Расчет усилителя мощности

Усилители мощности радиочастоты

(УМ) часто называют генераторами с независимым возбуждением. В усилительном приборе (транзисторе) происходит преобразование энергии источника питания (источник постоянного напряжения и тока) в колебания радиочастоты сигнала, поданного на вход транзистора. В идеальном УМ параметры сигнала на входе и выходе (спектры) одинаковы, меняется только мощность.

Обобщенная схема УМ представлена на рис.1

Рис.1. Обобщенная схема усилителя мощности

На схеме: АП - активный прибор; ВЧ нагрузка –высокочастотная нагрузка АП; СЦ_вх, СЦ_вых – входная и выходная согласующие цепи, zн - сопротивление нагрузки; zвх и z вых – входное и выходное сопротивления АП.

Функции ВЧ нагрузки может выполнять СЦ_вых.

Основные параметры УМ

• средняя частота,
• полоса частот,
• выходная мощность,
• потребляемая мощность,
• коэффициент полезного действия КПД,
• коэффициент усиления.

Основные характеристики:

• амплитудно – частотная характеристика АЧХ (зависимость выходной мощности от частоты при постоянном уровне входного сигнала),
• амплитудная характеристика (зависимость выходной мощности от входной),
• фаза – частотная характеристика ФЧХ (зависимость набега фазы в усилителе от частоты),
• фаза – амплитудная характеристика (зависимость набега фазы в усилителе от уровня входного сигнала).

Электрод АП, имеющий нулевой ВЧ потенциал, в цепи которого протекает одновременно входной и выходной токи, называется общим.

Схема усилителя мощности приведена на рисунке 2.

Рис.2. Схема усилителя мощности

Назначение элементов схемы усилителя мощности:

используются как делитель напряжения для обеспечения фиксированного смещения; обеспечивают автосмещение; корректируют частотную характеристику;

С1 и С5 – разделительные емкости; L2 – блокировочная индуктивность; С3 – блокировочная емкость; L1 и С2 – входная согласующая цепь;

L3 и С3 – выходная согласующая цепь.

Цепь питания содержит источник постоянного напряжения и блокировочные элементы. Благодаря блокировочным элементам исключаются потери высокочастотной мощности в источнике питания, и устраняется нежелательная связь между каскадами через источник питания.

В качестве схемы цепи питания выберем параллельную схему, когда источник питания, активный элемент и выходная цепь включены параллельно. Последовательная схема цепи питания не будет использоваться, потому что требуется, чтобы выходная согласующая цепь пропускала постоянный ток.

Напряжение смещения биполярного транзистора в оптимальном режиме зависит от входного напряжения, а следовательно от входной мощности. Назначение: обеспечить требуемое напряжение смещения с помощью фиксированного смещения нецелесообразно, поскольку изменение входной мощности приведет к отклонению режима работы транзистора по постоянному току от оптимального.

Назначение нагрузочной системы – фильтрация высших гармоник и согласование транзистора с нагрузкой. Для обеспечения фильтрации высших гармоник в усилителе мощности нагрузочная система настраивается на частоту первой гармоники сигнала. Настроенная в резонанс нагрузочная система обладает на частоте первой гармоники чисто активным входным сопротивлением. Согласование нагрузки заключается в том, чтобы, подключив нагрузочную систему к транзистору и к нагрузке, обеспечить оптимальное (критическое) сопротивление нагрузки транзистора

Упрощённая эквивалентная схема биполярного транзистора приведена на рис 3.

Как и при анализе УМ на полевом транзисторе, индуктивности выводов базы и коллектора следует отнести к внешним цепям.

Переход эмиттер-база представлен соединением зарядной ёмкости и диодом. В режиме А диод постоянно открыт и его можно заменить соединением диффузионной ёмкости и сопротивлением потерь диода . В результате эквивалентная схема транзистора для дальнейшей работы сведена к схеме рисунке 4.

