автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Энергетически эффективный метод линеаризации активной обратной связью транзисторного усилителя мощности СВЧ диапазона

на правах рукописи

ЛАНДА АЛЕКСАНДР ЭДУАРДОВИЧ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИ ЭФФЕКТИВНЫЙ МЕТОД ЛИНЕАРИЗАЦИИ АКТИВНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ ТРАНЗИСТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ СВЧ ДИАПАЗОНА

Специальность 05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт - Петербург

2005

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

Научный руководитель:

доктор технических наук

Сергей Александрович Корнилов

Официальные доктор технических наук Ю.Б. Несвижский

оппоненты: кандидат технических наук доцент А.И. Жданов

Ведущая организация:

Защита состоится 2005 г. в < ' часов на заседании

диссертационного совета в Санкт-Петербургского государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича по адресу: г. Санкт-Петербург, наб. реки Мойки 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича по адресу: г. Санкт-Петербург, наб. реки Мойки 63.

ЛОНИИР

/////7/У /П__

Автореферат разослан «28» апреля 2005г. Ученый секретарь диссертационного совета

В.Ю. Волков

№ Ш

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

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) приводит к возникновению интермодуляционных искажений. Причем если интермодуляционные искажения четных порядков, определяемые четными членами представленного в виде степенного ряда выходного тока усилителя, 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. Однако линейные усилители, имеющие низкий уровень интермодуляционных искажений, характеризуются также низким КПД. Последнее оборачивается высоким уровнем потребляемой мощности, что очень 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. Хотя к настоящему времени разработано

значительное количество м усилителей СВЧ,

сохраняется потребность в создании новых методов линеаризации. Об этом свидетельствуют посвященные данной теме многочисленные публикации, исследовательские программы, финансируемые работающими на рынке связи компаниями, выделяемые на эту тему гранты.

Среди наиболее распространенных методов линеаризации (в СВЧ диапазоне), глубокого подавления интермодуляционных искажений, позволяет добиваться компенсационный метод (на 30 - 35 дБ в полосе частот более 25 МГц). Но создаваемые с помощью этого метода усилительные устройства во многих случаях обладают КПД, значительно более низким, чем у используемых в этих устройствах нелинейных усилителей мощности.

Последнее делает актуальной задачу разработки устройств линеаризации нелинейных усилителей мощности СВЧ диапазона, сочетающих глубокое подавление интермодуляционных искажений с высоким КПД.

Целью диссертационной работы является разработка устройства линеаризации нелинейного усилителя мощности СВЧ диапазона, реализующего метод линеаризации активной обратной связью. Для достижения этой цели необходимы:

1. Теоретический анализ работы устройства линеаризации транзисторного усилителя мощности СВЧ диапазона методом активной обратной связи и определение условий линеаризации.

2. Анализ степени подавления рассматриваемым устройством интермодуляционных искажений (в двухчастотном режиме).

3. Анализ шумовых характеристик устройства, определение его КПД.

4. Определение оптимальной конструкции усилительного устройства, реализующего метод активной обратной связи.

5. Экспериментальное исследование устройства линеаризации транзисторного усилителя мощности активной обратной связью в СВЧ диапазоне и сопоставление теории с экспериментом.

г» **

Методы исследования. В работе используются методы теории линейных и нелинейных электрических цепей, теории случайных процессов, методы машинного программирования. В экспериментальном исследовании применялся метод измерения нелинейных характеристик устройства двухчастотным сигналом равных амплитуд (two tone test).

Научная новизна.

1. Предложен новый метод линеаризации транзисторного усилителя методом активной обратной связи, в СВЧ диапазоне.

2. Разработана математическая модель устройства линеаризации активной обратной связью транзисторного усилителя мощности СВЧ диапазона, позволяющая рассчитывать степень подавления интермодуляционных искажений, ширину рабочей полосы частот, КПД устройства.

3. Разработана математическая модель, позволяющая рассчитывать шумы устройства линеаризации активной обратной связью транзисторного усилителя мощности СВЧ диапазона.

4. Создан макет устройства линеаризации активной обратной связью транзисторного усилителя мощности (центральная частота рабочей полосы устройства линеаризации 1.8 ГГц), проведены экспериментальные исследования в одночастотном режиме (исследование линеаризации амплитудной характеристики) и в двухчастотном режиме (исследование подавления интермодуляционных искажений).

5. Экспериментально доказана возможность подавления интермодуляционных искажений устройством линеаризации активной обратной связью СВЧ диапазона без снижения энергетической эффективности.

Практическая значимость работы.

Разработаны принципы оптимального построения устройства линеаризации активной обратной связью транзисторного усилителя мощности СВЧ диапазона. Данные принципы позволяют определить наилучшую конструкцию конкретного устройства линеаризации активной обратной связью, в зависимости от заданных рабочих характеристик.

Создана компьютерная модель устройства линеаризации активной обратной связью транзисторного усилителя мощности СВЧ диапазона, которая позволяет по параметрам элементов устройства, рассчитывать основные его характеристики, а именно: глубину подавления интермодуляционных искажений, ширину рабочей полосы частот, КПД, мощность аддитивных шумов устройства. Данная модель может быть использована «в обратном порядке», т.е. для конструирования устройства линеаризации по заданным рабочим характеристикам.

Реализация и внедрение результатов работы.

Работа выполнена на кафедре электронных и квантовых приборов Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.

Результаты работы использовались в учебных целях в рамках программы по обучению магистров.

