Исследование усилителя мощности радиочастотных колебаний с многофазным возбуждением Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Исследование усилителя мощности радиочастотных колебаний с многофазным возбуждением

Ключевые слова: импульсное суммирование мощности, многофазные ключевые каскады передатчиков.

В настоящее время при построении вещательных и связных радиопередатчиков по-прежнему актуально получение достаточно больших мощностей в диапазонах частот до 120 МГц, что требует обеспечения высокой энергетической эффективности тракта усиления мощности. Одним из наиболее известных способов построения высокоэффективных усилителей мощности является суммирование мощности нескольких активных элементов и применение ключевых режимов работы. Описан перспективный способ построения усилителя мощности с резонансной или фильтровой нагрузкой на основе импульсного сложения мощностей с использованием схемотехнического "горячего" резерва от нескольких усилительных приборов. Как показывают инженерные расчеты и натурное макетирование, такой способ построения усилителя мощности применим, как при полупроводниковом, так и при ламповом исполнении мощных каскадов усиления. Немаловажен и фактор высокой надежности усилителя мощности, в состав которого входят несколько поочередно работающих усилительных приборов, развязанных друг от друга временной диаграммой работы выходного каскада, задаваемой многофазным синтезатором радиочастот. Основным материалом статьи является теоретическое исследование оптимальных скважностей работы активных элементов и управляющих импульсов синтезатора радиочастот при импульсном суммировании мощности. Приведены результаты оптимизации скважности импульсов для двухтактной многофазной схемы по двум параметрам: на получение максимальной мощности усилителя, на максимальную чистоту выходного спектра и при их совмещении — на интегральные показатели (высокий КПД и одновременно низкий коэффициент высших гармоник). Для наглядности исследования выполнены двумя способами: спектральным и графическим и показана высокая точность совпадения результатов. Материалы данной статьи могут быть использованы при проектировании высоконадежных необслуживаемых радиопередатчиков с высоким КПД и многократным горячим резервированием диапазонов частот до 120 МГц.

Комаров С.Н., академик Международной академии связи, генеральный директор ООО "Радиовешртельные технологии", старший преподаватель кафедры "Радиооборудование и схемотехника" МТУСИ, [email protected]

Морозова А.П., студентка магистратуры МТУСИ, [email protected]

Для получения высокой мощности и одновременного увеличения надежности выходных каскадов, что особенно актуально для необслуживаемых радиопередатчиков работающих в отдаленных районах, предлагается принцип импульсного суммирования мощности. То есть, в выходном каскаде передатчика работают поочередно несколько активных элементов в импульсном режиме, отдавая в нагрузку импульсную МОЩНОСТЬ, которая в несколько pay превышает непрерывную, допустимую для данного активного элемента. И если использовать поочередную работу стольких активных элементов, какова скважность их работы, то мы получим в нагрузке непрерывную мощность, рапную импульсной мощности отдельного активного элемента. То есть в выходном каскаде реализуется временное (импульсное) суммирование мощности.

Побочным эффектом такого принципа суммирования является многократное увеличение надежности самого мощного каскада передатчика, где наиболее вероятны отказы. При выходе из строя одног о или нескольких активных элементов общая; мощность передатчика уменьшается на долю, которую отдавали в наг рузку эти активные элементы. Л сам передатчик остается работоспособным. То есть, имеет место линейная зависимость выходной мощности Неисправного радиопередатчика от числа оставшихся в работе активных элементов. Что сильно превосходит схемы выходных каскадов с непрерывным аналоговым суммированием мощности, где при выходе из строя одного активного элемента мощность передатчика падает в 4 раза.

Схема такого выходного каскада может быть реализована как на лампах, так и на транзисторах. При получении

больших мощностей, к примеру, в радиовещательных передатчиках имеет смысл рассмотреть работу выходного каскада с импульсным суммированием мощности на радиолампах, специально спроектированных для импульсной работы.

Возможно построение многофазных схем выходных каскадов как по однотактному, так и по двухтактному принципу.

Детальное изложение принципов многофазного суммирования мощности приведено на примере двухтактной двухфазной схемы (рис. 1), где рядом показаны основные временные зависимости. Возбуждение к такому каскаду поступает от синтезатора радиочастот в виде четырех последовательностей прямоугольных импульсов, сдвинутых но фазе относительно друг друга на половину периода выходной частоты. Импульсы анодных токов ламп питают выходной колебательный контур попеременно, чем обеспечивается работа на нагрузку четырех активных элементов в импульсном режиме, причем каждый из них работает со скважностью около четырех.

