влияет на линейность, равномерность амплитудно-частотной характеристики и коэффициент полезного действия (КПД) усилителя.The closest to the claimed device in terms of the maximum number of essential features is a broadband power amplifier according to the Dougherty scheme [5]. The invention provides an amplifier system comprising a main amplifier configured for small to medium signal amplification and a peak amplifier configured for high power. The impedance conversion device is an unbalanced transformer in low power mode and a balanced transformer in high power mode. The broadband of the amplifier is achieved due to the use of an impedance transformer as a Doherty adder, made on lines with a strong electromagnetic coupling Ze> 20 _* Zo. (Ze is the line impedance for in-phase signal components; Zo is the line impedance for antiphase signal components). The disadvantage of such a power amplifier according to the Doherty scheme is, as in the amplifier [2], a low efficiency in a wide frequency band, due to the presence of harmonics in the signals of the summed amplifiers. In addition, the proposed design of the transformer has a high leakage inductance, which ultimately negatively affects the linearity, uniformity of the frequency response and the efficiency (efficiency) of the amplifier.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое решение: повышение коэффициента полезного действия в широкой полосе частот на высоком уровне мощности при сохранении линейности усилительного тракта.The technical result to achieve which the proposed solution is aimed at: increasing the efficiency in a wide frequency band at a high power level while maintaining the linearity of the amplifying path.

Широкополосный усилитель мощности по схеме Догерти, содержащий основной усилитель, пиковый усилитель, а также согласующие цепи основного и пикового усилителей и симметрирующий трансформатор, выход которого соединен с нагрузкой отличающийся тем, что введены направленный ответвитель и реактивные цепи по числу входов ответвителя, направленный ответвитель выполнен в виде гибкой полосковой линии с сильной электромагнитной связью (Ze>>Zo) и неравными длинами проводников в области электромагнитной связи, при этом короткий проводник имеет электромагнитную связь между входами ответвителя по внешней стороне проводника, а длинный проводник не имеет упомянутой связи, и, кроме того каждая реактивная цепь состоит из последовательного соединения микрополосковой линии и конденсатора, при этом усилители выполнены двухтактными, их выходы соединены с одноименными входами согласующих цепей, которые выполнены симметричными и на средней частоте рабочего диапазона обеспечивают фазовый сдвиг 90°, причем выходы согласующей цепи основного усилителя непосредственно подключены ко входам направленного ответвителя и симметрирующего трансформатора, выходы пикового усилителя через другую согласующую цепь подключены к противоположным входам направленного ответвителя, а реактивные цепи включены между одноименными входами направленного ответвителя и корпусом.A broadband power amplifier according to the Doherty scheme, containing a main amplifier, a peak amplifier, as well as matching circuits of the main and peak amplifiers and a balancing transformer, the output of which is connected to the load, characterized in that a directional coupler and reactive circuits are introduced according to the number of coupler inputs, a directional coupler is made in in the form of a flexible strip line with a strong electromagnetic coupling (Ze >> Zo) and unequal lengths of conductors in the field of electromagnetic coupling, while the short conductor is electromagnetically coupled between the inputs of the coupler on the outer side of the conductor, and the long conductor does not have the mentioned coupling, and, in addition, each reactive circuit consists of a series connection of a microstrip line and a capacitor, while the amplifiers are made as push-pull, their outputs are connected to the same inputs of matching circuits, which are symmetrical and provide a 90 ° phase shift at the middle frequency of the operating range, and the output The matching circuit of the main amplifier is directly connected to the inputs of the directional coupler and balun, the outputs of the peak amplifier through another matching circuit are connected to the opposite inputs of the directional coupler, and the reactive circuits are connected between the same inputs of the directional coupler and the case.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, показанными на фиг. 1÷16.The invention is illustrated by drawings shown in FIG. 1 ÷ 16.

На фиг. 1 представлена структурная схема заявляемого широкополосного усилителя мощности по схеме Догерти.FIG. 1 shows a block diagram of the claimed broadband power amplifier according to the Doherty scheme.

На фиг. 2 показан «Принцип повышения энергетической эффективности двухканального усилителя Догерти».FIG. 2 shows the principle of increasing the energy efficiency of the Dougherty two-channel amplifier.

