МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ КПД УСИЛИТЕЛЬНОГО МОДУЛЯ ПРИ ОДНОЧАСТОТНОМ РЕЖИМЕ

АННОТАЦИЯ

Рассматривается схема анализа измерительного СВЧ усилителя, все каскады которого работают в режиме класса «А» при одночастотном входном сигнале. При регулировании напряжения питания  получены результаты измерения значения параметров данного СВЧ усилителя. Приведены и проаналируемы результаты экспериментального исследования СВЧ усилителя при постоянном и регулируемом напряжении питания оконечного каскада. При этом показано, что во втором случае можно поддержать повышение значения КПД усилителя при малой мощности входного сигнала. В статье при 2-х частотном режиме показан график значений уровня интермодуляционных искажений (ИМИ) 3-го и 5-го порядков в спектре выходного сигнала.

ABSTRACT

In this paper, a microwave-amplifier circuit is considered for analyzing and measuring. All stages of microwave-amplifier operate in class “A” with a single-frequency input signal. When changing the supply voltage , the results of measuring values were obtained. The results of an experimental study on microwave-amplifier with a constant and adjustable supply voltage the final stage are presented and analyzed. It is shown that in the second case, it is possible to support an increase in the amplifier efficiency value at a low input signal power. Besides, 3^nd and 5^th harmonics at the output of the amplifier, when there are two different frequencies at the input are also discussed.

Ключевые слова: СВЧ усилитель, одночастотный режим, КПД усилитель.

Keywords: microwave amplifier, single-frequency mode, efficiency amplifier.

Ведение. Настоящие спутниковые системы радиосвязи работают в режиме многофункционнального и многостанционного доступов, при которых в аппаратной части системы одновременно происходит усиление множества разных сигналов. Зачет этого для уменьшения влияния несущих колебаний все каскады в составе электронных устройств должны работать в линейных режимах или в режимах, близких к линейному. Например, СВЧ усилителей мощности, использованных в составе базовых радиостанций сотовых систем радиосвязи [1,2]. Иначе, в статье происходится оценка нелинейных искажений, вносимых усилителям в групповой сигнал, с помощью двухчастотного сигнала по уровню интермодуляционных составляющих 3-го и 5-го порядков в спектре выходного сигнала. Значения результатов эксперимента по повышению КПД СВЧ усилителя получены путём регулирования напряжения питания.

Экспериментальные характеристики СВЧ усилителя. Приведена экспериментальная проверка по обеспечении зависимости потребляемой мощности от изменения значений входной мощности СВЧ сигнала с помощью лабораторной измерительной установки, приведенной на рис.1.

Рисунок 1. Схема лабораторного измерительного СВЧ усилителя

Данный СВЧ усилительный модуль образован тремя каскадами на биполярных транзисторах. При этом в оконечном каскаде данного модуля используем транзистор производства НПО «Пульсар», работающий в нелинейном режиме с отсечкой коллекторного тока. Диапазон рабочих частот этого транзисторного СВЧ усилителя примерно в пределе 1,5…1,62 ГГц [3]. Далее приведены результаты измерений параметров и построенных на их основе характеристик трехкаскадного СВЧ усилителя на биполярных транзисторах. Конкретно, результаты измерения энергетических параметров измерительного модуля в одночастотном режиме представлены в таблице 1. Амплитудные характеристики, построенные по данным табл.1, для выходной колебательной мощности , потребляемой мощности  = * и КПД = / в зависимости от мощности входного сигнала  при постоянном напряжении питания = 26 В приведены на рис.2.

Рисунок 2. Характеристики усилителя при = const

Таблица 1.

Результаты измерения параметров измерительного модуля

При необходимости снижать нелинейные искажения режим всех каскадов усилителя должен быть в классе «А», при этом режиме необходимо удержать постоянное значение мощности потребления вне зависимости от входной мощности сигнала.

СВЧ усилитель с управляемым напряжением питания. Суммарная входная мощность СВЧ усилителя не только в сотовой, но и в других системах радиосвязи меняется в широких пределах, зависящих от объема загрузки канала связи [4]. Поэтому мы желаем найти такой режим, при котором мощность потребления СВЧ усилителя снижалась бы с уменьшением входной мощности, и следовательно, КПД менялся бы в меньшем пределах, чем это показано на рис.2. Такой режим приводил бы к существенной экономии потребляемой мощности. В этой связи на испытательной схеме (рис.1) были произведены измерения параметры СВЧ усилителя путем изменения напряжения питания  в пределах от 16 до 26 В и сняты те же характеристики, что в предыдущем случае. Получены результаты измерения приведены на рис.3, в том числе и произведено измерение требуемых значений напряжения питания  в пределе от 16 до 26 В.

Результаты тех же измерений при автоматическом регулировании напряжения питания  выходного каскада в зависимости от входной мощности PВХ представлены в табл. 2, а соответствующие им характеристики - на рис.3.

Таблица 2.

Результаты измерения параметров при регулировании

Рисунок 3. Характеристики усилителя при = var

Зачет анализа полученных результатов и сравнения полученных графиков при двух случаях:  = const и  = var дает возможность сделать вывод о возможности повышения значений КПД усилительного модуля, близким к максимальному постоянному значению, при изменении уровня входной мощности PВХ в пределах от 8 до 10 дБ путем регулирования напряжения питания  оконечного каскада.

При исследовании того же СВЧ усилительного модуля в 2-х частотном режиме уровень интермодуляционных составляющих 3-го и 5-го порядков в спектре выходного сигнала получается значениями, не превышающими соответственно 16 дБ во всем диапазоне изменения значения входных сигналов. Иначе, возможность применения блока автоматического регулирования напряжения питания U0, чтобы поддерживать значениями КПД, близким к максимальному. Где значения уровня входных сигналов меняются в пределах от 7 до 8 дБ.

Итак, проведеное экспериментальное исследование дает возможность и целесообразность пользования блока автоматического регулирования напряжения питания  усилителя. При этом  происходит стабилизирование КПД усилителя и поддержание к оптимальным характеристикам СВЧ усилителя при изменении входной мощности.

а)                                                                      б)

Рисунок 4. Интермодуляционные искажения 3-го и 5-го порядков в спектре выходного сигнала: а) При постоянном напряжении питания; б) При регулировании напряжении питания

Заключение. Результаты выполненного экспериментального исследования свидетельствуют о возможности и целесообразности применения автоматического регулирования напряжения питания оконечного каскада усилительного модуля, что позволяет повышать КПД усилителя при изменении мощности входного сигнала и приблизиться к требуемым характеристикам.

Список литературы:

1. Алексеев О.В., Головков А.А., Дмитриев А.Я. Проектирование транзисторных радиопередатчиков с применением ЭВМ: Учеб. Пособие для вузов // Под ред. О.В. Алексеева. – М.: Радио и связь, 1987. – 392с.
2. Каганов В.И., Битюков В.К. Основы радиоэлектроники и связи: Учебное пособие для вузов. – 2 изд., стереотип. – М: Горячая линия – Телеком, 2012. – 542с.
3. Bahl I. Lumped Elements for RF and Microwave Circuits [текст] / I. Bahl // Artech House, 2003.
4. Добротворский Н.И. Теория электрических цепей [текст] / Н.И. Добротворский, 1989, “Радио и связь”.