Підсилювач потужності з дискретним управлінням рівня вихідного сигналу

Винахід відноситься до галузі радіотехніки і призначається для використання в передавальних пристроях систем радіозв'язку, радіолокації, радіорелейних ліній та інших радіотелекомунікаційних систем. Даний підсилювач потужності (ПП) призначений для підсилення сигналу з кутовою, зокрема частотною модуляцією (маніпуляцією) несучої, яка широко використовується в сучасних радіосистемах. Однією з головних вимог до ПП даних застосувань являється забезпечення мінімальних спотворень форми передаваємих повідомлень в умовах керування вихідною потужністю ПП, яке використовується в комплексах та системах при взаємодії об'єктів зв'язку та радіолокації. Для управління потужністю в сучасних системах використовують атенюатори на напівпровідникових, зокрема, p-i-n діодах. Щоб не мати втрат вихідної потужності при її керуванні, особливо в надвисокочастотному (НВЧ) діапазоні, атенюатор встановлюють на вході або проміжних каскадах ПП. При зміні вхідного сигналу ПП має місце амплітудно-фазова конверсія (АФК) вихідного сигналу. При цьому виникає проблема забезпечення допустимих спотворень сигналу, який підсилюється, при управлінні атенюатором, особливо в умовах швидкого управління частотою. В сучасних системах використовують переважно підсилювачі потужності на напівпровідникових приладах, зокрема широке застосування мають підсилювачі НВЧ на транзисторах [див. Згуровский М.З., Ильченко М.Е., Кравчук С.А. и др. Микроволновые устройства телекоммуникационных систем. Том 2. Устройства приемного и передающего трактов. Проектирование устройств и реализация систем. - Киев, "Політехніка", 2003, стр.182189, 247-279]. Найбільш близьким по технічній сутності і тому вибраний за прототип являється пристрій, описаний в роботі «Десятиваттный транзисторный дискретно-управляемый по уровню усилитель мощности І-диапазона» [Труды 13-ой Крымской конференции "Microwate & Telecommunication Technology" CriMiCo'2003, стр.146-147]. Типові значення АФК таких підсилювачів потужності характеризуються значенням (5...10)°/дБ зміни вхідного сигналу [див стор.147 вищеназваної праці]. Прототип містить послідовно включені попередній підсилювач потужності, на вхід якого поступає ЧМсигнал, атенюатор, вихідний підсилювач потужності, смуговий фільтр, відгалужувач потужності, розв'язуючий пристрій, вихід якого являється виходом ПП. Підсилювач потужності містить також пристрій управління потужністю, який складається з послідовно з'єднаних вимірювача потужності, на вхід якого поступає сигнал з виходу відгалужувача потужності, та пристрою автоматичного керування (регулювання) потужністю (АРМ), вихід якого з'єднаний з управляючим входом атенюатора, а вхід - з виходом пристрою управління, на вхід якого подаються команди управління, зокрема команди "Включення затухання 20, 30, 45дБ", сигнали автоматичного регулювання потужності, імпульс запуску, який регламентує час передачі і прийому інформації та ін. Даний підсилювач потужності працює наступним чином. Поки на вхід пристрою управління потужністю не подаються сигнали управління, вхідний ЧМ-сигнал підсилюється з максимальним коефіцієнтом підсилення і на виході пристрою має місце максимальна потужність сигналу. При цьому атенюатор має мінімальне початкове затухання, яке забезпечує мінімальні втрати сигналу в атенюаторі і максимальну потужність на виході. При подачі на вхід пристрою управління кодової команди "Вкл. 20дБ" в пристрої АРМ формується цифровий сигнал управління, який подається на атенюатор, при цьому рівень потужності на виході ПП зменшується в ~100 раз. Відповідно при подачі команд управління "Вкл. 30дБ", "Вкл. 45дБ" рівень вихідного сигналу зменшується в 103 та 3,16×104 разів. При цьому рівень вихідної потужності контролюється пристроєм "Вимірювач потужності" по виходу пристрою АРМ. Крім зазначеного управління вихідною потужністю, має місце також автономне управління потужністю, коли на вхід пристрою АРМ з пристрою управління поступає аналоговий сигнал з виходу приймача системи, рівень якого пропорційний рівню вхідного сигналу приймача системи. При збільшенні рівня сигналу на вході вузла АРМ, в ньому формується цифровий сигнал, який подається на вхід атенюатора, забезпечуючи зміну вихідної потужності ПП на 45дБ дискретно через 5дБ, тим самим забезпечуючи в широких межах, в широкому динамічному діапазоні роботу комплексу, в якому даний пристрій використовується. Недолік прототипу полягає в тому, що при наявності АФК в ПП при дискретному управлінні потужністю має місце паразитна частотна модуляція (ПЧМ) вихідного сигналу, яка залежить від швидкості зміни фази, в даному випадку від швидкості управління дискретним атенюатором. Так, при АФК та дискретній зміні вхідної потужності, має місце ПЧМ, яка дорівнює: (1) Dfn(Гц)=Dj(рад)/2ptфр(с), де Dj - зміна фази; tфр - фронт дискрету зміни управляючого сигналу на вході атенюатора. Сучасні атенюатори мають високу швидкодію і, при значенні, наприклад, tфр=0,1мксек, згідно (1), має місце ПЧМ за рахунок АФК, рівній (5-10)°/дБ, при дискреті 5дБ: Dfn=(5...10)°/дБ·5дБ/57,3°·6,28·0,1·10-6=(0,7...1,4)МГц. Відповідно при стрибку вхідної потужності 45дБ ПЧМ зростає ще майже на порядок, що набагато більше корисної девіації частоти вхідного ЧМ-сигналу, що призводить до недопустимих спотворень форми корисної частотної модуляції (маніпуляції) вихідного сигналу ПП. Ставиться задача зменшити рівень ПЧМ до рівнів, набагато менших рівня корисної девіації частоти ЧМ сигналу при управлінні потужністю вихідного сигналу в широких межах. