Аналоговый предыскажающий линеаризатор на диодах Шоттки для бортовых СВЧ-усилителей мощности

№ 1’2017
PDF версия
Сложные виды модуляции в каналах связи спутниковых систем требуют высокой линейности усилителя мощности. Возможны как цифровые, так и аналоговые методы повышения линейности, но первые требуют усложнения узлов модуляции, тогда как вторые позволяют обойтись без изменения схемы и конструкции усилителя мощности. Предлагаемый автором аналоговый линеаризатор схемотехнически несложен, но позволяет снизить уровень интермодуляционных искажений на 12 дБ.

Отличительная особенность нашего времени — непрерывно возрастающая потребность в передаче больших объемов информации. При этом необходимо удовлетворять современным требованиям по высокой спектральной эффективности и энергетике канала связи. В ретрансляторах спутниковых систем передачи информации [1] используются формирователи СВЧ-сигналов с такими сложными видами модуляции несущего колебания, как многоуровневая фазовая манипуляция, кодоамплитудная модуляция и мультиплексная передача на ортогональных несущих. Новые виды модуляции накладывают жесткие требования на линейность радиопередающего устройства. Компромиссным выходом из противоречия между энергетической и спектральной эффективностью, с одной стороны, и соблюдением требований электромагнитной совместимости — с другой, является перевод активного элемента усилителя мощности (УМ) в линейный режим с недоиспользованием его по мощности до 10 дБ. Дополнительные требования по минимизации массы и энергопотребления для бортовой спутниковой аппаратуры заставляют использовать те или иные схемы линеаризации УМ.

Цифровые предыскажающие линеаризаторы включаются в тракт формирования модулирующего сигнала и требуют усложнения узлов модуляции радиопередающего устройства. В условиях, когда связанные с изменением схемы и конструкции усилителя мощности технические решения недопустимы, используются более простые и широкополосные аналоговые способы [2, 3].

Предлагаемый аналоговый предыскажающий линеаризатор (АПЛ) на диодах Шоттки с ферритовым циркулятором позволяет снизить уровень интермодуляционных искажений (ИМИ) третьего и пятого порядка и увеличить энергетическую эффективность УМ СВЧ-диапазона. На рис. 1 представлена структурная схема линеаризированного УМ. В ней используются: ФЦ — ферритовый Y‑циркулятор; ПЛ1‑ПЛ4 — микрополосковые согласующие линии с волновым сопротивлением Zвсоответствующей физической длиной Li и шириной si; Rн — активное сопротивление нагрузки; Есм — источник постоянного напряжения смещения диодов, сопротивление которого для СВЧ-токов пренебрежимо мало благодаря блокировочному конденсатору Сбл. Используются корректирующие быстродействующие диоды с барьером Шоттки VD1 и VD2, обладающие несимметричной экспоненциальной вольтамперной характеристикой.

Структурная схема выходного каскада усилителя мощности УМ с аналоговым предыскажающим линеаризатором АПЛ

Рис. 1. Структурная схема выходного каскада усилителя мощности УМ с аналоговым предыскажающим линеаризатором АПЛ

При низком уровне мощности входного сигнала дифференциальное сопротивление диодов VD1 и VD2 велико и не влияет на согласование порта 3 циркулятора с нагрузкой Rн. При этом практически вся, отраженная от порта 2, мощность будет поглощаться в Rн, и амплитудное предыскажение выходного сигнала не происходит. С ростом входной мощности сигнала uвх(t) увеличивается уровень сигнала на порте 3 за счет обратного прохождения между портами 1 и 3, а также поступление на диоды волны, отраженной от порта 2. При этом сопротивление диодов VD1–VD2 уменьшается, что приводит к рассогласованию порта 3 и увеличению отраженной мощности, поступающей на входной порт 1, а, следовательно, и к предыскажающему увеличению мощности, поступающей на вход УМ через порт 2.

Рассмотрим более подробно, как формируется предыскажение в АПЛ. Для этого запишем ток, протекающий через пару одинаковых антипараллельных диодов, в виде:

где IS — обратный ток насыщения диодов. Коэффициент δ = q/kT, где q — заряд электрона; k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура.

Выражение (1) можно разложить в ряд Тейлора по степеням δuвх(t) и получить:

Ограничиваясь кубическим членом (2), получаем выражение для мгновенной нелинейной проводимости диодов в следующем виде:

После согласования линейной части проводимости диодов с малосигнальным значением Y0, выражение (3) можно переписать в виде:

где b — постоянный коэффициент.

Отражаться будет только та часть мощности, которая определяется вторым членом выражения (4). Напряжение на выходе циркулятора получает предыскажение, пропорциональное кубу напряжения uвх(t):

где B — коэффициент. Выражение (5) показывает, что в первом приближении на выходе АПЛ присутствуют искажения третьего порядка, противофазные составляющим, возникающим в самом УМ, и в сумме уровень интермодуляционных искажений 3‑го порядка понизится. При учете высших членов степенного разложения на выходе АПЛ присутствуют искажения и высших порядков, согласно выражению (2), то есть будут уменьшаться и ИМИ более высокого порядка.

