Реферат: Проектирование цепей коррекции, согласования и фильтрации усилителей мощности радиопередающих устройств
Пример 2.1. Рассчитать выходную КЦ для
усилительного каскада на транзисторе КТ610А (=4 пФ [13]), при = 50 Ом, =600 МГц. Определить и уменьшение выходной
мощности на частоте при использовании
КЦ и без нее.
Решение. Найдем нормированное значение
: = =
= 0,7536. В таблице 2.1 ближайшее
значение равно 0,753. Этому значению
соответствуют:= 1,0; = 0,966; =0,111; =1,153. После денормирования
по формулам (2.3) получим: = 12,8
нГн; = 5,3 пФ; = 43,4 Ом. Используя
соотношения (2.1), (2.2) найдем, что при отсутствии выходной КЦ уменьшение
выходной мощности на частоте,
обусловленное наличием , составляет 1,57 раза, а при ее
использовании – 1,025 раза.
Таблица 2.1 – Нормированные значения элементов выходной КЦ
При проектировании
широкополосных передатчиков средней и большой мощности одной из основных
является задача максимального использования транзистора выходного каскада
усилителя по выходной мощности. Оптимальное сопротивление нагрузки мощного
транзистора, на которое он отдает максимальную мощность, составляет единицы ом
[2]. Поэтому между выходным каскадом и нагрузкой усилителя включается трансформатор
импедансов, реализуемый,
как правило, на ферритовых сердечниках и длинных линиях [1–4, 14].
Принципиальная схема усилительного каскада с трансформатором импедансов,
имеющим коэффициент трансформации сопротивления 1:4, приведена на рис. 2.2,а,
эквивалентная схема по переменному току – на рис. 2.2,б, где – конденсатор фильтра; – трансформатор; , –
элементы схемы активной коллекторной термостабилизации [15]; – транзистор выходного
каскада усилителя. На рис. 2.2,в приведен пример использования трансформатора с
коэффициентом трансформации 1:9.
б)
а)
в)
Рис. 2.2
Согласно [16, 17] при
заданном значении нижней граничной частоты полосы
пропускания разрабатываемого усилителя требуемое число витков длинных линий,
наматываемых на ферритовые сердечники трансформатора, определяется выражением:
, (2.4)
где d – диаметр сердечника в сантиметрах;
N – количество длинных линий трансформатора;
– относительная магнитная проницаемость материала сердечника;
S – площадь поперечного сечения сердечника в квадратных
сантиметрах.
Значение коэффициента
перекрытия частотного диапазона трансформирующих и суммирующих устройств на
ферритовых сердечниках и длинных линиях лежит в пределах 2·104...8·104
[16, 17]. Поэтому, приняв коэффициент перекрытия равным 5·104, верхняя
граничная частота полосы
пропускания трансформатора может быть определена из соотношения:
(2.5)
При расчетах трансформаторов
импедансов по соотношениям (2.4) и (2.5) следует учитывать, что реализация более 1 ГГц технически
трудно осуществима из-за влияния паразитных параметров трансформаторов на его
характеристики [3].
Требуемое волновое
сопротивление длинных линий разрабатываемого трансформатора рассчитывается по
формуле [16, 17]:
. (2.6)
Методика изготовления
длинных линий с заданным волновым сопротивлением описана в [18].
Входное сопротивление
трансформатора, разработанного с учетом (2.4) – (2.6), равно:
. (2.7)
Пример 2.2. Рассчитать , , трансформатора на
ферритовых сердечниках и длинных линиях с коэффициентом трансформации
сопротивления 1:9, если = 50 Ом,
= 5 кГц.
Решение. В качестве ферритовых сердечников
трансформатора выберем кольца марки М2000НМ 20х10х5,имеющих параметры: = 2000; d = 6 см; S = 0,5 см2. Из (2.5) – (2.7) определим: N = 3, =
16,7 Ом, = 250 МГц. Теперь по известным
параметрам кольца из (2.4) найдем: n=16,7. То есть для создания трансформатора импедансов с = 5 кГц необходимо на каждом
ферритовом кольце намотать не менее 17 витков. Длина одного витка длинной
линии, намотанной на ферритовое кольцо, равна 3 см. Умножая это значение на 17,
получим, что минимальная длина длинных линий должна быть не менее 51 см. С
учетом необходимости соединения длинных линий между собой, с нагрузкой и выходом
усилителя, следует длину каждой длинной линии увеличить на
2...3 см.
