RU2766324C1 - Полосовой усилитель мощности УВЧ- и СВЧ- диапазонов с автобалансировкой плеч выходного каскада с квадратурным сумматором - Google Patents
Полосовой усилитель мощности УВЧ- и СВЧ- диапазонов с автобалансировкой плеч выходного каскада с квадратурным сумматором Download PDFInfo
- Publication number
- RU2766324C1 RU2766324C1 RU2021117496A RU2021117496A RU2766324C1 RU 2766324 C1 RU2766324 C1 RU 2766324C1 RU 2021117496 A RU2021117496 A RU 2021117496A RU 2021117496 A RU2021117496 A RU 2021117496A RU 2766324 C1 RU2766324 C1 RU 2766324C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- amplifier
- output
- input
- power
- quadrature
- Prior art date
Links
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 claims abstract description 19
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 abstract 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
- H03F1/02—Modifications of amplifiers to raise the efficiency, e.g. gliding Class A stages, use of an auxiliary oscillation
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
- H03F1/32—Modifications of amplifiers to reduce non-linear distortion
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
- H03F3/189—High-frequency amplifiers, e.g. radio frequency amplifiers
- H03F3/19—High-frequency amplifiers, e.g. radio frequency amplifiers with semiconductor devices only
- H03F3/195—High-frequency amplifiers, e.g. radio frequency amplifiers with semiconductor devices only in integrated circuits
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
- H03F3/60—Amplifiers in which coupling networks have distributed constants, e.g. with waveguide resonators
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- Amplifiers (AREA)
Abstract
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в полосовых усилителях мощности ультракоротковолнового (УКВ) и сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазонов. Технический результат заключается в повышении КПД усилителя мощности УВЧ- и СВЧ-диапазонов с автобалансировкой плеч выходного каскада с квадратурным сумматором за счет стабилизации его тока потребления при регламентированной мощности питания усилителя. В усилитель мощности, состоящий из первого квадратурного моста, соединенного входными портами со входом и с балластной нагрузкой, выходными портами - с входом первого усилителя и с входом второго усилителя, второго квадратурного моста, соединенного входными портами с выходом первого усилителя и с выходом второго усилителя, а выходными портами с балластной нагрузкой и с выходом, дополнительно введены блок управления, выполненный с возможностью регистрации разности токов потребления усилителей и выравнивания токов потребления усилителей путем формирования пропорциональной разности напряжений смещения усилителей, первый датчик тока на эффекте Холла и первый фильтр по питанию, находящиеся в цепи питания, проходящего через первый усилитель, второй датчик тока на эффекте Холла и второй фильтр по питанию, находящиеся в цепи питания, проходящего через второй усилитель. 6 ил.
Description
Изобретение относится к радиотехнике, в частности к технике радиосвязи, и может быть использовано в полосовых усилителях мощности ультракоротковолнового (УКВ) и сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазонов, где требуется обеспечить высокий коэффициент полезного действия (КПД), широкополосность и линейность характеристик выходного усилителя.
Известна структурная схема сумматора 1-го вида на основе мостовых устройств квадратурного типа (квадратурного моста) по сложению мощностей двух генераторов [1], имеющей вход, выход и состоящий из двух квадратурных мостов, соединенных между собой через СВЧ-усилители.
Теоретически СВЧ-усилители работают в одном режиме, то есть на входе второго квадратурного моста действуют одинаковые по амплитуде колебания. На практике, вследствие разброса параметров транзисторов, используемых в СВЧ-усилителях, неидеальности их согласования, изменения импеданса, как по входу, так и по выходу, режимы работы первого и второго СВЧ-усилителей не идентичны, что приводит к изменению выходных характеристик. Это означает, что при работе на полную мощность одно из плеч усиления оказывается перегруженным и работает с большими нелинейными искажениями, второе же плечо - недонагружено, что приводит к уменьшению выходной мощности (то есть снижению энергоэффективности) усилителя и, как следствие, уменьшению его КПД. Кроме того, при суммировании четных гармоник каждого плеча возникает дисбаланс плеч в виде явления противофаз, который приводит к увеличению уровня четных гармоник. Указанное обстоятельство вызывает еще большее снижение мощности и КПД поскольку часть мощности уходит в образующиеся гармонические составляющие и теряется при их устранении из спектра выходного сигнала путем применения высокоэффективных и, как следствие, дорогостоящих фильтров гармоник.