При возбуждении контура прямоугольными импульсами осциллограммы выходных импульсных токов выглядят так (рис. 2). Форма одного импульса описывается нижеследующим уравнением, исходя из условия равенства площадей синусоиды за половину периода и прямоугольника за длительность импульса т:

51П = /, х т (1)

Рис. 2. Осциллограммы токов при возбуждении контура прямоугольными импульсами

Рис. 4. Представление ступенчатого импульса в виде двух последовательностей

Необходимо разложить первую полученную периодическую последовательность прямоугольных импульсов в комплексный ряд Фурье. За начало отсчета времени взята середина импульса. Пусть длительность импульсов равна т, период следования импульсов равен Т, амплитуда импульсов равна А.

Как видно из осциллограмм выходных токов, скважность импульсов = 4 (для каждой лампы).

Спектр подученных прямоугольных импульсов очень широкий, так как большая часть энергии уходит на создание высших гармоник. Для увеличения КПД передатчика и улучшения чистоты спектра его выходного сигнала необходимо, чтобы как можно большая энергия тратилась па первую гармонику. Этого можно добиться проведя оптимизацию длительности возбуждающих импульсов и перейти от прямоугольной формы к ступенчатой. Поиск оптимального значения будет вестись при возбуждении контура именно ступенчатыми импульсами (рис. 3) путем изменения значения скважности

Рис. 3. Осциллограммы токов при возбуждении контура ступенчатыми импульсами

Первый вариант оптимизации (спектральный)

Для проведения оптимизации гю чистоте спектра необходимо разложить выходной сигнал на спектральные составляющие. Ступенчатый выходной сигнал можно представить в виде двух противоположных по знаку последовательностей, сдвинутых на половину периода:

Т ч

-0.5т 0 0.5т

Рис, 5, Последовательность прямоугольных импульсов

Коэффициенты комплексного преобразования Фурье для периодической функции /(/) определяются по формуле:

(2)

Для последовательности прямоугольных импульсов выражение принимает следующий вид:

" т *-тЛ

-2/лпг} , 2 А

% -

2А ш

У ян 1}

71т\

Т ) _2Ат

2А . (тт'] _ 2Ат

лиг Т

пт

■ 5111 С -

Г I т

где зтс(х) - нормированная функция, определяемая следующим соотношением:

' мл(ля)

5ШС(х) = 4 ,

1*п

1=0

И)

Для первой последовательности нормированные коэффициенты разложения в ряд Фурье (амплитуда А = 1), в зависимости от длительности импульса, выглядят так:

2т (ягЛ

=--8Ш(Л -

Т \Т)

(5)

Вторая последовательность прямоугольных импульсов является отрицательной по отношению к первой и сдвинута относительно неё на половину периода. Тогда выражение для коэффициентов разложения в ряд Фурье будут выглядеть следующим образом:

2 (А ( - 2] ту С„ =— А- ехр—-—-" Т1'А Ч. Т

'-/лгп(Т+ г)

2 А

7ТП

ехр

— ехр

2 }тт I Т ) -]тгп(Т-т)

1Г+ГХ_

2А , ■ , - —-ехр(-/л-«)

ЯП

ехр

щ

-]ппт

У

= — -ехр(-уш?) ли

ехр

]71ПТ

Ы^т1)

У

= — ехр(-уяУ7)-5Н1 кп

2 Ат

ехр (-/ли) ■

япт~\

~

. (яптЛ

шН_

Л>1Т

т

2 А г Т

ехр(—7 ли) -вш а

игЛ

(6)

Для второй последовательности нормированные коэффициенты разложения в ряд Фурье (амплитуда Л = 1), в зависимости от длительности импульса, выглядят так:

-2т , . . . (пт} (7)

' ехр(-у'/7») ■ 5111 с|

_ л1с;(т) + С;(т) + ...+С~{т) кг ~---

(9)

А так же можно рассчитать коэффициент главным образом определяющий КПД усилителя, т.к. он отражает преобразование постоянной энергии в энергию полезной первой гармоники:

С'./ (10)

=

С\

Й|(т) - К:(т), а так же коэффициента первой гармоники выходного сигнала в зависимости от скважности импульсов О €1(1) (рис. 6). Предел изменения скважности выбран более широким (оптимальное значение лежит в пределах С2 = 4.. ,6) для того, чтобы полностью видеть поведение кривых.

