А.О. Пергушев – ассистент, 

Высшая школа прикладной физики и космических технологий 

Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого

E-mail: pergushev.aleksey@mail.ru

В.А. Сороцкий – д.т.н., профессор, 

Высшая школа прикладной физики и космических технологий 

Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого

E-mail: sorotsky@mail.spbstu.ru

А.М. Уланов – к.т.н., доцент, 

Высшая школа прикладной физики и космических технологий 

Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого E-mail: ulan-bator-1955@mail.ru

Постановка проблемы. Усиление сигналов с высоким пик-фактором сопровождается снижением КПД усилителей мощности радиочастотных сигналов. Для преодоления указанного недостатка могут быть использованы метод автоматической регулировки режима по напряжению питания или метод раздельного усиления низкочастотной и высокочастотной составляющих радиочастотного сигнала (метод Кана). В обоих случаях в цепь питания усилителя включается модуляционный источник питания (МИП), напряжение на выходе которого должно изменяться в соответствии с законом изменения огибающей радиочастотного сигнала. Для повышения КПД МИП в его составе используется ключевой усилитель мощности, осуществляющий усиление огибающей в режиме широтно-импульсной модуляции. Вследствие нелинейных преобразований напряжения, характерных для ключевого режима, в выходном напряжении МИП неизбежно появляются искажения огибающей, способные привести к заметному ухудшению спектрального состава радиочастотного сигнала.

Оценить их уровень можно с помощью имитационного моделирования. Однако ввиду чрезмерной сложности подобных моделей временные затраты при однократном расчете могут доходить до нескольких часов. Это существенно усложняет исследование характеристик МИП, а учет статистического разброса параметров элементов МИП при этом практически неосуществим.

Уменьшить временные затраты можно путем использования приближенного аналитического метода расчета.

Цель. Разработать аналитическую модель, позволяющую учесть влияние факторов, способных привести к искажениям выходного напряжения МИП, и сформулировать меры по их снижению. При этом аналитическая модель должна обеспечивать погрешность вычислений, приемлемую в инженерной практике, и отличаться высокой эффективностью в смысле затрат времени на проведение расчетов.

Результаты. Предложенная в работе аналитическая модель обеспечивает погрешность не более 10% по сравнению с результатами имитационного моделирования. При этом затраты времени удалось снизить в 5…8 раз.

Практическая значимость.  По результатам проведенных исследований сформулированы рекомендации по выбору элементной базы и формированию сигналов управления МИП, учет которых позволит на 10…30 дБ снизить уровень паразитных составляющих в спектре выходного напряжения МИП.

1. Шахгильдян В.В., Иванюшкин Р.Ю. Методы повышения энергетической эффективности линейных усилителей мощности // T-Comm, Телекоммуникации и транспорт. 2011. № 9. С. 143−145.
2. Kazimierczuk M.K. RF Power Amplifiers. Chichester: John Willey Sons. 2014. 658 p.
3. Артым А.Д., Бахмутский А.Е., Козин Е.В. и др. Повышение эффективности мощных радиопередающих устройств / Под ред. А.Д. Артыма. М: Радио и связь. 1987. 176 с.
4. Vasic M., Garcia O., Oliver J.A., Alou P., Diaz D., Cobos J.A., Gimeno A., Pardo J., Benavente C., Ortega F.J. High efficiency power amplifier based on envelope elimination and restoration technique // IEEE Energy Conversion Congress and Exposition. 2010. P. 3833−3840.
5. Qian Jin, Xinbo Ruan. Switch-linear hybrid envelope-tracking power supply with multilevel structure // 39th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON). 2013. P. 1325−1330.
6. Sankman J., Song M.K., Ma D. Switching-Converter-Only Multiphase Envelope Modulator With Slew Rate Enhancer for LTE Power Amplifier Applications // IEEE Transactions on Power Electronics. 2016. V. 31. P. 817−826.
7. Vizarreta P.P., Montoro G., Gilabert P.L. Hybrid Envelope Amplifier for envelope tracking power amplifier transmitters // 42nd European Microwave Conference. 2012. P. 128−131.
8. Pat. US /7,990,214 B2, Aug. 2. 2011. Power supply providing ultrafast modulation of output voltage / Markowski P. 
9. Rodrigues M., Fernandez-Miaja P., Rodriguez A., Sebastian J. A Multiple-Input Digitally Controlled Buck Converter for Envelope Tracking Applications in Radiofrequency Power Amplifiers // IEEE transactions on power electronics. February 2010. V. 25. № 2. P. 369−381.
10. Chao Yu, Anding Zhu. A Single Envelope Modulator-Based Envelope-Tracking Structure for Multiple-Input and Multiple-Output Wireless Transmitters // IEEE transactions on microwave theory and techniques. October 2012. V. 60. № 10. P. 3317−3327.
11. Zhou J., Morris K., Watkins G., Yamaguchi K. Three-Band High-Efficiency Modulator for Envelope Tracking Power Amplifier Using Class-B Push-Pull Amplifiers // 42nd European Microwave Conference. 2012. P. 124−127.
12. Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании. М.: Связь. 1980. 209 с.
13. Кобзев А.В., Михальченко Г.Я., Музыченко Н.М. Модуляционные источники питания РЭА. Томск: Радио и связь. Томский отдел. 1990. 336 с.
14. Pergushev A.O., Sorotsky V.A. Signal Distortion Decreasing in Envelope Tracking Power Amplifiers // IEEE International Conference On Electrical Engineering and Photonics. EExPolytech Proceedings. 22−23 October 2018. P. 44−47.
15. Pergushev A.O., Sorotsky V.A. A Time-Reduced Method for Calculation Distortions in Envelope Tracking Power Amplifiers // Proceedings of the IV International Forum «Instrumentation Engineering, Electronics and Telecommunications».12−14 December 2018. P. 83−88.
16. Денисенко В. Моделирование разброса параметров транзисторов в КМОП СБИС. Часть 1 // Компоненты и технологии. 2003. № 8.