Целью изобретения является повышение КПД усилителя мощности УВЧ- и СВЧ-диапазонов с автобалансировкой плеч выходного каскада с квадратурным сумматором за счет стабилизации его тока потребления, когда мощность, отдаваемая источником питания усилителю, строго регламентирована.
Поставленная цель достигается тем, что в известный выходной каскад с квадратурным сумматором усилителя мощности УВЧ- и СВЧ-диапазонов, состоящий из первого квадратурного моста, имеющего первый входной порт, являющийся входом, второй входной порт, соединенный с балластной нагрузкой, первый выходной порт, соединенный с входом первого усилителя, второй выходной порт, соединенный с входом второго усилителя, второго квадратурного моста, имеющего первый входной порт, соединенный с выходом первого усилителя, второй входной порт, соединенный с выходом второго усилителя, первый выходной порт, соединенный с балластной нагрузкой, второй выходной порт, являющийся выходом, в который дополнительно введены блок управления, соединенный одним выходом с первым выходом первого квадратурного моста и входом в первый усилитель, другим выходом - со вторым выходом портом первого квадратурного моста и входом во второй усилитель, первый датчик тока на эффекте Холла и первый фильтр по питанию, находящиеся в цепи питания проходящего через первый усилитель, при этом выход первого датчика тока на эффекте Холла соединен с одним из входов блока управления, второй датчик тока на эффекте Холла и второй фильтр по питанию, находящиеся в цепи питания проходящего через второй усилитель, при этом выход второго датчика тока на эффекте Холла соединен с одним из входов блока управления.
Сущность изобретения поясняется рисунками. На фиг. 1 показана структурная схема полосового усилителя мощности УВЧ- и СВЧ-диапазонов с балансировкой плеч выходного каскада с квадратурным сумматором, на фиг. 2 приведена упрощенная принципиальная схема блока управления, на фиг. 3 приведен внешний вид макета усилителя, на фиг. 4 приведен график выходной мощности и КПД усилителя, на фиг. 5 приведен график уровня гармоник, на фиг. 6 приведен график выходной мощности и КПД в диапазоне 0,2-1,8 ГГц.
Полосовой усилитель мощности УВЧ- и СВЧ-диапазонов с автобалансировкой плеч выходного каскада с квадратурным сумматором состоит из первого квадратурного моста 1, второго квадратурного моста 2, первого усилителя 3, второго усилителя 4, первой балластной нагрузки 5, второй балластной нагрузки 6, первого фильтра по питанию 7, второго фильтра по питанию 8, первого датчика тока на эффекте Холла 9, второго датчика на эффекте Холла 10, блока управления 11, первой цепи питания 12, второй цепи питания 13, которые имеют между собой следующие связи.
Первый порт входа 11 первого квадратурного моста 1 является входом для передаваемого сигнала. Второй порт входа 14 первого квадратурного моста 1 соединен с первой балластной нагрузкой 5. Первый порт выхода 13 первого квадратурного моста 1 соединен с входом первого усилителя 3 и с выходом 113 блока управления 11. Второй порт выхода 12 первого квадратурного моста 1 соединен со входом второго усилителя 4 и с выходом 114 блока управления 11.
Выход первого усилителя 3 соединен с первым портом входа 21 второго квадратурного моста 2. Вход второго усилителя 4 соединен со вторым портом входа 24 второго квадратурного моста 2.
Через первый усилитель 3 проходит первая цепь питания, в которой находятся первый фильтр по питанию 7 и первый датчик тока на эффекте Холла 9, у которого выход 91 соединен с одним из входов 111 блока управления 11.
Через второй усилитель 4 проходит вторая цепь питания, в которой находятся второй фильтр по питанию 8 и второй датчик тока на эффекте Холла 10, у которого выход 101 соединен с одним из входов 112 блока управления 11.
Первый порт выхода 23 второго квадратурного моста 2 соединен со второй балластной нагрузкой 6. Второй порт выхода 22 второго квадратурного моста 2 является входом для подлежащего усилению сигнала.
