Расчет выходной фильтрующей схемы (ВФС)

 

Высшие гармоники тока или напряжения, образованные в результате работы транзисторов в нелинейном режиме, должны быть ослаблены в нагрузке передатчика (антенне, фидере) до уровня, определяемого международными и общесоюзными нормами. Это обеспечивается выходной колебательной системой (ВКС), устанавливаемой после оконечного каскада передатчика.

Заданную фильтрацию гармоник, в первую очередь наиболее интенсивных - второй и третьей. ВКС должна обеспечить в рабочем диапазоне частот передатчика при заданном уровне колебательной мощности и высоком КПД. В этом основное отличие ВКС от резонансных контуров, межкаскадных цепей связи и т. д. Кроме того, построение ВКС существенно зависитот рабочего диапазона передатчика. В передатчиках с небольшим коэффициентом перекрытия К_f < 1,6…1,9 для фильтрации высших гармоник ВФС можно выполнить в виде широкодиапазонного неперестраиваемого фильтра. Основное преимущество такой конструкции в отсутствии перестроечных элементов.

Рассмотрим особенности построения ВФС в виде неперестраиваемого фильтра при К_f передатчика менее 1,6...1,9. В этом случае проектирование можно вести так, чтобы найти оптимальное значение полосы пропускания фильтра, т.е. его f _н.ф и f _в.ф, и число его звеньев, при которых будут обеспечиваться наименьшие потери в LС-элементах, т.е. наибольший КПД фильтра в рабочей, более узкой, от f _н.п до f _в.п, полосе частот.

У фильтров Баттерворта и Чебышева минимальные потери достигаются при оптимальном числе звеньев (т= m _опт). которое определяется только требуемым затуханием a_ф. При выборе между фильтрами Баттерворта и Чебышева предпочтение следует отдать вторым. У фильтров Чебышева потери получаются несколько меньше, а полоса пропускания заметно больше. При а = 0,1...0,2 дБ полоса пропускания при т= m _опт составляет 0,3... 0,4 от предельно возможной.

Руководствуясь вышесказанным, остановимся на полосовом фильтре Чебышева.

Исходные данные для расчёта:

Таблица 1

Rн.ном, Ом	КБВН	КБВВХ	аГН, дБ	аДОП, дБ	fH, МГц	fB, МГц
75	0.8	0.7	-20	-70	320	400

 

Здесь а_ГН - относительный уровень высших гармоник напряжения (или тока) на выходе двухтактного генератора на транзисторах с ОЭ (типовое значение); R_н.ном - номинальное нагрузочное сопротивление;

КБВ_Н - допустимое значение КБВ нагрузки;

КБВ_ВХ - допустимое значение КБВ на входе ВФС;

а_ДОП - допустимый уровень высших гармоник на входе передатчика.

1. Определяем коэффициент перекрытия по частоте передатчика:

 

К_f = 400/320 = 1.25

 

Так как он меньше 1.6, то устанавливаем 1 фильтр.

2. Определяем КБВ_ф, который должна обеспечивать колебательная система:

 

КБВ_ф = КБВ_ВХ/ КБВ_Н = 0.7/0.8 = 0.88

 

3. Неравномерность АЧХ в полосе пропускания колебательной системы в децибелах:

 

Δ a = 10lg[(1+ КБВ_ф)²/4КБВ_ф]

Δ a = 10lg[(1+ 0.88)²/40.88] = 10lg[1.004] = 0.017 (дБ)

. Находим минимально допустимое затухание a _ф, которое должен обеспечить фильтр в полосе задержания:

a _ф = - а_ДОП+ а_ГН = 50 (дБ)

 

5. Находим нормированную частоту в полосе задержания, на которой необходимо обеспечить затухание а_Ф. Определяем порядок m фильтра для второй (n=2) и третьей (n=3) гармоники. Максимальное из полученных m округляем до ближайшего целого числа - это и будет искомым порядком:

 

для n = 2: Ω_з2 = (n - К_f/n)/(К_f - 1) = (2 - 1.07/2)/(1.07 - 1) = 5.5

m = 2.698, округляем до m = 3.

