CC BY
37
РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И СВЯЗЬ
УДК 621.396.61.029.55 £ Ц. ПЕТРОВ
П. Ф. ЩЕКОВ И. В. ЧЕПИКОВ
ФГУП ОмПО «Иртыш»
ОПТИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РАДИОПЕРЕДАТЧИКА ДЕКАМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА, РАБОТАЮЩЕГО
НА НЕСОГЛАСОВАННУЮ НАГРУЗКУ
Проведено исследование работы выходного каскада радиопередатчика на несогласованную комплексную нагрузку. Даны рекомендации по обеспечению максимальной эффективности передатчика при работе на несогласованную нагрузку.
Важной задачей в области передачи радиосигнала щественный прогресс в разработке элементной ба-
в декаметровом диапазоне частот является вопрос об зы, стимулирующий совершенствование схемно-
улучшении энергетических эксплуатационных ха- конструкторских решений современной аппаратуры
рактеристик радиопередатчика. Энергетические ха- связи, обеспечил значительное улучшение массога-
рактеристики (полезная мощность, мощность, по- баритных показателей радиопередатчиков. В то же
| требляемая от источников питания, мощность, рассей- время дальнейшее развитие миниатюризации аппа-
ваемая на электродах электронных приборов, КПД- ратуры связи сдерживается низкими значениями
коэффициент полезного действия) являются весьма КПД усилителей мощности передатчиков, важными (а в некоторых случаях и определяющими) Использование традиционных решений не
показателями для мощных усилителей. Как правило, позволяет получить удовлетворительный тепловой
такие усилители работают в режиме класса В. Су- режим при жестких требованиях к массе и габари-
там. КПД зависит от назначения усилителя, условий его работы и, как следствие, от схемы построения и используемых полупроводниковых приборов. Он составляет 30 - 60 % для линейных усилителей сигналов с амплитудной модуляцией. Более высокие значения КПД характерны для ключевого режима усиления сигналов. Но применение ключевого режима работы транзисторов усилителя обычно невозможно из-за высокого уровня шумовых излучений, нежелательных колебаний, большой вероятности превышения предельно допустимых напряжений транзистора и сложности регулировки при получении необходимых фазочастотных характеристик, стабильность которых должна обеспечиваться в условиях изменяющейся нагрузки, напряжения питания и температуры окружающей среды.
Улучшить энергетические характеристики усилителя мощности можно с помощью регулирования режима работы транзисторов.
Существуют два варианта регулирования работы активных элементов, но в обоих случаях необходимо поддержание критического значения коэффициента использования коллекторного напряжения К = = Uk/Ek = const, где Uk - амплитуда напряжения на коллекторе, Ек - напряжение питания коллектора.
Этого можно добиться с помощью автоматической регулировки коллекторной нагрузки RH. При этом будет обеспечиваться поддержание необходимого соотношения Uk = I,, • Rn = const при Ек = const, где Iit -амплитуда тока в нагрузке. Несмотря на малую мощность, затрачиваемую на автоматическое регулирование, появляется сложность при практической реализации из-за отсутствия мощных управляемых реактивных элементов, трудностей регулирования, а также сопутствующей фазовой модуляции, возникающей при изменении реактивного элемента связи.
Большее распространение получил метод регулирования напряжения питания ЕА в соответствии с огибающей усиливаемого сигнала. При этом отношение Ut/Et сохраняется при любых значениях Uk близким к максимально допустимому, необходимому для обеспечения малых нелинейных искажений и повышения КПД. Так, увеличивая напряжение питания с ростом сопротивления нагрузки (при неизменном или слегка уменьшенном возбуждении) и снижая его с уменьшением сопротивления нагрузки при увеличении возбуждения, можно получить не только постоянную выходную мощность, но и сохранить в условиях изменяющейся нагрузки то высокое значение КПД, которое было получено в номинальном режиме. При этом значительно упрощается практическая реализация данного усилителя, так как метод требует только применения регулируемого источника питания.