Апробация результатов работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительные оценки на 55ой, 56ой, 57ой, 58ой научно технической конференциях студентов аспирантов и молодых специалистов (2001-2004 СПб), на Зей международной научно-техническая конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов стран СНГ «Техника и технология связи» (Одесса, 2001), и на 4ой международной научно-

техническая конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов стран СНГ «Техника и технология связи» (Алма-ата, 2002).

Публикации.

По результатам выполненных исследований опубликовано 3 статьи, 4 тезиса докладов.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа изложена на 124 страницах, машинописного текста, иллюстрирована 36 рисунками и содержит список литературы из 92 наименований.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Коэффициент усиления устройства линеаризации активной обратной связью транзисторного усилителя мощности СВЧ диапазона не зависит от уровня входного сигнала при условии, что введенный во входную цепь отрицательный импеданс полностью компенсирует потери, а само устройство охвачено отрицательной обратной связью.

2. В качестве отрицательного импеданса целесообразно использовать транзисторный усилитель, охваченный положительной обратной связью.

3. Глубина подавления интермодуляционных искажений и рабочая полоса частот устройства линеаризации активной обратной связью определяется точностью настройки кольца положительной обратной связи, линейностью вспомогательного усилителя, зависимостью фазовых набегов в кольцах обратной связи от частоты, а также глубиной отрицательной обратной связи.

4. Шумы устройства линеаризации активной обратной связью определяются шумами вспомогательного линейного усилителя. Шумы усилителя мощности подавляются устройством линеаризации.

5. Метод линеаризации активной обратной связью позволяет создавать усилительные устройства СВЧ диапазона, имеющие по сравнению с устройствами, основанным на компенсационном методе линеаризации (feed-forward linearisation), более высокий КПД и не уступающие им по таким параметрам, как глубина подавления интермодуляционных искажений и ширина рабочей полосы частот

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цель и задачи исследования.

В первой главе проведен обзор существующих методов линеаризации. Из них наиболее широко используются три метода: а) внесения предискажений (predistortion linearisation), б) отрицательной обратной связи (feedback linearisation), в) компенсационный (feed forward linearisation). Из этих методов наибольшую степень подавления интермодуляционных искажений (ИМИ) обеспечивает компенсационный метод линеаризации.

В силу того, что коррекция при использовании компенсационного метода осуществляется в выходной цепи, КПД такого устройства оказывается, по сравнению с используемым в устройстве нелинейным усилителем, достаточно низким. Это ограничивает применение компенсационного метода.

В настоящей работе поставлена задача исследования метода линеаризации активной обратной связью, схожего с компенсационным методом, но позволяющего создавать усилительные устройства с более высоким КПД. Впервые этот метод был предложен для ламповых усилителей звуковых частот Беггели (W'. Baggelly .1933.), но не нашел практического применения. В настоящей работе предпринята попытка применить этот метод в СВЧ диапазоне.

Во второй главе проведен анализ базовой схемы устройства линеаризации (рис.1)

г 1

Рисунок 1 Обобщенная схема устройства линеаризации

Рассмотрена работа устройства линеаризации при подаче на его вход одночастотного сигнала: Яссюай.

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: Уп - его ЭДС (n-«negative»), а г - внутреннее сопротивление.

Точка над буквой означает комплексную величину. Отсутствие точки означает модуль (или чисто вещественную величину).

2 = + ]Х - импеданс элемента с отрицательным сопротивлением, регенерирующим входную цепь. Входное и выходное сопротивления УМ предполагаются согласованными, т.е. равными г Принято допущение, что отрицательная обратная связь устройства действует только в окрестностях основного сигнала. Последнее означает, что возникающие на выходе нелинейного усилителя гармоники не попадают во входную цепь.

В этом случае коэффициент усиления устройства определяется уравнением:

е Зг+г-м^у ■

где Ки(Ух) комплексный коэффициент усиления нелинейного усилителя мощности (зависящий от амплитуды напряжения на входе V,), а У2 комплексная амплитуда напряжения на выходе устройства линеаризации. Работа устройства устойчива только в том случае, если условие:

Ъ.^г + 2-рки{Ух)г)>0 (2)

выполняется во всем частотном и амплитудном диапазоне (в случае невыполнения (2) в устройстве возникает автогенерация).

Из (1) следует, что точная линеаризация устройства, т.е. постоянство К при изменении ЭДС входа Е, реализуется при выполнении условия:

¿ = -Зг, (3)

т.е. при условии, что отрицательный импеданс 2 компенсирует потери во входной цепи.

При выполнении условия (3) коэффициент усиления устройства:

не зависит от амплитуды колебаний во входной цепи. При этом одинаково подавляются как амплитудная, так и фазовая нелинейность.

В этой же главе рассмотрен вопрос, каким образом может быть реализовано отрицательное сопротивление 2.. Показано, что целесообразной является реализация отрицательного сопротивления с помощью транзисторного усилителя.

Транзисторный усилитель, охваченный положительной ОС, -автоколебательная система. Очевидно, ее можно заместить импедансом 2 с отрицательной вещественной частью.

На рисунке 2 изображена схема устройства линеаризации, эквивалентная схеме на рис 1. В качестве отрицательного

сопротивления используется охваченный положительной обратной связью транзисторный усилитель, включенный во входную цепь устройства через трансформатор 1:1.

При включении кольца положительной обратной связи в устройство линеаризации коэффициент усиления устройства определяется формулой:

(5)

где К, передаточный коэффициент всех элементов кольца положительной обратной связи.

Условие линеаризации в этом случае принимает вид: 5 - А', = о. При выполнении этого условия коэффициент усиления устройства линеаризации составит:

Рисунок 2 Схема устройства линеаризации

реализующего метод активной обратной связи

Найденные отношения позволяют рассчитать КПД устройства линеаризации.

