Обзор методов построения высоколинейных усилителей мощности. Продолжение 2

3.3 Метод раздельного усиления составляющих однополосного сигнала

Так как непосредственное управление амплитудой колебаний ключевого усилителя невозможно, реализация ключевых режимов для построения усилителей мощности однополосного сигнала требует применения специальных методов, наиболее перспективным из которых является метод раздельного усиления составляющих (метод Кана) [19,20].

Суть этого метода заключается в том, что как показывает теория, однополосный сигнал может быть представлен произведением сигнала с переменной фазой и огибающей исходного ОМ сигнала [21]. Первый из этих сигналов является сигналом с фазовой модуляцией несущей ОМ сигнала мгновенной частотой исходного модулирующего НЧ сигнала. Огибающая ОМ сигнала есть не что иное, как мгновенная амплитуда модулирующего НЧ сигнала. Эта огибающая может быть усилена в высокоэффективном модуляторе – мощном усилителе огибающей (МУО) класса D с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Фазомодулированная составляющая ОМ сигнала является сигналом с постоянной амплитудой, а потому может быть усилена в каскадах, в которых генераторы с внешним возбуждением (ГВВ) работают в граничном или слабоперенапряженном режимах по классу В или С или в высокоэффективном ключевом режиме класса Е. Ввиду того, что ВЧ тракт усиливает ФМ сигнал, предъявляются высокие требования к его частотным характеристикам, как и в передатчиках с угловой (частотной или фазовой) модуляцией. Кроме того, оконечный каскад передатчика, построенного по методу раздельного усиления, должен обеспечивать перемножение ФМ сигнала и ОМ огибающей.

Таким образом, передатчик по методу Кана содержит устройство разделения ОМ сигнала, высокочастотный и низкочастотный усилительные тракты и восстанавливающий перемножитель. Устройство разделения состоит из линейного амплитудного детектора, выделяющего огибающую, а также амплитудного ограничителя, осуществляющего выделение фазомодулированной составляющей путем клиппирования ОМ сигнала.

В качестве перемножителя используется каскад мощного ГВВ с коллекторной (стоковой) модуляцией.
Структурная схема усилителя, реализующая метод Кана приведена на рисунке 7 [29].

Несмотря на то, что все мощные усилительные тракты в передатчиках Кана работают в высокоэффективных режимах, зависимость КПД такого передатчика от амплитуды усиливаемого сигнала имеет резкий ниспадающий характер (с уменьшением амплитуды сигнала КПД резко падает). Это связано с тем, что итоговый КПД передатчика определяется произведением КПД высокочастотного тракта на КПД модулятора с ШИМ (КПД последнего также представляет собой ниспадающую зависимость от амплитуды сигнала). Тем не менее, средний КПД таких передатчиков обычно может составлять порядка 0,65…0,70.

Методу Кана также присущи специфические нелинейные искажения, вызванные несинхронностью воздействия на перемножитель усиленных компонентов ОМ сигнала. Это связано с разностью временных задержек сигнала в высокочастотном и низкочастотном трактах передатчика (в основном за счет инерционности ФНЧ в МУО, выделяющего ОМ огибающую из ШИМ сигнала). С целью компенсации этих задержек либо вводят линию задержки (ЛЗ) в ВЧ тракт, либо применяют синтетическое преобразование Верзунова [21] (дополнительное фазовое детектирование клиппированного ОМ сигнала в схеме Кана с последующей фазовой модуляцией на той же или на другой несущей частоте) с фильтром НЧ в фазовом детекторе, вносящим такую же задержку, что и фильтр в МУО (на выходе тракта огибающей).

Первый способ неудобен тем, что требуется подстройка ЛЗ при настройке передатчика, что довольно трудоемко – требуется изготовление перестраиваемой ЛЗ на большие величины задержек, а к недостаткам второго способа следует отнести наличие дополнительных нелинейных преобразований ФМ сигнала.
Однако, несмотря на вышеуказанные недостатки, метод Кана может с успехом использоваться при построении мощных связных передатчиков с ОМ.

Одним из вариантов построения линейного усилителя по методу Кана является линейный усилитель мощности с повышенным КПД, описанный в [11]. Схема выходного каскада усилителя приведена на рисунке 8.

В данной схеме для перемножения ФМ сигнала и ОМ огибающей используется не коллекторная (стоковая) модуляция, а базовая (затворная) модуляция, которая не требует применения мощного модулятора в коллекторной (стоковой) цепи, вносящего дополнительные помехи от работы ШИМ модулятора, и уменьшает разность временных задержек сигнала в высокочастотном и низкочастотном трактах. Применение обратной связи по огибающей позволяет существенно ослабить комбинационные составляющие третьего порядка. Передаточная характеристика и график ослабления комбинационных составляющих третьего порядка изображены на рисунках 9, 10.

Как видно из рисунка 10, уровень комбинационных составляющих не превышает минус 45 дБ, что уже удовлетворяет нами установленным требованиям к высоколинейным усилителям.
Интересное решение формирования однополосного сигнала повышенной линейности, по принципу аналогичному методу Кана, предлагается патентом № 2155445 класса H041/04 [37].

Здесь формирование однополосного сигнала производится с помощью мощного синхронизируемого автогенератора, где фазовая составляющая однополосного сигнала восстанавливается с помощью кольца фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), а амплитудная составляющая восстанавливается ШИМ модулятором источника питания автогенератора.

Заключение

В статье рассмотрены метод раздельного усиления составляющих однополосного сигнала, структурная схема усилителя, реализующего метод Кана и один из вариантов построения линейного усилителя. Приведены передаточные характеристики усилителя до линеаризации, после линеаризации и спектр выходного сигнала.

Продолжение следует.