РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ

Аннотация: широкополосный усилитель мощности является одним из самых сложных и проблемных элементов. От устройства такого рода требуется одновременно выполнения условий широкополосности и линейности при высоком уровне мощности. В данной статье описана разработка широкополосного усилителя мощности, рабочие параметры которого должны удовлетворять заданным техническим требованиям. Выходная мощность устройства должна составить 10±2 Вт. В данной статье производится моделирование ФНЧ в 4 диапазонах частот. Статья будет полезна студентам технических ВУЗов.

Ключевые слова: фильтра нижних частот, усилитель мощности, моделирование, функциональная схема.

Технические требования. Разрабатываемый широкополосный усилитель мощности должен обеспечивать работу передатчика в заданном диапазоне частот. Это подразумевает, необходимость определенного уровня выходной мощности во всей полосе частот.

Важными характеристиками являются напряжение питания и ток потребления, от них зависят характеристики источника питания. Также от этого зависят также массогабаритные характеристики изделия в целом.

Данный усилитель мощности будет использоваться в приемопередатчике автомобильной, либо переносной радиостанции, поэтому необходимо, чтобы конечное изделие обладало разумными габаритами и массой. Исходя из этого выбиралась и конечная мощность, т.к. большая выходная мощность потребует серьезную систему охлаждения, которая будет очень громоздкой.

Итак, к разрабатываемому широкополосному усилителю мощности предъявляются следующие технические требования:

- Усилитель не должен выйти из строя при холостом ходе и коротком замыкании;

- На вход усилителя от блока высоких частот поступает входная мощность равная 0.5 Вт.

Моделирование ФНЧ. Для моделирования ФНЧ было выбрано программное решение Microwave Office компании AWR. Microwave Office позволяет на обычном персональном компьютере выполнять анализ линейных и нелинейных, пассивных и активных схем, проектировать топологии планарных СВЧ- устройств, синтезировать фильтры на сосредоточенных элементах и микрополосковых линиях. Привлекательность программы заключается также в том, что пользователи имеют возможность настраивать и оптимизировать параметры схем в режиме реального времени.

При помощи моделирования было определено, что для перекрытия всего диапазона необходимо разбить его на 4 поддиапазона [2].

Для поддиапазона 33- 48 МГц был выбран фильтр Кауэра 9-го порядка (рисунок 1). Его АЧХ представлена на рисунке 2.

Рисунок 1. Схема фильтра Кауэра 9-го порядка

Рисунок 2. АЧХ фильтра Кауэра 9-го порядка

Аналогичным образом было проведено моделирования и подбор параметров элементов фильтра для остальных поддиапазонов.

В итоге диапазон был разбит на следующие поддиапазоны: 33-48 МГц, 148-174 МГц, 300-380 МГц, 380 -470 МГц.

Для трёх последних поддиапазонов был выбран фильтр Кауэра 7 порядка.

Функциональная схема. Функциональная схема проектируемого широкополосного усилителя мощности представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. Функциональная схема усилителя мощности

На вход коммутатора (К1) подается высокочастотный модулированный сигнал мощностью 0,5 Ватт.

Коммутаторы (К1, К2, К3, К4) обеспечивают переключение нужных поддиапазонов передающей и приемной части схемы.

Усилитель мощности (УМ1, УМ2, УМ3, УМ4) усиливает сигнал в каждом поддиапазоне до необходимого уровня с учетом последующих потерь [1].

После усиления сигнал попадает на фильтр нижних частот (ФНЧ1, ФНЧ2, ФНЧ3, ФНЧ4), который обеспечивает подавления гармоник до заданного значения.

Антенный коммутатор (АК1, АК2, АК3, АК4) позволяет переключение между сигналом с усилителя и приемным сигналом с антенны для передачи его в приемную часть приемопередатчика.

С помощью двунаправленного ответвителя (НО) осуществляется отслеживание падающей мощности и КСВН нагрузки для автоматической регулировки выходной мощности или выключения усилителя при обрыве антенны и коротком замыкании.

Микроконтроллер, управляя ЦАП через SPI-интерфейс, обеспечивает нужное напряжение на затворе усилителя для поддержания нужной мощности в заданном поддиапазоне.

Список литературы:

1. Бобровников Л. З. Электроника: учебник для вузов (доп.) - 5-е изд., перераб. и доп. - СПб.: Питер, 2004. - 560 с.: ил.
2. Ткачев А.Ю. Влияние конструктивно-технологических факторов на электрические параметры мощных СВЧ LDMOS транзисторов: автореф. дис. канд. техн. наук. Воронеж, 2011. – 17 с.