КПД устройства линеаризации можно определить исходя из следующей формулы:

Рш _ 1-J32

7 Ри Р~ 1 6.25 > (6)

— +— -+-г-

Ли Пл ЛЛм'Уд

где: Рош выходная мощность устройства линеаризации, Рм и т\м выходная мощность и КПД нелинейного усилителя, Рл и х\л выходная мощность и КПД вспомогательного усилителя. При большом значении KM(V,):

Учитывая, что в кольцо обратной связи «ответвляется» с выхода устройства лишь незначительная часть сигнала (т.е. /?«1), можно записать:

V*Vm-

Таким образом выражение (6) позволяет определить, при каких условиях КПД устройства линеаризации активной обратной связью достигнет максимального значения. При выполнении этих условий (fi«\, KJV{)»\) КПД устройства линеаризации активной обратной связью оказывается практически равным КПД используемого в этом устройстве нелинейного усилителя. Это дает существенное преимущество по сравнению с устройствами линеаризации, основанными на компенсационном методе. Например, в литературе максимальное КПД основанного на компенсационном методе усилительного устройства СВЧ, использующего нелинейный усилитель класса С с КПД 60%, оценивается в 43% (Eid Е.Е. Channouhi F.M. Beuregard F 1996). Аналогичное усилительное устройство, основанное на метода линеаризации активной обратной связью, имело бы КПД 58 - 59 %.

В третьей главе проведен расчет устройства линеаризации в двухчастотном режиме. При подаче на вход устройства линеаризации

\

двухчастотного сигнала (с равными амплитудами основных составляющих), на выходе нелинейного усилителя появляются интермодуляционные составляющие. С целью избежать излишне громоздких расчетов, из рассмотрения были исключены ИМИ пятого и более высоких порядков. Задача свелась к определению амплитуд двух основных и двух интермодуляционных составляющих спектра на выходе устройства (рис. 3).

Коэффициент усиления устройства линеаризации по основным составляющим сотавит:

5-я:,

Л — /

где: ^ (в данном случае У, и У2 комплексные амплитуды основных

составляющих в составе двухчастотного сигнала).

' ь амплитуда

Ь с

< у частота ---_1--

Ш. (№ И, 01.1

Рисунок 3 Обозначения исследуемых частотных составляющих буквами латинского алфавита. Основные составляющие - Ь и с, интермодуляционные - а и с?

По смыслу этот коэффициент аналогичен коэффициенту Км (У,), применявшемуся при анализе устройства в одночастотном режиме. Однако в отличие от одночастотного режима, коэффициент усиления Ф определяется всем спектром частотных составляющих, присутствуюц,"л' на входе усилителя мощности. В рабочей полосе частот:

= фУ(1 -р2)

Р

Расчет интермодуляционных составляющих, был ограничен составляющей имеющей частоту соа (очевидно, что расчет второй интермодуляционной составляющей будет полностью идентичен). Для обозначения амплитуды этой составляющей (в общем случае интермодуляционные составляющие не равны между собой) введены обозначения: амплитуда напряжения интермодуляционной составляющей

частоты ®а на входе нелинейного усилителя - Уа], на выходе - Уа1. Интермодуляционное колебание на нагрузочном сопротивлении выходной цепи устройства можно рассматривать как сумму двух составляющих: составляющей, образующейся в результате взаимодействия сигналов двух основных частот на нелинейном усилителе (обозначим эту составляющую, как Уа), и составляющей, являющейся результатом наличия на входе нелинейного усилителя интермодуляционной составляющей частоты (Оа. Таким образом:

Таким образом, в идеальном устройстве линеаризации интермодуляционные искажения полностью подавляются. Однако на практике условие линеаризации не может быть выполнено в точности. Поэтому в рабочей полосе частот реально выполняются следующие выражения:

(7)

При точном выполнении условия линеаризации 5 — К1 — 0 :

5-Кх«рФа, К2=-К-

V -V

Ул~к-А*.-•

Как видно из (8), амплитуда интермодуляционной составляющей на выходе устройства линеаризации (в рабочей полосе частот) определяется точностью настройки кольца положительной ОС, линейностью вспомогательного усилителя, а также коэффициентом усиления нелинейного усилителя мощности и глубиной отрицательной обратной связи которой охвачено устройство. Ширина рабочей полосы частот определяется зависимостью вышеперечисленных параметров от частоты (в первую очередь зависимостью от частоты набега фазы в кольце положительной ОС). Выражение (7) позволяет рассчитать глубину подавления интермодуляционных искажений устройством линеаризации и рабочую полосу частот устройства. Отметим, что выражения (7) и (8) описывают характеристики устройства линеаризации, блок - схема которого приведена на рис. 2. Более общая формула, описывающая «интермодуляционную» характеристику всех возможных устройств линеаризации активной обратной связью, имеет вид:

V =У ---

02 га ^

где а, передаточный коэффициент всех элементов кольца положительной ОС, а а2 передаточный коэффициент всех (кроме нелинейного усилителя мощности) элементов кольца ООС.

Рисунок 4

С помощью выражения (7) был проведен оценочный расчет глубины подавления интермодуляционных искажений и рабочей полосы частот, которые можно достигнуть с помощью реального устройства линеаризации. Для этого была составлена компьютерная модель устройства линеаризации активной обратной связью, блок - схема которого приведена на рис. 4. Мост в блок - схеме на рис. 4 предполагается выполненным на четвертьволновых отрезках связанных линиях. Модули передаточных коэффициентов матрицы рассеяния моста, на центральной частоте: -10 дБ, 5,1з=5,24- -0.46 дБ.