На фиг. 3 показаны «Эпюры напряжений амплитудно-модулированного сигнала: на выходе основного усилителя - а), на выходе пикового усилителя - б), на общей нагрузке - в)».FIG. 3 shows "Diagrams of voltages of an amplitude-modulated signal: at the output of the main amplifier - a), at the output of the peak amplifier - b), at the total load - c)".

На фиг. 4 приведена «Эквивалентная схема выходной цепи усилителя для режима "малых" и "средних" сигналов».FIG. 4 shows the "Equivalent amplifier output circuit diagram for" small "and" medium "signals.

На фиг. 5 приведена «Эквивалентная схема выходной цепи усилителя для режима большого сигнала».FIG. 5 shows the "Equivalent amplifier output circuit diagram for a large signal mode".

На фиг. 6 показан «Вариант исполнения широкополосного фазовращателя на основе гибкой полосковой линии».FIG. 6 shows "An embodiment of a wide-band phase shifter based on a flexible strip line".

На фиг. 7 приведена «Фазочастотная характеристика направленного ответвителя на основе гибкой полосковой линии»FIG. 7 shows the "Phase response of a directional coupler based on a flexible strip line"

На фиг. 8 показано «Входное сопротивление сумматора Догерти по входу основного канала усиления».FIG. 8 shows the "Input resistance of the Doherty adder at the input of the main gain channel".

На фиг. 9 показана «Развязка между основным и пиковым усилителями в режиме малого и среднего сигналов».FIG. 9 shows “Small to Medium Signal Isolation Between Main Amplifier and Peak Amplifier”.

На фиг. 10 приведен «Коэффициент передачи мощности основного усилителя в нагрузку».FIG. 10 shows the "Power transfer ratio of the main amplifier to the load".

На фиг. 11 показано «Входное сопротивление сумматора Догерти по входу пикового канала».FIG. 11 shows the "Input Resistance of the Doherty Adder at the Peak Channel Input".

На фиг. 12 показана «Развязка между пиковым и основным усилителями в режиме большого сигнала»FIG. 12 shows "Isolation between peak and main amplifiers in high signal mode"

На фиг. 13 приведен «Коэффициент передачи мощности пикового усилителя в нагрузку».FIG. 13 shows the "Power transfer ratio of the peak amplifier to the load".

На фиг. 14 приведена фотография макета широкополосного усилителя мощности по схеме Догерти.FIG. 14 shows a photograph of a breadboard model of a Dougherty broadband power amplifier.

На фиг. 15 показан снимок тепловизора макета усилителя мощности, работающего в номинальном режиме на 54 ТВ канале.FIG. 15 shows a snapshot of a thermal imager of a model of a power amplifier operating in nominal mode on 54 TV channels.

На фиг. 16 приведена таблица энергетических и качественных характеристик макета усилителя мощности.FIG. 16 shows a table of energy and quality characteristics of the power amplifier breadboard.

На чертеже фиг. 1 представлена структурная схема широкополосного усилителя мощности по схеме Догерти.In the drawing, FIG. 1 shows a block diagram of a Dougherty broadband power amplifier.

