такой же индуктивности в цепи эмиттера у биполярных транзисторов здесь (см. рис. 5.9) сравнительно просто и без лишних энергозатрат удалось решить вопрос стабилизации режима работы выходного каскада. В известной мере этому способствовало сочетание отрицательного температурного коэффициента у тока стока полевых и положительного - у тока коллектора биполярных транзисторов.

Важным параметром ВЧ усилителя является его КПД. Этот параметр зависит от назначения усилителя, условий его работы и, как следствие, от схемы построения и используемых полупроводниковых приборов. Он составляет 40 - 90 % для усилителей сигнала с постоянной или коммутируемой амплитудой (например, при частотной и фазовой модуляции, частотной и амплитудной телеграфии) и 30 - 60 % для линейных усилителей сигналов с амплитудной модуляцией. Более низкие из указанных значений объясняются использованием энергетически невыгодных, но обеспечивающих линейное усиление недонапряженных режимов во всех каскадах, а также режима А в предварительных, а часто и в предоконечном каскаде усилителя. Более высокие значения характерны для ключевого режима усиления сигналов с постоянной или коммутируемой амплитудой (80 - 90 %) или для амплитудно-модулирован-ных сигналов (50 - 60 %) при использовании метода раздельного усиления составляющих сигнала [60]. Например, КПД не ниже 80 % был получен в широкополосном усилителе на 4,5 кВт с выходным каскадом на 32 транзисторах, построенном с учетом общих рекомендаций для ключевого режима [61, 62] и при принятии мер по устранению сквозных токов [63]. Однако, несмотря на очевидные энергетические преимущества ключевого режима работы, он еще сравнительно редко используется в ВЧ усилителях. Это объясняется рядом особенностей, к которым, например, относятся критичность к изменению нагрузки, высокий уровень нежелательных колебаний, большая вероятность превышения предельно допустимых напряжений транзистора и сложность регулировки при получении необходимых фазочастотных характеристик, стабильность которых должна обеспечиваться в условиях изменяющейся нагрузки, напряжения питания и температуры окружающей среды. Кроме того, для реализации ключевого режима на высоких частотах необходимы транзисторы с крайне малой длительностью переходных процессов при включении и выключении.

Перспективным направлением повышения энергетических характеристик усилителей амплитудно-модули-рованного сигнала является квантование сигнала по уровню с раздельным усилением дискретных составляющих и последующим их суммированием с учетом фазовых сдвигов [64].

В повышении эффективности работы усилителей важную роль играет качество согласования с нагрузкой с учетом возможности ее изменения. В настоящее время этот вопрос просто ив то же время наиболее результативно решается применением ферритовых вентилей и циркуляторов. Однако так обстоит дело на сравнительно высоких частотах, по крайней мере, выше 80 МГц. С понижением частоты эффективность использования ферритовых развязывающих устройств резко падает. В этой связи представляют интерес изучение и последующее промышленное освоение обладающих свойствами циркуляторов полупроводниковых невзаимных устройств [65], принципиально допускающих работу и на низких частотах. Если применение вентилей или циркуляторов невозможно, удовлетворительные результаты получаются при сочетании обычных согласующих устройств с автоматическим управлением режимом работы усилителя. Так, увеличивая напряжение питания с ростом сопротивления нагрузки (при неизменном или слегка уменьшенном возбуждении) и снижая его с уменьшением сопротивления нагрузки при увеличении возбуждения, можно получить не только постоянную выходную мощность, но и сохранить в условиях изменяющейся нагрузки то высокое значение КПД, которое было получено в номинальном режиме. Возможности такого способа стабилизации выходной мощности, однако, ограничены предельно допустимыми токами и напряжениями используемого транзистора, а также техническими возможностями согласования малых сопротивлений. По этим причинам реализуемая в настоящее время область нагрузочных сопротивлений, в которой таким путем еще можно добиться сравнительно стабильной выходной мощности, ограничена, как показали испытания усилителя с выходной мощностью 4,5 кВт, значением КСВН, не превышающим 3.