Коэффициент усиления вспомогательного усилителя (который предполагается однокаскадным) - 10 дБ, коэффициент усиления усилителя мощности по интермодуляционным составляющим (Ф„) - 27 дБ, коэффициент ответвления в кольцо отрицательной обратной связи (Д) равен минус 27 дБ. Длина соединительных линий колец и обратной связи подобрана таким образом, что фазовый набег на центральной частоте в кольце положительной ОС составляет 2я, а в кольце отрицательной ОС - 4.5л:. Зависимость амплитудных и фазовых — параметров элементов устройства от частоты была выражена в виде математических функций и введена в компьютерную модель. Результаты расчета приведены на рисунке 5. Как видно из графика на рис.5, устройством линеаризации активной обратной связью достигается подавление ИМИ не менее чем на 30 дБ в полосе частот более 40 МГц.

IМО «4>ргШ|ОЛ|(Ш

Рисунок 5 Зависимость подавления интермодуляционных искажений устройством линеаризации двойной обратной связью (блок- схема на

рис. 4) от частоты.

В четвертой главе исследованы шумы устройства линеаризации, показано, что эти шумы будут определяться шумами вспомогательного усилителя (шумы усилителя мощности будут подавлены). 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. Шумы усилителя, лежащие в узком частотном диапазоне, могут быть представлены в виде гармонического сигнала модулированного по фазе и амплитуде случайными «медленными» функциями времени. Использование такого представления шумов вспомогательного и основного усилителей

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. Подобный расчет показывает, что шумы основного усилителя подавляются устройством линеаризации, в силу чего шумовые характеристики устройства определяются вспомогательным усилителем Выражение для энергетического спектра аддитивных шумов устройства:

где ¡¥,,у - энергетический спектр шумов вспомогательного усилителя.

Поскольку в режиме линеаризации -\ = К2 - коэффициент усиления по

мощности устройства линеаризации, то шумы устройства линеаризации равны шумам вспомогательного усилителя, усиленным во столько же раз, во сколько усилен основной сигнал.

В пятой главе приведены результаты экспериментального исследования устройства линеаризации активной обратной связью

Рисунок 6. Блок - схема экспериментального макета. М1 и М2 - мосты

Ланге

но

С целью подтверждения (или опровержения) расчетной модели устройства линеаризации был создан экспериментальный макет разрабатываемого устройства, рассчитанный на частоты около 1.8 ГГц (рис. 6). Основой собранного макета стали два четырехкаскадных усилителя СВЧ, соединенные коаксиальными линиями.

Макет предназначался для предварительных исследований - в частности выработки технических решений для создания более совершенного устройства. По этой причине исполнение макета является во многих отношениях несовершенным. В частности, как показали измерения, длина колец положительной и отрицательной ОС в пересчете на линию с воздушным заполнением составляет 2 и 5 метров соответственно (16 и 31.5 длина волны на центральной частоте 1.806 ГГц). Столь значительная длина колец ОС определяет очень узкую рабочую полосу частот - 0.3, 0.4 %.

На рис. 7 представлены полученные экспериментально амплитудные характеристики созданного устройства линеаризации и используемого в этом устройстве нелинейного усилителя, на центральной частоте полосы линеаризации (1.806 ГГц).

UOUt/

во

«о

40

ЗЕО

Рисунок 5. Зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного напряжения 1 - для исследуемого устройства; 2 - для усилителя мощности вне устройства.

Коэффициент усиления использовавшегося в устройстве нелинейного усилителя равен 27 дБ, коэффициент «отрицательной ОС» р = - 24 дБ.

Из рисунка 7 видно, что эксперимент подтверждает теоретические выводы о возможности линеаризации усилителя активной обратной связью.

Экспериментальные результаты по коэффициенту усиления исследованного устройства линеаризации хорошо согласуются с расчетными.

Для оценки подавления интермодуляционных искажений устройством линеаризации с помощью анализатора спектра С4-27 были проведены измерения интермодуляционных составляющих

двухчастотным методом (схема измерений приведена на рис.8). Эти исследования показали, что при подаче на вход сигналов с частотами 1 805 и 1.807 ГГц созданное устройство позволяет добиваться подавления интермодуляционных составляющих на 12-13 дБ, по сравнению с усилителем вне системы линеаризации (сравнение проводилось при равной выходной мощности). Результаты измерений представлены на рис. 7.

Рисунок 6 Блок-схема исследования устройства двухчастотным методом на спектроанализаторе С-27.

Рисунок 7. Результаты исследования устройства двухчастотным методом на спектроанализаторе С-27. Верхний рисунок - спектр сигнала на выходе усилителя вне устройства, при подаче двух частотного сигнала на вход. Нижний рисунок - спектр сигнала на выходе устройства линеаризации.

В заключении изложены основные результаты диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ работы устройства линеаризации активной обратной связью транзисторного усилителя мощности СВЧ диапазона в одночастотном и двухчастотном режимах. Определены условия, при которых достигается линеаризация амплитудной характеристики устройства и подавление интермодуляционных искажений.

2. Проведен расчет рабочей полосы частот устройства линеаризации активной обратной связью транзисторного усилителя мощности СВЧ

диапазона и глубины подавления интермодуляционных искажений.

3. Проведен расчет энергетического спектра аддитивных шумов устройства линеаризации активной обратной связью транзисторного усилителя мощности СВЧ диапазона.

4. Проведено экспериментальное исследование макета устройства линеаризации активной обратной связью транзисторного усилителя мощности СВЧ диапазона. Сравнение теоретических результатов с экспериментальными, подтвердило соответствие теории и эксперимента.

