Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы 4
2 Анализ базовой схемы устройства линеаризации 19
3 Анализ устройства линеаризации в двухчастотном режиме 56
4 Анализ шумовых характеристик устройства линеаризации
5 Экспериментальное исследование устройства линеаризации двойной обратной связью 101
Заключение 114
Список литературы 116
- Анализ базовой схемы устройства линеаризации
- Анализ устройства линеаризации в двухчастотном режиме
- Анализ шумовых характеристик устройства линеаризации
- Экспериментальное исследование устройства линеаризации двойной обратной связью
Введение к работе
В настоящее время существует значительная потребность в усилительных устройствах СВЧ диапазона, сочетающих высокие энергетические характеристики с низким уровнем интермодуляционных искажений. Эта потребность определяется необходимостью передавать все большие объемы информации, что приводит ко все более плотному размещению каналов в частотном диапазоне. Однако взаимодействие разночастотных сигналов на нелинейных элементах (в первую очередь на усилителях мощности) приводит к возникновению интермодуляционных искажений. Причем если интермодуляционные искажения четных порядков лежат за пределами рабочего диапазона и могут быть легко отфильтрованы, то интермодуляционные искажения нечетных порядков попадают непосредственно в рабочий диапазон устройства, и единственным способом борьбы с ними, является обеспечение линейности применяемых усилителей. Но линейные усилители, имеющие низкий уровень интермодуляционных искажений, характеризуются также низким КПД. Последнее оборачивается высоким уровнем потребляемой мощности, что нежелательно для работающих от батареек и аккумуляторов подвижных средств связи (примером области, для которой эта проблема стоит особенно остро, может служить мобильная телефонная связь). Таким образом, обеспечение качества передачи, определяющее высокие требования к линейности применяемых усилителей, вступает в противоречие с необходимостью снижения потребляемой усилителем мощности. Выходом из этого тупика является использование систем линеаризации, позволяющих создавать линейные усилительные устройства, имеющие высокий КПД, характерный для нелинейных усилителей мощности.
К настоящему времени разработано значительное количество методов линеаризации усилителей СВЧ, но они не свободны от недостатков. В силу этого сохраняется потребность к созданию новых методов линеаризации. О актуальности этой проблемы свидетельствуют многочисленные посвященные ей публикации, а также гранты выделяемые компаниями связи на проведение работ в этой области.
Наиболее распространенным методом линеаризации (в СВЧ диапазоне), позволяющим добиваться глубокого подавления интермодуляционных искажений (на 30 - 35 дБ в полосе частот более 25 МГц), является компенсационный метод (feedforward linearisation). Но создаваемые с помощью этого метода усилительные устройства, во многих случаях обладают низким КПД (значительно более низким, чем у используемых в этих устройствах нелинейных усилителей мощности).
Последнее делает актуальной задачу разработки методов линеаризации нелинейных усилителей мощности СВЧ диапазона, сочетающих глубокое подавление интермодуляционных искажений, с высоким КПД. Решению этой проблемы посвящена настоящая работа.
Целью диссертационной работы является исследование метода линеаризации активной обратной связью, и разработка усилительного устройства СВЧ диапазона, реализующего этот метод. При этом поставлена задача, показать, что метод линеаризации активной обратной связью может стать удачной альтернативой компенсационному, поскольку позволяет добиваться глубокого подавления интермодуляционных искажений в широкой полосе частот, без существенного снижения КПД. Для достижения целей диссертационной работы необходимо выполнить следующие пункты:
1. Провести теоретический анализ работы усилительного устройства реализующего метод линеаризации активной обратной связью;
2. Определить условия, при которых достигается линеаризации амплитудной характеристики усилителя;
3. Провести анализ степени подавления интермодуляционных искажений (в двухчастотном режиме) усилительным устройством, реализующим метод линеаризации активной обратной связью;
ф 4. Определить выражения позволяющие рассчитать КПД подобного устройства, провести оценку величины КПД;
5. Провести анализ шумовых характеристик усилительного устройства, реализующего метод линеаризации активной обратной связью;
6. Определить принципы построения оптимальной конструкции усилительного устройства реализующего метод активной обратной связи;
7. Провести экспериментальное исследование устройства линеаризации транзисторного усилителя мощности активной обратной связью в СВЧ диапазоне и сопоставление теории с • экспериментом.
