CC BY
22
Андрианов А. В. Andrianov Л. V
начальник лаборатории,
АО «Таганрогский научно-исследовательский институт связи», г. Таганрог, Российская Федерация
Зикий А. Н. Zikiy Л. N.
кандидат технических наук, старший научный сотрудник, доцент кафедры «Информационная безопасность телекоммуникационных систем» Института компьютерных технологий и информационной безопасности, ФГБОУ ВО «Южный федеральный университет», г. Таганрог, Российская Федерация
Кочубей А. С. КосШЬву Л. 8.
инженер-конструктор 3 категории, АО «Таганрогский научно-исследовательский институт связи», г. Таганрог, Российская Федерация
УДК 621.375.4 DOI: 10.17122/1999-5458-2020-16-1-82-88
ШИРОКОПОЛОСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ ДЕЦИМЕТРОВЫХ ВОЛН
Проведено экспериментальное исследование усилителя средней мощности на биполярных транзисторах. Измерены амплитудно-частотная характеристика в диапазоне частот 0,3-1300 МГц, амплитудные характеристики на частотах 500 и 1000 МГц, уровни второй и третьей гармоник за пределами рабочего диапазона частот. Коэффициент усиления в диапазоне рабочих частот 0,1-1 ГГц составляет не менее 46 дБ, максимальная мощность в режиме насыщения на частоте 500 МГц равна 23 дБм (200 мВт), на частоте 1000 МГц максимальная мощность не менее 22 дБм.
Усилитель состоит из шести каскадов, построенных по схеме Дарлингтона. Каскады усилителя охвачены отрицательной обратной связью как по высокой частоте, так и по постоянному току. Отрицательная обратная связь по высокой частоте служит для согласования каскадов с линией передачи 50 Ом. Отрицательная обратная связь по постоянному току стабилизирует режимы работы транзисторов в широком диапазоне температур.
Благодаря высоким электрическим параметрам усилитель может найти применение в приёмо-передающей и измерительной аппаратуре. Сравнение с другими моделями усилителей показывает явное преимущество по коэффициенту усиления и выходной мощности.
Конструктивно усилитель представляет собой корпус чашечного типа, в котором закреплены поликоровые печатные платы. На платы напаяны транзисторы и конденсаторы, а резисторы напылены (гибридная технология). Для защиты от климатических и механических воздействий корпус закрывается двумя крышками, запаянными по контуру.
Сложный характер амплитудной характеристики по второй гармонике (наличие падающего участка) можно объяснить прямым детектированием сигнала, изменением режима
работы каскадов усилителя по постоянному току, изменением угла отсечки и перераспределением мощности между гармониками.
Учитывая большой уровень гармоник на выходе усилителя (около 10 мВт), в некоторых случаях его можно использовать в качестве умножителя частоты.
Ключевые слова: усилитель, биполярный транзистор, диапазон рабочих частот, гармоника, эксперимент, амплитудно-частотная характеристика.
BROADBAND MEDIUM POWER AMPLIFIER FOR DECIMETER WAVES
An experimental study of an average power amplifier using bipolar transistors was conducted. The measured amplitude-frequency characteristic in the frequency range of 0.3-1300 MHz, amplitude of the frequencies 500 and 1000 MHz, second and third harmonics outside the frequency range. The gain in the operating frequency range of 0.1-1 GHz is at least 46 dB, the maximum power in saturation mode at 500 MHz is 23 dBm (200 mW), at 1000 MHz the maximum power is at least 22 dBm.
The amplifier consists of six stages built according to the Darlington scheme. The amplifier stages are covered by negative feedback for both high frequency and direct current. Negative feedback at a high frequency is used for matching cascades with a 50 Ohm transmission line. Negative DC feedback stabilizes the operation modes of transistors over a wide temperature range.
Due to the high electrical parameters, the amplifier can be used in receiving-transmitting and measuring equipment. Comparison with other models of amplifiers shows a clear advantage in terms of gain and output power.
Structurally, the amplifier is a Cup-type housing, in which polycore printed circuit boards are fixed. Transistors and capacitors are soldered to the boards, and resistors are sprayed (hybrid technology). For protection from climatic and mechanical influences, the case is closed with two lids sealed along the contour.
The complex nature of the amplitude characteristic for the second harmonic (the presence of a falling section) can be explained by direct detection of the signal, changing the mode of operation of the amplifier stages by direct current, changing the cut-off angle and redistributing power between harmonics.
Given the high level of harmonics at the output of the amplifier (about 10 mW), in some cases it can be used as a frequency multiplier.
Key words: amplifier, bipolar transistor, operating frequency range, harmonic, experiment, amplitude-frequency response.