Широкополосный усилитель мощности по схеме Догерти содержит основной усилитель 1, пиковый усилитель 2, неравнозначный делитель входного сигнала 3 с входными согласующими цепями 4, 5, а также сумматор Догерти 6, состоящий из направленного ответвителя 7, согласующих цепей основного и пикового усилителей 8, 9, которые содержат полосковые линии 10, 11 с подключенным между ними конденсаторами 12, 13, реактивных цепей 14, 15, 16, 17, состоящих из последовательного соединения микрополосковых линий 18, 19, 20, 21 и конденсаторов 22, 23, 24, 25 и широкополосного симметрирующего трансформатора 26, выход которого соединен с нагрузкой. Направленный ответвитель 7 выполнен в виде гибкой полосковой линии с сильной электромагнитной связью (Ze>>Zo) и неравными длинами проводников в области электромагнитной связи, при этом короткий проводник имеет электромагнитную связь между входами ответвителя по внешней стороне проводника, а длинный проводник не имеет упомянутой связи. Усилители 1, 2 выполнены двухтактными, их выходы соединены с одноименными входами согласующих цепей 8, 9, которые на средней частоте рабочего диапазона обеспечивают фазовый сдвиг 90°. Причем выходы согласующей цепи 8 основного усилителя подключены ко входам направленного ответвителя 7 и симметрирующего трансформатора 26, а выходы согласующей цепи 9 пикового усилителя 2 подключены к противоположным входам направленного ответвителя 7. Реактивные цепи 14, 15, 16, 17 включены между одноименными входами направленного ответвителя и корпусом.The broadband power amplifier according to the Doherty scheme contains a main amplifier 1, a peak amplifier 2, an unequal divider of the input signal 3 with input matching circuits 4, 5, and also a Doherty adder 6, consisting of a directional coupler 7, matching circuits of the main and peak amplifiers 8, 9, which contain strip lines 10, 11 with capacitors 12, 13 connected between them, reactive circuits 14, 15, 16, 17, consisting of a series connection of microstrip lines 18, 19, 20, 21 and capacitors 22, 23, 24, 25 and broadband balancing transformer 26, the output of which is connected to the load. Directional coupler 7 is made in the form of a flexible strip line with strong electromagnetic coupling (Ze >> Zo) and unequal lengths of conductors in the field of electromagnetic coupling, while the short conductor has an electromagnetic coupling between the inputs of the coupler on the outer side of the conductor, and the long conductor does not have the mentioned coupling ... Amplifiers 1, 2 are push-pull, their outputs are connected to the same inputs of matching circuits 8, 9, which provide a 90 ° phase shift at the middle frequency of the operating range. Moreover, the outputs of the matching circuit 8 of the main amplifier are connected to the inputs of the directional coupler 7 and the balancing transformer 26, and the outputs of the matching circuit 9 of the peak amplifier 2 are connected to the opposite inputs of the directional coupler 7. Reactive chains 14, 15, 16, 17 are connected between the same inputs of the directional coupler and body.

Усилитель работает следующим образом. На общий вход усилителя подается высокочастотный сигнал с динамично изменяющейся амплитудой, характеризующийся высоким отношением пиковой мощности к среднему значению. Входной сигнал в усилителе делится между основным и пиковым усилителями неравнозначно с фазовым сдвигом, обеспечивающим его квадратурность. На низких и средних уровнях мощности основной усилитель работает как линейный усилитель класса «В». В рабочем диапазоне частот, за счет соответствующей реализации суммирующей цепи, он работает на активную нагрузку и имеет хорошую развязку с пиковым усилителем. Практически вся мощность основного усилителя поступает в нагрузку. С ростом уровня входного сигнала основной усилитель входит в насыщение, а пиковый выходит в активный режим. Как и в классической схеме усилителя Догерти, переход установлен на уровне мощности 6 дБ, что соответствует половине пикового входного напряжения. В зависимости от структуры усиливаемого сигнала диапазон может быть выбран иным. Для сигнала DVB Т-2 наиболее оптимальным, с токи зрения реализации энергетических характеристик и линейности усилителя, является уровень (7-8) дБ.The amplifier works as follows. A high-frequency signal with a dynamically varying amplitude is supplied to the common input of the amplifier, characterized by a high peak-to-average power ratio. The input signal in the amplifier is divided unequally between the main and peak amplifiers with a phase shift that ensures its quadrature. At low to medium power levels, the main amplifier acts as a Class B linear amplifier. In the operating frequency range, due to the appropriate implementation of the summing circuit, it operates on an active load and has good isolation from the peak amplifier. Almost all the power from the main amplifier goes to the load. With an increase in the input signal level, the main amplifier enters saturation, and the peak amplifier enters the active mode. As in the classic Doherty amplifier circuit, the junction is set at 6 dB, which is half the input peak voltage. The range can be chosen differently depending on the structure of the amplified signal. For a DVB T-2 signal, the most optimal level, in terms of the implementation of the energy characteristics and linearity of the amplifier, is (7-8) dB.