При проектировании полосовых передатчиков средней и
большой мощности, также как и при проектировании широкополосных, одной из
основных является задача максимального использования по выходной мощности транзистора
выходного каскада усилителя. Однако в этом случае между выходным каскадом и
нагрузкой усилителя включается трансформатор импедансов, выполненный в виде
фильтра нижних частот [3, 19, 20]. Чаще всего он выполняется в виде фильтра
нижних частот четвертого порядка [19–23]. Принципиальная схема усилительного
каскада с таким трансформатором приведена на рис. 2.3,а, эквивалентная схема по
переменному току – на рис. 2.3,б, где элементы формируют
трансформатор импедансов, обеспечивающий оптимальное, в смысле достижения
максимального значения выходной мощности, сопротивление нагрузки транзистора и
практически не влияют на форму АЧХ усилительного каскада. Методика расчета
оптимального сопротивления нагрузки мощного транзистора дана в [2, 3, 24].
Наиболее полная и удобная
для инженерных расчетов методика проектирования рассматриваемых трансформаторов импедансов приведена в [25, 26]. В
таблице 2.2 представлены взятые из [26] нормированные относительно и значения элементов для относительной полосы
рабочих частот трансформатора равной
0,2 и 0,4 и для коэффициента трансформации сопротивления лежащего в пределах 2...30
раз, где = –
входное сопротивление трансформатора в полосе его работы, = –
средняя круговая частота полосы рабочих частот трансформатора.
а) б)
Рис. 2.3
Выбор w равной 0,2 и 0,4 обусловлен
тем, что это наиболее часто реализуемая относительная полоса рабочих частот
полосовых передатчиков средней и большой мощности, так как в этом случае
перекрывается любой из каналов телевизионного вещания и диапазоны ЧМ и FM
радиовещания [27].
Таблица 2.2 – Нормированные значения
элементов трансформатора
2
3
4
6
8
10
15
20
30
w = 0,2
0,821
1,02
1,16
1,36
1,51
1,62
1,84
2,02
2,27
0,881
0,797
0,745
0,671
0,622
0,585
0,523
0,483
0,432
w = 0,4
0,832
1,04
1,19
1,40
1,56
1,69
1,95
2,15
2,46
0,849
0,781
0,726
0,649
0,598
0,559
0,495
0,453
0,399
При выбранных значениях нормированные значения элементов определяются
из соотношений [23]:
(2.8)
Истинные значения
элементов рассчитываются по формулам:
(2.9)
Пример 2.3. Рассчитать элементы трансформатора импедансов (рис. 2.3) при w = 0,2, = 20 и предназначенного для
работы в FM диапазоне (88...108 МГц) на нагрузку 75 Ом.
Решение. Из таблицы 2.2 для = 20
найдем: = 2,02, = 0,483.
По формулам (2.8) определим: = 9,67, = 0,101. С учетом того, что == 3,75 Ом, а == 6.154·108 из
(2.9) получим: = 12,3 нГн, = 208 пФ,
= 58,9 нГн, = 43,7 пФ.
2.4. Фильтры высших гармонических составляющих
полосового усилителя
Выходные каскады полосовых
усилителей мощности работают, как правило, в режиме с отсечкой коллекторного
тока, так как в этом случае можно получить в нагрузке значительно большую
мощность, чем от каскада, работающего в режиме без отсечки, при одновременном
обеспечении более высокого коэффициента полезного действия [2, 3, 4, 9, 24].
Однако в этом случае сигнал на выходе усилителя оказывается не синусоидальным и
содержит в своем спектре высшие гармонические составляющие, приводящие к
большим внеполосным излучениям. В
соответствии с требованиями ГОСТ [28, 29], уровень любого побочного
(внеполосного) радиоизлучения передатчиков с выходной мощностью более 25 Вт
должен быть не менее чем на 60 дБ ниже максимального значения выходной мощности
радиосигнала. Указанное требование достигается установкой на выходах усилителей
мощности фильтрующих устройств, в качестве которых чаще всего используются
фильтры Чебышева (рис. 2.4) и фильтры Кауэра (рис. 2.5) [2, 3, 4, 30].
Рис.
2.4
Рис. 2.5
В таблице 2.3 представлены взятые из
[31] нормированные относительно и значения элементов
приведенных фильтров, соответствующие максимальному значению затухания в полосе
пропускания равному 0,1 дБ.
Таблица 2.3 –
Нормированные значения элементов
фильтров