Рис.4. Эквивалентная схематранзистора в режим А

Одним из важнейших параметров биполярного транзистора является коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ

Здесь - коэффициент передачи тока на нулевой частоте; обычно Ток генератора связан с напряжением на переходе соотношением, где - крутизна по переходу, составляет несколько десятков А/В. На нулевой частоте , так что

С повышением рабочей частоты коэффициент передачи тока начинает уменьшиться. Это легко увидеть из схемы рис. 5. Чтобы получить требуемый ток , необходимо поддерживать постоянную амплитуду . Поскольку ёмкости и шунтируют переход, ток, проходящий через них, растёт прямо пропорционально рабочей частоте. На частоте модуль коэффициента передачи тока _{Из сопоставления параметров перехода эмиттер-база, выражения (1) и (2), получаем Для большинства УМ передатчиков станций подвижной связи выражение (4) вполне приемлемо и его будем использовать в расчётах. Далее поступим так же, как делали при анализе УМ на полевом транзисторе. Выполним пример расчёта коэффициента усиления мощности УМ на биполярном транзисторе КТ9193Б,для того чтобы получить нужную выходную мощность и не превыситьмаксимально допустимый постоянный ток коллектора.}

Технические характеристики:

• Транзистор - КТ9193
• Выходная мощность – 12 Вт,
• Напряжение питания - 12,5 В,
• Максимально допустимый постоянный ток коллектора- 4 А,
• Емкость коллектора – 35 пФ,
• Граничная частота усиления – 1000 МГц

Параметры транзистора

_{пФ, Ом, Ом, нГн}

Этап 1. Определение основных электрических характеристик УМ.

Относительное напряжение на коллекторе

Амплитуда первой гармоники напряжения на коллекторе

Амплитуда первой гармоники напряжения на коллекторе не превышает максимально-допустимое напряжение коллектор-эмиттер (23В).>

Первая гармоника коллекторного тока>

Величина не превышает максимально-допустимого значения коллекторного тока.

Найдем потребляемую мощность

Мощность рассеивания

Величина не превышает максимально-допустимого значения мощности рассеивания.

Коэффициент полезного действия

Эквивалентное сопротивление нагрузки

так как ёмкость входит в состав колебательной системы.

Этап 2. Расчёт потерь на входе без учёта элементов обратной связи

Определим первую гармонику тока базы. В соответствии с (4)

Далее найдем потери в теле базы:

Как видим, эти потери весьма малы.

Этап 3. Расчёт потерь на входе, определяемых элементами вывода эмиттера.

Через индуктивность и сопротивление протекают два тока: и . Между собой они сдвинуты по фазе на , следовательно, как и в УМ на полевом транзисторе, возникает отрицательная обратная связь. Эквивалентное сопротивление эмиттерной цепи для тока равно

Логика рассуждений тут та же, что и при анализе УМ на полевом транзисторе. Аналогично мощность, передаваемая через

где - амплитуда напряжения на входе транзистора, - комплексно-сопряжённая величина тока через ёмкость

Входное напряжение

В (6) (в расчётах можно считать, что напряжение на эмиттерном переходе равно нулю). Тогда

Так как ,

то Напомним, что (выходные напряжение и ток противофазны), так что

Полная входная мощность

При этом суммарная мощность через элементы обратной связи поступает непосредственно в нагрузку усилителя.

Коэффициент усиления мощности  

Выходную цепь усилителя мощности мобильной станции целесообразно выполнить на полосковой линии.

Полосковая линия в технике сверхвысоких частот, плоскостная линия, канализирующая электромагнитные волны в воздушной или иной диэлектрической среде вдоль двух пли нескольких проводников, имеющих форму тонких полосок и пластин. Наряду с двухпроводными и коаксиальными линиями П. л. представляет собой разновидность радиоволновода.

Электропроводящим материалом полосок и пластин служат медь, сплавы металлов, обладающие высокой проводимостью, серебро или (реже) золото, а в качестве диэлектрика выбирается фторопласт, полиэтилен, ситалл, керамика или др. материал с малыми потерями энергии на СВЧ и высокой диэлектрической проницаемостью (до 20).