Основные результаты диссертации изложены в работах:

1. Ланда А.Э. Разработка схемы подавление интермодуляционных искажений транзисторного усилителя СВЧ методом комбинированной обратной связи //сборник докладов «Техника и технология связи - 4-я международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов стран СНГ» Алмата 2002, стр.253-255

2. Корнилов С.А., Ланда А.Э., Овчинников К.Д., Седышев Э.Ю. Линеаризация твердотельных СВЧ усилителей методом активной обратной связи // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2004 вып. 4 стр. 71-77

3. Ланда А.Э. Автоматизированный расчет эллиптических полосно-пропускающих фильтров СВЧ на микрополосковой линии.//сборник докладов «Техника и технология связи - 4-я международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов стран СНГ» Одесса 2001, стр. 464-467

4. Ланда А.Э. Преобразование топологии при переходе от полосковой конструкции к микрополосковой и наоборот // 55 НТК: Тезисы докладов

/СПбГУТ. СПб 2001

5. Ланда А.Э. Автоматизированное проектирование эллиптических фильтров прототипов с возможностью оптимизации по ГВЗ // 55 НТК: Тезисы докладов /СПбГУТ. СПб 2001

6. Ланда А.Э. Исследование динамического диапазона усилителя СВЧ // 56 НТК: Тезисы докладов /СПбГУТ. СПб 2002

7. Ланда А.Э. Некоторые результаты исследования

схемы линеаризации амплитудной характеристики транзисторного усилителя методом комбинированной обратной связи // 57 НТК: Тезисы докладов /СПбГУТ. СПб 2003

8. Ланда А.Э. Расчет рабочей полосы частот

устройста линеаризации, реализующего метод комбинированной обратной связи //58 НТК: Тезисы докладов /СПбГУТ. СПб 2004

В заключение автор выражает персональную благодарность ушедшему от нас Сергею Александровичу Корнилову за постановку задачи и руководство работой по ее выполнению.

Автор также благодарен Овчинникову К. Д. и Седышеву Э. Ю. за помощь в выполнении работы.

Обьем 1 печ. л. Тираж 80 экз. Зак. 34 РИО СПБГУТ. 191186 Спб, наб. р. Мойки, 61

PH Б Русский фонд

2006-4 6973

СОДЕРЖАНИЕ

Выводы

1) Экспериментальные исследования подтверждают возможность линеаризации нелинейных усилителей мощности СВЧ диапазона методом активной обратной связи

2) Экспериментальные исследования подтверждают работоспособность созданной математической модели, что позволяет применить эту математическую модель для проектирования устройств линеаризации активной обратной связью.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе исследована возможность применения метода активной обратной связи для линеаризации нелинейного транзисторного усилителя мощности СВЧ диапазона, и проведен анализ работы усилительного устройства СВЧ диапазона, реализующего метод линеаризации активной обратной связью. Основные результаты диссертационной работы:

1. Показана возможность линеаризации транзисторного усилителя мощности СВЧ диапазона методом активной обратной связи, и сформулированы условия, при выполнении которых эта линеаризация достигается. Условием линеаризации является точная компенсация потерь во входной цепи отрицательным сопротивлением (которое должно быть включено во входную цепь). Отрицательное сопротивление может быть реализовано в виде линейного транзисторного усилителя, охваченного положительной обратной связью.

2. Найдены выражения, позволяющие рассчитывать КПД усилительного устройства СВЧ диапазона, реализующего метод линеаризации активной обратной связью. Как показывает анализ этих выражений, КПД устройства, при правильной конструктивной реализации, будет примерно соответствовать КПД используемого нелинейного усилителя.

3. Проведен расчет рабочей полосы частот и глубины подавления интермодуляционных искажений устройства линеаризации активной обратной связью транзисторного усилителя мощности СВЧ диапазона. Расчеты показали, что метод линеаризации активной обратной связью позволяет создавать усилительные устройства СВЧ диапазона, не уступающие, по таким параметрам как глубина подавления интермодуляционных искажений и рабочая полоса частот, устройствам, основанным на компенсационном методе линеаризации (feed-forward linearisation). Степень подавления интермодуляционных искажений и рабочая полоса частот устройства линеаризации двойной обратной связью определяется зависимостью фазовых набегов в кольцах положительной и отрицательной обратной связи от частоты, точностью настройки кольца положительной обратной связи, линейностью вспомогательного усилителя, а также глубиной отрицательной обратной связи.

4. Проведен анализ шумовых характеристик устройства. Показано, что шумы основного (нелинейного) усилителя подавляются устройством линеаризации. Подавление шумов основного усилителя устройством зависит от точности настройки кольца положительной обратной связи и глубины отрицательной обратной связи. Шумовые характеристики устройства линеаризации, в рабочей полосе частот, примерно соответствуют шумовым характеристикам вспомогательного линейного усилителя

5. Результаты анализа рабочей полосы частот, глубины подавления интермодуляционных искажений, энергетических и шумовых характеристик устройства, позволяют определить оптимальную конструкцию устройства и сформулировать требованиям к его элементам.

5. Проведено экспериментальное исследование макета устройства линеаризации активной обратной связью транзисторного усилителя мощности СВЧ диапазона. Сравнение теоретических результатов с экспериментальными, подтвердило соответствие теории и эксперимента.

1. Аблин А.Н., Могипевская Л.Я., Хотунцее Ю.Л., Транзисторные и варакторные устройства (анализ и синтез) // М.: Изд-во " Мир", 1971

2. Беидат Дэ!с.} Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов// М.: Изд-во " Мир", 1971

3. Борисов Б.П. Измерение нелинейных характеристик элементов аппаратуры и трактов дальней связи// М. 1969г. 61стр.

