6. Назначение и требования, предъявляемые к усилителям мощности и согласующим устройствам

Мощность радиосигналов, сформированных в возбудителе, обычно измеряется единицами или десятками милливатт. Дальнейшее усиление радиосигналов до номинальной мощности радиопередатчика, измеряемой десятками и сотнями ватт, происходит в усилительном тракте, который состоит, как правило, из нескольких соединенных последовательно каскадов усиления. Последний каскад усилительного тракта, обеспечивающий необходимую мощность в антенне и определяющий энергетические показатели передатчика в целом, называется выходным или оконечным каскадом передатчика. Каскады усиления мощности, включенные между возбудителем и выходным каскадом, принято называть промежуточными.

Независимо от конструкции и места включения усилительных каскадов к ним предъявляются следующие общие требования:

• обеспечение заданной выходной мощности во всем диапазоне частот передатчика;

• высокая линейность («неискаженность») усиления радиосигналов;

• возможно более высокий КПД;

• заданная степень фильтрации побочных колебаний, возникающих в процессе усиления радиосигналов;

• малое время перестройки, устойчивость в работе, простота в эксплуатации и др.

Перечисленные требования к усилителям достигаются в общих чертах следующим.

О беспечение заданной мощности в нагрузке усилителя обеспечивается выбором усилительного элемента (УЭ) и его режимом работы. В качестве активных УЭ широко используются электронные лампы (триоды, тетроды и пентоды) и транзисторы. В тех случаях, когда требуемая мощность не может быть обеспечена одним УЭ, применяют двухтактное включение или параллельное включение нескольких УЭ.

Л

Рис. 2.13

инейность усиления зависит от положения рабочей точки на проходной характеристике УЭ. Под проходной характеристикой понимается график зависимости тока в выходном электроде УЭ ( ) от напряжения на его входном электроде ( ) при постоянных значениях напряжений на других электродах. На рис. 2.13 представлена типовая проходная (анодно-сеточная) характеристика пентода при постоянных напряжениях

на аноде ( ) и экранирующей ( ) сетке. Линейность усиления зависит также от сопротивления нагрузки усилителя. Существует оптимальное сопротивление нагрузки усилителя , при котором колебательная мощность на выходе усилителя максимальна. Если же , колебательная мощность уменьшается, а УЭ переходит в резко нелинейный режим работы. Требование линейности усиления находится в противоречии с требованием увеличения КПД усилителя. Поэтому на практике принимают компромиссное решение, при котором нелинейные искажения усиливаемых сигналов незначительны, а КПД, хотя и не достигает возможной максимальной величины, но имеет достаточно высокое значение.

6.1. Согласующие антенные устройства радиопередатчиков

Согласующее антенное устройство (САУ) является выходным функциональным блоком ВЧ тракта радиопередатчика и устанавливается между антенной и оконечным усилителем мощности с целью повышения энергетических показателей последнего. От САУ существенно зависят КПД, время перестройки передатчика, удобство эксплуатации и др.

Входное сопротивление любой антенны носит комплексный характер (т. е. имеет активную и реактивную составляющие) и является функцией геометрических размеров антенны, ее конструкции и рабочей частоты колебаний, возбуждаемых в антенне. На рис. 2.14 показан возможный характер изменения активной ( ) и реактивной ( ) составляющих комплексного сопротивления антенны в зависимости от частоты излучаемых колебаний.

Поскольку подавляющее большинство УМ требует постоянного и активного сопротивления нагрузки, то основным назначением согласующего устройства является преобразование произвольного комплексного сопротивления передающей антенны в заданное активное сопротивление. Только в этом случае передача колебательной мощности в антенну будет максимальна.

Рис. 2.14. Характер изменения активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления антенны

Очевидно, что преобразование комплексного сопротивления антенны в чисто активное сопротивление эквивалента нагрузки возможно при выполнении следующих двух условий:

;

.

Таким образом, САУ должно обеспечить выполнение двух основных функций:

 компенсацию реактивной составляющей входного сопротивления антенны ;

 преобразование (трансформацию) активной составляющей входного сопротивления антенны в активное сопротивление , постоянное во всем диапазоне частот.

Для решения указанных задач согласующая цепь должна содержать не менее двух элементов, один из которых условно называют компенсирующим, а другой – трансформирующим. С учетом зависимости обеих составляющих входного сопротивления антенны от частоты, элементы согласующей цепи должны быть переменными и настраиваемыми независимо друг от друга.

Кроме отмеченных выше основных функций, САУ выполняет также две дополнительные функции:

 при работе передатчиков на симметричные антенны САУ обеспечивает преобразование несимметричного выхода УМ в симметричный;

 элементы САУ должны ослаблять уровень побочных излучений и обеспечить фильтрацию высших гармоник, возникающих в результате нелинейных искажений при усилении радиосигналов в УМ.

Рассмотрим возможность реализации перечисленных требований на примерах конкретных схем САУ.

В маломощных УКВ передатчиках широко применяется схема САУ в виде перестраиваемого четырехполюсника (рис. 2.15).

Рис. 2.15. Типовая схема САУ маломощных УКВ радиостанций

В этой схеме имеется два органа настройки – конденсаторы переменной емкости и , емкость которых изменяется в диапазоне частот одной ручкой НАСТРОЙКА АНТЕННЫ. Изменение емкости , регулирующей связь САУ с антенной, осуществляется через редуктор с передаточным числом n (n > 10), т.е. скорость изменения емкости в n раз больше, чем скорость изменения емкости . Конденсатор предназначен для компенсации реактивной вставляющей сопротивления антенны при , а конденсатор обеспечивает трансформацию активной составляющей сопротивления антенны в сопротивление . Компенсация реактивной составляющей сопротивления антенны при (емкостного характера) производится с помощью индуктивностей , и . Настройка такого САУ осуществляется по максимуму тока в антенне.

В КВ диапазоне, особенно в передатчиках средней мощности, настройка колебательных контуров обычно осуществляется изменением индуктивности контура L. На рис. 2.16 изображена схема САУ, выполненная в виде П-образного контура.

Рис. 2.16. Типовая схема САУ КВ радиостанции

САУ имеет два органа плавной настройки: вариометр Ь и конденсатор переменной емкости . Вариометр в основном обеспечивает компенсацию реактивной составляющей сопротивления антенны, а конденсатор обеспечивает преобразование активной составляющей сопротивления антенны в постоянное по величине входное сопротивление . Катушки индуктивности и конденсаторы , подключаемые параллельно конденсатору , дополнительно регулируют связь САУ с антенной.

Как было отмечено выше, при работе передатчиков на симметричные антенны к основным функциям САУ добавляется дополнительная: обеспечить преобразование несимметричного выхода усилителя мощности в симметричный. Эта задача может быть решена включением на выходе САУ специальных широкополосных симметрирующих трансформаторов (рис. 2.17). Такие симметрирующие трансформаторы находят применение в маломощных радиопередатчиках.

Рис. 2.17. Согласующе-симметрирующее устройство маломощных радиопередатчиков