Расчет согласующего трансформатора выходного каскада усилителей мощности

(Радиомир, 2004, № 11)

Скачать статью в одном файле

• Adobe Acrobat PDF (260 кб)

Традиционно для согласования сопротивления антенно-волноводного тракта R_A с выходным сопротивлением оконечного каскада передатчика используются трансформаторы сопротивлений, выполняемые обычно в виде фильтров нижних частот (рис. 1) [1-4].

Это обусловлено тем, что в соответствии с [1] оптимальное сопротивление нагрузки мощного транзистора , на которое он отдает максимальную мощность, составляет единицы Ом и может быть определено из соотношения:

, (1)

где

Е_п - рекомендуемое напряжение источника питания транзистора, справочная величина [5];
Р_{вых. макс}. - максимальное значение выходной мощности, отдаваемой транзистором, справочная величина;
U_нас- напряжение насыщения коллектор-эмиттер, справочная величина, составляющая 0,1...0,2 В.

Использование трансформаторов сопротивлений в виде фильтров нижних частот объясняется наличием разработанной методики расчета таких трансформаторов, основанной на использовании таблиц нормированных значений элементов [6-8]. Как правило, указанные трансформаторы реализуются в виде фильтров нижних частот четвертого порядка [1-4], что связано со сложностью их настройки при использовании более высоких порядков. Недостатком таких трансформаторов является значительное увеличение их коэффициента стоячей волны (КСВ) по входу при увеличении коэффициента трансформации Ктр и относительной полосы рабочих частот W, равной отношению fв/fн, где fв, fн - верхняя и нижняя граничные частоты полосы рабочих частот трансформатора.

Значительного уменьшения КСВ, при прочих равных условиях, можно достичь при использовании трансформатора, выполненного в виде полосового фильтра, что достигается благодаря увеличению его коэффициента отражения вне полосы рабочих частот [9]. В диапазоне метровых волн наиболее эффективным является трансформатор в виде полосового фильтра, схема которого приведена на рис. 2 [10].

В таблице приведены результаты вычислений нормированных значений элементов С1, L2, L3, C4 трансформатора (рис. 2), полученные с использованием методики синтеза межкаскадных корректирующих цепей, описанной в [11]. Элементы С1, L2, L3, C4 нормированы относительно центральной круговой частоты полосы рабочих частот трансформатора ?0 и сопротивления антенно-волноводный тракта и рассчитаны для коэффициента трансформации лежащего в пределах от 2 до 20 и относительной полосы рабочих частот трансформатора от 1,3 до 3. Здесь же даны значения КСВ, соответствующие заданным значениям Ктр и W.

Таблица – Нормированные значения элементов трансформатора

Сравнение характеристик рассматриваемого трансформатора (см. таблицу) и характеристик трансформатора выполненного в виде фильтра нижних частот, приведенных в [7], показывает, что при прочих равных условиях он имеет гораздо меньшее значение КСВ.

Для примера осуществим проектирование трансформатора с Ктр=10, W=1,5 и центральной рабочей частотой равной 70 МГц, при условии, что R_A=50 Ом.

В соответствии с заданными значениями Ктр и W из таблицы найдем: C1н=5.2296; L2н=0.2963; L3н=0.6147; C4н=1.1487. Центральная круговая частота полосы рабочих частот трансформатора .

Денормируя значения элементов трансформатора определим:

На рис. 3 приведена расчетная зависимость модуля входного сопротивления |Zвх| спроектированного трансформатора от частоты (кривая 1). Здесь же (кривая 2) для сравнения представлена характеристика трансформатора, выполненного в виде фильтра нижних частот и рассчитанного по таблицам из [7] (рис. 1, L1=19 нГн, С2=255 пФ, L3=63 нГн, С4=77 пФ).

Другим достоинством трансформатора приведенного на рис. 2 является следующее. При неизменной выходной мощности усилителя ток, потребляемый его выходным каскадом, слабо зависит от частоты усиливаемого сигнала, что позволяет обеспечить достижение более высокого среднего КПД усилителя.

На рис. 4 приведена зависимость тока, потребляемого выходным каскадом двухкаскадного усилителя (рис. 5), от частоты усиливаемого сигнала при выходной мощности Рвых равной 25 Вт (кривая 1). Здесь же представлена аналогичная зависимость в случае использования трансформатора, выполненного в виде фильтра нижних частот (кривая 2).

Характеристики усилителя: максимальное значение выходной мощности 32 Вт; полоса рабочих частот 55...85 МГц; коэффициент усиления 22 дБ. В усилителе использован рассматриваемый трансформатор (элементы C 8, L 7, L 8, С10), входная и межкаскадная корректирующие цепи рассчитаны по методике описанной в [11].

Таким образом, предлагаемая методика расчета рассматриваемого трансформатора сопротивлений проста в применении и позволяет значительно улучшить параметры разрабатываемого усилителя мощности.

Литература

1. Радиопередающие устройства / В.В. Шахгильдян, В.Б. Козырев, А.А.   Ляховкин и др.; Под ред. В.В. Шахгильдяна. – М.: Радио и связь, 2003. – 560 с.
2. Гребенников А.В., Никифоров В.В., Рыжиков А.Б. Мощные транзисторные усилительные модули для УКВ ЧМ и ТВ вещания // Электросвязь. – 1996. – № 3. – С. 28 – 31.
3. Гребенников А.В., Никифоров В.В. Транзисторные усилители мощности для систем подвижной радиосвязи метрового и дециметрового диапазонов волн // Радиотехника. – 2000 – № 5. – С. 83 – 86.
4. Титов А.А. Полосовой усилитель мощности с повышенной линейностью амплитудной характеристики // ПТЭ. – 2003. – № 4. – С. 65–68.
5. Петухов В.М. Транзисторы и их зарубежные аналоги: Справочник. В 4 томах. – М.: Издательское предприятие РадиоСофт, 2000.
6. Знаменский А.Е., Нестеров М.И. Расчет трансформаторов сопротивлений с сосредоточенными элементами / Техника средств связи. Сер. Техника радиосвязи. 1983. Вып. 1. С. 83 – 88.
7. Знаменский А.Е. Таблицы для расчета трансформаторов сопротивлений в виде фильтров нижних частот // Техника средств связи. Сер. Техника радиосвязи. 1985. Вып. 1. С. 99 – 110.
8. Маттей Д.Л. Таблицы для расчета трансформаторов сопротивлений в виде фильтра нижних частот. // ТИИЭР. – 1964. – Т. 52. – № 8. – С. 1003 – 1028.
9. Фано Р. Теоретические ограничения полосы согласования произвольных импедансов: Пер. с англ. / Под ред. Г.И. Слободенюка. – М.: Сов. радио, 1965.
10. Шварц Н.З. Линейные транзисторные усилители СВЧ. – М.: Сов. радио, 1980. – 368 с.
11. Титов А.А., Григорьев Д.А. Параметрический синтез межкаскадных корректирующих цепей высокочастотных усилителей мощности // Радиотехника и электроника. – 2003. – № 4. – С. 442–448.