Введение
Усилители средней мощности нашли широкое применение в гетеродинных трактах приёмников, в промежуточных и оконечных каскадах усилителей мощности передатчиков, в измерительной аппаратуре. Их исследованию посвящен ряд монографий и учебных пособий [1-6], статьи [7, 8] и другие издания. Однако потребности практики всегда шире, чем номенклатура усилителей мощности, предлагаемых на рынке России [9, 10], поэтому их исследование является актуальным.
Объектом исследования является транзисторный многокаскадный усилитель дециметровых волн. Целью исследования является получение амплитудной и амплитудно-
частотной характеристики (АЧХ), а также оценка уровней третьей и второй гармоник.
К усилителю предъявляются следующие требования:
— диапазон рабочих частот 0,1-1,0 ГГц;
— максимальная выходная мощность около 200 мВт (23 дБм);
— коэффициент усиления не менее 40 дБ;
— напряжение питания минус 12,6 В;
— входной и выходной соединители -тип IX по ГОСТ13317.
Схема и конструкция
Усилитель построен из двухтранзистор-ных каскадов по схеме Дарлингтона. Обратная связь по высокой частоте обеспечивает коррекцию частотной характеристики и согласование входа и выхода усилителя
с СВЧ трактом 50 Ом. Обратная связь по постоянному току обеспечивает стабилизацию режимов транзисторов при работе в широком диапазоне температур. Усилитель имеет 6 каскадов усиления.
Эксперимент
Первый эксперимент проводился на установке, структурная схема которой приведена на рисунке 1. Основной прибор - измеритель комплексных коэффициентов передачи «Обзор-103». Для исключения перегрузки
усилителя с большим коэффициентом усиления и прибора «Обзор-103» измерительная установка включает аттенюаторы 30 дБ и 20 дБ. «Обзор-103» калибровался вместе с аттенюаторами, поэтому поправки в АЧХ вносить не требуется. Результат измерения амплитудно-частотной характеристики показан на рисунке 2. Из этого рисунка видно, что коэффициент усиления усилителя составляет не менее 47 дБ в полосе от 0,1 до 1 ГГц.
USB Обзор-ЮЗ
/ \ \ /
USB Ноутбук
/
30 дБ
>
-12,6 В
20 дБ
Источник питания GPS-3303
Рисунок 1. Структурная схема измерительной установки
Г, МГЦ
Рисунок 2. АЧХ усилителя в полной полосе прибора «0бзор-103»
Второй эксперимент проводился на установке, структурная схема которой приведена на рисунке 3. В качестве источника сигнала использован генератор сигналов высокочастотный ГСВЧ-3000. В качестве индикатора частоты и мощности выходного сигнала применён анализатор спектра типа GSP-827.
Результаты измерения выходной мощности заносились в таблицу 1, второй и четвёртый столбцы. В третий и пятый столбцы внесено расчётное значение мощности на выходе усилителя, учитывающее затухание в аттенюаторе 10 дБ. По данным третьего и пятого столбцов построены амплитудные характе-
ристики на рисунке 4. Из этого рисунка 500 МГц составляет 23 дБм (200 мВт), а на видно, что мощность насыщения на частоте частоте 999 МГц - 22,6 дБм.
Генератор ГСВЧ-3000
\ 0 \ Ю дБ \
/ / /
-12,6 В
Источник питания СРЗ-ЗЗОЗ
Анализатор спектра СБР-827
Рисунок 3. Измерительная установка для снятия амплитудной характеристики Таблица 1. Амплитудные характеристики усилителя
Рвх, дБ АХ на частоте 500 МГц АХ на частоте 999,0 МГц
Измеренная Рвых, дБм (после аттенюатора 10 дБ) Пересчитанная Рвых, дБм Измеренная Рвых, дБм (после аттенюатора 10 дБ) Пересчитанная Рвых, дБм
-30 3,8 13,8 4,8 14,8
-29 4,8 14,8 5,7 15,7
-28 5,8 15,8 6,5 16,5
-27 7,0 17,0 7,3 17,3
-26 7,9 18,0 7,9 17,9
-25 8,9 18,9 8,4 18,4
-24 9,7 19,7 9,0 19,0
-23 10,3 20,3 9,3 19,3
-22 10,8 20,8 9,7 19,7
-21 11,1 21,1 10,0 20,0
-20 11,5 21,5 10,5 20,5
-19 11,8 21,8 10,9 20,9
-18 12,2 22,2 11,1 21,1
-17 12,3 22,3 11,7 21,7
-16 12,5 22,5 12,2 22,2
-15 12,7 22,7 12,3 22,3
-14 12,9 22,9 12,5 22,5
-13 13,0 23,0 12,6 22,6
-12 13,0 23,0 12,6 22,6
—1—500 МГц -999,9 МГц
-28 -26 -24 -22 -20 -18 -16 -14 -12
Рвх, дБм
Рисунок 4. Амплитудные характеристики усилителя
Третий эксперимент по измерению мощности второй и третьей гармоник проводился на установке, показанной на рисунке 3. Сперва на вход усилителя подавался сигнал на частоте 999,9 МГц, а снимался уровень сигнала на выходе усилителя на частоте 1999,8 МГц. Результаты измерения уровня второй гармоники занесены в таблицу 2. Потом на вход усилителя подавался сигнал с
частотой 500 МГц. На выходе усилителя оценивался уровень сигнала на частоте 1500 МГц. Результаты измерения уровня третьей гармоники занесены в таблицу 3. По данным из третьих столбцов таблиц 2 и 3 на рисунке 5 построены амплитудные характеристики для второй и третьей гармоник.
