Тема: Широкополосные согласующе-фильтрующие цепи усилителей класса F

При разработке и проектировании современных приемо-передающих систем коммерческого и военного назначения постоянно ужесточаются требования к их экономичности и эффективности. Это в том числе означает, что требуется постоянно уменьшать энергопотребление и увеличивать рабочую полосу частот при одновременном снижении веса, уменьшении габаритов и повышении надежности аппаратуры. Разработчики, проектирующие новые телекоммуникационные системы передачи, должны одновременно удовлетворять этим противоречивым требованиям.
Из вышесказанного следует, что снижение энергопотребления и повышение КПД становятся одними из наиважнейших задач при проектировании приемо-передающей аппаратуры, решение которых позволит значительно уменьшить вес элементов питания, обеспечить тепловой режим элементов, а так же улучшить массогабаритные показатели и надежность радиоэлектронной аппаратуры.
Анализируя современные радиопередающие системы можно сделать вывод, что наибольшее количество энергии потребляют выходные каскады передатчиков, поэтому создание усилителей с высокой эффективностью является актуальной задачей. Для её решения необходимо совершенствовать режимы работы усилителей мощности. Одним из действенных способов повышения эффективности усилителя мощности является применение «ключевых» режимов работы.
Ключевые устройства в свою очередь делятся на классы, такие как D, E, F и др. В данной работе будут исследованы широкополосные согласующе- фильтрующие усилители класса F, так как усилительные устройства, работающие в этом классе, стали очень актуальны в последнее время.
В «ключевых» режимах работа активного элемента подобна обычному ключу, который замыкает или размыкает электрическую цепь. Если на рабочей частоте можно пренебречь влиянием реактивностей схемы, и сопротивление активного элемента в открытом состоянии близко к нулю, а в закрытом стремится к бесконечности, то потери мощности в нём полностью отсутствуют, так как в любой момент времени на активном элементе отсутствует либо напряжение, либо через него не протекает ток.
Минимальное сопротивление активного элемента в открытом состоянии обеспечивается, если он работает в режиме насыщения, то есть при большом входном сигнале. Если же сигнал на входе меняется по амплитуде, то при постоянном напряжении питания обеспечение режима насыщения и соответственно ключевого режима, становится невозможным. Поэтому в ключевом режиме возможно усиление лишь сигналов с постоянной амплитудой, т.е. сигналов с частотной, фазовой или импульсной модуляцией. При наличии изменяющейся амплитуды сигнала приходится применять преобразование исходного сигнала в промежуточную форму с постоянной амплитудой и последующим восстановлением с помощью линейных, или нелинейных операций.
Поскольку промышленный КПД передатчика определяется в основном КПД его оконечных устройств , то проблема во многом сводится к поиску методов энергетического совершенствования оконечных усилителей мощности (УМ) передатчиков, где, в свою очередь, основная часть потерь, как правило, связана с рассеянием мощности в электронных приборах (ЭП). Радикальным способом решения задачи является применение в УМ ключевых режимов работы, когда ЭП практически находится попеременно только в двух состояниях - либо полностью открыт, либо закрыт, - что достигается увеличением амплитуды возбуждающего колебания. В идеальном случае, когда сопротивление ЭП в открытом состоянии стремится к нулю, а в закрытом - к бесконечности, и отсутствуют паразитные реактивности, мощность в нем вообще не рассеивается, поскольку в любой момент времени либо напряжение на ЭП, либо ток через него равны нулю. Таким образом, перевод УМ в ключевой режим позволяет повысить его КПД, а в отдельных случаях - и выходную мощность, так как последняя может быть ограничена в первую очередь именно рассеянием мощности в ЭП. Ключевые УМ могут работать с колебаниями, имеющими постоянную амплитуду, например с частотной (ЧМ) или с широтно-импульсной (ШИМ) модуляцией, еще они пригодны для осуществления амплитудной модуляции на выходном электроде ЭП. При всей теоретической выгоде использования ключевых УМ до недавнего времени они не находили широкого применения в радиовещательных передатчиках, причиной чему было главным образом несовершенство ЭП.


Купить

Проведен обзор известных схем и режимов ключевых УМ и рассмотрена существующая их классификация. Показано, что она является неполной и имеет методологические недостатки, приводящие к терминологической путанице. В качестве критерия классификации ключевых УМ предложена идеализированная форма импульсов тока ключа и напряжения на ключе. На базе этого критерия разработана новая, методологически более стройная классификация. Ожидается, что она будет способствовать как устранению путаницы, так и лучшему пониманию различных ключевых УМ и их мест в радиоэлектронике. Выделено пять основных классов ключевых УМ - D, F, F2, Е и Е2. Исходя из этого присвоены обозначения классам гибридных УМ - DE, FE, (FE)2, F2E, - которые представляют собой усовершенствования усилителей основных классов. По итогам проведенного обзора наиболее перспективными для использования в качестве оконечных каскадов вещательных СЧ передатчиков представляются усилители классов FE и DE, сочетающие в себе преимущества УМ классов F, D и Е. Так, в усилителях класса FE исключен главный недостаток их аналогов класса F - коммутативные потери. При этом пик-фактор напряжения на ключе минимален, а пик-фактор тока - ниже, чем в классе Е. В усилителях класса DE (с резистивной нагрузкой), можно ожидать устранения недостатков УМ класса D - коммутативных потерь и низкого КПД по первой гармонике. Важно отметить и простое, притом бестрансформаторное, построение выходных цепей усилителей классов FE и DE. В данной работе все четыре усилителя исследуются с единых позиций. задачами являлись: а) Исследование работы усилителей в режиме ПННТ на фиксированной частоте. Определение электрических и энергетических характеристик, сравнение с другими УМ по частотно-мощностным свойствам. б) Исследование работы усилителей в диапазоне частот. Разработка мер поддержания высокой энергетической эффективности усилителей во всем вещательном диапазоне. г) Исследование модуляционных характеристик (МХ) усилителей классов FE и DE при стоковой АМ.
Купить