close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

...с разбивкой по ставкам и дифференциацией по зонам;pdf

код для вставкиСкачать
Материалы Международной научно-технической конференции,
1 – 5 декабря 2014 г.
МОСКВА
INTERMATIC – 2 0 1 4, часть 5
МИРЭА
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ КЛЮЧЕВЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ
КЛАССОВ D И DE ПРИ ПОСТРОЕНИИ РАДИОВЕЩАТЕЛЬНЫХ
ПЕРЕДАТЧИКОВ ДИАПАЗОНА ОВЧ
© 2014 г.
Р.Ю. ИВАНЮШКИН, О.А. ЮРЬЕВ
Московский технический университет связи и информатики
Современный уровень развития технологий цифровой обработки сигналов позволяет коренным образом повысить качество и расширить содержание услуг радиовещания путем перехода от традиционного аналогового к цифровому радиовещанию
(ЦРВ в диапазоне ОВЧ ЧМ радиовещания).
Используемый в ЦРВ метод формирования сигнала (OFDM) наряду с преимуществами (помехоустойчивое канальное кодирование, перемежение, возможность работы в условиях селективных замираний) обладает рядом существенных недостатков.
OFDM сигнал представляет собой сложное многочастотное колебание, обладающее
особенностями групповых сигналов с частотным разделением. Одним из главных недостатков OFDM сигналов является большой пик-фактор (для DRM+ 10-12дБ), поэтому
к усилительным трактам передатчиков предъявляются повышенные требования к линейности, из-за этого средний КПД усилителей мощности редко превышает 25-30%.
Учитывая низкий КПД линейных усилителей мощности (ЛУМ), при разработке
нового передающего оборудования, необходимо применять меры по повышению энергетической эффективности ЛУМ.
Среди принципов, которыми необходимо руководствоваться при создании новых передатчиков для ЦРВ, не последнее место занимает применение современных
технических решений, позволяющих улучшить энергетическую эффективность передатчика при сохранении приемлемых качественных показателей. Повышение КПД передатчика позволяет не только снизить расходы на электроэнергию (которые составляют около70% всех затрат на его эксплуатацию), но и уменьшить размеры, массу и
сложность устройства за счет упрощения системы охлаждения, а также улучшить показатели надежности. Поскольку промышленный КПД передатчика определяется в основном КПД его оконечных устройств, то проблема во многом сводится к поиску методов энергетического совершенствования оконечных усилителей мощности (УМ) передатчиков, где, в свою очередь, основная часть потерь, как правило, связана с рассеянием мощности в электронных приборах (ЭП). Радикальным способом решения задачи является применение в УМ ключевых режимов работы, когда ЭП находится попеременно только в двух состояниях – либо полностью открыт, либо закрыт. В идеальном
случае, когда сопротивление ЭП в открытом состоянии стремится к нулю, а в закрытом
– к бесконечности, и отсутствуют паразитные реактивности, мощность в нем вообще не
рассеивается, поскольку в любой момент времени либо напряжение на ЭП, либо ток
через него равны нулю. Таким образом, перевод УМ в ключевой режим позволяет повысить его КПД, а в отдельных случаях – и выходную мощность, так как последняя может быть ограничена в первую очередь именно рассеянием мощности в ЭП. Ключевые
УМ могут работать с колебаниями, имеющими постоянную амплитуду, например с частотной (ЧМ) или с широтно-импульсной (ШИМ) модуляцией, а также они пригодны для
осуществления амплитудной модуляции на выходном электроде ЭП. Колебания с изменяющейся во времени амплитудой (как например колебание с ортогональным частотным разделением (OFDM)) в ключевых УМ усиливать невозможно, так как ЭП рабо-
161
тает в режиме ограничения, как пороговым напряжением по входу, так и максимальным током насыщения. Чтобы использовать ключевые УМ для повышения энергетической эффективности передатчиков подобных сигналов, применяют особые архитектурные решения, в которых формируются колебания с постоянной амплитудой, усиливаемые с высоким КПД в ключевых УМ, а затем из них с помощью арифметических преобразований получается необходимое колебание. Одним из таких технических решений
является архитектура Леонардо Кана или полярная архитектура.
Метод Леонардо Кана является одним из наиболее эффективных методов повышения энергетической эффективности передатчиков, основанный на формировании
произвольного АФМ-сигнала через его полярные координаты: огибающую и мгновенную фазу. Таким образом, имеются два тракта: тракт огибающей, который необходим
для восстановления амплитудной модуляции в оконечном каскаде, и тракт фазомодулированной РЧ-составляющей (Рис. 1).
Рис. 1. Полярная архитектура, основанная на методе Л. Кана.