Для пояснения сути изобретения рассмотрим эквивалентные схемы усилителя для режима «малых» и «средних» сигналов и для режима большого сигнала. Как уже отмечалось, предлагаемый усилитель Догерти состоит из двух каналов усиления: основного и пикового. При проектировании усилителя, использующего перенапряженный режим в основном канале усиления, необходимо учесть, что выходное сопротивление транзисторов, работающих в недонапряженном режиме значительно больше оптимальной нагрузки, а в перенапряженном режиме - значительно меньше. При работе усилителя транзисторы основного канала из режима генераторов тока переходят в режим генераторов напряжения. На фиг. 4 приведена эквивалентная схема выходной цепи усилителя Догерти для режима "малых" и "средних" сигналов, а на фиг. 5 эквивалентная схема выходной цепи для режима большого сигнала. При усилении гармонического сигнала с отсечкой тока форма импульсов стокового тока транзисторов в недонапряженном режиме представляет собой отрезки косинусоиды, а при переходе из активной области в область насыщения (из недонапряженного в перенапряженный режим) форма импульсов зависит не только от формы напряжения возбуждения, но и от характера нагрузки. В резонансном усилителе форма напряжения на выходных электродах транзистора остается гармонической при любой форме тока. Но в режиме насыщения в импульсе тока формируется провал косинусоидальной формы, отрицательно влияющий на энергетические характеристики усилителя. Если резонансная частота нагрузочной цепи не совпадает с рабочей частотой усилителя, то провал импульса тока смещается относительно основного импульса. В усилителе с широкополосной (апериодической) нагрузкой форма тока повторяет форму напряжения с поворотом на 180°, характерным для схемы включения транзисторов общий исток. Используя кусочно-линейную аппроксимацию вольтамперной характеристики транзисторов, можно показать, что апериодическая нагрузка в стоковой цепи основного канала дает существенный выигрыш в энергетической эффективности усилителя [6, 7] Усеченный сверху и снизу импульс тока насыщения можно представить как разность импульсов усеченных снизу. Если в недонапряженном режиме ток транзистора определяется выражением (1) и представляет собой импульсы косинусоидальной формы с амплитудой Im и шириной 2θ, то в режиме насыщения при апериодической нагрузке ток определяется выражением (2), а при резонансной - выражением (3).To clarify the essence of the invention, consider the equivalent amplifier circuits for the "small" and "medium" signals and for the large signal mode. As already noted, the proposed Dougherty amplifier consists of two amplification channels: main and peak. When designing an amplifier using an overvoltage mode in the main amplification channel, it is necessary to take into account that the output resistance of transistors operating in an undervoltage mode is much higher than the optimal load, and in an overvoltage mode it is much less. When the amplifier is operating, the transistors of the main channel from the mode of current generators go into the mode of voltage generators. FIG. 4 shows the equivalent circuit of the output circuit of the Dougherty amplifier for the "small" and "medium" signal modes, and FIG. 5 equivalent circuit of the output circuit for the large signal mode. When a harmonic signal is amplified with a current cutoff, the shape of the drain current pulses of transistors in the undervoltage mode is cosine segments, and when passing from the active region to the saturation region (from undervoltage to overvoltage mode), the shape of the pulses depends not only on the shape of the excitation voltage, but also on the nature load. In a resonant amplifier, the voltage waveform at the output electrodes of the transistor remains harmonic for any current waveform. But in the saturation mode, a cosine-shaped dip is formed in the current pulse, which negatively affects the energy characteristics of the amplifier. If the resonant frequency of the load circuit does not coincide with the operating frequency of the amplifier, then the dip of the current pulse is shifted relative to the main pulse. In an amplifier with a broadband (aperiodic) load, the current shape repeats the voltage shape with a 180 ° rotation characteristic of the common source transistor switching circuit. Using a piecewise linear approximation of the current-voltage characteristics of transistors, it can be shown that the aperiodic load in the drain circuit of the main channel gives a significant gain in the energy efficiency of the amplifier [6, 7] The saturation current pulse truncated from above and from below can be represented as the difference between pulses truncated from below. If in the undervoltage mode the transistor current is determined by expression (1) and is a cosine pulse with an amplitude Im and a width of 2θ, then in saturation mode with an aperiodic load, the current is determined by expression (2), and in a resonant mode, by expression (3).

где θо - верхний угол отсечки косинусоиды;where θо is the upper cutoff angle of the cosine wave;

θп - угол отсечки косинусоидальной впадины.θп is the cutoff angle of the cosine trough.

Известно [8], что КПД усилителя по выходной цепи определяется выражением:It is known [8] that the efficiency of the amplifier in the output circuit is determined by the expression:

где ξ - коэффициент использования питающего напряжения;where ξ is the utilization factor of the supply voltage;

γ - коэффициент формы импульса тока, под которым понимают отношение амплитуды первой гармоники к постоянной составляющей.γ - current pulse shape factor, which is understood as the ratio of the amplitude of the first harmonic to the constant component.

