МЕТОД УЛУЧШЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ УСИЛИТЕЛЬНОГО МОДУЛЯ

АННОТАЦИЯ

Рассматривается схема анализа трехчастотного СВЧ усилителя, все транзисторные каскады которого работают в нелинейном режиме при одночастотном и двухчастотном входном сигнале. При изменении напряжения питания  даны измерения значения КПД данного усилителя. Сравнение и анализ результатов эксперимента СВЧ усилителя при постоянном и регулируемом напряжении питания оконечного каскада. При одно или двухчастотном входном сигнале получено повышение значения КПД усилителя при малой мощности входного сигнала.

ABSTRACT

Analysis of a circuit with three-frequency microwave amplifier, in which all transistor stages operate in a nonlinear mode with input signal  which are single-frequency and two-separate frequency signal. When the input voltage  changes to give the efficiency values of this amplifier. We have compared and analyze the experimental results of the ultra-high frequency amplifier when the supply voltage is constant and can be adjusted to change at the end amplifier stage. With a single or two frequency input signal, the efficiency of the above amplifier increases when the input signal power value is small.

Ключевые слова: КПД усилитель, напряжение питания, нелинейный режим.

Keywords: efficiency amplifier, supply voltage, non-linear mode.

Современный усилительный модуль должен обладать двум основным требованиям: Во-первых, возможность одновременного усиления большого числа несущих колебаний при низком уровне интермодуляционных искажений; Во-вторых, постоянство КПД усилителя при изменении уровня входного сигнала в пределах 8-10 дБ и близкое к нулю потребление при отсутствии входного сигнала. При этом КПД должен быть по возможности максимальным. Характеристики такого "идеального" усилителя должны соответствовать рис.1,б. Два этих требования являются противоречивыми, поскольку обеспечение линейных свойств усилителя (1-е требование) реализуется обычно в так называемом классе "А", при котором потребление есть величина постоянная и, следовательно, КПД усилителя линейно уменьшается с уменьшением выходной мощности СВЧ сигнала.

Характеристики такого "реального" усилителя приведены на рис.1,а. В данной статье приведена оценка изменения КПД нелинейного усилительного модуля с помощью одночастотного и двухчастотного входного сигнала . Итог эксперимента можно делать вывод: КПД СВЧ усилителя может быть повышать путём регулирования напряжения питания.

Рисунок 1. Характеристики СВЧ усилителей

Выпускаемые различными фирмами СВЧ усилители линейного типа обладают характеристиками (рис.1,а), т.е. не отвечают первому требованию  технического задания. В этой связи необходимо было найти такое техническое решение, внести такие дополнительные изменения в СВЧ усилители линейного типа, при которых одновременно выполнялись бы два указанных требования. Это решение сводилось к реализации следующего предложения: одновременно с уменьшением мощности входного сигнала автоматически снижать напряжение питания мощного выходного каскада, т.е. уменьшать мощность потребления и тем самым добиться по возможности обеспечения постоянства КПД при изменении СВЧ выходной мощности (2-е требование). При этом характеристики СВЧ усилителя должны были без существенного ухудшения его линейных свойств предположительно приблизиться к требуемым (рис.1,б). Дальнейшие экспериментальные исследования были направлены на проверку правильности и реализуемости данного технического решения.

Приведена экспериментальная проверка по зависимости КПД от величин входной мощности СВЧ сигнала с помощью лабораторной измерительной установки, приведенной на рис.2.

Рисунок 2. Схема лабораторного измерительного СВЧ усилителя

Данный СВЧ усилительный модуль, приведенный подробно на рис.2, состоит из трех каскадов на биполярных транзисторах. Оконечный каскад образован транзистором, работающим в нелинейном режиме с отсечкой коллекторного тока. Предел диапазона рабочих частот этого СВЧ усилителя от 1,5 до 1,62 ГГц. Далее построен график результатов измерений КПД на выходе трехкаскадного СВЧ усилителя на биполярных транзисторах. Конкретно, график результатов измерения значений КПД измерительного усилительного модуля в одночастотном входном сигнале показан на рис.3, а график в двухчастотном входном сигнале показан на рис.4.  

Улучшение коэффициента полезного действия при одночастотном входном сигнале. КПД, измеренный на основе характеристик данного модуля, зависим от выходной колебательной мощности  и потребляемой мощности = * по формуле КПД = /. Итак, значения КПД, меняющиеся в зависимости от мощности входного сигнала  при постоянном напряжении питания = 26 В, показаны на рис.3,а. А значения КПД при регулировании напряжения питания в пределах 16-26 В показаны на рис.3,б.

Анализ полученных результатов (рис.3,б) позволяют сделать вывод о возможности поддержания КПД усилительного модуля, близким к постоянному значению, при изменении уровня входного сигнала  пределах 8-10 дБ путем регулирования напряжения питания  оконечного каскада. Таким образом, результаты выполненного экспериментального исследования свидетельствуют о возможности и целесообразности применения автоматического регулирования напряжения питания оконечного каскада усилительного модуля, что позволяет стабилизировать КПД усилителя при изменении мощности входного сигнала и приблизиться к требуемым характеристикам, приведенным на рис.1.1,б.

а) = const

б) = var

Рисунок 3. КПД при одночастотном входном сигнале

Улучшение коэффициента полезного действия при двухчастотном входном сигнале. КПД СВЧ усилительного модуля в двухчастотном режиме работы при напряжении питания оконечного каскада = 24В =const приведен на рис.4,а. КПД того же СВЧ усилительного модуля в двухчастотном режиме работы при регулируемом напряжении питания оконечного каскада  в пределах 16..26 В приведен на рис.4,б. Анализ полученных результатов эксперимента позволяет сделать следующие выводы: При =const мощность потребления СВЧ усилительного модуля на транзисторе практически неизменна при изменении мощности входного сигнала. Уменьшить мощность потребления и соответственно повысить КПД можно путем регулирования напряжения питания выходного каскада в пределах 16..26 В в зависимости от уровня мощности входного сигнала.

При анализе экспериментальных результатов и сравнения полученных графиков при двух случаях:  = const и  = var дает возможность сделать вывод о возможности повышения значений КПД усилительного модуля при изменении уровня входной мощности  в пределах от 8 до 10 дБ путем регулирования напряжения питания  оконечного каскада.

а) = const

б) = var

Рисунок 4. КПД при двухчастотном входном сигнале

Заключение. Экспериментальный процесс дает возможность и целесообразность пользования блока автоматического регулирования напряжения питания  СВЧ усилителя. При одночастотном или двухчастотном входном сигнале возможно повышать КПД усилителя при изменении мощности входного сигнала и приблизиться к требуемым характеристикам.

Список литературы:

1. Каганов В.И. Радиотехнические цепи и сигналы. Компьютеризированный курс. 4- е издание. - М:. Форум, 2018. 498с.
2. Нефедов Е. И. Устройство СВЧ и антенны: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. – М.: Издательский центр «Академия», 2009. - 384с
3. Hong Lancaster, Microstrip Filters for RF-Microwave Applications. Учебное пособие/ John Wiley & Sons, 2001. 482 p.