Благодаря разделению на амплитудную и фазовую составляющие, а также усилению их с применением высокоэффективных режимов (в тракте усиления фазомодулированного радиочастотного заполнения применяется ШИМ-модуляция, в амплитудном тракте усилительные приборы работают в ключевых режимах), удается повысить
КПД передатчика, что уже внедрено ведущими зарубежными производителями передатчиков для диапазонов НЧ, СЧ и ВЧ.
Совместный КПД двух трактов определяется произведением значений КПД отдельных составляющих (двух трактов), результирующий КПД достигает 90%, что намного превосходит КПД ЛУМ (25-30%).
Достоинствами данного метода являются:
1. Возможность применения усилительных приборов с нелинейной ААХ, а они
намного дешевле аналогичных усилительных приборов с линейными характеристиками.
2. Получение высоких значений КПД до 90%, при условии высокого КПД низкочастотного и высокочастотного трактов
К недостаткам метода Леонардо Кана относятся:
1. Различное время распространения сигнала в трактах огибающей и фазомодулированного заполнения
Различия в построении трактов огибающей и фазомодулированного заполнения
приводят к различному времени распространения сигналов в данных трактах, то есть
на ОК сигналы приходят несинхронно (появление временных задержек), что влечет за
собой потерю информации и появление нежелательных гармонических составляющих
в спектре сигнала (интермодуляция).
2. Явление амплитудно-фазовой конверсии, выражающееся изменении параметрических межэлектродных емкостей усилительных приборов под действием приложенного напряжения, что приводит в паразитной фазовой модуляции.
Одним из методов борьбы с временными задержками и АФК является их учет в
сигнальных процессорах и системах коррекции характеристик.
3. Необходимость иметь достаточно широкополосный тракт усиления огибающей, ввиду восстановления закона амплитудной модуляции в ОК.
162
В работе предлагается использовать ключевые режимы в оконечных каскадах
радиопередатчиков. В связи с этим необходимо рассмотреть возможные ключевые
режимы для применения в оконечном каскаде усиления мощности радиопередатчика.
Среди возможных ключевых режимов наибольшего внимания заслуживают режимы
класса D и DE.
Рассмотрим подробнее данные режимы.
Режим класса D – форма выходного тока и напряжения имеют прямоугольную форму (Рис. 2);
Схемотехника усилителей класса D является самой
простой, имеет лучшие диапазонные свойства, высокие коэффициенты использования электронных приборов по мощности. Но в тоже время режиму присущи недостатки: относительно невысокий КПД по первой гармонике, потеря мощности на балластном сопротивлении (при применении «вилки»
Рис. 2. Режим класса D.
фильтров в качестве нагрузки), рост коммутационных потерь
(влияние выходной емкости) с ростом частоты, поэтому
применение данного режима более оправдано в диапазонах ниже ОВЧ, данный режим
требует исключительно резистивной нагрузки (необходимость применения вилки
фильтров). Применение данного режима в диапазоне ОВЧ требует тщательного обзора современной элементной базы.
Режим класса DE – выходное напряжение имеет прямоугольную форму, а выходной ток, представляет неполный отрезок косинусоиды (может иметь пилообразную
форму, в зависимости от частотной настройки выходной цепи) (Рис. 3);
Возможен инверсный по отношению к формам выходного тока и напряжения
режим класса DE. Как следует из названия режима, в нем
совмещены режим класса D (прямоугольная форма напряжения) и частотная настройка выходной цепи класса E, что
позволяет устранить коммутативные потери и получать высокий КПД по первой гармонике. От данного класса следует
ожидать также и высокого коэффициента использования
электронных приборов по мощности. То есть режим класса
DE становится более высокочастотным и широкодиапазонным в сравнении с отдельно взятыми режимами классов D и
Рис. 3. Режим класса DE.
E. В связи с преимуществами режима оказывается возможным его применение в диапазоне ОВЧ.
Также в работе приводятся результаты компьютерного моделирования ОК, построенных на эквивалентных схемах, отражающих основные характеристики усилительного прибора, работающего в ключевом режиме. Результаты представлены в виде сравнительной таблицы основных энергетических характеристик.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Цифровое радиовещание. Рихтер С.Г. - М.: Горячая линия Телеком, 2004. - 352 с.
2. Дулов И.В. «Энергетика усилителя мощности цифрового ОВЧ радиовещания с линейной и нелинейной АРР по питающему напряжению», журнал Радиоэлектроники,
2012, № 3.
3. Дулов И.В., Иванюшкин Р.Ю. «Применение метода АРР для построения вещательных ОВЧ передатчиков систем цифрового радиовещания», Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения, 2010, №3
4. Радиопередающие устройства. Шахгильдян В.В., Козырев В.Б., Ляховкин А.А. М:
Радио и связь, 2003. - 560 с.
5. Алипов А.С. Исследование и разработка ключевых усилителей мощности для высокоэффективного СЧ передатчика цифрового радиовещания, 2006, диссертация.
163
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа