Мощни радиочестотни усилватели

анализ на съвременно Състояние, проблеми и переспективи за приложение на радиочестотниТЕ усилватели

1.1. Обзор и развитие на радиочестотните усилватели

Бурното развитие и приложение на безжичните комуникационни системи в съвременния бит непрекъснато разширява спектъра на все по-разнообразни изисквания към тях - конструктивни, експлоатационни технико-икономически. Актуален проблем продължава да бъде необходи­мост­та от намаляване на консумираната енергия при запазване и дори подобряване качеството на изходните параметри на устройството. Сложната инженерна задача за рационално и пределно оптимизирано използване на наличната енергия е от първостепенна важност за осигуряване на мобилността и надеждността на устройствата, изграждащи съвременните безжични комуникационни системи и все по-разнообразните услуги, базирани на тях. Тази оптимизация неизбежно е насочена към:

·        повишаване коефициента на полезно действие

·        увеличаване на надеждността във всичките ѝ аспекти

·        намаляване геометричните размери и масата на устройствата;

·        намаляване себестойността на устройствата;

Естествено, значителен дял от цялостната загуба на енергия в безжичните комуникационни модули, се дължи на загубите в мощните радиочестотни усилватели. Доказано е по категоричен начин [000], че всички практически решения за значително подобряване на КПД при високите радиочестоти минават през управление на усилвателите по начин, по който активните елементи в тях работят в режим на електронен ключ, превключващ с честотата на носещото трептение. Високата ефективност при тези режими е от решаващо значение при крайните стъпала на радиокомуникационните устройства.

Особено актуално е повишаването на ефективността на съвременните портативни радиокомуникационни средства, при което е важно намирането на инженерни решения, подобряващи съотношенията между размера, теглото и капацитета на батерията, конструктивните размери и плътността на монтажа, температурния режим и надеждността.

Интензивното развитие на безжичните комуникации и все по масовото търсене и използване на този вид услуги дава значителен тласък на разнообразни, но целенасочени научно-изследователски дейности върху ключовия тип мощни радиочестотни усилватели. Тези изследвания водят до много по-прецизни методи за проектиране и анализ на високоефективни радиочестотни усилватели, като разбира се, за това допринасят в огромна степен и висококачествените специализирани софтуерни компютърни програми. Благодарение на тези технологични достижения, комуникацион­ните устройства могат да бъдат не само предварително виртуално конструирани, процесите в тях да бъдат симулирани и подробно изследвани, но и да бъде предварително известно тяхното поведение в детайли при най-разнообразни условия, при които предстои да работят самите устройства, след като бъдат физически реализирани. Използването на тези възможности води до значително снижаване себестойността на телекомуникационните изделия, като същевременно подсигурява много високо качество на физическото им изпълнение.

Актуалността на темата е и в това, че тя е насочена освен към нови  теоретични разработки за анализиране и изследване на загубите, обусловени от нежелателните явления в усилвателя, така също и към създаване на систематизирани инженерни методики за приложно качествено проектиране на високоефективни усилватели в оптимален режим.

В тази глава ще бъде направен сравнителен анализ на съвременната ситуация на изследвания, подобрения и практическо приложение на различните класове усилватели, работещи в радиочестотния диапазон. Според режима на работа на активния елемент, мощните радиочестотни усилватели са разделени на две големи групи: като зависим източник на ток или като електронен ключ, превключващ с честотата на носещото трептение.

Последователността на проектиране на радиочестотни усилватели, предназначени да работят в определени режимни класове има известни различия и специфики, но необходимите изходни величини, от които започва този процес се свеждат до:

·        Основна честота, за която се проектира усилвателят, [MHz, GHz];

·        Желана изходна радиочестотна мощност, [W, dBm];

·        Захранващо напрежение, [V];

·        Товар, [Ω];

·        Качествен фактор на товарния резонансен кръг [-] или

·        Честотна лента [kHz, MHz]

1.                Режимни класове на работа на активния елемент като зависим (управляем) източник на ток.

