CC BY
292
В.Т. Аралов,
кандидат технических наук, доцент, концерн «Созвездие»
А.С. Строев,
концерн «Созвездие»
Н .М. Тихомиров,
доктор технических наук, концерн «Созвездие»
КВАЗИКЛЮЧЕВОЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ КВ ДИАПАЗОНА HF RANGE QUASI-SWITCH POWER AMPLIFIER
Показано, что наиболее перспективным для создания высокоэффективных широкополосных усилителей мощности КВ диапазона является квазиключевой режим работы. Рассмотрены условия реализации этого режима с максимальным коэффициен-том полезного действия.
It is shown, that more perspective operation mode of high-efficient broadband power amplifier HF range is quasi-switch mode. The conditions of realization this mode with high-efficiency are described.
Известно, что коротковолновый радиоканал является эффективным средством обеспечения дальней связи. Короткие волны используются для организации связи на расстоянии до 4000—6000 км и более (на многоскачковых трассах), стоимость же коротковолновых радиоканалов на порядок ниже, а «живучесть» в условиях военных действий выше в сравнении со спутниковыми каналами связи. КВ радиоканал можно рекомендовать как реальную альтернативу спутниковым сетям связи в местах, не имеющих инфраструктуры, труднодоступных районах, в частности для персонала МЧС, выезжающего в отдаленные районы страны, для подвижных групп МВД и т. п.
Отметим, что одним из важнейших параметров радиопередатчика, определяющим его массогабаритные характеристики и стоимость, является КПД усилителя мощности. Усилители мощности радиопередатчиков КВ диапазона выполняются в настоящее время на полевых транзисторах с использованием линейного режима работы и имеют КПД выходного каскада 40—50% в режиме несущей. По современным меркам это значение представляется достаточно низким, особенно с учетом появляющихся рекламных сообщений о выпуске радиопередатчиков, усилители мощности которых работают в ключевых режимах и имеют высокий КПД.
Так, например, фирма ENERGY-ONIX предлагает 1 кВт радиовещательный передатчик КВ диапазона «Pulsar HF 1000», имеющий общую эффективность 80%.
При этом, несмотря на то что теоретические исследования широкополосных ключевых усилителей мощности ведутся достаточно активно, отсутствие инженерных методик проектирования таких устройств, в том числе в КВ диапазоне, сдерживает их практическую реализацию.
В то же время получить высокий КПД усилителя мощности оказывается возможным и в режиме, который не является ключевым.
Рассмотрим выходной каскад усилителя мощности на полевом транзисторе, включенном по схеме с общим истоком.
Обратим внимание на то, что для повышения КПД необходимо, чтобы в течение времени прохождения тока стока напряжение на стоке оставалось близким к остаточному. То есть форма мгновенного напряжения на стоке должна быть не синусоидальной, а уплощенной [1]. Такая форма напряжения на стоке транзистора может быть получена в перенапряженном режиме работы усилителя при его построении по двухтактной схеме с гибридным замыкающим трансформатором, обеспечивающим режим ко-
роткого замыкания для четных составляющих импульсов тока стоков, и резистивной нагрузке [2].
При переходе в перенапряженный режим работы косинусоидальный импульс тока стока превращается в плоский, который характеризуется двумя углами отсечки — нижней вн и верхней вв, как это показано на рис. 1.
1(^)
Эн -0Е 0 0в 0н л
Рис. 1. Импульс тока стока
При этом для случая вн = 90° (режим класса В) зависимость КПД цепи стока по первой гармонике 7 от угла верхней отсечки вв определяется выражением
П(0В) _
_ Pl(qв)
1
^т(2вВ ) - 2вВ + я)2
Po(qв) 4р ^(°в)(1 + °в ^(°в) - ^п( °в))
(1)
где P1 — мощность первой гармоники усиливаемого сигнала в нагрузке; P0 — мощность, потребляемая по цепи стока.
