HELLORADIO.RU — интернет-магазин средств связи
EN FR DE CN JP
QRZ.RU > Каталог схем и документации > Схемы наших читателей > Усилители мощности > Расчет согласующего трансформатора выходного каскада усилителей мощности

Расчет согласующего трансформатора выходного каскада усилителей мощности

Расчет согласующего трансформатора выходного каскада усилителей мощности

Титов Александр Анатольевич
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Россия, 634050, Томск, пр.. Ленина, 40
Тел. 51-65-05
E-mail: titov_aa (at) rk.tusur.ru

(Радиомир, 2004, № 11)

Скачать статью в одном файле

Традиционно для согласования сопротивления антенно-волноводного тракта RA 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

Еп - рекомендуемое напряжение источника питания транзистора, справочная величина [5];
Рвых. макс. - максимальное значение выходной мощности, отдаваемой транзистором, справочная величина;
Uнас- 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

Ктр

Параметр

W =1.3

W=1.5

W=1.7

W=2

W =3

2

C1н
L2н
L3н
С4н
КСВ

2.2622
1.44
0.6577
0.4869
1.016

2.3209
1.4136
0.6596
0.5036
1.02

2.4124
1.3755
0.6628
0.5294
1.025

2.458
1.5042
0.6442
0.5141
1.03

2.9987
1.5238
0.6319
0.6211
1.08

3

C 1н
L 2н
L 3н
С4н
КСВ

2.5204
0.9654
0.6954
0.6135
1.017

2.6496
0.9321
0.6939
0.6483
1.026

2.7598
0.9035
0.6841
0.677
1.035

2.8339
0.9539
0.6654
0.6815
1.05

3.6424
0.9482
0.6023
0.8648
1.14

4

C 1н
L 2н
L 3н
С4н
КСВ

3.094
0.6253
0.6993
0.7712
1.02

3.0949
0.6615
0.69
0.7737
1.031

3.3004
0.6303
0.6722
0.8246
1.05

3.5347
0.6458
0.6502
0.8858
1.07

4.6103
0.6308
0.5349
1.142
1.24

6

C 1н
L 2н
L 3н
С4н
КСВ

3.7627
0.4503
0.6804
0.9019
1.022

3.8857
0.4514
0.6638
0.9367
1.037

4.2901
0.4193
0.6324
1.0288
1.07

4.3142
0.4551
0.6055
1.0543
1.095

6.1411
0.4277
0.4456
1.5308
1.39

8

C 1н
L 2н
L 3н
С4н
КСВ

4.5215
0.3439
0.6556
1.0207
1.024

4.5811
0.3547
0.6377
1.0529
1.046

5.112
0.3265
0.5977
1.1686
1.09

5.6339
0.3168
0.5445
1.307
1.14

7.8383
0.3176
0.3719
1.9414
1.47

10

C 1н
L 2н
L 3н
С4н
КСВ

5.0886
0.292
0.6371
1.0968
1.028

5.2296
0.2963
0.6147
1.1487
1.053

5.8544
0.2717
0.569
1.2816
1.11

6.5144
0.2609
0.5085
1.4603
1.18

8.5744
0.2827
0.3454
2.1252
1.86

15

C 1н
L 2н
L 3н
С4н
КСВ

6.6792
0.2058
0.5926
1.2785
1.032

6.919
0.2063
0.5618
1.3607
1.068

7.9079
0.1859
0.5035
1.5598
1.13

8.9137
0.1781
0.4301
1.8465
1.3

11.6087
0.2064
0.2673
2.8525
2.28

20

C 1н
L 2н
L 3н
С4н
КСВ

7.8947
0.1674
0.5637
1.3942
1.037

8.9337
0.1513
0.5122
1.5752
1.082

10.4176
0.1342
0.4429
1.8632
1.19

11.8332
0.13
0.3615
2.2857
1.45

13.6744
0.1716
0.2305
3.3523
2.53

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 RA=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).

Рис.5. Принципиальная схема усилителя

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.


Другие схемы в этом разделе

Расчет полосовых усилителей мощности УКВ диапазона Расчет элементов высокочастотной коррекции усилительных каскадов на биполярных транзисторах

Партнеры