Первый усилитель 3 и второй усилитель 4 могут работать как с сигналами УВЧ, так и с сигналами СВЧ.
Сигнал поступает на вход первого порта 11 первого квадратурного сумматора 1 и, пройдя через первый квадратурный сумматор 1, с выходного порта 13, поступает в первый усилитель 3, а с второго выходного порта 12 поступает во второй усилитель 4.
Первый усилитель 3 усиливает поступивший сигнал и передает его через первое входное плечо 21 во второй квадратурный сумматор 2. При этом первый усилитель 3 потребляет ток из первой цепи питания 12, в которой первый датчик тока на эффекте Холла 9 контролирует и передает через выход 91 на вход 111 блока управления 11 управляющий сигнал.
Второй усилитель 4 усиливает поступивший сигнал и передает его через второй входной порт 24 во второй квадратурный сумматор 2. При этом второй усилитель 4 потребляет ток из второй цепи питания 13, в которой второй датчик тока на эффекте Холла 10 контролирует и передает через выход 101 на вход 112 блока управления 11 управляющий сигнал.
Блок управления 11 состоит из дифференциального усилителя на транзисторах Q3 и Q5, истоки которых соединены и подключены к источнику тока, реализованному на транзисторе Q4. Транзисторы Q1 и Q2 определяют суммарный ток выходного каскада, а переменный резистор R5 задает общий ток потребления, который настраивается в первоначальный момент.
Управляющие сигналы от первого датчика на эффекте Холла 9 и второго датчика тока на эффекте Холла 10 подаются соответственно на транзисторы Q3 и Q5. Подаваемое напряжение с первого порта выхода 13 первого квадратурного моста 1 на вход 113 блока управления 11 и со второго порта выхода 12 первого квадратурного моста 1 на вход 114 блока управления 11 определяется током источника тока транзистора Q4:
а разность в токах потребления первого усилителя 3 и второго усилителя 4, регистрируемая датчиками тока на эффекте Холла 9 и 10, приводит к появлению пропорциональной разницы напряжений смещения, определяемых дифференциальным, каскадом, но с обратным знаком:
Выравнивая токи, блок управления 11 обеспечивает идентичность режимов работы первого усилителя 3 и второго усилителя 4, чем достигается равенство их выходных импедансов и, соответственно, реализуется оптимальное согласование со вторым квадратурным сумматором 2.
В случае отсутствия баланса, одно из плеч усилителя работает в перегруженном режиме, что приводит к ухудшению характеристики линейности этого плеча усилителя и снижению его КПД вследствие возникновения нежелательных гармонических составляющих и необходимости их фильтрации. Эти обстоятельства приводят к потере мощности усиливаемого сигнала на основной частоте. Как следствие общие показатели двухплечевого усилителя будут определяются худшими для каждого из плеч значениями.
Таким образом, усилитель мощности УВЧ- и СВЧ-диапазонов с автобалансировкой плеч усиления выходного каскада с квадратурным сумматором обладает более высоким КПД, характеризуется увеличенной полосой рабочих частот и повышенной линейностью по сравнению с усилителем мощности без применения автобалансировки плеч выходного каскада с квадратурным сумматором.
Полосовой усилитель мощности УВЧ- и СВЧ-диапазонов с автобалансировкой плеч выходного каскада с квадратурным сумматором реализован в макете усилителя с рабочим диапазоном частот 1,15-1,65 ГГц и номинальной мощностью не менее 45 Вт фиг. 3
Результаты измерения выходной мощности и оценки КПД макета усилителя приведены на фиг. 4. Из приведенных графиков видно, что КПД практически во всем рабочем диапазоне частот превышает 50%, что является очень высоким показателем для широкополосных усилителей
L-диапазона.
L-диапазона.
Результаты определения относительного уровня второй и третьей гармоник приведены на фиг. 5. Можно видеть, что уровни второй и третьей гармоник во всем рабочем диапазоне частот не превышают минус 20 дБ, что говорит о хорошей линейности усилителя.