Анализ базовой схемы устройства линеаризации
Рассмотрим работу устройства линеаризации при подаче на его вход одночастотного сигнала: Е cos cot. Под устройством линеаризации, здесь и далее, будет подразумеваться линейное усилительное устройство СВЧ диапазона, представляющее собой нелинейный усилитель мощности, линеаризованный методом активной обратной связи. Такое устройство является усилителем, но поскольку в его состав уже включены два усилителя, для избежания терминологической путаницы оно будет именоваться устройством линеаризации.
Структура устройства линеаризации показана (в общем виде) на рис.2.1. Здесь сигнал ошибки формируется во входной цепи устройства. Она может быть выполнена по разному, но в любом воплощении должна содержать некоторый импеданс Z = -R + jX с отрицательной вещественной частью. Помимо входного сигнала в цепь подается сигнал отрицательной ОС с выхода усилителя мощности (в дальнейшем будем его обозначать УМ), управляющий степенью регенерации цепи. Как будет показано далее, такая структура может обеспечить точную линеаризацию устройства. Под «точной» линеаризацией будем понимать такую, которая полностью устраняет зависимость коэффициента усиления от амплитуды колебаний во всем динамическом диапазоне УМ. В этом смысле обычная отрицательная обратная связь принципиально не обеспечивает точной линеаризации.
Для анализа устройства на рис. 1.1 в одночастотном режиме используем квазилинейный метод, представив напряжения и токи в цепях устройства в виде комплексных амплитуд. Это позволит от мгновенных значений напряжений и токов перейти к их комплексным амплитудам. В дальнейшем для упрощения текста будем вместо словосочетаний «комплексная амплитуда напряжения» и «комплексная амплитуда тока» употреблять термины «напряжение» и «ток» (кроме случаев указанных особо). Источник сигнала - передающая линия - замещен на блок-схеме ЭДС Е = 2Е+ и внутренним сопротивлением г, равным волновому сопротивлению линии (Е+- амплитуда напряжения падающей волны, чью фазу полагаем равной нулю). Равным образом представлен и источник сигнала отрицательной ОС: Vn — f3V2 - его ЭДС {n-nnegative»), а г внутреннее сопротивление (/?- коэффициент передачи цепи ОС, V2 амплитуда напряжения на выходе УМ). Z = -R + jX - импеданс элемента с отрицательным сопротивлением, регенерирующим входную цепь. Входное и выходное сопротивления УМ предполагаются согласованными, т.е. равными г. Примем допущение, что отрицательная обратная связь Ф устройства действует только в области частот основного сигнала (на практике подобное ограничение легко может быть реализовано с помощью фильтра [12]). Последнее означает, что возникающие на выходе нелинейного усилителя гармоники не попадают во входную цепь. 2.2 Вывод основных расчетных отношений
Для выполнения условия (2.10) в динамическом диапазоне амплитуд необходимо обеспечить независимость входного сопротивления УМ от амплитуды колебаний. Избавиться от влияния нелинейности входа усилителя можно двумя способами. Один из них - изоляция УМ от входной цепи вентилем, другой - осуществление УМ в виде модуля, входной каскад которого работает в линейном режиме, и собственно усилителя мощности. Что касается активного элемента с отрицательным сопротивлением, то обеспечить постоянство величины последнего можно только при достаточно малой амплитуде колебаний во входной цепи УМ, содержащей этот элемент. Понятно, что чем больше коэффициент усиления УМ, тем меньше амплитуда напряжения на его входе. Таким образом, с этой точки зрения целесообразно осуществлять УМ в виде модуля. Разумеется, конкретные требования к малости амплитуды зависят от класса и типа прибора, используемого для реализации отрицательного сопротивления.
Отметим, что линеаризация возможна лишь в ограниченном диапазоне значений входного напряжения, а именно в области значений входного напряжения усилителя мощности Vx, при которых выходное напряжение усилителя мощности не достигло максимального значения (рис. 2.2). Иначе говоря, линеаризация возможна в интервале значений входного напряжения Е при котором выполняется условие 0 VX VX .
Рассмотрим вопрос, каким образом может быть реализовано отрицательное сопротивление Z. Элемент, реализующий отрицательное сопротивление во входной цепи УМ, должен удовлетворять комплексу требований. Прежде всего, величина этого сопротивления должна как можно меньше меняться в динамическом диапазоне входного напряжения и при изменении частоты. Кроме того, этот элемент должен потреблять как можно меньше энергии питания, чтобы минимизировать его влияние на КПД устройства линеаризации в целом.
