СОЗДАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ С НАПРАВЛЕННЫМ ОТВЕТВИТЕЛЕМ

7. СОЗДАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ С НАПРАВЛЕННЫМ ОТВЕТВИТЕЛЕМ.

Возможно также создание усилителя мощности с совместным усилением на основе направленного ответвителя (НО). НО-это согласованная петля связи, помещенная в электромагнитное поле передаваемого по ВЧ фидеру радиосигнала [3]. Любой НО характеризуется 2 параметрами, показывающими зависимость между ответвляемой мощностью Ротв и мощностями, действующими в фидере Рф и в балластном резисторе Рб:

Коэффициентом направленности Кнапр= Ротв/ Рб;

Коэффициентом ответвления мощности А= Ротв/ Рф;

Хорошие НО имеют Кнапр>30дб.Коэффициент А определяется назначением НО. В TV-передатчиках НО используют, как правило, для разделения волн в ВЧ фидере. В реальных трактах всегда существует отраженная от нагрузки или элементов фидера волна.

 Если НО отрегулирован так, что А=0,5 ,т.е половина мощности Рф поступает в Rн, а другая половина ответвляется, то такой НО называется трехдецибельным уравнительным мостом [3].

Задавая определенные коэффициенты ответвления мощности можно получить заданные ГОСТом соотношения 10:1 по уровню мощности Tv и звукового сигналов, выделяющихся в Rн направленного ответвителя. Что впоследствии и нужно будет реализовать практически, используя 2 усилителя одинаковой мощности совместно с направленным ответвителем.

Рисунок 7.1 - структурная схема усилителя с направленным ответвителем

Принципиальная схема усилителя с (НО) приведена в приложении В.

8. МЕТОДИКА РАСЧЕТА МКЦ.

Важным вопросом, при построении как широкополосных так и полосовых усилителей мощности, является вопрос получения максимального усиления от каждого усилительного каскада при заданном допустимом уклонении АЧХ от требуемой формы. Это связано с тем, что уменьшение усиления приводит: к снижению коэффициента полезного действия усилителя, из-за возрастания числа усилительных каскадов и увеличения потребляемой ими мощности от источника питания; к ухудшению линейности амплитудной характеристики и возрастанию интермодуляционных искажений, вследствие работы предоконечных каскадов усилителей на частотно-зависимое сопротивление нагрузки при повышенных выходных напряжениях.

В [7] описана методика параметрического синтеза таблиц нормированных значений элементов КЦ используемых в усилителях мощности, позволяющая осуществлять их реализацию с максимально возможным коэффициентом усиления при заданном допустимом уклонении АЧХ от требуемой формы.

Используя однонаправленную модель транзистора, передаточную функцию каскада с КЦ можно описать дробно-рациональной функцией комплексного переменного:

 (1)

где - нормированная частота;  - текущая круговая частота; - высшая круговая частота полосы пропускания широкополосного усилителя, либо центральная частота полосового усилителя; К - множитель определяющий уровень коэффициента передачи;  - коэффициенты, являющиеся функциями параметров КЦ нормированных относительно  и сопротивления источника сигнала   для широкополосных и  для полосовых усилителей.

Выберем в качестве прототипа передаточной характеристики каскада дробно-рациональную функцию вида:

. (2)

Найдём такие её коэффициенты, которые позволят из системы нелинейных уравнений:

 (3)

рассчитать нормированные значения элементов КЦ, обеспечивающие максимальный коэффициент усиления при заданном допустимом уклонении АЧХ от требуемой формы. С целью нахождения требуемых значений коэффициентов перейдем к квадрату модуля функции (2):

где   -вектор коэффициентов  ;  -вектор коэффициентов

 Для решения задачи нахождения векторов коэффициентов  воспользуемся методом оптимального синтеза теории фильтров. Для этого составим систему линейных неравенств:

   (4)

,

где - дискретное множество конечного числа точек в заданной нормированной области частот; - требуемая зависимость квадрата модуля  на множестве ;- допустимое уклонение  от ;  малая константа .

Первое неравенство в (4) определяет величину допустимого уклонения АЧХ каскада от требуемой формы. Второе и третье неравенства определяют условия физической реализуемости рассчитываемой КЦ. Учитывая, что полиномы  и  положительны, модульные неравенства можно заменить простыми и записать задачу в следующем виде :

(5)

В результате получим систему однородных линейных неравенств, являющуюся задачей линейного программирования. Для обеспечения максимального коэффициента усиления рассчитываемого каскада, неравенства (5) следует решать при условии максимизации функции цели:Решение неравенств (5) дает векторы коэффициентов , соответствующие заданным и. Коэффициенты ,соотношения (2), определяются по известным корням уравнений [5]:

Далее, из решения системы нелинейных уравнений (3), находятся нормированные значения элементов КЦ, обеспечивающие максимальный коэффициент усиления каскада при заданном допустимом уклонении АЧХ от требуемой формы.

 Многократное решение системы линейных неравенств (5), для различныхи, позволяет осуществить синтез таблиц нормированных значений элементов КЦ, по которым ведется проектирование усилителей.