Требования к нему могут быть также существенно ослаблены при использовании дискретных значений напряжения коллекторного питания. Но, так как в усилителях мощности с регулируемым режимом работы активный элемент работает обычно в недонап-ряженном режиме, близком к критическому, в них, как и в обычных линейных усилителях, проявляются такие свойства транзисторов, как температурная зависимость, нелинейность, разброс основных характеристик и т.д.
Проблема создания специализированного радиопередатчика, работающего на любую нагрузку, является стимулом для создания концепции построения нового поколения малогабаритных радиостанций коротковолнового диапазона. В части энергоемких блоков передатчиков эта концепция предполагает повы-
шение эффективности преобразования мощности вторичного источника питания в полезный сигнал, что в свою очередь предполагает изменение принципа согласования импеданса антенны с номинальным сопротивлением нагрузки передатчика. Тесное взаимодействие возбудителя, усилителя мощности и источника питания между собой позволит улучшить энергетические характеристики передатчика и существенно повысить КПД усилителя при работе на несогласованную нагрузку.
Одним из методов, позволяющих повысить эффективность передатчика, может служить авторегулировка возбуждения выходного каскада [ 1 ]. Если считать, что у выходных транзисторов передатчика нет иных ограничений по выходному току, кроме характеризуемых наличием линии граничных режимов, то, регулируя возбуждение выходного каскада, всегда можно добиться работы передатчика в критическом режиме при любом нагрузочном импедансе. Очевидно, при этом отдаваемая в нагрузку мощность будет максимальна. Поэтому закон регулировки возбуждения определяется из условия, что каскад должен работать в критическом режиме, Конечно, у реальных транзисторов есть ограничения по допустимому импульсу выходного тока и максимальной рассеиваемой мощности, но эти условия можно проверить дополнительно, находя максимумы соответствующих параметров в зависимости от возможной нагрузки. Характер поведения выходного каскада передатчика, в котором предусмотрено авторегулирование возбуждения, обеспечивающее работу каскада в критическом режиме при любых нагрузках, определяется всего одним безразмерным параметром
который определяется как половина произведения крутизны линии граничных режимов транзисторов и номинального сопротивления нагрузки, приведенного к стокам транзисторов.
При практическом проектировании выходного каскада необходимо для заданного значения строить графики зависимости величин, характеризующих работу каскада, от а-фазы отраженной волны относительно фазы падающей, изменяющейся в диапазоне от 0 до 360 градусов. Меняя параметр можно оптимизировать показатели передатчика при работе его на несогласованную нагрузку. Более подробный анализ работы выходного каскада передатчика с учетом фазы отраженной волны при работе на рассогласованную нагрузку приведен в [ 11. По результатам этого анализа графики выходной нормированной мощности Р|Ш/Р,Л„, и КПД Г| в зависимости от фазы отраженной волны а при различных значениях параметра^ приведены на рис. 1-3.
Увеличение КПД и соответственно уменьшение мощности, рассеиваемой транзисторами, требует увеличения параметра что, как видно из предыдущего анализа, приводит к сильной зависимости выходной мощности передатчика от фазы отраженной волны.
В то же время, как видно из приведенных на рис. 1-3 графиков, при больших значениях параметра меняется характер поведения КПД в зависимости от фазы отраженной волны. Эта зависимость становится с двумя минимумами вместо одного, и «размах колебаний КПД» становится сравнительно небольшим {рис. 3).
Если ограничиться только регулировкой напряжения возбуждения, усилитель будет работать в критическом режиме на любую нагрузку и будет отдавать тем большую мощность, чем меньше сопротивление нагрузки. Так, если при фиксированном на-
КСВ := 5 Со3"1-5
О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360
а.
Рис. 1. Зависимость выходной нормированной мощности Р„„/Рш„ и КПД т) от фазы отраженной волны а при ^,=1,5, КСВ-5.
КСВ:- 5 С^ -5
0.9-
0.8-
0.7-
Рои1 0.6-
а
- 0.5-
Па 0.4-
0.3-
0.2
0.1
........ 1 / \
/ / Л, 1
ч : / ....... \ 1 л
\ / у > / д
\ / ! \ 1 { \ ..........
......... ч • / /\ ! \ 4
4 ч ч / у
....... е.... к* ! _______]....... Г4*
2........ !
...... -и ! -\-
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360
а.