В литературата за тези режимни класове са утвърдени означенията A, B, AB, и C. За да може да бъде използвано свойството на активния елемент да работи като управляем източник на ток, режимните параметри на схемата се подбират така, че ъгълът на проводимост θ е да бъде от 360° (при клас А) до <90 span="">C).

В тази глава ще бъде направен сравнителен обзор на режимните класове радиочестотни усилватели на мощност от гледна точка на тяхната енергийна ефективност и типичните за всеки един от тях, утвърдени в практиката приложения.

·                 Режим на работа клас A

Усилвател в режим клас А е линеен усилвател, който има ъгъл на проводимост от 360°, което означава, че транзисторът в този клас е включен и провежда сигнала през целия синусоидален период. Принципна схема на такъв усилвател е показана на фиг.1.1.

Фиг. 1.1. Принципна схема на мощен РЧ усилвател клас А

 Електроенергийните съотношения на параметрите на усилвателя, характерни за този режимен клас във вид на ефективни или моментни стойности са:

Постоянен ток от захранващия източник:

(17) ,

(1)

Активно съпротивление на усилвателя по отношение на захранващия източник:

,

(2)

Постояннотокова захранваща мощност:

,

(3)

Ефективна стойност на изходната радиочестотна мощност, отдавана в товара за основната честота:

,

(4)

която достига максималната си стойност при :

,

(5)

Активна загубна мощност, разсейвана в транзистора без мощността управляваща гейта:

,

(6)

която достига максималната си стойност при    :

,

(7)

и минимална стойност при  :

,

(8)

Дрейновият коефициент на полезно действие на радиочестотен усилвател на мощност клас А за основната честота е:

(9)

Теоретичният, абсолютно максимален дрейнов коефициент на полезно действие на мощен радиочестотен усилвател клас А за основната честота е:

(10)

В действителност полевият транзистор работи като управляем източник на ток само в областта над минималното си напрежение дрейн-сорс:

,

(11)

поради което максималната амплитуда на променливотоковата съставка на напрежението дрейн-сорс ще бъде:

,

(12)

а същинският максимален дрейнов коефициент на полезно действие:

(13)

Коефициентът на използване на захранващата мощност на радиочестотен усилвател на мощност клас А за основната честота е:

,

(14)

където, при условие, че амплитудите на тока и напрежението на изхода на усилвателя са равни съответно на стойностите на тока и напрежението от захранващия източник, максималният дрейнов ток е:

,

(15)

а максималното напрежение дрейн-сорс е:

,

(16)

В случаите, когато работната честота се отличава от резонансната, се получава дефазиране между дрейновия ток и напрежението дрейн-сорс, при което мощността отдадена на дрейна има вида:

(17)

Мощността управляваща гейта е:

(18)

Коефициентът на усилване по мощност се получава като частно от равенствата (4) и (19), т.е.:

(19)

където,  е активното съпротивление на гейта, а  е фазовата разлика между входния ток и напрежението гейт-сорс.

а)                                     б)

Фиг. 1.2. Вълнови форми на напрежението дрейн-сорс и дрейновия ток на мощен РЧ усилвател: а) клас А и б) класове B, C, AB (двутактна схема)

Повечето от усилвателите на малък сигнал са проектирани в този клас благодарение на своята непретенциозност и простота при конструиране, както и на практически най-добрата линейност между всички класове усилватели. Поради твърде широкия ъгъл на проводимост, усилвателите в режим клас А имат най-ниска ефективност (теоретичният максимален коефициент на полезно действие е 50%) в сравнение с всички останали класове. Консумацията на постояннотокова мощност не зависи от амплитудата на изходния сигнал. Липсата на хармоници в процеса на усилване позволява клас А да се използва при честоти, близки до горната гранична честота на транзистора, въпреки че ефективността е ниска. По тези причини радиочестотните усилватели от клас А се използват обикновено в приложения, изискващи малка мощност, висока линейност, високо усилване, широколентова работа или работа във високочестотния диапазон. Те са подходящи за приложение в устройства, при които сигналът съдържа AM - амплитудна модулация или комбинация от амплитудна и фазова модулация (SSB, телевизионни видео носители, QPSK, QAM, OFDM). Вълновите форми на напреженията и токовете на усилвател клас А са показани на фиг.1.2.а.