[1]Изобретение относится к области линеаризующих устройств и может быть использовано в составе усилителей мощности бортовой и наземной аппаратуры.
[2]При усилении радиочастотного сигнала в усилителе мощности (УМ) на его выходе возникают нелинейные искажения, вызванные амплитудной (АМ/АМ) компрессией и амплитудно-фазовой (АМ/ФМ) конверсией нелинейного элемента. Данные искажения ухудшают качество передаваемой информации в рабочей полосе частот и нарушают требования электромагнитной совместимости за её пределами. Для коррекции нелинейных искажений, возникающих в УМ, в настоящее время используют различные системы линеаризации, наиболее эффективными из которых являются системы предыскажающей линеаризации.
[3]Из уровня техники известен линеаризатор, применяемый для повышения линейности характеристик радиочастотного усилителя мощности (патент на изобретение US 5999047). Схема линеаризатора построена по мостовой схеме с делением на две ветви: линейную, состоящую из фазовращателя и фиксированной задержки, и нелинейную, включающая себя генератор искажений и аттенюатор. Выход схемы линеаризатора соединен с усилителем и аттенюатором. Схема управления принимает команды управления включения, отключения и формирует двухуровневый сигнал телеметрии, состояние которого показывает режим работы. Схема управления регулирует параметры линеаризатора и устанавливает коэффициент усиления выходного усилителя и затухание выходного аттенюатора. Весь линеаризатор может быть реализован на подложке, например, из поликора. Линеаризатор может использоваться с твердотельными усилителями мощности и усилителями на лампах бегущей волны, которые работают в диапазонах частот S, C, X, Ku, Ka, Q, V, W или в любой другой желаемой полосе частот.
[4]Недостатком известного линеаризатора является более высокий уровень интермодуляционных искажений третьего, пятого и более высоких порядков относительно предлагаемого технического решения.
[5]Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является линейный усилитель мощности, который состоит из последовательно соединенных входного двигателя, фазовращателя, фазорасщепителя, первого усилителя, выходного сумматора, второго усилителя, идентичного первому и включенного между вторым выходом фазорасщепителя и вторым входом выходного сумматора, между вторым выходом входного делителя и вторым входом фазорасщепителя включенного ограничителя (патент на изобретение РФ №2099855).
[6]Однако, данное техническое решение предполагает использование двух идентичных усилителей мощности, что не приемлемо с точки зрения экономических и массо-габаритных показателей и требует высокой точности идентичности параметров.
[7]Задачей заявляемого технического решения является уменьшение величины продуктов интермодуляционных искажений третьего, пятого и более высоких порядков, возникающих в усилителе мощности.
[8]Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, является повышение линейности усилителя мощности, улучшающее качество передачи информации в рабочей полосе частот и выполнение жестких требований электромагнитной совместимости (ЭМС) за её пределами.
[9]Структурная схема предлагаемого аналогового предыскажающего линеаризатора представлена на рисунке 1, в состав которого входят:
[10]– сумматор-разветвитель 1 и 2;
[11]– управляемый аттенюатор 3;
[12]– управляемый фазовращатель 4;
[13]– фильтр нижних частот 5;
[14]– линейный усилитель 6;
[16] – гибридное кольцо 8.
[17]Входной высокочастотный сигнал поступает на вход сумматора-разветвителя 1 первый выход которого соединен со входом управляемого аттенюатора 3, выход аттенюатора 3 соединен со входом фазовращателя 4, выход которого соединен с первым входом сумматора-разветвителя 2. Второй выход сумматора-разветвителя 1 соединен с первым портом 8.1 гибридного кольца 8, второй порт 8.2 гибридного кольца 8 соединен со входом фильтра нижних частот 5, третий порт 8.3 гибридного кольца 8 соединен со входом нелинейного блока 7, четвертый порт 8.4 гибридного кольца 8 соединен со вторым входом сумматора-разветвителя 2, при этом выход сумматора-разветвителя 2 соединен со входом линейного
усилителя 6. Высокочастотный сигнал с выхода линейного усилителя 6 поступает на вход усилителя мощности, компенсируя нелинейные искажения усилителя мощности.