Таблица I

Т с„ с, С, С, С, с. С„ с? С„ с, с,и с„

1,396 0 0,818 0 0.368 0 -0.087 0 -0,179 0 0 0 0.114

1,478 а 0,858 0 0.339 0 ■0.134 0 -0,163 0 0,051 0 0,111

1,571 и 0,9 0 0,3 0 ■0,18 0 -0,129 0 0,1 0 0,0£2

1,676 и 0,946 0 0,249 0 -0,221 0 -0,074 0 0.135 0 0,024

1,795 0 0,995 0 0,184 0 -0,248 0 0 0 0,138 0 -0,05

1,933 о 1,048 0 0,102 0 ■0,253 0 0,085 0 0.094 0 -о.1оя

2,094 о 1,103 0 0 0 -0,221 0 0,185 0 0 0 -0,1

2,285 0 1,158 0 -0,12 0 -0,138 0 0.18 0 -0,107 0 0

2,513 0 1,211 0 -0,249 0 0 0 0,107 0 -0,135 0 0.11

2.793 0 1,254 0 -0,363 0 0,164 0 -0,062 0 0 0 0,04

3,142 и 1,273 0 -0,424 0 0,255 0 -0,182 0 0,141 0 -0.116

3,59 0 1,241 0 -0,332 0 0,11 0 0 0 -0,061 0 0,09

4.189 () 1.103 0 0 0 -0,221 0 0,158 0 0 0 -0,1

Коэффициенты разложения в ряд Фурье для выходного спектра сигнала представляют собой сумму коэффициентов для двух рассмотренных последовательностей (5,7):

с„(г) = с;,(г)+с;(г) (8)

Зная коэффициенты разложения ступенчатого импульса можно рассчитать коэффициент высших гармоник по формуле:

Результаты расчетов представлены в виде таблицы, где с помощью изменения длительности импульса в пределах скважности О = 3...9 (а, следовательно, и необходимой скважности импульсов синтезатора частоты ч), получены значения первых двенадцати коэффициентов разложения ступенчатого импульса в ряд Фурье (таблица I), коэффициент высших гармоник (по первым 11 гармоникам), а так же КПД {табл. 2). Для наглядности представлены графические зависимости коэффициента высших гармоник К,(т), КПД д^т), кривая оптимизации одновременно и по КПД и по гармоникам (определение максимального раскрыва "глаза")

Таблица 2

т 0 У К, В1

1,3% 9 4,5 0,529 1,841

1,478 8,5 4,25 0,487 1,823

1,57) 8 4 0,438 1,801

1,676 7,5 3,75 0,388 1,774

1,795 7 3,5 0,344 1,742

1,933 6,5 3,25 0,305 1,703

2,094 6 3 0,262 1,654

2,285 5,5 2,75 0,24 1,592

2,513 5 2,5 0,266 1,514

2,793 4,5 2,25 0,326 1,411

3,142 4 2 0,438 1,273

3,59 3,5 ¡,75 0,295 1,086

4,189 3 1,5 0,262 0,827

Рис. 6. Зависимости исследуемых параметров от скважности импульсов

Из графиков видно, что кривая коэффициента высших гармоник К,(т) имеет минимум в диапазоне О = 5...6. Этот минимум - оптимальное значение скважности для достижения максимальной чистоты спектра. Точное значение скважности можно определить, приравняв к нулю первую производную:

—Жг(т) = 0 сгт

(И)

При этом длительность импульса равна г = 2,265. Тогда оптимальная скважность (2:

д = 277 г = 4тг/ 2,265 = 12,566/2,265 = 5,549 (12)

Оптимальная скважность импульсов для синтезатора частоты I] в этом случае составляет:

С! = Т/т = 2яг / 2,265 = 6,283 / 2,265 = 2,774 (13)

Осциллограммы выходных токов при полученной скважности:

11 '

- 0.3

о!

- 0.2 —0.4 -0.6 -0.8 -1

п

/ \ м ■1 \

1 \

1 1 1 1 1

1 1 г-

_ \ г— 1

\ ! \ ( 1 1 1

\ 1 1 { 1

\ / / \ / \ /

Рис. 7. Осциллограммы токов при скважности, оптимизированной на чистоту спектра

Если при проектировании усилителя стоит задача получения максимальной мощности, то необходимо ориентироваться па кривую изменения первой гармоники ступенчатого импульса С|(т) в зависимости от скважности. Максимум первой гармоники достигается при значении скважности 0 = 4 (Однако при этом имеет место и максимум побочных гармонических составляющих в спектре сигнала). Это и есть оптимальное значение для решения поставленной задачи. При этом синтезатор частоты должен выдавать последовательности импульсов со скважностью q = 2. Осциллограммы выходных импульсных токов будут выглядеть так же, как при возбуждении контура прямоугольными импульсами (рис. 2).