В качестве примера осуществим синтез таблиц нормированных значений элементов одной из наиболее простых и эффективных КЦ применяемых в полосовых усилителях мощности, схема которой приведена на рис.1.

Рис. 8.1.

Аппроксимируя входной и выходной импедансы транзисторов V1 и V2 RC- и RL-цепями, от схемы приведённой на рис. 1 перейдём к схеме приведённой на рис.2.

Рис. 8.2.

Вводя идеальный трансформатор после конденсатора С2, с последующим применением преобразования Нортона, перейдём к схеме представленной на рис.3.

Рис. 8.3.

Коэффициент прямой передачи последовательного соединения КЦ и транзистора V2, c учётом преобразования КЦ (рисунок 3), можно описать выражением:

, (6)

где ; - коэффициент усиления транзистора V2 по мощности в режиме двустороннего согласования на частоте ;

(7)

   (8)

- нормированные относительно  и  значения элементов .

По известным значениям , переходя от схемы на рис 3 к схеме на рис.2, найдём:

(9)

где ,  - нормированное относительно  и  значение .

Из (6) следует, что коэффициент усиления каскада в полосе пропускания равен:

 (10)

Соотношения (7) - (9) позволяют рассчитать нормированные значения элементов схемы (рис.1) по известным коэффициентам b₁, b₂, b₃, b₄. Для нахождения указанных коэффициентов сформируем квадрат модуля функуции-прототипа передаточной характеристики рассматриваемой цепи:

Коэффициенты  находятся по известным корням уравнения:

Для нахождения коэффициентов  составим систему линейных неравенств:

(11)

Решая неравенства (11), при максимизации функции цели:, найдём коэффициенты  обеспечивающие получение максимального коэффициента усиления при заданной допустимой неравномерности АЧХ в заданном диапазоне частот.

В таблице 1 приведены результаты расчетов нормированных значений элементов , полученные для неравномерности АЧХ равной  дБ при различных значениях и различных значениях отношения , где - верхняя и нижняя частоты полосового усилителя.

Нормированные значения элементов КЦ Таблица 8.1

1.3 b1=0.29994 b2=2.0906 b3=0.29406 b4=1.0163	0.00074 0.0007 0.0006 0.0005 0.0004 0.0003 0.0002 0.0001 0.0	0.2215 0.2341 0.2509 0.2626 0.2721 0.2801 0.2872 0.2935 0.2999	5.061 4.758 4.419 4.216 4.068 3.951 3.855 3.773 3.702	100.2 88.47 76.29 69.26 64.22 60.27 57.04 54.31 51.96	0.00904 0.01030 0.01200 0.01325 0.01429 0.01523 0.01609 0.01689 0.01764
1.4 b1=0.42168 b2=2.1772 b3=0.40887 b4=1.0356	0.0021 0.002 0.0015 0.001 0.0007 0.0005 0.0003 0.0002 0.0	0.3311 0.3424 0.3728 0.3926 0.4024 0.4084 0.4139 0.4166 0.4217	3.674 3.538 3.231 3.066 2.994 2.951 2.914 2.896 2.864	39.44 36.13 29.34 25.96 24.49 23.66 22.91 22.57 21.93	0.02158 0.02366 0.02931 0.03313 0.03500 0.03631 0.03746 0.03803 0.03911
1.6 b1=0.55803 b2=2.2812 b3=0.52781 b4=1.0474	0.0045 0.004 0.003 0.002 0.0015 0.001 0.0007 0.0005 0.0	0.4476 0.4757 0.5049 0.5259 0.5349 0.5431 0.5478 0.5508 0.5580	3.002 2.799 2.630 2.527 2.487 2.452 2.433 2.421 2.392	21.54 17.78 15.07 13.54 12.96 12.46 12.19 12.02 11.63	0.03620 0.04424 0.05235 0.05822 0.06075 0.06313 0.06448 0.06535 0.06747
1.8 b1=0.75946 b2=2.4777 b3=0.69615 b4=1.0844	0.0091 0.009 0.008 0.007 0.005 0.002 0.001 0.0005 0.0	0.6180 0.6251 0.6621 0.6810 0.7092 0.7411 0.7514 0.7551 0.7595	2.526 2.495 2.335 2.267 2.180 2.096 2.075 2.065 2.055	12.93 12.43 9.831 8.914 7.858 6.886 6.646 6.536 6.431	0.0540 0.0560 0.0711 0.0791 0.0892 0.1013 0.1050 0.1060 0.1080
2 b1=0.98632 b2=2.7276 b3=0.87132 b4=1.13	0.0144 0.014 0.012 0.01 0.007 0.005 0.001 0.0005 0.0	0.831 0.850 0.888 0.911 0.938 0.953 0.980 0.986 0.986	2.189 2.133 2.039 1.991 1.942 1.917 1.878 1.871 1.869	8.543 7.586 6.182 5.578 5.010 4.736 4.319 4.240 4.233	0.073 0.082 0.101 0.112 0.124 0.131 0.142 0.145 0.145
2.5 b1=1.4344 b2=3.2445 b3=1.1839 b4=12206	0.0236 0.023 0.022 0.02 0.015 0.01 0.005 0.001 0.0	1.262 1.282 1.299 1.320 1.358 1.387 1.412 1.430 1.434	1.842 1.814 1.793 1.770 1.736 1.714 1.699 1.689 1.686	5.423 4.797 4.367 3.932 3.379 3.058 2.829 2.685 2.652	0.097 0.109 0.121 0.133 0.153 0.168 0.181 0.188 0.190
3 b1=2.0083 b2=3.9376 b3=1.5378 b4=1.3387	0.032 0.031 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0.0	1.827 1.852 1.864 1.900 1.927 1.950 1.971 1.990 2.008	1.628 1.614 1.609 1.595 1.589 1.584 1.582 1.580 1.579	4.027 3.421 3.213 2.717 2.458 2.280 2.143 2.032 1.939	0.112 0.131 0.139 0.163 0.178 0.190 0.200 0.209 0.218
4 b1=2.9770 b2=5.1519 b3=2.1074 b4=1.573	0.0414 0.041 0.04 0.035 0.03 0.02 0.01 0.005 0.0	2.787 2.798 2.812 2.848 2.872 2.912 2.946 2.962 2.977	1.455 1.455 1.456 1.460 1.464 1.474 1.483 1.488 1.492	3.137 2.907 2.661 2.229 2.010 1.772 1.611 1.548 1.493	0.124 0.133 0.144 0.170 0.185 0.207 0.223 0.231 0.237
5 b1=4.131 b2=6.6221 b3=2.7706 b4=1.8775	0.0479 0.047 0.045 0.04 0.03 0.02 0.01 0.005 0.0	3.936 3.955 3.972 4.000 4.040 4.073 4.103 4.128 4.131	1.353 1.360 1.366 1.377 1.395 1.411 1.426 1.439 1.440	2.716 2.388 2.162 1.898 1.635 1.478 1.366 1.287 1.279	0.130 0.146 0.160 0.180 0.204 0.221 0.235 0.245 0.247
6 b1=4.79 b2=7.4286 b3=3.109 b4=2.0246	0.050 0.048 0.045 0.04 0.03 0.02 0.01 0.005 0.0	4.604 4.625 4.644 4.667 4.704 4.735 4.763 4.787 4.790	1.315 1.325 1.334 1.346 1.366 1.382 1.399 1.414 1.415	2.413 2.105 1.914 1.730 1.518 1.401 1.284 1.213 1.206	0.139 0.157 0.171 0.186 0.208 0.223 0.237 0.247 0.248