[18]Сущность изобретения поясняется следующим.
[19]Входной высокочастотный сигнал u(t) = U(t)·cos(ω0t + φ(t)) поступающий на вход устройства разделяется в сумматоре-разветвителе на два сигнала равной мощности u1(t) = U(t)/2·cos(ω0t + φ(t)) и
u2(t) = U(t)/2·cos(ω0t + φ(t)), где ω0 = 2πf0, а f0– частота несущего колебания, φ(t) – начальная фаза, U(t) – амплитуда сигнала. Сигнал u1(t) проходит через линейную ветвь устройства предыскажения, состоящую из управляемых аттенюатора 3 и фазовращателя 4, таким образом на первый вход сумматора разветвителя поступает сигнал uЛ(t) = UЛ(t)·cos(ω0t + φЛ(t)), где UЛ(t) = kАТТ·U(t)/2 – амплитуда на выходе линейной ветви, φЛ(t) = φ(t) + φФВ(t) – фаза на выходе линейной ветви, учитывающая задержку в нелинейной ветви, φФВ(t) – фазовый набег фазовращателя. Сигнал u2(t) проходит через нелинейную ветвь устройства предыскажения, состоящую из гибридного кольца 8, к порту 8.2 которого подключен фильтр нижних частот 5, а к порту 8.3 нелинейный блок 7, представляющий собой антипараллельное включение двух диодов Шоттки. При прохождении нелинейной ветви сигнал u2(t) искажается, за счет нелинейности диодов, и поступает на второй вход сумматора-разветвителя в виде uНЛ(t) = uФНЧ(t) + uНБ(t), где uФНЧ(t) = UФНЧ(t)·cos(ω0t) - сигнал отраженный от порта 8.2 гибридного кольца 8, где UФНЧ(t) = kФНЧ·U(t)/4 – амплитуда отраженного сигнала от фильтра нижних частот 5, kФНЧ – модуль коэффициента передачи фильтра нижних частот 5, а uНБ(t) = UНБ(t)·cos(ω0t + φНБ(t)) - сигнал отраженный от порта 8.3 гибридного кольца 8, где UНБ(t) = kНБ(U)·U(t)/4 – амплитуда сигнала отраженного от нелинейного блока 7, kНБ(U) – модуль коэффициента передачи нелинейного блока 7, φНБ(t)) – фазовый набег нелинейного блока 7.
[20]При сложении в сумматоре-разветвителе сигналов uЛ(t) и uНЛ(t) на выходе мы получим предыскаженный сигнал uЛИН(t) = UЛИН(t)·cos(ω0t + φЛИН(t)), где UЛИН(t) – амплитуда на выходе аналогового предыскажающего линеаризатора, φЛИН(t) – суммарный фазовый набег аналогового предыскажающего линеаризатора, нелинейные искажения которого противофазны искажениям, возникающим в усилителе мощности, а фазовый набег противоположен по знаку. Следовательно, на выходе УМ снизится суммарный уровень нелинейных искажений.
[21]Функционирование предлагаемого аналогового предыскажающего линеаризатора поясняется ниже на примере формирования и усиления мощности двухчастотного сигнала.
[22]Например, на вход предлагаемого аналогового предыскажающего линеаризатора поступает сигнал вида:
[23] , | (1) |
[24]где ω1,2 = 2πf1,2, а f1,2– частота первого и второго тона сигнала,
U0 – амплитуда сигнала.
[25]Далее сигнал разделяется в сумматоре-разветвителе на два сигнала равной мощности:
[26] . | (2) |
[27]Сигнал uСР1(t) прошедший через линейную ветвь ослабляется в управляемом аттенюаторе 3 и добавляется фазовый набег, учитывающий задержку в нелинейной ветви для правильного сложения сигналов в сумматоре-разветвителе 2. Таким образом, на выходе линейной ветви получается сигнал, описываемый выражением:
[28] , | (3) |
[29]где kАТТ – коэффициент ослабления аттенюатора, φФВ – фазовый набег фазовращателя.
