Разработка концепции управления выходными параметрами усилительного каскада

Кусов Р.С.

Источник: Доклад, сделанный во время проведения Дня науки факультета КИТА 23 апреля 2009 года. Отправлен на публикацию в сборнике трудов студентческой конференции «Компьютерный мониторинг и информационные технологии», Донецк, ДонНТУ, 2009

В данном докладе рассматривается возможность реализации концепции динамического управления выходными параметрами усилителя мощности тракта передачи современных беспроводных систем стандарта WiMAX. Как результат – предлагаются два возможных схемотехнических варианта реализации такого управления.

Современный этап развития беспроводных телекоммуникационных технологий требует контроля излучаемой мощности передатчика и управления ею. Это прежде всего актуально для стандарта IEEE 802.16 – WiMAX, который предусматривает динамическое управление параметрами модуляции, выходной мощностью и шириной синтезированного широкополосного канала в пределах 1,5-20 МГц в зависимости от условий среды распространения сигналов. Существующие сегодня решения, основанные, например, на технологии логарифмических усилителей (ЛУ) [1], позволяют лишь ограничивать мощность радиочастотного сигнала, а не динамически управлять ею. Вышеуказанное определяет проблему разработки технических решений для управления выходной мощностью усилителя и полосой канала связи, как актуальную.

Цель исследования – повышение функциональности усилителей мощности за счёт реализации в алгоритме управления ими совместного управления уровнем выходной мощности и полосой пропускания, в зависимости от требуемых характеристик качества. За основу разработки выбран усилительный каскад с общей базой (ОБ) [2].

В ходе исследования балансного усилителя включённого по схеме с общей базой [2] были получены характеристики коэффициента усиления и выходной мощности сигнала. При изменении параметров цепей согласования (длины и ширины микрополосковых линий), а также при попытке управления обратной связью каскада была установлена зависимость одновременного изменения ширины частотной характеристики ( f) и коэффициента усиления каскада (ku) в зависимости от изменяемых параметров и режима работы активного элемента - транзистора. Это свойство и стало новым предметом исследования, так как его практическое применение поможет в достижении поставленной ранее цели. Но управление режимом работы транзистора может привести к ухудшению нелинейных свойств усилителя и накладывает ограничения на возможности такого управления. Но не только нелинейные искажения накладывают ограничения на управление параметрами усилителя мощности. Существует взаимосвязь между предельным коэффициентом усиления и коэффициентом устойчивости каскада. Для разрабатываемого усилителя мощности эта проблема является актуальной, учитывая, что каскад реализован по схеме с общей базой, которая является условно устойчивой. В силу указанных причин диапазон регулировки ограничен.

Ввиду поставленных ограничений, для дальнейших исследований предлагается вариант управления выходной мощностью сигнала с одновременной динамической оценкой коэффициента усиления и определением пределов регулирования входной мощности. Для практической реализации данного управления предлагается использование одной из следующих схем (рисунок 1). Схема на рисунке 1а может применяться в тех случаях, когда уровень входного сигнала постоянный (Uвх=const) и может найти своё применение в системах с угловой модуляцией. В этой схеме происходит управление коэффициентом усиления каскада и полосой пропускания за счёт напряжения Uупр которое устанавливает режим работы активного элемента схемы. Выходной сигнал поступает в петлю обратной связи, где происходит его выпрямление и фильтрация. Выпрямленный сигнал поступает на устройство сравнения (СУ), в качестве которого может применяться дискретный компаратор или же схема с заданной нелинейной характеристикой. В СУ происходит сравнение уровня выходного сигнала с требуемым. Результат сравнения подается на управляемый аттенюатор, который в случае необходимости изменяет уровень входного сигнала усилителя, сохраняя при этом постоянный коэффициент усиления всей схемы в целом. Принцип работы схемы на рисунке 1б аналогичен. Здесь в качестве управляющего сигнала для СУ используется предварительно выпрямленный и отфильтрованный входной сигнал усилительного каскада. В этой схеме уровень напряжения Uвх изменяется со временем, и такое решение может применяться для систем с амплитудной модуляцией и её разновидностями (КАМ).

Рис. 1. Предлагаемые схемы усилителя мощности.

Дальнейшая работа предполагает моделирование предложенного варианта схемотехнической реализации усилителя, исследования свойств данной схемы и оценку пределов запаса устойчивости разрабатываемого усилительного каскада.

В заключение стоит отметить, что большинство современных решений, в том числе и ЛУ, ориентируются на довольно сложные, с точки зрения практической реализации, и унифицированные методы. Описанный выше подход одновременного регулирования шириной полосы и коэффициентом усиления за счёт ограничения входной мощности сигнала ранее не применялся. В этом заключается новизна дальнейшей исследовательской работы.

Литература

[1] Самков И. Ю., «Логарифмические усилители для точного измерения мощности», Электронные компоненты, №3:2008. Первоисточник - электронный ресурс www.delirium.2x4.ru

[2] Кусов Р.С., «Разработка усилителя мощности передающего тракта широкополосных беспроводных сетей WiMAX», Інформатика та комп'ютерні технології — 2008 / Матеріали четвертої міжнародної науково-технічної конференції студентів, аспірантів та молодих науковців. — Донецьк, ДонНТУ — 2008, с. 94-96.