Анализируя выражения (2), (3) видим, что с увеличением входного сигнала (в режиме насыщения) КПД усилителя с апериодической нагрузкой будет стремиться к значению

а с частотно-зависимой нагрузкой будет уменьшаться за счет влияния амплитудного провала в импульсах тока. При усилении сигналов с высоким пик-фактором частотно-зависимая нагрузка создает определенные трудности в реализации эффективных усилителей Догерти. Основной канал усилителя Догерти входит в глубокое насыщение, и в импульсах тока транзисторов наблюдаются значительные амплитудные провалы. Известный способ оптимизации нагрузок усилителей основного и пикового каналов достигался введением дополнительных линий 2, 3, 4, 5 [9], импедансы которых определялись относительно номинальных уровней мощности, а линии являлись инверторами нагрузки. Однако таким техническим решением невозможно создать оптимальные импедансы для первой, второй и третьей гармоник одновременно. Следовательно, из-за влияния гармоник между основным и пиковым усилителями, максимальная мощность, эффективность и приемлемая линейность в этой структуре не достигались. Аналогично и в усилителе-прототипе потенциально достижимый КПД падает с ростом пик-фактора усиливаемого сигнала. В заявляемом усилителе синтез широкополосного сумматора Догерти (6) осуществлен с учетом оптимального согласования нагрузки, как на основной частоте, так и на второй и третей гармониках. Создан нулевой импеданс для второй гармоники (двухтактное включение транзисторов в усилителях), и высокий для третьей (включение реактивных цепей 14, 15. 16. 17). За счет поворота фазы третей гармоники пикового усилителя и широкополосной трансформации нагрузки трансформатором (26) в усилителе основного канала произведено уплощение косинусоидального импульса тока транзисторов.Analyzing expressions (2), (3), we see that with an increase in the input signal (in saturation mode), the efficiency of an amplifier with an aperiodic load will tend to the value

and with a frequency-dependent load, it will decrease due to the influence of the amplitude dip in the current pulses. When amplifying signals with a high crest factor, frequency-dependent loading creates certain difficulties in the implementation of effective Doherty amplifiers. The main channel of the Doherty amplifier enters deep saturation, and significant amplitude dips are observed in the current pulses of the transistors. The known method for optimizing the loads of the amplifiers of the main and peak channels was achieved by introducing

additional lines

2, 3, 4, 5 [9], the impedances of which were determined relative to the nominal power levels, and the lines were load inverters. However, with such a technical solution it is impossible to create optimal impedances for the first, second and third harmonics simultaneously. Consequently, due to the influence of harmonics between the main and peak amplifiers, maximum power, efficiency and acceptable linearity were not achieved in this structure. Similarly, in a prototype amplifier, the potentially achievable efficiency decreases with an increase in the crest factor of the amplified signal. In the claimed amplifier, the synthesis of the Doherty broadband adder (6) is carried out taking into account the optimal load matching, both at the fundamental frequency and at the second and third harmonics. Created zero impedance for the second harmonic (push-pull switching on of transistors in amplifiers), and high for the third (switching on reactive circuits 14, 15.16.17). By rotating the phase of the third harmonic of the peak amplifier and broadband transformation of the load by the transformer (26) in the amplifier of the main channel, the cosine current pulse of the transistors is flattened.