Существует много типов П. л., которые подразделяют на симметричные и несимметричные линии. В симметричных П. л. распространяются электромагнитные волны типа ТЕМ, в несимметричных — квази-ТЕМ. П. л. характеризуют волновым сопротивлением (обычно 50—150 ом), зависящим от типа диэлектрика и геометрических размеров линии, коэффициентом затухания на единицу длины (обычно 0,1—1,8 дб/м), рабочей полосой частот (практически 100 Мгц — 100 Ггц).

На основе П. л. конструируются многие элементы и узлы сверхвысоких частот техники — направленные ответвители, делители мощности, электрические фильтры, смесительные и детекторные оловки и т.д. П. л. — единственный тип линий передачи СВЧ сигналов, обеспечивающий возможность комплексной микроминиатюризации радиотехнических устройств и допускающий изготовление устройств СВЧ в интегральном исполнении. В гибридных интегральных схемах применяют т. н. микрополосковые линии.

К достоинствам П. л. и различных устройств на их основе относятся: возможность автоматизации их производства с применением плёночной технологии, в отдельных операциях подобной технологии изготовления печатных схем (и, следовательно, низкая трудоемкость, повышенная надёжность и хорошая воспроизводимость характеристик); сравнительная простота изготовления отдельных устройств на П. л. и возможность точного изготовления технологически очень сложных функциональных узлов; небольшие габариты и масса.

Их недостатки — возможность применения только при малых и средних уровнях мощности СВЧ колебаний, трудность настройки по частоте механически перестраиваемых устройств и сложность измерения параметров.

В коротковолновой части метрового диапазона волн, а также в длинноволновой части дециметрового диапазона (примерно до частоты 1000 МГц) для создания РС применяют индуктивные короткозамкнутые отрезки двухпроводных симметричных линий. Проводники линий возбуждаются в противофазе, структура электромагнитного поля в линии соответствует Т-волне. Так как такие РС симметричны электрически, их удобно использовать в двухтактных генераторах. Концы проводников, образующих двухпроводную линию, соединяют между собой неподвижной жесткой перемычкой.

В однотактных генераторах можно использовать однопроводные линии.

В генераторах на лампах с кольцевыми или дисковыми выводами электродов наиболее целесообразно использовать отрезки коаксиальных линий. Для уменьшения их длины в ряде случаев применяют центральный проводник линии в виде спирали.

На рисунке показаны поперечные сечения линий, отрезки которых применяют в РС различных генераторов СВЧ.

Необходимо рассмотреть порядок расчета РС, выполненных на основе отрезков короткозамкнутых однородных линий. Исходными данными являются: длина волны или диапазон длин волн, значение сосредоточенной емкости, включенной в начале линии, конструкция, габариты генераторного прибора, форма и размеры выводов электродов (эти данные вместе с длиной волны определяют выбор типа линии).

Диаметр проводников двухпроводной линии выбирают равным или близким к диаметру соответствующего вывода электрода. Диаметры проводников коаксиальной линии определяются диаметрами кольцевых выводов металлокерамических ламп.

Выбирают волновое сопротивление линии и рассчитывают ее геометрические размеры в поперечном сечении. Выбор волнового сопротивления в известной степени определяет добротность РС и ее электрическую прочность.

Известно, что максимальная собственная добротность коаксиальной линии имеет место при соотношении диаметров проводников D/d=3.6, что соответствует волновому сопротивлению Z=77Ом, причем при изменении D/d от 2.5 до 5 собственная добротность линии меняется мало. При постоянном погонном сопротивлении линии R1потери в проводнике падают при уменьшении амплитуды СВЧ-тока, протекающего через него. С этой точки зрения следует увеличивать волновое сопротивление линии. Но так как по конструктивным соображениям диаметр наружного проводника коаксиальной линии или расстояние между проводниками двухпроводной линии не должны быть чрезмерно большими, то волновое сопротивление увеличивают за счет уменьшения диаметра внутреннего проводника коаксиальной линии или диаметров проводников двухпроводной. Однако при этом растет R1 и увеличиваются потери в линии. Рекомендуется поэтому выбирать волновое сопротивление коаксиальных линий в пределах 30-70 Ом, а двухпроводных 200-400 Ом.