4. Гассанов Л.Г., Липатов A.A., Марков В.В., Могилъченко H.A. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи// М.: Изд-во " Радио и связь", 1988

5. Жидков С.В.Влияние нелинейности амплитудной характеристики тракта приема-передачи на работу модемов со многими несущими// Труды учебных заведений свяи 2002 в. 168 стр. 212 -223

6. Зевеке Г.В., Иоикин П.А., Нетушил A.B., Страхов C.B. Основы теории цепей. М. 1975 г. 751 стр

7. Иванов O.A., Корнилов С.А., Овчинников К.Д. Линеаризация амплитудной характеристики СВЧ усилителей мощности методом комплексной обратной связи. 1994 Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника С. 88 - 95

8. Колесов Л.Н. Введение в инженерную микроэлектронику // М.: Изд-во " Советское радио", 1974

9. Конторович М.И. Нелинейные колебания в радиотехнике// М.: Изд-во " Советское радио", 1973

10 .Корнилов С.А., Ланда А.Э., Овчинников К.Д., Седышев Э.Ю. Линеаризация твердотельных СВЧ усилителей методом двойной обратной связи // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2004 вып. 4 стр. 71-77

М.Ланда А.Э. Разработка схемы подавление интермодуляционных искажений транзисторного усилителя СВЧ методом комбинированной обратной связи //сборник докладов «Техника и технология связи - 4-я международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов стран СНГ» Алмата 2002, стр.253-255

12. Ланда А.Э. Автоматизированный расчет эллиптических полосно-пропускающих фильтров СВЧ на микрополосковой линии.//сборник докладов «Техника и технология связи — 4-я международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов стран СНГ» Одесса 2001, стр. 464-467

13. Левин Б.Р. Статистические основы радиосвязи // М.: Изд-во " Советское радио", 1973

14. Мазепова О.И., Мещанов В.П., Прохорова Н.И, Фельдштейн А.Л., Ярвич Л.Р. Справочник по элементам полосковой техники// М.: Изд-во "Связь", 1979.

15. Сивере М.А., Зейтленюк Г.А., Несвижский Ю.Б. Проэктирование и техническая эксплуатация радиопередающих устройств.// М.: Изд-во " Радио и связь", 1989

16. Фуско В. СВЧ цепи. Анализ и автоматизированное проектирование.// М.: Изд-во " Радио и связь", 1990

17. Aitchison С. S., Mbabele M., Moazzam M. R., Budimir D., Ali F. Improvement of Third Order Intermodulation Products of RF and Microwave Amplifiers by Injection// IEEE MTT Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 49, No. 6, pp.1148-1154, June 2001.

18. Antony M., Pavio J. A Network modeling and design method for a 2-18 GHz feedback amplifier// IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. mtt-30, pp. 2212-2216, Dec. 1982.

19. Asbeck M. P. Lawrence E. L. Galton G. I. Synergistic design of DSP and power amplifiers for wireless communications // IEEE Trans. Microwave Theory and Tech, V. 49, N. 11, NOVEMBER 2001 P. 2163 - 2170

20. AsbeckP., Mink J., Itoh T., Haddad G. Device and circuit approaches for next-generation wireless communications// Microwave J.,vol. 42, no. 2, pp. 22-42, Feb. 1999.

21 .Baggelly W. Grid current compensation in power amplifiers // Wireless Engineering. 1933. №2. P. 15 - 23

22.Bonn F. Limitations in feed-forward-linearization// Microwave Journal,August 2000, pp. 24-40 (Part I), September 2000, pp. 94-106 (Part

II)

23. Briffa M.A., Faulkner M. Stability analysis of Cartesian feedback linearisation for amplifiers with weak nonlinearities// Communications, IEE Proceedings Aug 1996 pp 212-218 Volume: 143, Issue: 4

24. Budimir D., Modeste M, Aitchison C. S. A Difference Frequency Technique for Improving IM Performance of RF Amplifiers// Microwave and Optical Technology Letters, February 2000

25. Cox D. C. Linear amplification with nonlinear components //IEEE Trans. Commun., vol. COM-22, pp. 1942-1945, Dec. 1974

26.Dawson J. L. Linearization Techniques:An Overview// Workshop on RF Circuits for 2. 5G and 3G Wireless Systems February 4, 2001

21.Eid E.E. Channouhi F.M. Beuregard F. Optimal feedforward linearisation system design // Microwave journal. 1995 nowember. P 78 - 86.

28.Fock L. S., Tucker R.S. Simultaneous reduction of intensity noise and distortion in semiconductor lasers by feedforward compensation// Electron. Lett. Vol 27, No 14, pp 1297-1299, July 1991

29.Gatti G. A new predistortion lineariser based on monolithic microwave integrated circuit technology // Radio Frequency Systems Division. ESTEC. 1995.V 5. N4.

30.Geller B., Assal F., Gupta R., Cline P. A technique for the maintenance of FET power amplifier efficiency under backoff // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., June 1989, pp. 949-952

31 .Han J., Nam S. Power amplifier linearisation using postdistorshion error canceler // Electron. Lett. Vol 36, No 19, pp 1665-1666, September 2000

32.Hanington G., Chen P.F., Asbeck P. M., Larson L.E. High-efficiency power amplifier using dynamic power-supply voltage for CDMA applications// IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 47, pp. 1471-1476, Aug. 1999.

