CC BY
112
23 декабря 2011 г. 11:22
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
Разработка коротковолнового ключевого усилителя мощности с раздельным усилением составляющих однополосного сигнала
Приводится описание структуры и основных параметров лабораторного макета ключевого 300 Вт усилителя мощности КВ диапазона с раздельным усилением со-ставляющих усиливаемого сигнала. Разработанный усилитель существенно превосходит тро-диционные усилители класса АВ по энергетической эффективности и линейности.
Варламов О.В.,
с.н.с. НИЛ-6 НИЧ МТУСИ, к.т.н.
Громорушкин В.Н.,
с.н.с. НИЛ-6 НИЧ МТУСИ, к.т.н.
Лаврушенков В.Г.,
Заведующий НИЛ-6 НИЧ МТУСИ, к.т.н., с.н.с.
Постоянно возрастающие требования к конструктивно-технологическим характеристикам передатчиков и к их электрическим параметрам зачастую уже не могут быть реализованы традиционными методами.
Так, в передатчиках связи и управления применяется в основном режим однополосной передачи телефонных, многоканальных телеграфных, а также специальных (например, шумоподобных) сита-лов В этом случае усилитель мощности передатчика должен обладать высокой линейностью, что в свою очередь определяет необходимость использования недонапряженных режимов работы транзисторов классов А, АВ. В этом случае средний КПД усилителя не превышает величины 15...25% и существенно увеличивается мощность, рассеиваемая на активных элементах. Это приводит к ухудшению надежности работы мощных каскадов и необходимости применения громоздких устройств охлаждения, что, как правило, неприемлемо для радиосредств подвижной связи и различных специализированных систем
Наиболее кардинальным способом повышения КПД передатчика является применение ключевых режимов работы транзисторов [1]. В настоящем доклсще излагаются результаты разработки и испытаний коротковолнового ключевого усилителя мощности с раздельным усилением составляющих модулированного ВЧ сигнала (УМРС-КВ300).
1 каскад ВЧ
Вход '
(МММЮШС Форшфоы-
ПрСДОКОМСЧ-
Окоисчмым
каски
Подмодуля-
Усилитель
ШИМ
^4* В
Рис. 1. Структурне» схема YMPC-KB300
УМРС-КВ300 предназначен для высокоэффективного усиления современных видов сигналов с амплитудно-фазовой модуляцией (ОФДМ, ОБП, AM, ЧТ) с полосой частот 3,1 кГц в КВ диапазоне при выходной мощности 300 Вт. Упрощенная структурная схема УМРС-КВ300 приведена на рис 1.
Как видно из рисунка, УМРС содержит два тракта: ВЧ тракт, предназначенный для усиления ВЧ фазомодулированной составляющей входного модулированного сигнала, и НЧ тракт, предназначенный для усиления огибающей модулированного сигнала. Усиленная до необходимого уровня огибающая поступает в качестве питающего напряжения (модулирующего напряжен«*) на оконечный каскад ВЧ тракта.
ВЧ тракт построен на основе двухтактных широкополосных схем, работающих в ключевом режиме на полевых транзисторах фирм Motorola и NXR В оконечном каскаде применен широко распространенный балансный транзистор BLF278 (в перспективе возможна его замена на LDMOS MRF6VP2600 с дополнительным повышением КПД на верхних частотах). Для повышения устойчивости к рассогласованию нагрузки выходной каскад рассчитан для работы на фильтр-диплексер, обеспечивающий резистивную нагрузку по всем гармоникам робочей чостоты.
Токи покоя всех каскадов ВЧ тракта равны нулю, и их напряжение смещения фиксировано. Поэтому точная стабилизация режимов работы транзисторов по постоянному току в диапазоне температур не требуется. Отсутствие токов покоя обеспечивает низкие шумы в паузе в режиме А1А: на уровне минус 185 дБ в полосе 1200 Га
Подмодулягор стабилизирует коэффициент носыщения транзисторов оконечною ВЧ каскада в диапазоне амплитуд усиливаемого сигнала, что способствует повышению линейности его модуляционной характеристики.
НЧ тракт построен с использованием широтно-импульсной модуляции и также работает в ключевом режиме. Для выделения усиленного сигнала огибающей на его выходе установлен фильтр низкой частоты.
Конструктивно макет УМРС-КВЗОО состоит из 2 печатных плат (ВЧ тракт и НЧ тракт) общим размером 120x200 мм, установленных над теплоотводом, на котором установлены все силовые полупроводниковые приборы.
Макет УМРС-КВЗОО в основном собран на SMD элементах методом поверхностного монтажа. Проектирование печатных плат проведено с учетом опыта разработки ключевых усилителей диапазона ВЧ.