Анализ устройства линеаризации в двухчастотном режиме
Рассмотрим работу устройства линеаризации при подаче на его вход двухчастотного сигнала. При этом на выходе нелинейного усилителя появятся интермодуляционные составляющие (см. введение). Сигнал подберем так, чтобы на выходе нелинейного усилителя основные частотные составляющие имели равные амплитуды. С целью избежать излишне громоздких расчетов, исключим из рассмотрения ИМИ пятого и более высоких порядков. Задача сведется к определению амплитуд двух основных и двух интермодуляционных составляющих спектра на выходе устройства .
При переходе к исследованию двухчастотного режима используем обозначения, которые уже применялись при расчете одночастотного режима устройства: амплитуда обеих основных составляющих на входе нелинейного усилителя - У\, на выходе - V2 (напомним, что рассматривается случай равных амплитуд, т.е. амплитуды обеих «основных» составляющих на входе и выходе усилителя равны). Рассмотрим одну из двух основных составляющих (например, имеющую частоту соь). Напряжение сигнала данной частоты, подаваемое на вход устройства - Е cos cobt, напряжение на входе усилителя мощности - У\ cos(u)bt + у/х) 5 на выходе - V2 cos(cobt + у/2) . Используем метод комплексных амплитуд. Обозначим напряжение на входе нелинейного усилителя - Ух, а на выходе - V2 (отметим еще раз, что речь идет о составляющей с частотой соь в составе двухчастотного сигнала).
Введем коэффициент: ф л . По смыслу этот коэффициент аналогичен коэффициенту Км {Vx), применявшемуся при анализе устройства в одночастотном режиме. Однако, в отличии от одночастотного режима, коэффициент усиления Ф будет определяться всем спектром частотных составляющих присутствующим на входе усилителя мощности. С учетом введенного коэффициента можно записать: ] = Е 1 5-КХ-РФ(УХУ (ЗЛ) v2=. Еф{у (3.2) 5-Кх-рФ{УхУ При выполнении на частоте (дь условия линеаризации: Р Расчет второй основной составляющей (имеющей частоту сос) полностью идентичен, поэтому приводить его не будем. Рассчитаем интермодуляционную составляющую, имеющую частоту соа. Для обозначения амплитуды этой интермодуляционной составляющей (в общем случае интермодуляционные составляющие не равны между собой) введем обозначения: амплитуда интермодуляционной составляющей частоты соа на входе нелинейного усилителя - VaX , на V выходе - Уа1. Рассмотрим интермодуляционное колебание аг cos(& / + ty ) на нагрузочном сопротивлении выходной цепи устройства. Его можно рассматривать как сумму двух составляющих: 1) составляющей, образующейся в результате взаимодействия сигналов двух основных частот на нелинейном усилителе. Обозначим эту составляющую: а (точка отсчета для фазы выбрана так, чтобы фаза фі данной составляющей была равна нулю, мгновенное значение этой составляющей ). Амплитуда этой составляющей равна амплитуде интермодуляционного колебания образующегося на выходе нелинейного усилителя (вне устройства линеаризации), при подаче на вход последнего двухчастотного мгновенного сигнала Vx (COS CObt + COS (Oct) ; 2) составляющей, являющейся результатом наличия на входе нелинейного усилителя интермодуляционной составляющей частоты (Оа . Эта составляющая будет равна: а а\ ф) Таким образом: Отметим, что Фа (равно как и Ф) является функцией от всех частотных составляющих, присутствующих на входе усилителя мощности.
Последнее выражение позволяет рассчитать рабочую полосу частот устройства линеаризации (при условии, что известны зависимости значений Фа , Kl, Р от частоты). 3.2 Определение характера зависимости коэффициентов Фа и Ф от сигнала на входе усилителя мощности
Определим характер зависимости величины Фа от частотных составляющих на входе нелинейного усилителя. Для этого определим составляющие мгновенного тока в выходной цепи нелинейного усилителя при подаче на его вход четырехчастотного сигнала, соответствующего по частотам двум основным и двум интермодуляционным составляющим, и выделим в составе этого тока колебание исследуемой частоты ( со а ). Для расчетов используем статическую характеристику транзисторного усилителя, задаваемую тремя членами степенного ряда. Такая зависимость имеет вид: /(/) = SQ(u(t) + j3u2{t) - yu\t)), (3.7) где u(t) мгновенное напряжение на входе усилителя, /(/) мгновенный ток в выходной цепи. Выражение (3.7) представляет статическую характеристику транзисторного усилителя, и не учитывает изменения (и искажения) фазы сигнала нелинейным усилителем. Поэтому это выражение не может быть использовано для определения выходного сигнала. Но для сравнительной оценки величины амплитуды отдельных составляющих выходного сигнала, как будет показано ниже, данное выражение является вполне корректным.