Данное техническое решение позволило существенно расширить рабочий диапазон усилителя. На фиг. 6 приведена зависимость измеренной выходной мощности и расчетного КПД макета усилителя, который использовался в диапазоне частот 0,2-1,8 ГГц.
Анализ графиков на фиг. 4-6 позволяет сделать вывод о том, что применение данного технического решения выходного каскада позволит существенно улучшить характеристики усилителей УВЧ- и СВЧ-диапазонов по ряду показателей, таких как КПД, линейность и широкополосность.
Применение автобалансировки плеч выходного каскада с квадратурным сумматором полосового усилителя мощности УВЧ- и СВЧ-диапазонов позволяет обеспечить работу обоих плеч усилителя в одинаковом режиме. При этом достигается равенство выходных импедансов обоих плеч усилителя и оптимальное согласование с выходным квадратурным сумматором, что позволяет сохранить заданные параметры линейности усилителя, а также повысить КПД в заданной полосе рабочих частот по сравнению с усилителем мощности без применения автобалансировки плеч выходного каскада с квадратурным сумматором.
Эффективность предложенного решения подтверждена результатами испытаний построенного на его базе макета усилителя.
Источник информации
1. http://www.techspirit.ru/spirens-170-1.html Дата посещения 04.06.2021.
Claims (1)
- Полосовой усилитель мощности ультракоротковолнового (УКВ) и сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазонов с автобалансировкой плеч выходного каскада с квадратурным сумматором, состоящий из первого квадратурного моста, имеющего первый входной порт, являющийся входом, второй входной порт, соединенный с балластной нагрузкой, первый выходной порт, соединенный с входом первого усилителя, второй выходной порт, соединенный с входом второго усилителя, второго квадратурного моста, имеющего первый входной порт, соединенный с выходом первого усилителя, второй входной порт, соединенный с выходом второго усилителя, первый выходной порт, соединенный с балластной нагрузкой, второй выходной порт, являющийся выходом, отличающийся тем, что дополнительно введены блок управления, выполненный с возможностью регистрации разности токов потребления усилителей и выравнивания токов потребления усилителей путем формирования пропорциональной разности напряжений смещения усилителей, соединенный одним выходом с первым выходным портом первого квадратурного моста и входом в первый усилитель, другим выходом - со вторым выходным портом первого квадратурного моста и входом во второй усилитель, первый датчик тока на эффекте Холла и первый фильтр по питанию, находящиеся в цепи питания, проходящего через первый усилитель, при этом выход первого датчика тока на эффекте Холла соединен с одним из входов блока управления, второй датчик тока на эффекте Холла и второй фильтр по питанию, находящиеся в цепи питания, проходящего через второй усилитель, при этом выход второго датчика тока на эффекте Холла соединен с другим из входов блока управления.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021117496A RU2766324C1 (ru) | 2021-06-17 | 2021-06-17 | Полосовой усилитель мощности УВЧ- и СВЧ- диапазонов с автобалансировкой плеч выходного каскада с квадратурным сумматором |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021117496A RU2766324C1 (ru) | 2021-06-17 | 2021-06-17 | Полосовой усилитель мощности УВЧ- и СВЧ- диапазонов с автобалансировкой плеч выходного каскада с квадратурным сумматором |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2766324C1 true RU2766324C1 (ru) | 2022-03-15 |
Family
ID=80736552
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021117496A RU2766324C1 (ru) | 2021-06-17 | 2021-06-17 | Полосовой усилитель мощности УВЧ- и СВЧ- диапазонов с автобалансировкой плеч выходного каскада с квадратурным сумматором |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2766324C1 (ru) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE1126947B (de) * | 1959-05-16 | 1962-04-05 | Philips Patentverwaltung | Kettenverstaerker |