Л (вв)
/ \
/ 4 \
/ / Клк >чевой ре» 81.1%
КлассВ ^ 78 5%
ев:
Рис. 2. Зависимость КПД по первой гармонике от верхнего угла отсечки
Как видно из графика на рис. 2, при вн = 90° и изменении угла верхней отсечки от значения вв = 0° (критический режим класса В) до значения вв = 90°(ключевой режим класса Б с широкополосной резистивной нагрузкой) в зависимости 1) (вв) имеется максимум при вв = 57,6°, где КПД достигает величины 88,6% [3].
Следует отметить, что КПД цепи стока по первой гармонике 1 характеризует лишь выходную цепь усилителя и определяет эффективность преобразования мощности источника цепи питания в мощность сигнала первой гармоники усиливаемого сигнала в нагрузке. Для более полной и объективной оценки эффективности усилителя следует учесть все затраты, связанные с получением полезного выходного сигнала, и ввести понятие общего КПД по первой гармонике ПО1, (по аналогии с [4]) который для усилителя мощности на полевых транзисторах при пренебрежении мощностью, потребляемой схемой смещения, определится следующим образом:
Р
1 1 г0^ ГЕХ
1
(2)
О у
где Рвх — мощность входного сигнала; 1 — КПД цепи стока по первой гармонике; Р
О = —1--------коэффициент усиления по мощности.
РВХ
Коэффициент усиления в перенапряженном режиме Опнр может быть выражен через угол верхней отсечки вв и величину коэффициента усиления по мощности в критическом режиме класса В Овкр
ОщпО,) = От - 003(0,/ - , (3)
Р1КР
где Р1кр — мощность первой гармоники в критическом режиме класса В в нагрузке.
Приведенное выражение позволяет рассчитать зависимость общего КПД по от угла верхней отсечки в в для заданных значений Овкр. Результаты такого расчета для Овкр = 10,15 и 20 дБ приведены на рис. 3.
п01(е*)
=20дБ
/ - 15дБ\ \
X Св^Г1' дБ \ \ \
\ \ V 1
Вв,°
Рис. 3. Зависимости общего КПД по первой гармонике при различных
коэффициентах усиления
Как видно из графиков на рис. 3, зависимость общего КПД по от угла верхней отсечки вв имеет максимум, положение которого определяется величиной коэффициента усиления Овкр. Избыточное перевозбуждение усилителя мощности, при котором угол верхней отсечки превышает значение, где КПД максимален, ухудшает эффективность усилителя, причем тем заметнее, чем меньше его коэффициент усиления.
Значения углов верхней отсечки вв и соответствующие им максимальные величины общего КПД помакс для Овкр = 10, 15 и 20 дБ приведены в табл.1.
Таблица 1
Значения углов верхней отсечки и максимального КПД
Б д в вв, о ПОМАКС, %
10 39,5 77,9
15 48,0 84,3
20 52,5 87,0
Для достижения угла верхней отсечки вв с максимальным КПД при Овкр = 10, 15 и 20 дБ необходимо, с учетом компрессии коэффициента усиления, повысить мощность сигнала возбуждения усилителя соответственно на 2,2, 3,4 и 4,3 дБ по отношению к величине, требуемой для реализации критического режима.
При этом следует отметить, что с увеличением степени напряженности режима и, соответственно, угла верхней отсечки, возрастает и мощность первой гармоники усиливаемого сигнала в нагрузке усилителя. Поэтому для сохранения ее величины, равной значению в критическом режиме, следует при увеличении мощности возбуждения одновременно снижать напряжение питания по следующему закону:
Е (в ) = Е__________Р со*(вв)____ (4)
Ел(вв) Епвкр :т(2вв) -2вв + р ’ (4)
где Епвкр — напряжение питания в критическом режиме класса В.
Однако при изменении напряжения питания изменяется и угол верхней отсечки, при котором наблюдается максимум КПД. Зависимость общего КПД по первой гармонике при различных коэффициентах усиления и постоянной выходной мощности приведена на рис. 4.