33 .Hojvendahl M. 2.4 GHz Power Amplifier with Cartesian Feedback for WLAN // Examensarbete utfort i Elektroniska komponenter vid Linkopings tekniska hogskola av LiTH-ISY-EX-3254-2002

34.Iwamoto M. An Extended Doherty Amplifier with High Efficiency over a Wide Power Range// IEEE MTT Symposium, May 2001

35.-Jayaranlan A., Chen P. F., Hanington G., Larson L., Asbeck P.M. Linear High-Efficiency Microwave Power Amplifiers Using Bandpass Delta-Sigma modulators// IEEE MICROWAVE AND GUIDED WAVE LETTERS, VOL. 8, NO. 3, MARCH 1998 121

36 Johansson M., T. Mattsson T. Transmitter linearization using cartesian feedback for linear TDMA modulation// Proc 41st IEEE Vehicular Technology Conference, pp. 439-444, May 1991.

31 .Jung-Suk G. High frequency noise in CMOS low noise amplifiers// a dissertation submitted to the department of electrical engineering and the committee on graduate studies of Stanford university in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy August 2001

3%.Kahn L. Single sideband transmission by envelope elimination and Restoration// Proc. IRE, vol. 40, pp. 803-806, July 1952.

39.Keningion P.B. Efficienccy of feedforward amplifiers // IEE procedurings. 1992.V 139. N5 P 591-593.

40.Kenington P. Linearized RF Amplifier and Transmitter techniques //Microwave Engineering Europe, November 1998, pp. 35-50

41 .Kenington P. Methods Linearize RF Transmitter And Power Amps (part 1) //Microwave & RF, December 1998, pp. 102-116

42.Kenington P. Methods Linearize RF Transmitter And Power Amps (part 2)// Microwave & RF, January 1999, pp. 79-89

43.Koch M., Fisher R. A high efficiency 835 MHz linear power amplifier for digital cellulartelephony// Proceedings of 39th IEEE Vehicular Tech. Conf., pp. 17-18. May 1989.

44.Kumar S. Power amplifier linearisation using MMICs Microwave journal. 1992 april. P 96 - 104.

45.Langridge R., Thornton T., Asbeck P.M., Larson L.E. A Power Re-Use Technique for Improved Efficiency of Outphasing Microwave Power Amplifiers // IEEE Trans. Microwave Theory and Tech., V. 47, N. 8, AUGUST 1999 P. 1467-1471

46.LiangC., Jong J., Stark W.E. East J.R Nonlinear Amplifier Effects in Communications Systems // IEEE Trans. Microwave Theory and Tech., VOL. 47, NO. 8, AUGUST 1999 P. 1461-1467

47.Maas S. Third-order inermodulation distortion in cascade stages// IEEE Microwave and Guided Wave Letters, vol 5 no 6, June 1995, pp. 189-191

48.Maeda M. Source Second Harmonic Control for High Efficiency Power Amplifiers// IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 43, No. 12, December 1995, pp. 2952-2958.

49.Males-Ilic N., Milovanovic B., Budimir D. The linearization technique for multichannel wireless system with injection of second harmonic// Wireless Communications Research Group, Department of Electronic Systems, University of Westminster, London W1W 6UW, UK

50.Males-Ilic N., Milovanovic B., Budimir D. Design of Low Intermodulation Amplifiers for Wireless Multichannel Applications// Proceedings of International Conference EUMC'01, pp. 347-351.

51 .Mayer M., Arthaber H. RF Power Amplifier Design // Department of Electrical Measurements and Circuit Design Vienna University of technology June 11,2001

52.McNeilage C., Ivanov E. N.,. Stockwell P. R, Searls J. H. REVIEW OF FEEDBACK AND FEEDFORWARD NOISE REDUCTION

TECHNIQUES //Poseidon Scientific Instruments Pty Ltd, Fremantle, WA, Australia+Dept. of Physics, University of Western Australia, Nedlands, WA, Australia// http://www.psi. com. au/pdfs/fcs98-noisered-a4.pdf

53.Moazzam M.R., Aitchison C.S. A Low Third Order Intermodulation Amplifier With Harmonic Feedback Circuitry// IEEE MTT-S Digest, pp. 827-830, 1996.

54.Myer D. Design Linear Feedforward Amplifiers For PCN Systems// Design Feature, Microwaves & RF, pp.121-133, September 1994.

55.Nesimoglu T., Canagarajah C.N., McGeehan, J.P. Analysis and performance of simple active feedback linearisation scheme// Electronics Letters 13 Apr 2000 pp 703-705 Volume: 36, Issue: 8

56.Pengelly R.S. Improving the linearity and efficiency of RF power amplifiers//High Frequency Electronics. 2002, N10.

57.Perez F. Ballesteros E. Perez J. Linearisation of microwave power amplifier using active feedback networks // Electronic letters. 1985,V 21, N1 P 9-10.

58.Raab F. Envelope elimination and restoration system requirements// Proc RF Technology Expo '88, Anaheim, CA, pp. 499-512, Feb. 1988.

59. Raab F. H. Efficiency of envelope-tracking RF power-amplifier systems//Proc. RF Expo East'86, pp. 303-311

60.Raab F. High efficiency amplification techniques// IEEE Circuits & Systems (Newsletter),pp. 3-11, Dec. 1985.

61 .Raab F. Rupp D. J. High-efficiency single-sideband HF/VHF transmitter based upon envelope elimination and restoration// Proc. 6th Int. HF Radio Syst. Tech. Conf, July 1994, pp. 21-25

62.Raab F. H., Asbeck P.M., Cripps S., Kenirtgton P. B., Popovic Z. B.,Pothecary N., Sevic J. F., Sokal N. O. RF and Microwave Power Amplifier and Transmitter Technologies — Part 4// High Frequency Electronics November 2003 pp 38-49

63.Raab F. H., Weiss M.D. B., Popovic Z. B. Linearity of X -Band Class-F Power Amplifiers in High-Efficiency Transmitters// IEEE Trans. Microwave Theory and Tech, VOL. 49, NO. 6, JUNE 2001

64.Raab F. H., Asbeck P.M., Gripps S., Kenington P. B., Popovic Z. B.,

Pothecary N., Sevic J. F., Sokal N. O. Power amplifiers and transmitters for RF and microwave // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. V 50. N 3. P 814 - 826. March 2002.