Анализ шумовых характеристик устройства линеаризации
Главными источниками шумов в устройстве линеаризации являются входящие в его состав основной и вспомогательный усилители. Шумы всех остальных (пассивных) элементов устройства, по сравнению с шумами усилителей пренебрежимо малы, и при расчете учитываться не будут.
Эквивалентное представление схемы устройства линеаризации. Все сопротивления изображенные на схеме равны г. При расчете усилители в устройстве будем рассматривать как «черные ящики», имеющие в составе выходного сигнала определенную шумовую мощность, соответствующую статистической сумме шумов всех источников в усилителе приведенных к выходу [37]. Расчет шумовых характеристик проведем при работе устройства линеаризации в одночастотном режиме. Шумы усилителя, лежащие в узком частотном диапазоне, могут быть представлены в виде составляющей его мгновенного выходного тока имеющей вид: C(f)cos(utf + (0), где СО центральная частота рассматриваемого диапазона, а С(/) и Ф(0 случайные «медленные» функции времени [13]. Используем такое представление шумов вспомогательного и основного усилителей для расчета влияния этих шумов на выходной сигнал устройства линеаризации (как было указано выше, речь идет о шумах лежащих в рабочей полосе частот устройства). Подобное представление дает возможность использовать для расчета шумовой характеристики устройства линеаризации метод комплексных амплитуд. В этом случае расчет шумовых характеристик устройства линеаризации, становится подобен расчету «основных» характеристик этого устройства (проведенному во второй главе настоящей работы) с той оговоркой, что помимо основного сигнала учитываются шумы.
Как видно из уравнений (4.16) и (4.17) аддитивные шумы устройства линеаризации будут определятся как шумами вспомогательного усилителя, так и шумами усилителя мощности. Шумы каждого усилителя влияют на выходные шумы устройства линеаризации двояким образом: на выходе устройства будет присутствовать составляющие вызванные прямым действием шумов усилителей на выходной сигнал, а также составляющие, вызванные флуктуацией шумов на нелинейном усилителе мощности.
Рассмотрим, каков будет энергетический спектр шумов на выходе устройства линеаризации. Изменение комплексной амплитуды шумового тока Ац (точно также как и АЛ)во времени можно представить в виде хаотического движения точки на фазовой плоскости вокруг некоего центра.
Проанализируем выражение (4.27). Как из него следует, при точном выполнении условия линеаризации (т.е. при 5 — AT, = 0), шумы усилителя мощности полностью подавляются (поскольку 0 = 0). Подавляются также «флюктуационные» шумы вспомогательного усилителя. При этом выражение (4.27) сильно упрощается: W = 2Wb, Напомним, что энергетический спектр выходных шумов вспомогательного усилителя - 2Wb, и следовательно при точном выполнении условия линеаризации, энергетический спектр шумов устройства в целом будет определяться энергетическим спектром вспомогательного линейного усилителя. На практике, хотя условие линеаризации не будет выполнятся идеально, коэффициент 0 в рабочей полосе частот будет очень малой величиной (так, если рабочая полоса частот определяется как область в которой интермодуляционные искажения подавляются не менее чем на коэффициент 0 0.001). Коэффициент (3 по определению меньше 1, а коэффициент F, как было установлено, для любого реально использующегося нелинейного усилителя (в рабочем режиме) представляет незначительную величину. Поэтому, подводя итоги исследованию шумовой характеристики устройства линеаризации, можно сделать следующие выводы: в рабочей полосе частот, шумы устройства будут определяться шумами вспомогательного усилителя, а шумы нелинейного усилителя мощности будут подавлены. Поэтому, выражение (4.27) может быть упрощено: = [р22 + (lm(/?0) + lm(fieF)j)va + + ((і + RQ(&F)J + {/3Q + Re(j3QF)J + (l + lm(eFj))vb 2Wh где 2Wh энергетический спектр собственных шумов линейного усилителя. Выводы 1) Шумы основного усилителя подавляются устройством линеаризации, в силу чего шумовые характеристики устройства определяются вспомогательным усилителем. 2) Подавление шумов основного усилителя устройством зависит от точности настройки кольца положительной обратной связи и глубины отрицательной обратной связи. 3) Шумовые характеристики устройства линеаризации в целом будут, в рабочей полосе частот, примерно соответствовать шумовым характеристикам вспомогательного линейного усилителя
Экспериментальное исследование устройства линеаризации двойной обратной связью
С целью подтверждения (или опровержения) расчетной модели устройства линеаризации был создан экспериментальный макет разрабатываемого устройства, рассчитанный на частоты около 1.8 ГГц (рис. 5.1). Основой собранного макета стали два четырехкаскадных усилителя СВЧ, соединенные коаксиальными линиями. В качестве элементов макета использовались также постоянные аттенюаторы, вентили ФКВН2, трехдецибельные мосты Ланге. Перестраиваемый фазовращатель в кольце отрицательной ОС был создан из комбинации отрезка коаксиальной линии с перемещаемым вдоль нее короткозамыкающим элементом и циркулятора.