Оценку эффективности предлагаемых решений выполняли на компьютере методом электромагнитного моделирования объемной структуры сумматора Догерти (6). Задавались, для определенности, средней частотой рабочего диапазона равной 600 МГц (дециметровый телевизионный диапазон). Направленный ответвитель, в виде гибкой полосковой линии с сильной электромагнитной связью и неравными длинами проводников в области связи, использовался в качестве широкополосного 90° фазовращателя. Он может быть выполнен на основе линии, проводники которой не имеют механической связи с диэлектриком и иметь форму спиральной катушки или полукольца, как, например, показано на фиг. 6. На фиг. 7 приведена его фазочастотная характеристика, полученная методом электромагнитного моделирования. Анализ усилителя в режиме «малых» и «средних» сигналов выполняли в соответствии со схемой фиг. 4, а в режиме большого сигнала соответствии со схемой фиг. 5. с учетом влияния второй и третей гармоник. На фиг. 8…фиг. 13 приведены графики основных характеристик сумматора Догерти (6), полученные в результате анализа.The efficiency of the proposed solutions was evaluated on a computer by the method of electromagnetic modeling of the bulk structure of the Doherty adder (6). For definiteness, the average frequency of the operating range was set equal to 600 MHz (decimeter television range). A directional coupler, in the form of a flexible strip line with strong electromagnetic coupling and unequal conductor lengths in the coupling region, was used as a wide-band 90 ° phase shifter. It can be made on the basis of a line, the conductors of which are not mechanically connected with the dielectric and have the form of a spiral coil or a half-ring, as, for example, shown in Fig. 6. In FIG. 7 shows its phase-frequency characteristic obtained by the method of electromagnetic modeling. The analysis of the amplifier in the "small" and "medium" signal modes was carried out in accordance with the diagram of FIG. 4, and in the large signal mode according to the diagram of FIG. 5. taking into account the influence of the second and third harmonics. FIG. 8 ... fig. 13 shows the graphs of the main characteristics of the Doherty adder (6), obtained as a result of the analysis.

На низких и средних уровнях мощности основной усилитель работает на активную нагрузку (фиг. 8) как линейный усилитель класса «В» и в рабочем диапазоне частот и имеет хорошую развязку с пиковым каналом (фиг. 9). Практически вся мощность основного усилителя поступает в нагрузку (фиг. 10).At low and medium power levels, the main amplifier operates on a resistive load (Fig. 8) as a class "B" linear amplifier and in the operating frequency range and has good isolation from the peak channel (Fig. 9). Almost all the power of the main amplifier goes to the load (Fig. 10).

Пиковый усилитель, на большом уровне мощности, в рабочем диапазоне частот так же работает на активную нагрузку (фиг. 11) и хорошо развязан с основным усилителем (фиг. 12). Следует обратить внимание на широкополосные свойства тракта передачи мощности пикового канала (фиг. 13), которые и определяют диапазон работы и энергетическую эффективность усилителя в целом.The peak amplifier, at a high power level, in the operating frequency range also operates on an active load (Fig. 11) and is well decoupled from the main amplifier (Fig. 12). Attention should be paid to the broadband properties of the peak channel power transmission path (Fig. 13), which determine the range of operation and energy efficiency of the amplifier as a whole.

Был разработан и изготовлен макет широкополосного усилителя мощности по схеме Догерти. Фотография макета показана на фиг. 14. Макет усилителя в стандарте DVB Т-2 (пик-фактор сигнала 10-12 дБ) в полосе частот дециметрового диапазона обеспечивал уровень средней эффективной мощности 170 Вт с КПД по стоковой цепи (40-52)% и линейностью MER>35,5 дБ. Характеристики макетного образца показаны на фиг. 16. На фиг. 15 приведена фотография макета усилителя, работающего в номинальном режиме, выполненная тепловизором. По выделяемым в элементах усилителя тепловой мощности, эквивалентной токам высокой частоты, можно зрительно проследить за работой сумматора Догерти. Чтобы подчеркнуть эффективность решения, полезно вспомнить КПД «идеального» усилителя мощности в классе «В». При усилении гармонического сигнала с постоянной амплитудой и максимальной выходной мощности он составляет 78.5%, тогда как при усилении OFDM (DVB Т-2) сигнала с пик-фактором (10-12) дБ только 20-25%. Усилитель-прототип, в силу своей структуры и конструктивной реализации сумматора Догерти, такими характеристиками не обладает.A prototype of a broadband power amplifier was designed and manufactured according to the Doherty scheme. A photograph of the layout is shown in FIG. 14. The layout of the amplifier in the DVB T-2 standard (signal crest factor 10-12 dB) in the decimeter band provided an average effective power level of 170 W with an efficiency in the drain circuit (40-52)% and a linearity MER> 35.5 dB. The characteristics of the prototype are shown in FIG. 16. In FIG. 15 shows a photograph of a breadboard amplifier operating in the nominal mode, made with a thermal imager. By the thermal power released in the elements of the amplifier, equivalent to high-frequency currents, one can visually trace the operation of the Doherty adder. To emphasize the efficiency of the solution, it is useful to recall the efficiency of an “ideal” power amplifier in class “B”. When amplifying a harmonic signal with constant amplitude and maximum output power, it is 78.5%, while when amplifying an OFDM (DVB T-2) signal with a crest factor (10-12) dB, it is only 20-25%. The prototype amplifier, due to its structure and constructive implementation of the Dougherty adder, does not possess such characteristics.