65.Raconen T. Power Amplifier Linearization Techniques: An Overview// Workshop on RF Circuits for 2. 5G and 3G Wireless Systems February 4, 2001

66.Ranjan M., Koo K. H., Hanington G., Fallesen C., Asbeck P. Microwave power amplifiers with digitally-controlled power supply voltage for high efficiency and high linearity// IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., vol. 1,2000, pp. 493-496.

67.Saleh A., Cox D. Improving the power-added efficiency of FET amplifiers operating with varying-envelope signals// IEEE Trans, microwave Theory Tech., vol. MTT-31, p. 51, Jan. 1983.

68.Sandrin W.A. Spatial distribution of intermodulation products in active phased array antennas// IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 22, pp. 864-868, 1973

69.Sansen W. Distortion in Elementary Transistor Circuits// IEEE Trans. CAS-II, vol. 46, no. 3, March 1999. pp. 315-324 (10 p.)

70.Schneider K. W., Tranter W.H. Efficient simulation of multicarrier digital communication systems in nonlinear channel environments// IEEE Journal on selected areas in communications, vol.11, no. 3, pp. 328-339, 1993

71 .Schouten J., de Jager F., Greefkes J. Delta modulation, a new modulation system for telecommunication// Philips Technical Review, vol. 13,no. 9, pp. 237-268, March 1952.

72.Schreurs D., Visan T. IM3 suppression using a tehnology independent method based on vectoral large scale mesuarment// IEEE MTT-S Int. Microwave'Symp. Digest, pp. 1435-1438, 1992.

73.Sechi N. F. Linearized class-B tranzistor amplifiers // IEE journal of solidstate circuits. 1976.V SC-11. N 2 P 264-270. lA.Sevic J. Introduction to Doherty Power Amplifiers// IEEE MTT Workshop on Linearity and Efficiency Enhancements for Wireless Applications, June 2000.

IS.Shawn S. Adaptive Digital Predistortion of Power Amplifiers // Agilent Technologies 1400 Fountaingrove Parkway November 2000

16.Stapleton S., Costescu F. An adaptive predistorter for a power amplifier based on adjacent channel emissions// IEEE Trans Vehicular Technology, vol. 41, no. 1, pp. 49-56, Feb. 1992.

77.Sowlati T. Low voltage, high efficiency GaAs class E power amplifier for wireless transmitters// IEEE J Solid State Circuits, pp. 1074-1079, Oct. 1995.

IS.Sowlati T., Greshishchev Y., Salama A. Phase correcting feedback system for class E power amplifier// IEEE J Solid State Circuits, pp. 544-550, April 1997.

19.Staudinger J. High efficiency CDMA RF power amplifier using dynamic envelope tracking technique// IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., vol. 2, Boston, MA, June 13-15, 2000, pp. 873-876.

80.Stewart R., Tusubira F. Feedforward linearisation of 950MHz amplifiers// IEE Proceedings vol. 135, part H, No. 5, pp. 347-350, Oct. 1988.

81 .SuD., McFarland W. A 2.5V, 1-W monolithic CMOS RF power amplifier// proceedings of IEEE 1997 Custom IC Conference, pp. 189-192, May 1997.

82.Tucker R. S. Linearization techniques for wideband analog transmitters// LEOS 1992 Summer Topical Meeting Digest, pp 54 - 55, 29 Jul-12 Aug 1992

83. Vertnema K. Two-tone Linearity in a 900 MHz Silicon Bipolar Class AB Amplifier// Philips Semiconductors Application Note AN98026 1998 Mar 23/http://www.semiconductors.philips.com/acrobatdownload/applicationno tes/NC09742.pdf

84.Weiss M. D. Raab F. H. Galton G. I. Popovic Z. Linearity of X -Band Class-F Power Amplifiers in High-Efficiency Transmitters // IEEE Trans. Microwave Theory and Tech., V. 49, N. 6, JUNE 2001 P. 1174 - 1180

85.Weldon P. W New Method for Amplifier Linearization // Thomas Weldon department of Electrical and Computer Engineering University of North Carolina at Charlotte Charlotte, NC 28233. White Paper Draft 11/22/2002 t http://wws2.uncc.cdu/tpw/tpweldon@uncc.edu

86. Weldon W. P. Miehle K. Using Amplifiers with Poor Linearity to Linearize Amplifiers with Good Linearity // Preprint: To Appear in 2003 IEEE International Microwave Symposium,Philadelphia, PA

87 .Wilkinson R. J., Kenington P. B. Specification of Error Amplifiers for use in Feedforward Transmitters// Proc. IEE (G), Vol. 139, No. 4, pp. 277-480.

88. Wu Y. Linear RF Power Amplifier Design for CDMA Signals: A Spectrum Analysis Approach // Microwave Journal, Dec. 1998 pp. 22-40

89.Zavosh F. Digital Predistortion Techniques for RF Power Amplifiers with CDMA Applications// Microwave Journal, Vol. 42, No. 10, October 1999, pp. 22-50

90.Zavosh F. Digital Predistortion Linearizes CDMA LDMOS Amps// Microwaves & RF, March 2000, pp. 55-61

91.Zhang Y, Heydari P. A Novel Linearization Technique for Linear/PseudoLinear RF CMOS Power Amplifiers// Department of Electrical and Computer ingineering University of California, Irvine, USA