С помощью этого фазовращателя осуществлялась «фазовая» настройка экспериментального макета устройства линеаризации (на выбранный резонансный пик в кольце положительной ОС настраивалась максимальная отрицательная связь в кольце отрицательной ОС). «Амплитудная» настройка кольца положительной ОС (максимальное приближение к пороговому режиму), осуществлялось изменением уровня питания линейного усилителя.
Задачей эксперимента было подтверждение (или опровержение) работоспособности теоретической модели устройства линеаризации активной обратной связью. С этой целью характеристики элементов макета (модули передаточных коэффициентов элементов колец, зависимость фазовых набегов в кольцах от частоты, зависимость коэффициента усиления усилителя мощности от амплитуды сигнала на его входе) были экспериментально определены и введены в компьютерную модель.
В компьютерную модель, была введена также, полученная экспериментальным путем, зависимость модуля коэффициента усиления нелинейного усилителя {KM{V{)) от амплитуды напряжения на его входе. Значение Vl, при расчете компьютерной модели экспериментального макета устройства линеаризации определялось численным решением трансцендентного уравнения: v = ъа \\-axe mf) -a2KM(V,)e-j p f)
Экспериментальное определение модулей коэффициентов а\ и а2 не вызывает больших сложностей. Как показали исследования, в выбранном для исследований частотном диапазоне (1780-1830 МГц), амплитудные характеристики элементов, составляющих устройство линеаризации, можно считать не зависящими от частоты. Модули коэффициентов а\ и а2 вводятся в компьютерную модель в виде констант, равных произведению модулей передаточных коэффициентов всех элементов, образующих соответствующие кольца. Модуль а\ равен 1 (0 дБ), модуль о2 равен 0.00398 (-24 дБ).
Некоторые трудности вызывает определение фазовых характеристик колец { Р\(Л И Р2(Л). Проводившиеся исследование колец на фазометре ФК2-18 показали, что зависимость фазовых набегов колец от частоты носит линейный характер. Это подтверждается тем, что в ходе исследования АЧХ в кольцах положительной и отрицательной ОС (при проведение этих измерений сигнал снимался с «балластного» выхода моста М2) , на экране панорамы наблюдалась строго периодическая последовательность резонансных пиков, разделенных одинаковыми частотными интервалами. Подтверждением линейности ФЧХ колец служит и тот факт, что при изменении длины кольца отрицательной ОС фазовращателем частотные интервалы между пиками менялись одинаковым образом.
Аналогичное исследование для кольца отрицательной ОС дало эквивалентную длину в 5.16 метра. На частоте 1806 МГц это составляет примерно 31.5 длин волн. Столь значительная длина колец ОС определяет очень узкую рабочую полосу частот - 0.3, 0.4 % (рис.5.2). На рис. 5.2 представлены результаты компьютерного моделирования АЧХ устройства (сплошная линия), и результаты экспериментального исследования (пунктирная линия). Как видно, расчетная АЧХ довольно точно соответствуют экспериментальной.
На рис. 5.3 представлены полученные экспериментально амплитудные характеристики созданного устройства линеаризации и используемого в этом устройстве нелинейного усилителя, на центральной частоте полосы линеаризации (1.806 ГГц). Коэффициент усиления использовавшегося в устройстве нелинейного усилителя равен 27 дБ, коэффициент «отрицательной ОС» /? = - 24 дБ.