Кривая для второй гармоники имеет падающий участок.
Таблица 2. Уровень второй гармоники при частоте на входе 999,9 МГц
Рвх, дБ Измеренная Рвых, дБм Пересчитанная Рвых, дБм
-30 -35,0 -25,0
-29 -29,1 -19,1
-28 -23,3 -13,3
-27 -17,7 -7,7
-26 -14,2 -4,2
-25 -11,2 -1,2
-24 -9,0 1,0
-23 -7,0 3,0
-22 -5,4 4,6
-21 -4,2 5,8
-20 -3,2 6,8
-19 -2,4 7,6
-18 -1,9 8,1
-17 -2,1 7,9
-16 -3,1 6,9
-15 -3,9 6,1
-14 -4,8 5,2
-13 -5,6 4,4
-12 -6,5 3,5
-11 -7,4 2,6
-10 -8,2 1,8
-9 -8,9 1,1
-8 -9,3 0,7
-7 -9,4 0,6
-6 -9,2 0,8
-5 -9,1 0,9
-4 -8,7 1,3
-3 -8,2 1,8
-2 -7,8 2,2
-1 -7,5 2,5
0 -6,9 3,1
Таблица 3. Уровень третьей гармоники при частоте на входе 500 МГц
Рвх, дБ Измеренная Рвых, дБм Пересчитанная Рвых, дБм
-30 -35,9 -25,9
-29 -33,0 -23,0
-28 -29,2 -19,2
-27 -25,7 -15,7
-26 -21,2 -11,2
-25 -16,4 -6,4
-24 -12,9 -2,9
-23 -11,1 -1,1
-22 -10,1 -0,1
-21 -9,6 0,4
-20 -9,0 1,0
-19 -8,6 1,4
-18 -7,7 2,3
-17 -6,8 3,2
-16 -5,7 4,3
-15 -4,7 5,3
-14 -3,0 7,0
-13 -1,8 8,2
-12 -1,1 8,9
-10 -0,7 9,3
-11 -0,5 9,5
-9 -0,4 9,6
-8 -0,2 9,8
-7 -0,2 9,8
-6 -0,3 9,7
-5 -0,2 9,8
-4 -0,1 9,9
-3 -0,1 9,9
-2 -0,1 9,9
-1 -0,1 9,9
0 -0,1 9,9
Выводы
1. В таблице 4 проведено сравнение заданных и достигнутых в эксперименте параметров усилителя.
Из этой таблицы видно, что все требования к усилителю выполняются.
2. Сложный характер амплитудной характеристики второй гармоники можно объяснить прямым детектированием сиг-
Таблица 4. Основные параметры усилителя
Список литературы
1. Титов А.А. Транзисторные усилители мощности МВ и ДМВ. Расчёт, изготовление, настройка. М.: Солон-Пресс, 2006. 328 с.
2. Титов А.А., Ильюшенко В.Н. Схемотехника сверхширокополосных и полосовых усилителей мощности: учеб. пособие. М.: Радиотехника, 2007. 208 с.
нала, изменением режима работы каскадов усилителя по постоянному току, изменением угла отсечки и перераспределением мощности между гармониками.
3. Учитывая большой уровень гармоник на выходе усилителя (~10 мВт), в некоторых случаях его можно использовать в качестве умножителя частоты.
3. Титов А.А. Повышение выходной мощности усилителей радиопередающих устройств. М.: Горячая линия - Телеком, 2013. 142 с.
4. Ровдо А.А. Схемотехника усилительных каскадов на биполярных транзисторах. М.: Изд. дом «Додэка XXI», 2002. 256 с.