Для моделирования УМ, линеаризированного при помощи АПЛ, и количественной оценки уровня ИМИ был использован вычислительный пакет Applied Wave Research (AWR) версии Visual System Simulator (VSS). В качестве модели УМ выбраны амплитудные характеристики усилителя на ЛБВ модели TH4300 С производства Thales Group [4] диапазона 15 ГГц. Паспортные характеристики АМ/АМ и АМ/ФМ представлены на рис. 2.

Характеристики преобразований АМ/АМ и АМ/ФМ для ЛБВ модели TH4300С

Рис. 2. Характеристики преобразований АМ/АМ и АМ/ФМ для ЛБВ модели TH4300С

С целью учета реальных рабочих параметров закона распределения амплитуд входного сигнала [5] и уточнения количественных значений уровня ИМИ в качестве входного использован сигнал с 4‑уровневой фазовой манипуляцией ФМ4 по псевдослучайному закону, в котором, для выполнения нормативов электромагнитной совместимости и формирования компактного сплошного спектра шириной 160 МГц, применено сглаживание фронтов манипуляции фазы при помощи фильтра Найквиста [6] типа «корень квадратный из приподнятого косинуса» c параметром скругления α = 0,35. Количественная оценка уровня ИМИ выполнялась по критерию мощности в соседнем канале Adjacent Channel Power Ratio (ACPR).

Параметры СВЧ-тракта АПЛ, связанного с портом 3 на рис. 1, при помощи подбора значений ширины si и длины Liполосковых линий, сопротивления нагрузки Rн, характеристик диодов VD1, VD2 и напряжения смещения Есм, выбирались с целью минимизации и достижения примерного равенства уровней ИМИ 3‑го и 5‑го порядков. Результирующие спектральные характеристики выходного сигнала УМ представлены на рис. 3. При моделировании использовались следующие параметры элементов схемы: Есм = –0,7 В; Rн = 90 Ом; L1 = 3,9 мм; s1 = 1,9 мм; L2 = 2,2 мм; s2 = 0,4 мм; L3 = 3,9 мм; s3 = 0,9 мм; L4 = 1,2 мм; s4 = 0,4 мм.

Из рассмотрения рис. 3 видно, что при усилении в УМ на ЛБВ широкополосного сигнала с коррекцией нелинейности с помощью АПЛ достигается снижение суммарного уровня ИМИ на 12 дБ с улучшением компактности сплошного спектра усиливаемого сигнала. Выходная мощность рассмотренного усилительного прибора была на 2 дБ ниже предельной, являющейся паспортной для режима насыщения при синусоидальном входном сигнале.

Спектральная плотность мощности на выходе УМ на ЛБВ без АПЛ (красная линия) и с АПЛ (синяя линия)

Рис. 3. Спектральная плотность мощности на выходе УМ на ЛБВ без АПЛ (красная линия) и с АПЛ (синяя линия)

Удалось также снизить на несколько децибел уровень ИМИ 5‑го и более высоких порядков в частотных полосах, удаленных от границ выделенной полосы частот, что улучшает характеристики электромагнитной совместимости спутникового ретранслятора.

В работе исследована схема аналогового предыскажающего линеаризатора на основе Y‑циркулятора с диодами Шоттки в опорном плече. Преимуществами данной схемы является возможность простой и малогабаритной технической реализации без изменения конструкции усилительного прибора или модулирующих каскадов радиопередающего устройства. Оценка достигаемого технического эффекта выполнена при помощи тестового модулированного сигнала со статистическими характеристиками, совпадающими с рабочим режимом. Уровень получаемой средней выходной мощности в широкой полосе частот незначительно отличается от предельной паспортной, установленной для одночастотного сигнала при насыщении, обеспечивающей высокую энергетическую эффективность (КПД). Пониженный уровень паразитных составляющих спектра излучаемого сигнала удовлетворяет жестким нормативам ЭМС.

Литература
  1.  Спутниковая связь и вещание. 3‑е изд. под ред. Л. Я. Кантора//Радио и связь. 1997.
  2.  Неганов В. А., Клюев Д. С., Табаков Д. П. Устройства СВЧ и антенны. Ч. 1.: Пректирование, конструктивная реализация, примеры применения устройств СВЧ. М.: URSS, 2013.
  3. Воронецкий Е. В., Ксенофонтов С. М., Рожков В. М., Челноков О. А., Шестаков А. К. Повышение эффективности усилителей многочастотных сигналов//Радиотехника. 1996. № 4.
  4. www.thalesgroup.com
  5. Белов Л. А., Кондрашов А. С., Петушков С. В. Корреляционная оценка уровня интермодуляционных искажений СВЧ-сигналов в усилителях мощности//Электросвязь. 2015. № 5.
  6. Мартиросов В. Е. Теория и техника приема дискретных сигналов ЦСПИ. М.: Радиотехника, 2005.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.