Для проведенкв испытаний усилителя был разработан и изготовлен специальный генератор испытательных сигналов, позволяющий как формировать необходимые испытательные сигналы в формате — ВЧ составляющая и огибающая, так и измерять их спектральные
42
T-Comm, #9-2011
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
Уровень комбинационных искажений и КПД УМРС-КВ300
Таблица 1
Двухтоновын сигнал. Е лит 1 = 48 В. Е пит 2= 12 В
F,*, lO 4# 11. lO 12В, Рэ ср. К: Кв. Р) пик. Рпотр, КПД') ср.
МГц А А Вт дБ дБ Вт Вт %
1.5 3.85 0.22 184.8 -39.6 -45 369.6 187.44 96.1
4 3.825 0.23 178.3 -40.3 -45.2 356.6 186 36 95.3
10 3.85 0.4 172.7 -40 -45 345.4 189 6 91.1
20 3.85 0.64 158.5 -38.3 -44.2 317 192.48 82.3
30 3.85 095 148.5 -36.3 -46 297 196 2 75.7
4»4*4СИ&3??8?*ЛИБ-1?в4 О 4 S 12 16 70 24 Л 3? X
FWi 2. Спектр выходного сигнала УМРС-КВЗОО при усиле»**4 шумового сигнала
характеристики. В этом же генераторе производится амплитудное ограничение и компенсация задержки НЧ тракта. Измерен« проворились при работе усилителя на резистивную нагрузку 50 Ом и полученные результаты сравнивались с требованиями ГОСТ РВ для КВ передатчиков с выходной мощностью от 100 до 1 ООО Вт
В таблице 1 приведены результаты измерений выходной мощности, среднею электронною КПД и уровня комбинационных искажений на двухтоновом сигнале.
Как видно из таблицы, неравномерность выходной мощности усилителя в диапазоне частот 1,5-30 МГц не превышает ± 12%, при уровне комбинационных искажений не хуже минус 36 дБ, что существенно лучше аналогичных параметров современных изделий и удовлетворяет требованиям к перспективным разрабатываемым радиопередатчикам.
Минимальное значение среднего электронного КПД усилителя на верхней рабочей частоте составляет 75%. Соответственно, средний КПД по первой гармонике с учетом потерь мощности высших гармоник в балластном резисторе выходного фильтра диплексера (примерно 15%) и потерь за счет конечного КПД фильтра (пример-
но 10%) составит 56%, что значительно выше КПД традиционных усилителей класса АВ.
В таблиц 2 приведены результаты измерений уровня внеполосных излучений но специально сформированном шумовом сигнале с полосой 3,1 кГц Полученные результаты сравнивались с маской, ограничивающей допустимые внеполосные излучения (см. рис 2). В таблице приведены значения минимальной разницы между измеренной огибающей спектра выходного сигнала и маской, приведенной в ГОСТ РВ.
Как видно из таблицы, макет ключевого усилителя мощности, удовлетворяет требованиям ГОСТ РВ по уровню внеполосных излучений с значительным запасом.
В заключение был измерен уровень шумовых радиоколебаний на выходе УМРС-КВЗОО. Измерения проводились с помощью селективного микровольтметра БМУ 11 с использованием дополнительного кварцевого фильтра, повышающего динамический диапазон измерений. На вход ВЧ тракта усилителя подавался входной не-мсдулированный ВЧ сигнал от лабораторного генератора с малым уровнем шумов. На вход НЧ тракта подавалось постоянное напряжение, обеспечивающее заданную выходную мощность. Измерения показали, что относительный уровень шума в выходном сигнале ключевого усилителя мощности не превышает минус 175 дБ/Гц при отстройке на 10% от рабочей частоты, что также удовлетворяет требованиям ГОСТ РВ.
Сравнение основных параметров разработанного усилителя с параметрами серийно производимой передающей аппаратуры последнего поколения [2] приведено в табл. 3.
Как видно из таблицы, разработанный макет УМРС-КВЗОО обладает меньшими нелинейными искажениями, меньшим уровнем шумов и более высоким КПД
Полученные результаты позволяют предположить, что при проектировании на основе данного макета передатчика с выходной мощностью 1 кВт (из 4 модулей) может быть получен передатчик нового поколения с существенно более высокий качественными и энергетическими параметрами, способный работать в перспективных цифровых режимах связи.
Уровень внеполосных иалучений УМРС-КВЗОО
Таблица 2
Шумовой сигма.] Е пит 1 48 В. Е пит 2 12 В
Fprf. МГц lO 48В, А lO 12В. А Рэ ср. Вт Р.! (Н1Ш.1 между опшлюшен спектра и маской. дБ Рэ ПИК, Вт Рпотр, Вт КПД э ср. “о
1.5 08 0.2 37 -8.6 370 408 90.7
4 0.8 0.2 36 -8.2 360 40.8 88.2
10 0.8 0.3 34 -7 340 42 81.0
20 0.78 0.55 31 -5.4 310 44.04 70.4
30 0.78 0.75 28.5 -3.5 285 46.44 614
T-Comm, #9-2011
43