ПО1(0в)
0.85
0.8
0.75
0.7 ]-0
Рис. 4. Зависимость общего КПД по первой гармонике при различных коэффициентах усиления при постоянной выходной мощности
Для этого случая значения углов верхней отсечки вв и соответствующие им максимальные величины общего КПД помакс для Овкр = 10, 15 и 20 дБ приведены в табл. 2.
Таблица 2
Значения углов верхней отсечки и максимального КПД
Свкр^ дБ вв, о ПОМАКС, %
10 33,5 76,0
15 44,0 83,1
20 50,5 86,5
Для достижения угла верхней отсечки вв с максимальным КПД при Овкр = 10, 15, 20 дБ и постоянной выходной мощности первой гармоники необходимо, с учетом компрессии коэффициента усиления, увеличить мощность сигнала возбуждения усилителя соответственно на 1,6, 2,9 и 3,9 дБ по отношению к величине, требуемой для реализации критического режима, а напряжение питания снизить на 9,4, 13,3 и 15,3%.
Следуя терминологии [5], режим работы, в котором транзистор поочередно находится в состояниях отсечки, активном и насыщения, следует называть квазиключе-вым. Между квазиключевым и недонапряженным режимами имеется критический режим, при котором состояние насыщения имеет место на бесконечно малом интервале. При этом предельный вид квазиключевого режима, когда верхний вв и нижний в# углы отсечки тока стока почти равны, называется ключевым. Преимуществом квазиключевого режима является возможность перехода в критический режим с высокой линейностью, без схемотехнических изменений, путем уменьшения входной мощности и увеличения напряжения питания.
С учетом изложенного выше видно, что КПД достаточно высок и соизмерим с ключевым режимом, особенно при большом коэффициенте усиления. Квазиключевой режим с углом верхней отсечки вв, обеспечивающим максимальный КПД по первой
гармонике, можно считать предпочтительным для проектирования усилителя мощности КВ диапазона.
В заключение следует отметить, что для предлагаемого усилителя мощности целесообразно применять полевые транзисторы, выполненные по LDMOS технологии, которые отличаются большим коэффициентом усиления и КПД, стойкостью к рассогласованию нагрузки, малой величиной междуэлектродных емкостей и индуктивности вывода истока, низким тепловым сопротивлением и высоким прогнозируемым временем безотказной работы [6].
Выводы
1. Квазиключевой режим является наиболее перспективным для создания высокоэффективных широкополосных усилителей мощности КВ диапазона.
2. Для реализации указанного режима необходимо использовать двухтактную схему, выполненную на полевых LDMOS транзисторах, обеспечить в ней замыкание четных гармоник с помощью гибридного трансформатора, реализовать с помощью фильтра-диплексера одинаковую по величине резистивную нагрузку в выходных цепях транзисторов по нечетным гармоникам, включая и основную частоту, создать перенапряженный режим работы путем подачи на вход усилителя повышенного уровня возбуждения, обеспечивающего его максимальную эффективность.
ЛИТЕРАТУРА
1. Евтянов С.И. Радиопередающие устройства. — М.: Связьиздат, 1950. — 643 с.
2. Несвижский Ю.Б. Высокочастотные ферриты в радиопередающей технике. —
М.: Связь, 1976. — 224 с.
3. Franco Sechi, Marina Bujatti. Solid-State Microwave High-Power Amplifers. — Norwood, MA: Artech House Inc., 2009. — 314 p.
4. Радиопередающие устройства: учебник для вузов / Л. А. Белов [и др.]; под ред. М.В. Благовещенского, Г.М. Уткина. — М.: Радио и связь, 1982. — 408 с.
5. Радиопередающие устройства: учебник для вузов / В.В. Шахгильдян [и
др.]; под ред. В. В. Шахгильдяна. — 3-е изд., перераб и доп. — М.: Радио и связь, 2003. — 560 с.
6. Акименко А. Новый транзистор преодолевает барьер мощности 1 кВт // Новости электроники. — 2008. — №°5. — С. 20—21.