Литература.Literature.

1. Doherty, W.H. (1936). A New High Efficiency Power Amplifier for Modulated Waves, Proceedings of Institute of Radio Engineers, pp. 1163-1182, September 1936.1. Doherty, W.H. (1936). A New High Efficiency Power Amplifier for Modulated Waves, Proceedings of Institute of Radio Engineers, pp. 1163-1182, September 1936.

2. Richard Wilson, Morgan Hill, WIDEBAND DOHERTY AMPLIFIER CIRCUIT. US 8,193,857 B1.2. Richard Wilson, Morgan Hill, WIDEBAND DOHERTY AMPLIFIER CIRCUIT. US 8,193,857 B1.

3. В.M. Schiffman, "A New Class of Broad-Band Microwave 90-Degree Phase Shifter," IRE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT-6, Apr. 1958, pp. 232-237.3. V.M. Schiffman, "A New Class of Broad-Band Microwave 90-Degree Phase Shifter," IRE Trans. Microwave Theory Tech., Vol. MTT-6, Apr. 1958, pp. 232-237.

4. Лондон С.E., Томашевич С.В. Справочник по высокочастотным трансформаторным устройствам. - М.: Радио и связь, 1984. - 216 с. Стр. 804. London S.E., Tomashevich S.V. Handbook of high-frequency transformer devices. - M .: Radio and communication, 1984 .-- 216 p. P. 80

5. Chong Mei, Jamesville, WIDEBAND DOHERTY AMPLIFIER NETWORK. US 8,896,373 B2.5. Chong Mei, Jamesville, WIDEBAND DOHERTY AMPLIFIER NETWORK. US 8,896,373 B2.

6. Дашенков В.M. Исследование нелинейных преобразований сигналов Мн: БГУИР. 2000. - 27 с. Стр. 7-116. Dashenkov V.M. Research of nonlinear transformations of signals Mn: BSUIR. 2000 .-- 27 p. P. 7-11

7. Генераторы с внешним возбуждением и автогенераторы диапазона высоких частот. Дворников А.А., Коптев Г.И., Панина Т.А. / Под ред. Г.М. Уткина. - М.: Изд-во МЭИ, 1990 - 80 с.7. Generators with external excitation and autogenerators of high frequency range. Dvornikov A.A., Koptev G.I., Panina T.A. / Ed. G.M. Utkin. - M .: Publishing house of MEI, 1990 - 80 p.

8. Радиопередающие устройства. Под ред. Г.А. Зейтленка. М., «Связь», 1969; 542 стр. Стр. 338. Radio transmitting devices. Ed. G.A. Zeytlenka. M., "Communication", 1969; 542 pp. 33

9. Chong Mei, Jamesville, DOHERTY POWER AMPLIFIER NETWORK US 20130093534.9. Chong Mei, Jamesville, DOHERTY POWER AMPLIFIER NETWORK US 20130093534.

Claims

A wideband power amplifier according to the Doherty scheme, containing a main amplifier, a peak amplifier, as well as matching circuits of the main and peak amplifiers and a balancing transformer, the output of which is connected to the load, characterized in that a directional coupler and reactive circuits are introduced according to the number of coupler inputs, a directional coupler is made in the form of a flexible strip line with a strong electromagnetic coupling (Ze >> Zo) and unequal lengths of conductors in the field of electromagnetic coupling, while the short conductor has an electromagnetic coupling between the inputs of the coupler on the outer side of the conductor, and the long conductor does not have the mentioned coupling, and, except In addition, each reactive circuit consists of a series connection of a microstrip line and a capacitor, while the amplifiers are push-pull, their outputs are connected to the same inputs of matching circuits, which are symmetrical and provide a 90 ° phase shift at the middle frequency of the operating range, and the Odes of the matching circuit of the main amplifier are directly connected to the inputs of the directional coupler and balancing transformer, the outputs of the peak amplifier are connected through another matching circuit to the opposite inputs of the directional coupler, and reactive circuits are connected between the same inputs of the directional coupler and the case.