| US3129387A (en) * | 1958-07-23 | 1964-04-14 | Marconi Co Ltd | Wide-band distributed amplifiers |
| DE2648898A1 (de) * | 1976-10-28 | 1978-05-03 | Bernhard Dipl Ing Schwaderer | Kettenverstaerker mit fehlangepassten richtkopplern |
| SU764101A1 (ru) * | 1976-11-01 | 1980-09-23 | Томский Институт Автоматизированных Систем Управления И Радиоэлектроники | Усилитель распределенного усилени |
| SU1448384A1 (ru) * | 1987-05-14 | 1988-12-30 | Новосибирский электротехнический институт | Усилитель мощности с распределенным усилением |
| RU2089038C1 (ru) * | 1992-01-29 | 1997-08-27 | Новосибирский государственный технический университет | Усилитель мощности с распределенным усилением |
| US6359516B1 (en) * | 2000-07-21 | 2002-03-19 | Philips Electronics North America Corporation | High-frequency amplifier circuit with independent control of quiescent current and bias impedance |
| RU2297093C1 (ru) * | 2005-07-12 | 2007-04-10 | Томский Государственный Университет Систем Управления И Радиоэлектроники (Тусур) | Полосовой усилитель мощности |
-
2021
- 2021-06-17 RU RU2021117496A patent/RU2766324C1/ru active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3129387A (en) * | 1958-07-23 | 1964-04-14 | Marconi Co Ltd | Wide-band distributed amplifiers |
| DE1126947B (de) * | 1959-05-16 | 1962-04-05 | Philips Patentverwaltung | Kettenverstaerker |
| DE2648898A1 (de) * | 1976-10-28 | 1978-05-03 | Bernhard Dipl Ing Schwaderer | Kettenverstaerker mit fehlangepassten richtkopplern |
| SU764101A1 (ru) * | 1976-11-01 | 1980-09-23 | Томский Институт Автоматизированных Систем Управления И Радиоэлектроники | Усилитель распределенного усилени |
| SU1448384A1 (ru) * | 1987-05-14 | 1988-12-30 | Новосибирский электротехнический институт | Усилитель мощности с распределенным усилением |
| RU2089038C1 (ru) * | 1992-01-29 | 1997-08-27 | Новосибирский государственный технический университет | Усилитель мощности с распределенным усилением |
| US6359516B1 (en) * | 2000-07-21 | 2002-03-19 | Philips Electronics North America Corporation | High-frequency amplifier circuit with independent control of quiescent current and bias impedance |
| RU2297093C1 (ru) * | 2005-07-12 | 2007-04-10 | Томский Государственный Университет Систем Управления И Радиоэлектроники (Тусур) | Полосовой усилитель мощности |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4926136A (en) | Power amplifier combiner for improving linearity of an output | |
| KR100631973B1 (ko) | 가변이득 광대역 증폭기 | |
| KR20110090751A (ko) | 검출회로와 그것을 사용한 반도체장치 | |
| CN106936397A (zh) | 高平坦度宽带放大器 | |
| US8416018B2 (en) | Variable frequency amplifier | |
| JP3809223B2 (ja) | インピーダンス測定装置 | |
| RU2766324C1 (ru) | Полосовой усилитель мощности УВЧ- и СВЧ- диапазонов с автобалансировкой плеч выходного каскада с квадратурным сумматором | |
| CN114826159A (zh) | 一种新型的平衡式肖特基二倍频结构及其使用方法 | |
| US8035450B2 (en) | Operational transconductance amplifier having two amplification stages | |
| US11258411B2 (en) | Amplifier with an at least second order filter in the control loop | |
| US4163198A (en) | Audio amplifier | |
| US7880541B1 (en) | Low noise, low power instrumentation amplifier | |
| RU2257665C1 (ru) | Гармонический умножитель частоты | |
| JP3698647B2 (ja) | 前置歪補償回路および電力増幅装置 | |
| JP2015119304A (ja) | 増幅回路 | |
| US20090309660A1 (en) | Device for amplifying a broadband rf signal | |
| Kulshreshtha et al. | A highly linear CMOS pseudo differential transconductor using active attenuator | |
| CN213455838U (zh) | 一种无线测振传感器 | |
| US20220239259A1 (en) | Doherty amplifier and communication device | |
| JP2005236866A (ja) | 高周波電力増幅器 | |
| US5196811A (en) | Oscillator circuit employing quadrature networks for maintaining a constant impedance | |
| KR20080073875A (ko) | 버퍼 | |
| Sobot et al. | Electrical Noise | |
| RU2277756C1 (ru) | Активный фильтр нижних частот четвертого порядка | |
| Rafati et al. | A Wideband 100W Doherty Power Amplifier |