[30]Для простоты нелинейный блок 7, подключенный к порту 8.3 гибридного кольца 8, можно аппроксимировать выражением:
[31] , | (4) |
[32]где b1, b3, b5> 0 – коэффициенты аппроксимации нелинейной характеристики диодов Шоттки.
[33]В гибридном кольце 8 сигнал uСР2(t), поступающий на порт 8.1, разделяется на два сигнала равной мощности, одна часть которого практически полностью гасится в фильтре нижних частот 5, подключенного к порту 8.2, а другая часть отражается от нелинейного блока 7, подключенного к порту 8.3, и на выходе порта 8.4 происходит сложение отраженных сигналов, результат которого описывается выражением:
[34] | , (5) |
[35]где kФНЧ – модуль коэффициента передачи фильтра нижних частот 5, φНБ(U) – фазовый набег нелинейного блока 7.
[36]В выражении (5) опущены составляющие третьей и пятой гармоники, так как они не попадают в рабочую полосу УМ, поэтому ими можно пренебречь.
[37]После сложения сигналов линейной и нелинейно ветви в сумматоре-разветвителе 2 сигнал усиливается линейным усилителем 6. Таким образом, сигнал на выходе аналогового предыскажающего линеаризатора описывается выражением:
[38] | , (6) |
[39]где kУМ – коэффициент усиления линейного усилителя 6.
[40]Если аппроксимировать передаточную характеристику активного элемента усилителя мощности полиномом вида:
[41] , | (7) |
[42]где а1> 0, а3, а5< 0 – коэффициенты аппроксимации АМ-АМ компрессии усилителя мощности, и пропустить через него сигнал описываемый выражением (6), то в спектре сигнала на выходе усилителя мощности в полосе усиления возникают интермодуляционные составляющие третьего и пятого порядка на частотах 
, 
, 
, 
, которые компенсируются составляющими на тех же частотах, представленных в выражении (6), прошедшими через линейную часть характеристики (7), за счет синфазного сложения в противофазе. Компенсация АМ/ФМ конверсии усилителя мощности происходит за счет того, что фазовая характеристика нелинейного блока 7 противоположна по знаку и при сложении двух этих фазовых набегов результирующий фазовый набег сигнала на выходе усилителя мощности 
будет стремиться к нулю.
[43]Таким образом, подбором параметров аналогового предыскажающего линеаризатора (φФВ, kАТТ, kЛУ, Rф, Сф, Есм) достигается уменьшение уровня продуктов интермодуляционных искажений третьего, пятого порядка и более высоких порядков, возникающих на выходе усилителя мощности.
[44]При формировании и усилении полосового сигнала процессы взаимодействия будут идентичны описанным выше.
[45]Оптимальные значения параметров сопротивления и емкости фильтра нижних частот 5, напряжения смещения диодов, коэффициента затухания управляемого аттенюатора 3, фазового набега фазовращателя 4, и коэффициента усиления линейного усилителя 6 подбираются при регулировании аналогового предыскажающего линеаризатора под конкретный усилитель мощности с известными нелинейными характеристиками.
[46]Результаты модельных и экспериментальных исследований аналогового предыскажающего линеаризатора показали, что при произвольном полосовом передаваемом высокочастотном сигнале по предлагаемой схеме удаётся значительно снизить уровень интермодуляционных искажений третьего, пятого и более высокого порядка в усилителе мощности, что подтверждает возможность достижения технического результата.
[47]Таким образом, введение аналогового предыскажающего линеаризатора по предлагаемой схеме в состав усилителя мощности обеспечивает достижение технического результата – повышение линейности усилителя мощности, улучшающее качество передачи информации в рабочей полосе частот и выполнение жестких требований ЭМС за пределами рабочей полосы частот.