Если при проектировании усилителя стоит задача получения одновременно высоких КПД и частоты спектра, то необходимо найти значение скважности, при которой достигается максимальный раскрыв "глаза" между двумя кривыми К, и §1. Для наглядности па графике (рис.6) приведена кривая разности gl - Кг максимум которой и указывает на оптимальное значение скважности в этом случае. Однако максимум является достаточно плоским и лежит в диапазоне скважности О = 6...7,25. Точное значение пика можно определить, взяв производную:

ат

(14)

Рис, 7. Осциллограммы токов при скважности, оптимизированной одновременно на высокий К]Щ и минимальный коэффициент высших гармоник

Второй вариант оптимизации (графический)

Графически определить длительность импульса, при которой достигается минимум коэффициента высших гармоник, можно определить при помощи сведения трех «крайних» выступающих площадей за четверть длительности синусоиды к минимуму (рис. 8). Так как площадь, выступающая за пределы синусоиды, вызывает появление дополнительных составляющих в выходном спектре сигнала. Математически форма импульса описывается следующей системой уравнений:

5т хс/х = /, • г

(17}

Г-

51П 2-1,

При этом длительность импульса равна т = 1,852. Тогда оптимальная скважность (}:

О = 2Г/г = 4гг/1,852= 12,566/ 1,852 = 6,785 (15)

Оптимальная скважность импульсов для синтезатора частоты я в этом случае составляет:

<7 = 777 = 2*/ 1,852 = 6,283 / 1,852 = 3,393 (16)

Осциллограммы выходных импульсных токов:

Рис. 8. графический способ нахождения минимума коэффициента высших гармоник

Сумма Б указанных на рис. 8 трех площадей в зависимости от значения у и г математически описывается следующим образом (с учетом (17)):

15т(х)£]х + - у)- + ^вЦ^Л-У, ■('/?"-}

(18)

Построив на объемном [рафике данную зависимость можно, путем уточнения диапазона изменения у и г, определить минимум. Рядом, для удобства показа]¡а карта уровней поверхности, соответствующей выбранному диапазону из-

Литература

1. Комаров С. Средневолновый радиовещательный синтезатор частоты // Радио, 2012. №9. - С. 19-22; №10. - С. 21-23.

2. Комаров С.Н.. Тертышникова A.B. Разработка и исследование многофазных синтезаторов радиочастот с мощным выходом // VII отраслевая научная конференция «Технологии информационного общества» / Программа научно-методических секций. - М.: МТУСИ, 2013.

3. Комаров С.Н„ Морозова А.П, Исследование усилителя мошности радиочастотных колебаний с многофазным возбуждением // Труды северо-кавказского филиала московского технического университета связи и информатики. - Ростов-на-Дону: СКФ МТУСИ, 2013.

4. Колюров С.Н. Маломощный радиовещательный передатчик на базе синтезатора. - С.9-1449-1800. Iiüp://w ww.cqf.su/technics5-2а. html, www.cqf.su/technics5-2b.litml,wwvv.cqf.su/technies5-2c.html.

5. Комаров С.Н. Генератор двух образцовых частот для синтезаторов радиовещательных передатчиков // Радио, 2014, №6, - С, 23-25.

Research of the amplifier of power of radio-frequency fluctuations with multiphase excitement

Komarov S.N., Academician of the International Telecommunication Academy, Director of the Radio Broadcasting technologies lid., "Radio Equipment and Circuitry" chair MTUCI, [email protected] Morozova A.P., student of a magistracy of MTUCI, e-mail: [email protected]

Abstract

Now at creation of broadcasting transmitters still actually receiving enough big capacities that demands ensuring high power efficiency of a path of strengthening of power. One of the most known ways of creation of highly effective amplifiers of power is application of key operating modes. In the report the perspective way of creation of the amplifier of power is discussed with resonant or filter loading on the basis of pulse addition of capacities from several intensifying devices. As show engineering calculations and natural prototyping, such way of creation of the amplifier of power is applicable, both at semiconductor, and at lamp execution of powerful cascades of strengthening. The factor of high reliability of the amplifier of power into which structure enter a little serially working intensifying devices is important also. As results of optimization of porosity of impulses are presented in the report for the duple multiphase scheme on obtaining the maximum power of the amplifier, on the maximum purity of an output range and on integrated indicators (high efficiency and at the same time low coefficient of high harmonicas).

Keywords: pulse summation of power, multiphase key cascades of transmitters.

References

1. Komarov S.N. Medium wave broadcast frequency synthesizer / Radio, 2012. No9. pp. 19-22; No10. pp. 21-23.

2. Komarov S.N., Tertyshnikova AV. Development and research of multi-phase radio frequency synthesizer with a powerful output / VII Industrial Scientific Conference "Information Society Technologies" / program of scientific and methodological sections. Moscow: MTUCI ,2013.

3. Komarov S.N., MorozovAR Investigation of RF power amplifier with multi-phase oscillation excitation / Proceedings of the North Caucasian branch of the Moscow Technical University of Communications and Informatics. Rostov-on-Don, 2013.

4. Komarov S.N. Low-power broadcasting transmitter based synthesizer. R9-1449-1800. http://www.cqf.su/technics5-2a.html, www.cqf.su/technics5-2b.html, www.cqf.su/technics5-2c.html.

5. Komarov S.N. Two model generator frequency for the synthesis of tori / Radio broadcast transmitters, 2014, No6. pp. 23-25.