Эффект малой чувствительности к рассогласованию нагрузки можно получить и при построении усилителя по схеме сложения мощностей с использованием квадратурных сумматоров и делителей мощности [66]. При соответствующем напряжении возбуждения такого усилителя можно добиться, несмотря на изменение режима работы каждого из суммируемых каскадов, незначительного изменения общего тока потребления и суммарной выходной мощности. При испытаниях таких усилителей было отмечено, что изменение выходной мощности при рассогласовании нагрузки получается таким же, как и в линейных цепях, т. е. описывается выражением, близким к Р/Рн=4р/(1+р)2, где Рн и Р - мощности в номинальной и рассогласованной нагрузке, ар - КСВН, характеризующий степень рассогласования. Такое изменение в среднем, как показали сравнительные испытания, примерно вдвое меньше, чем у усилителя, построенного, например, по двухтактной схеме.

Существуют и другие способы уменьшения чувствительности усилителя к рассогласованию нагрузки, однако все они в той или иной степени уступают рассмотренным.

К числу основных параметров усилителя в последнее время стали относить уровень нежелательных колебаний, возникающих в процессе усиления полезного сигнала. Такие колебания появляются в усилителе мощности вследствие нелинейных процессов под влиянием полезного сигнала f и помех, поступающих из тракта формирования сигнала ф), источника питания (f) и антенны радиопередатчика (f). Посторонние колебания (помехи) из тракта формирования сигнала приводят к нежелательным излучениям радиопередающего устройства не только на частотах этих колебаний fф, но и на частотах, образующихся под их влиянием комбинационных колебаний т/±п/ф. Уровень таких излучений определяется относительным уровнем

нежелательных колебаний на выходе тракта формирования, его изменением (преобразованием) в усилителе мощности, а также фильтрующими и излучающими свойствами следующих за усилителем узлов радиопередающего устройства. Изменение отношения помеха/ сигнал в усилителе (ЕСу) определяется схемой включения транзистора, режимом работы каскадов, значением и частотой полезного сигнала и помехи.

Наибольшее изменение отношения помеха/сигнал наблюдается в усилителе с ОЭ, а также при малом выходном сопротивлении источника сигнала r в усилителе с ОБ и при малом сопротивлении нагрузки гн в усилителе с ОК. С увеличением гг в усилителе с ОБ и гн в усилителе с ОКПри работе усилителя в

режимах А и В с любым включением транзистора относительный уровень помехи не изменяется; смещение режима работы в сторону режима С приводит к росту, а в сторону режима АВ, наоборот, к уменьшению относительного уровня помехи; при этом рост более заметен, чем уменьшение. Повышение напряженности режима уменьшает относительный уровень помехи. Чем больше значение полезного сигнала, тем при одном и том же режиме работы больше изменяется отношение помеха/сигнал. С ростом частоты сигнала и помехи изменение отношения помеха/сигнал уменьшается.

Возникающие под действием помехи комбинационные колебания особенно опасны при работе усилителя в режиме С, где их уровень на выходе усилителя соизмерим с уровнем помехи. С изменением режима работы от С к А уровень комбинационных колебаний второго порядка (f±fф) монотонно убывает, а третьего (2f±fф) проходит через 0 в режиме В и по достижении минимума в области отрицательных значений, свидетельствующей об изменении фазы колебаний на противоположную, при приближении к режиму А стремится к 0.

При прочих равных условиях наибольшим подавлением комбинационных колебаний отличается усилитель с ОК, а затем усилители с ОБ и ОЭ. В многокаскадном усилителе, в отличие от однокаскадного, помехой для каждого следующего каскада, начиная со второго, являются не только усиленные нежелательные колебания тракта формирования, но и комбинационные, а также гармонические колебания предыдущих каскадов. Особенно велико влияние второй гармоники; она увеличивает уровни комбинационных колебаний второго и третьего порядков и уменьшает отношения помеха/сигнал. Это в основном проявляется в режиме С и фактически отсутствует в А. Под ее действием линейный режим работы (1£у=1) смещается из режима В в С. Эти изменения прямо противоположны, если фазу второй гармоники как-то искусственно изменить на л.