Рис. 2. Зависимость выходной нормированной мощности Р011,/Рша1 и КПД т] от фазы отраженной волны а при ^=5, КСВ=5.
КСВ := 5 с;0 := 10
1Т ■"■;.........V.....
0.9-' !- г-
0.7-
Рои1 06' а
- 0.5
0.1
..1...............[
1........1.
* 1 1 1 ! /
\ \ N ! 1 ; \ / /
\ ! \ ! ...........;.......... /
V : ; / /
\ .......и......: ! V I . и.. „ У ........
: л
'! .......
_1 - ; — ! 1—1— — —1
Рис. 3. Зависимость выходной нормированной мощности Рои(/Рша1 и КПД ц от фазы отраженной волны а при 10, КСВ=5.
пряжении питания 48 В на 50 Ом усилитель отдает
Номинальный (для критического режима) уро-
1 кВт, то на 5 Ом активной нагрузки он должен отдать вень возбуждения зависит от напряжения питания и
10 кВт. Естественно, при низких сопротивлениях на- от нагрузки. Если сопротивление нагрузки большое,
грузки усилитель просто перегреется (если хватит то снижается напряжение возбуждения, падает по-
усиления). Для того чтобы этого не происходило, не- требляемый ток - напряжение питания возрастает,
обходимо применить источник питания с падающей При малом сопротивлении нагрузки схема авторегу-нагрузочной характеристикой. Тогда по мере роста лирования напряжения на стоках увеличивает ток,
потребляемого тока будет падать напряжение пита- соответственно, источник питания уменьшает на-
ния, и тут особенно важно, что производится срав- пряжение питания.
нение напряжения на стоках именно с напряжением питания, а не с фиксированным уровнем.
Источник питания должен иметь нагрузочную характеристику, при которой мощность, отдаваемая им
Р. Вт
/
\
\ /
\ /
\ /
\ \ / г—
\ S. У /
ч „ т
^ -
— - — • — - — -
-Адаптивный — - - Не адаптивный
Рис. 4. Зависимость выходной нормированной мощности радиопередающего устройства от фазы отраженной волны
при работе на нагрузку с КСВ=5.
в нагрузку, в заданных границах значений тока и напряжений постоянна. Ток и напряжение необходимо ограничить максимально допустимыми значениями для примененного типа транзисторов.
Получены результаты экспериментального исследования работы усилителя мощности, работающего на несогласованную нагрузку, при его питании от источника с фиксированным напряжением питания (48 В) и от адаптивного источника с падающей нагрузочной характеристикой, которые приведены на рис. 4.
Таким образом, можно сделать вывод о целесообразности питания выходного каскада передатчика от регулируемого источника, в котором в достаточных пределах изменения нагрузки поддерживается постоянная мощность. При этом необходимо автоматически поддержйвать Такое напряжение возбуждения, чтобы режим выходного каскада всегда получался максимально близким к критическому.
Результаты исследования могут быть использованы при разработке радиопередатчиков в Омском НИИ приборостроения, ОмПО «Иртыш».
Библиографический список
1. Особенности работы КВ радиопередатчиков на несогласованную нагрузку/ Луэан Ю.С., Петров E.H., Щеков П.Ф., Юрков A.C.//Техника радиосвязи/Омский НИИ приборостроения, 2003. Вып. 8. С. 70-83.
ПЕТРОВ Евгений Никандрович, ведущий инженер. ЩЕКОВ Павел Федорович, начальник конструкторского бюро.
ЧЕПИКОВ Иван Владимирович, инженер.
Родился в 1947 году в г. Новосибирске, его детство прошло на берегах речки Каменки. По окончании школы поступил в НГУ, на химическое отделение факультета естественных наук. После университета — аспирантура, научная работа в Новосибирском институте органической химии, затем за рубежом и снова в Сибирском отделении - в Новосибирском институте биоорганической химии.
В настоящее время — директор Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН.
На представленных фотографиях то, что может увидеть любитель природы вблизи Академгородка: озеро и ботанический сад, река Бердь, леса, болота и их обитатели.
По страницам газеты «Наука в Сибири» http://www-sbras.nsc.ru
Из фоторабот академика Валентина Власова