Наименование параметра, размерность Задано Эксперимент
Диапазон рабочих частот, МГц 100-1000 100-1200
Максимальная мощность выходного сигнала в режиме насыщения, дБм 23 23
Максимальный коэффициент усиления в режиме слабого сигнала, дБ, не менее 40 46
Напряжение питания, В -12,6 -12,6
Максимальный ток потребления, мА 850 750
Входной и выходной соединители тип IX
ГОСТ13317 тип IX
ГОСТ13317
Подавление третьей гармоники при входной мощности -12 дБм на частоте сигнала 500 МГц, дБ - 14
Подавление второй гармоники при входной мощности -12 дБм на частоте сигнала 999,9 МГц, дБ - 19
5. Ежков Ю.А. Справочник по схемотехнике усилителей. М.: ИП Радио Софт, 2002. 272 с.
6. Романюк В.А. Аналоговые устройства приёмопередатчиков. М.: Солон-Пресс, 2018. 144 с.
7. Зикий А.Н., Давтян А.Д., Падалко А.Д., Ронис В.Н., Шутов И.И. Полосовой усилитель мощности УКВ диапазона // Инновации в науке и практике: матер. Х Междунар. науч.-практ. конф.: в 4 ч./ Отв. ред. А.Р. Ха-ликов. 2018. С. 61-69.
8. Зикий А.Н., Зламан П.Н., Мамчен-ко С.О., Пустовалов А.И. Два малошумящих усилителя // Инженерный вестник Дона. 2018. № 1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/ n1y2018/4731.
9. Карпов Ю. Отечественные транзисторные усилители СВЧ // Компоненты и технологии. 2007. № 1.
10. Белов А.А. Устройства формирования СВЧ сигналов и их компоненты. М.: Издательский дом МЭИ, 2010. 320 с.
References
1. Titov A.A. Tranzistornyye usiliteli moshchnosti MV i DMV Raschot, izgotovleniye, nastroyka [MV and DMV Transistor Power Amplifiers. Calculation, Manufacturing, Tuning]. Moscow, Solon-Press Publ., 2006. 328 p. [in Russian].
2. Titov A.A., Il'yushenko V.N. Skhe-motekhnika sverkhshirokopolosnykh i polo-sovykh usiliteley moshchnosti: ucheb. posobiye [Circuitry of Ultra-wideband and Strip Power Amplifiers: Textbook]. Moscow, Radiotekhnika Publ., 2007. 208 p. [in Russian].
3. Titov A.A. Povysheniye vykhodnoy moshchnosti usiliteley radioperedayushchikh ustroystv [Increase the Output Power of Amplifiers of Radio Transmitting Devices]. Moscow,
Goryachaya liniya — Telekom Publ., 2013. 142 p. [in Russian].
4. Rovdo A.A. Skhemotekhnika usilitel'nykh kaskadov na bipolyarnykh tranzistorakh [Circuitry of Amplifier Stages on Bipolar Transistors]. Moscow, Dodeka XXI Publ., 2002. 256 p. [in Russian].
5. Yezhkov Yu.A. Spravochnikpo skhemo-tekhnike usiliteley [Handbook of Amplifier Circuitry]. Moscow, IP Radio Soft, 2002. 272 p. [in Russian].
6. Romanyuk V.A. Analogovyye ustroystva priyomoperedatchikov [Analog Transceiver Devices]. Moscow, Solon-Press Publ., 2018. 144 p. [in Russian].
7. Zikiy A.N., Davtyan A.D., Padalko A.D., Ronis V.N., Shutov I.I. Polosovoy usilitel' moshchnosti UKV diapazona [VHF Band Power Amplifier]. Materialy X Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii «Innovatsii v nauke i praktike»: v 4 ch. [Materials of X International Scientific and Practical Conference «Innovations in Science and Practice»: in 4 Ch.]. Ed. by A.R. Khalikov. 2018, pp. 61-69. [in Russian].
8. Zikiy A.N., Zlaman P.N., Mamchen-ko S.O., PustovalovA.I. Dva maloshumyashchikh usilitelya [Two Low-Noise Amplifiers]. Inzhe-nernyy vestnik Dona — Engineering Bulletin of Don, 2018, No. 1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/ archive/n1y2018/4731. [in Russian].
9. Karpov Yu. Otechestvennyye tranzistornyye usiliteli SVCh [Domestic Microwave Transistor Amplifiers]. Komponenty i tekhno-logii — Components and Technologies, 2007, No. 1. [in Russian].
10. Belov A.A. Ustroystva formirovaniya SVCh signalov i ikh komponenty [Microwave Signal Generating Devices and Their Components]. Moscow, Izdatel'skiy dom MEI, 2010. 320 p. [in Russian].
