Расчет элементов структурной схемы предоконечного (ПОК) и оконечного каскада (ОК) усиления мощности

 

В оконечном усилителе используем квадратурную схему сложения мощности двух транзисторных усилителей, которая позволит ослабить взаимное влияние двух балансных схем и упростить согласование их входных цепей, обеспечит подавление отраженных волн на выходе модуля при его работе на несогласованную нагрузку (фидер). Применение квадратурной схемы сложения позволяет на порядок снизить уровень эхосигналов, что важно при работе на фидер с недостаточно высоким КБВ.

Основные преимущества квадратурных мостовых схем состоят в следующем:

.   Выходное сопротивление квадратурного моста сложения - постоянное резистивное и равно номинальному R при любых, в том числе близких к реактивным, но обязательно одинаковых, выходных сопротивлениях генераторов.

.   Входное сопротивление квадратурного моста деления - постоянное резистивное и равно номинальному R при любых, в том числе близких к реактивным, но одинаковых, нагрузочных сопротивлениях.

Применение квадратурной схемы приводит результирующее входное сопротивление двух генераторов к номинальному, равному входному сопротивлению квадратурного моста и тем самым повышает устойчивость работы данного каскада.

Рассмотрим получение нужной мощности на выходе передатчика и учтем все потери на пути сигнала от возбудителя к антенне.

При этом используем приблизительные наиболее распространённые значения коэффициентов полезного действия отдельных каскадов тракта. Расчёт производится «с конца» тракта, так как он основывается на выходной мощности передатчика, оговоренной в техническом задании.

В антенно-фидерную систему сигнал попадает, пройдя выходную фильтрующую систему (ВФС), предназначенную для подавления гармоник рабочей частоты, создаваемых оконечным каскадом усиления, до уровня, оговоренного в нормах на электромагнитную совместимость (в данном случае -70 дБ), а также для компенсации реактивного сопротивления АФТ. КПД ВФС: η= 0.7, значит мощность на входе ВФС должна быть:

 

Р_ВФС=Р_а η =143 Вт

Перед ВКС в структурной схеме стоит оконечный каскад усиления (ОК). Для его построения используем схему сложения мощностей. Это связано с тем, что при создании мощных генераторных приборов, включая транзисторы, наступают физические и технологические ограничения. Параллельное включение большого числа (N) транзисторов меньшей мощности теоретически может дать мощность NP₁, где Р₁ - мощность одного из них. Но на практике из-за достаточно ощутимого разброса параметров суммарная мощность оказывается гораздо ниже максимально возможной. Кроме того, при этом резко ухудшается устойчивость генераторов, даже если включать транзисторы параллельно в каждое плечо двухтактной схемы. Ввиду того, что транзисторы являются низковольтными приборами, при их параллельном включении ещё больше уменьшаются входные и нагрузочные сопротивления, и тем самым в ещё большей степени усложняется построение цепей связи. Поэтому проще получить меньшую мощность в двух плечах, применив затем схему сложения мощностей. В таком случае суммарная мощность ОК должна быть равна мощности на входе ВФС. Но необходимо учесть потери мощности в мостовой схеме сложения. КПД мостовой схемы сложения η_Σ = 0,9, следовательно каждый из двух транзисторов должен отдать в схему сложения мощность

 

P_VT1,2= Р_ВФС η_Σ2= 80 Вт

 

При выборе транзистора необходимо учесть, что для повышения надёжности, а также для учёта возможности работы на рассогласованную нагрузку следует задаваться мощностью, превышающей требуемую примерно на 25-30%.

Значит, транзисторы должны давать

 

P_VT1,2' = P_VT1,2_*1.2 = 95 Вт

 

Таким образом, выберем транзистор 2Т970А, обладающий следующими параметрами:

 

f_раб = 400 МГц

Р_н = 100 Вт

К_р = 5

Е_п = 28 В

 

Схема включения: ОЭ

Режим работы: класс В

На входе транзисторного УМ с учётом коэффициента передачи по мощности (К)Р мощность должна составлять

вх_VT1,2= P_VT1,2' /К_Р1,2=19 Вт

 

Мощность, подаваемая на два транзистора со схемы деления составляет

 

_* Pвх_VT1,2 =38 Вт.

 

КПД схемы деления мощности η_дел = 0,9, значит на её входе необходимо иметь

вх_дел=38/ η_дел= 42 Вт

 

При выборе следующего транзистора руководствуемся теми же соображениями, что и в предыдущий раз. Поэтому выберем такой же транзистор: 2Т970А.

На входе этого транзисторного УМ, следовательно имеем

вх_VT3= Pвх_дел / К_Р3= 8.4 Вт

Между двумя УМ необходимо использовать цепь согласования (ЦС) из-за неравенства выходного сопротивления предыдущего УМ входному сопротивлению последующего. Без использования ЦС УМ работает на комплексную нагрузку, что уменьшает отдаваемую им мощность. Помимо этого ЦС также должна отфильтровывать высшие гармоники рабочей частоты, чтобы они не усиливались последующими УМ. ЦС не должна оказывать значительного влияния на сигнал. КПД ЦС _ЦС= 0.9.

Мощность на входе ЦС с учётом КПД:

 

Р_ЦС1= Pвх_VT3_ЦС= 9.4 Вт

 

Выбираем транзистор, учитывая значение мощности, которое необходимо получить на его выходе: 2Т934А

 

f_раб = 400 МГц

Р_н = 10 Вт

К_р = 2

Е_п = 28 В

 

Схема включения: ОЭ

Режим работы: класс В

Рассчитаем мощность на его входе:

вх_VT4 = Р_ЦС1 / К_Р4= 4.7 Вт

 

Полученный уровень мощности может быть обеспечен возбудителем, следовательно, тракт усиления мощности состоит из 3-х усилительных ступеней, одной цепи согласования, схемы деления и схемы сложения мощностей.

Структурная схема ПОК и ОК усиления мощности приведена на рис. 4

Рисунок 4. Структурная схема ПОК и ОК усиления мощности.

 

7. Электрический расчет режимов каскадов ВЧ тракта передатчика

Электрический расчет режимов каскадов передатчика подразумевает расчет параметров транзисторного генератора в критическом режиме по напряженности. Расчет производится как в ОК, так и в ПОК.

Так как устройство работает в диапазоне УКВ, то целесообразно применить в качестве оконечного каскада схему двухтактного широкополосного усилителя на трансформаторах Рутроффа. Это связано с тем, что в обычных трансформаторах на высоких частотах сказывается влияние межвитковых емкостей и индуктивности рассеяния. Собственные межвитковые емкости ограничивают рабочую полосу частот обычных трансформаторов, не позволяя использовать их на радиочастотах. В трансформаторах Рутроффа обмотки конструктивно выполнены так, чтобы межвитковые емкости и индуктивности рассеяния создавали однофазную электрическую линию. С учетом этого АЧХ трансформатора Рутроффа расширяется, что позволяет использование двухтактного широкополосного усилителя в более широком диапазоне частот.