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в "Підсилювач потужності з дискретним управлінням рівня вихідного сигналу", що містить в собі послідовно з'єднані попередній підсилювач потужності, на вхід якого поступає корисний ЧМ-сигнал, атенюатор, вихідний підсилювач потужності, смуговий фільтр, відгалужувач потужності, розв'язуючий пристрій, вихід якого являється виходом ЧМ-сигналу, послідовно з'єднані вимірювач потужності та пристрій автоматичного керування потужністю, при цьому вхід вимірювача потужності з'єднаний з виходом відгалужувача потужності, а також містить в собі пристрій управління, вихід якого підключений до входу пристрою автоматичного керування потужністю, а на вхід подаються команди управління, введено додатково інтегруючий пристрій, вхід якого з'єднаний з виходом пристрою автоматичного керування потужністю, а вихід з'єднаний з управляючим входом атенюатора. Авторам не відомі технічні рішення, які мають сукупність ознак, які збігаються з сукупністю відмінних ознак пропонованого технічного рішення і тому вони роблять висновок про те, що запропоноване рішення володіє істотними відмінами. Сутність винаходу роз'яснюється малюнком, де на фігурі 1 представлена структурна схема "Підсилювача потужності з дискретним управлінням рівня вихідного сигналу". Запропонований "Підсилювач потужності..." (Фігура 1) складається з послідовно з'єднаних попереднього підсилювача потужності 1, на вхід якого поступає ЧМ-сигнал, атенюатора 2, вихідного підсилювача потужності 3, смугового фільтру 4, відгалужувача потужності 5, розв'язуючого пристрою 6, вихід якого являється виходом "Підсилювача потужності...", послідовно з'єднаних вимірювача потужності 7 та пристрою автоматичного керування потужністю 8, вхід яких з'єднаний з другим виходом відгалужувача потужності, та послідовно з'єднаних пристрою автоматичного керування потужністю 8 та пристрою управління 9, на вхід якого подаються команди управління, а вихід пристрою автоматичного керування потужністю 8 з'єднаний через інтегруючий пристрій 10 з управляючим входом атенюатора. Підсилювач потужності з дискретним управлінням рівня вихідного сигналу працює наступним чином . При подачі на вхід "Підсилювача потужності..." ЧМ-сигналу останній підсилюється в попередньому підсилювачі потужності 1, проходить атенюатор 2 з мінімальними втратами, які дорівнюють початковим втратам без подачі управляючого сигналу, підсилюється в вихідному підсилювачі потужності 3 до необхідних значень і через смуговий фільтр.4, направлений відгалужувач потужності 5 та розв'язуючий пристрій 6 підсилений ЧМ-сигнал поступає на вихід. З ви ходу відгалужувача потужності 5 частина потужності сигналу подається на вхід вимірювача потужності 7, з виходу якого постійна напруга, пропорційна рівню вихідної потужності при роботі в безперервному режимі, або імпульсна напруга, форма якої відповідає формі імпульсу запуску, який регулює режим прийом-передача, а рівень вихідного сигналу вимірювача потужності пропорційний рівню вихідної потужності ПП, поступає на пристрій автоматичного керування потужністю 8, в якому формуються дискретні сигнали, які поступають на вхід інтегр уючого пристрою 10, з виходу якого імпульсні управляючі сигнали з фронтом, який обмежується постійною часу інтегр уючого пристрою, поступають на управляючий вхід атенюатора 2, який змінює рівень потужності на вході вихідного підсилювача потужності 3 уповільнено порівняно з швидкістю управління без інтегратору. Дякуючи інтегруючому пристрою, tфр управляючого атенюатором сигналу можна значно збільшити - до величини, рівному часу затримки сигналу Τ між часом включення імпульсу запуску до часу передачі інформації. Цей час Τ може бути, порівняно з наведеним значенням tфр прототипа, збільшено в сотні разів. Так, наприклад, згідно (1) при Τ=tфр=50мкс при стрибку ви хідної потужності 5дБ Dfn=(5...10)°/дБ·5дБ/57,3°·6,28·50·10-6=(1,4...2,8)МГц, що в 500 разів менше, ніж у прототипа. Навіть при стрибку значення атенюатора в 45дБ, паразитна девіація частоти Dfn=(12,6...25,2)кГц, що набагато менше корисної девіації частоти. Форма закону зміни частоти зазнає мінімальних спотворень, які не впливають на демодуляцію та обробку корисного сигналу. "Підсилювач потужності..." може бути виконаний на елементах аналогової та дискретної техніки, описаної в науково-технічній літературі, зокрема у наведених вище працях. Результати теоретичних досліджень та макетування довели ефективність запропонованого "Підсилювача потужності...". Отже, в запропонованому "Підсилювачі потужності з дискретним управлінням рівня вихідного сигналу" можна суттєво, в десятки-сотні разів, зменшити паразитну частотну модуляцію сигналу, яка обумовлена амплітудно-фазовою конверсією підсилювача потужності, дає змогу забезпечити стабільну роботу комплексу, в якому даний "Підсилювач потужності з дискретним управлінням рівня вихідного сигналу" використовується.