Анализ полученных результатов показывает, что при заданном значении  относительная полоса пропускания каскада не может быть менее определенного значения.

При больших величинах отношения анализируемая схема КЦ перерождается в трехэлементную КЦ. Поэтому в таблице приведены результаты расчетов КЦ ограниченные отношением равным шести.

Таким образом, расчет КЦ сводится к следующему. В соответствии с заданным отношением , по соотношению (8) и табличным значениям b₁, b₂, b₃, b₄  рассчитывается , по таблицам находятся нормированные значения элементов  соответствующие рассчитанному . Далее по формулам (9) осуществляется их перерасчет в элементы, что соответствует переходу от схемы на рис. 3 к схеме на рис. 2. И, наконец, осуществляется де нормирование элементов КЦ.

9. ВЫВОДЫ

Из всего рассмотренного нашли, что в ДМВ диапазоне так же как и в МВ диапазона, где применяются усилители мощности с раздельным усилением радиосигналов изображения и звука и с последующим сложением их мощностей на мостовых схемах сложения или на диплексерах, возможно применение раздельного усиления радиосигналов изображения и звука с последующим сложением их на диплексере либо на НО для получения на выходе передатчиков заданных соотношений Риз/Рзв равных 10:1, соотвествующих нормам ГОСТа.

ЛИТЕРАТУРА

1.         Одаренко Д.Н., Титов А.А. Проектирование диплексера телевизионного усилителя мощности // Материалы региональной научно-технической конференции ”Радиотехнические и информационные системы и устройства”. - Томск. Изд-во ТУСУР. 1999.

2.         Титов А.А., Мелихов С.В. Усилитель мощности с защитой от перегрузок // Приборы и техника эксперимента. 1993. №6. С. 118-121.

3.         Иванов В.К. Оборудование радиотелевизионных передающих станций. - М.: Радио и связь. 1989.

4.         ГОСТ Р 50890-96. Передатчики телевизионные маломощные.

5.         ГОСТ 20532-83. Радиопередатчики телевизионные 1 - 5 каналов.

6.         Зернов Н.В., Карпов В.Г. Теория радиотехнических цепей. -М.: Энергия.1965.

7.         Титов А.А., Ретивых А.Е. Расчет межкаскадной корректирующей цепи полосового усилителя мощности // Труды третьего международного симпозиума "Конверсия науки - международному сообществу ". - Томск. Изд-во ТГУ. 1999. С. 70.

Приложение А

Принципиальная схема усилителя с совместным усилением Приложение Б
Принципиальная схема усилителя с раздельным усилением Приложение В
Принципиальная схема усилителя с НО