Малый уровень комбинационных колебаний, незначительное ухудшение отношения помеха/сигнал и одновременно приемлемые энергетические характеристики характерны для усилителя, предварительные каскады которого работают в режимах А - В, а выходной - в В - С. При включении транзисторов по схеме ОК режимы В - С можно использовать и в предварительных каскадах, но в выходном каскаде включение по схеме ОК неприемлемо из-за высокой восприимчивости усилителя к сигналам посторонних радиопередатчиков. Наилучшим для выходного каскада является включение прибора по схеме ОБ или ОЭ. При этом ухудшение отношения помеха/сигнал в усилителе при малом уровне комбинационных колебаний может составить максимум 3 дБ. Но при неграмотном проектировании усилителя это значение может возрасти до 20 дБ, а наибольший уровень нежелательных колебаний будет не только на частоте помехи, но и на частотах, обусловленных этой помехой комбинационных колебаний.

При расстройке по частоте между полезным сигналом и помехой наиболее эффективно подавляются помехи в усилителях с фильтрами. Подавление реализуется как при электронно-коммутируемых фильтрах, так и путем построения усилителя на основе мощного автогенератора, управляемого с помощью системы фазовой автоподстройки частоты. В последнем случае удается получать ослабления нежелательных составляющих - до 70 - 80 дБ, начиная уже с 5-процентной отстройки их частоты от частоты полезного сигнала [67].

В отличие от помех из тракта формирования сигнала, помехи из источника питания f) имеют более низкие частоты и поэтому, достаточно хорошо ослабляясь межкаскадными согласующими и фильтрующими цепями усилителя, в выходном сигнале обычно отсутствуют. Однако в результате различных эффектов, обусловливающих зависимость тока коллектора от коллекторного напряжения, они приводят к колебаниям паразитной модуляции с частотами mf+nf, наибольшим уровнем среди которых отличаются колебания с частотами f±fii. Вследствие близости по частоте к полезному сигналу фильтрация таких колебаний в усилителе практически невозможна, и единственным средством борьбы с ними является ослабление самого эффекта модуляции в каскадах усилителя. Это может быть обеспечено использованием недонапряженного режима работы и применением транзисторов с наиболее близкими к горизонтальным пологими участками выходных характеристик. Таким образом удается ослабить рассматриваемые колебания до уровня - (17 - 30) дБ по отношению к вызвавшей их помехе. Для сравнения укажем, что при перенапряженном режиме практически независимо от типа транзистора этот уровень составляет - 6 дБ.

Для уменьшения эффекта модуляции (при недона-пряженном режиме) необходимо, чтобы предварительные каскады и цепь смещения выходного каскада усилителя питались от отдельного «чистого» источника (в связи с меньшей мощностью такой источник фильтруется более просто). При этом уровень паразитных колебаний всего усилителя определяется только выходным каскадом, в котором и следует принимать меры по его снижению. Если же мешающий сигнал из цепи питания попадает в каскады предварительного усилителя, то уровень паразитных колебаний на выходе всего усилителя, как правило, увеличивается. Однако если мешающий сигнал в предварительных каскадах оказывается в противофазе с мешающим сигналом, действующим на коллекторе транзистора выходного каскада, то эффект модуляции в выходном каскаде может быть частично или полностью скомпенсирован [68]. Такой путь практически позволяет получить дополнительное подавление

рассматриваемых нежелательных колебаний около 20 дБ.

Помехи из антенной цепи (f), воздействуя на транзисторы выходного каскада, приводят к интермодуляционным колебаниям с частотами mf+nfa, наиболее опасными из которых являются имеющие большой уровень и малую отстройку по частоте от полезного сигнала интермодуляционные колебания третьего порядка (2f - fa). Механизм образования этих колебаний факгически тот же, что и колебаний паразитной модуляции. Однако здесь положение усугубляется тем, что вследствие более высокой частоты мешающего сигнала (fa~f) мешающий сигнал по цепи внутренней обратной связи транзистора частично проникает во входную цепь каскада и там за счет эффекта преобразования увеличивает уровень интермодуляционных колебаний. Поэтому для снижения эффекта интермодуляции необходимы транзисторы с минимально возможной емкостью Ск при включении транзистора по схеме ОЭ или минимально возможным произведением гб,Ска при включении транзистора по схеме ОБ. Усилитель с ОК в отношении этого вида колебаний обладает наихудшими характеристиками, так как помеха, во-первых, не только частично, а полностью попадает в его входную цепь, а во-вторых, и на выход предыдущего каскада, что еще более усугубляет эффект интермодуляции.

Существующие в настоящее время транзисторы в недонапряженном режиме работы каскада позволяют получить уровень интермодуляционных колебаний третьего порядка - (15 - 30) дБ по отношению к вызвавшей их помехе при включении по схеме ОЭ, примерно на 15 дБ меньше при включении по схеме ОБ и, наоборот, на 15 дБ больше при включении по схеме ОК [69]. Дополнительное подавление около 15 - 20 дБ можно получить, используя квадратурное суммирование сигналов модулей в выходном каскаде [70] и еще, как минимум, 15 дБ, применяя на выходе усилителя ферри-товый вентиль или циркулятор [66].

Наибольший уровень нежелательных колебаний наблюдается на гармониках полезного сигнала. В одно-каскадном усилителе без принятия каких-либо мер по их подавлению этот уровень для второй и третьей гармоник составляет обычно - (15 - 20) дБ. Включением каскадов по схеме сложения мощностей с применением квадратурных и противофазных сумматоров и делителей его удается снизить до - (30 - 40) дБ. Если за усилителем устанавливается блок фильтров, то этот уровень уменьшается еще на величину затухания соответствующего фильтра в полосе задержания.

Блок фильтров обычно содержит полуоктавные трех-четырехзвенные фильтры, число которых определяется шириной рабочего диапазона частот. Каждый фильтр согласуется с нагрузкой, и его входное сопротивление представляет для усилителя номинальную нагрузку-Однако при согласовании на частоте основного сигнала нередко забывают о необходимости согласования на частотах гармоник. Это, как правило, приводит к изменению режима работы выходного каскада усилителя за счет реакции фильтра на частотах гармоник, что в свою очередь проявляется в изменении КПД усилителя и уровня нелинейных искажений усиливаемого сигнала. Кроме того, из-за паразитных реактивностей фильтра иногда создаются благоприятные условия для пропускания в нагрузку наряду с полезным сигналом некоторых его высших гармонических составляющих. В этой связи очень полезно на выходе усилителя устанавливать специальный ферритовый фильтр [71], который за счет поглощения энергии высших гармоник в ферри-товом материале не только повышает их ослабление, но и, предохраняя усилитель от попадания отраженных гармоник, предотвращает ухудшение его параметров на частоте полезного сигнала.

С помощью фильтров можно добиться высокого уровня подавления гармонических составляющих. Однако следует подчеркнуть, что ослабить гармоник;! до уровня ниже - 120 дБ можно только при очень тщательном экранировании ВЧ каскадов и устранении в тракте после усилителя мощности различных контактных соединений, в том числе и ВЧ разъемов, в которых могут образоваться гармонические колебания с тем же уровнем.

Как видно, существующие технические решения обеспечивают высокое подавление нежелательных колебаний. Однако в ряде случаев оно все же оказывается недостаточным для нормальной работы аппаратуры. Так, при сближении расположенных на подвижных средствах приемопередатчиков или при работе в составе радиокомплексов, где самая разнообразная аппаратура сосредоточена и должна функционировать в условиях крайне ограниченного пространства, радиоприемники нередко не могут работать со своими корреспондентами, как только включается расположенный поблизости радиопередатчик другой линии связи. Такая ситуация возникает вследствие воздействия на приемники некоторых нежелательных излучений радиопередатчика. К ним в первую очередь относятся шумы. Несмотря на малый уровень, именно они пролетавляют

наибольшую опасность в указанных условиях, так как, обладая непрерывным спектром и слабо меняющейся с расстройкой спектральной плотностью, могут, если не принять необходимых мер, практически полностью парализовать работу расположенных рядом приемников [67].

Большую опасность в рассматриваемой ситуации представляют помехи из тракта формирования сигнала передатчика и образованные ими в усилителе мощности комбинационные колебания, которые, как и шумы, занимают обширную область частот и не поддаются существенной минимизации при построении усилителя по рассмотренному ранее принципу прямого покаскадного усиления мощности.

5.3. УСИЛИТЕЛИ НА ОСНОВЕ МОЩНЫХ АВТОГЕНЕРАТОРОВ

На рис. 5.10 показана структурная схема усилителя, использующего управляемый с помощью фазовой