Для n = 3: Ω_з3 = (n - К_f/n)/(К_f - 1) = (3 - 1.07/3)/(1.07 - 1) = 10.4

m = 2.126, округляем до m = 2.

 

Следовательно порядок фильтра m = 2.

6. Рассчитаем элементы, входящие в фильтр рисунок 4

 

Рисунок 5.

 

Теперь определим коэффициенты с ^~ и l ^~ при r₁ = r₂ = 1.

с ^~₁ = с ^~₃ = 0.396062; l ^~₁ = l ^~₃ = 0.862062; с ^~₂ = 0.862062; l ^~₂ = 0.396062.

 

Теперь найдем значения реактивных элементов:

 

L₁ = L₃ = l ^~₁R_н.ном/2p(f_в - f_н) = 0.862062_*75/251.2_*10⁶ = 1.93_*10^-7 (Гн);

С₂ = с ^~₂ /2p(f_в - f_н)R_н.ном = 0.862062/251.2_*10⁶*75= 4.57_*10^-11 (Ф).

 

Определим параметры дополнительных реактивных элементов из условия настройки всех контуров в резонанс на среднюю частоту полосы пропускания

 

f₀ = 357_*10⁶ (Гц);

L_1*С₁ = 1/(2p)²_* f₀², откуда С₁ = 1/(2p)²_* f₀²_*L₁ = 6.45*10^-12 (Ф).

L_2*С₂ = 1/(2p)²_* f₀², откуда L₂ = 1/(2p)²_* f₀²_*С₂ = 4.7* 10^-9 (Ф).

 

Расчет цепей согласования

 

Структурная схема усилителя мощности (УМ) в общем случае содержит активный элемент и цепи связи: входную и выходную. Каждая из цепей связи, или их еще называют цепями согласования, может выполнять ряд функций. Требования к усилителю по величинам выходной мощности, коэффициента передачи и КПД выполняются в первую очередь выбором типа активного элемента и его режима. Однако реализация этого режима возможна лишь при правильном выборе типа и параметров ЦС. С помощью ЦС создаются близкие к оптимальным формы и величины токов и напряжений активного элемента.

Выходная цепь связи в первую очередь обеспечивает трансформацию сопротивления нагрузки усилителя в оптимальное сопротивление нагрузки активного элемента для токов первой гармоники. Критерии оптимальности нагрузки могут быть различными. Например, достижение максимальной мощности, максимального КПД или максимального усиления.

Часто на практике стремятся получить компромиссное решение: обеспечить заданную мощность при достаточно высоких значениях К_р и КПД. Можно дополнительно повысить КПД, обеспечив определенный характер входного сопротивления выходной ЦС на высших гармониках рабочей частоты.

Выходная ЦС еще частично решает задачу фильтрации гармоник на выходе. Требования к фильтрации побочных составляющих спектра обычно высоки, их подавление по ГОСТу должно быть не менее чем на 60 дБ.

Трансформация сопротивлений

Цепь связи можно представить в виде четырехполюсника, рисунок 6.

 

Рисунок 6.

 

Данная ЦС должна преобразовать сопротивление R₂ в сопротивление R₁. Cопротивление R₂ может представлять собой сопротивление фидерной линии, если речь идет о выходной ЦС передатчика, или входное сопротивление следующего активного элемента, если речь идет о межкаскадной ЦС.

Сопротивление R₁ - входное сопротивление четырехполюсника - может служить коллекторной нагрузкой активного элемента.

Если нагрузка комплексная, ее реактивную составляющую можно всегда рассматривать как элемент ЦС.

Требования минимальности потерь в ЦС означает, что она должна выполняться на реактивных элементах. Количество схемных реализаций может быть весьма велико.

Рассчитаем цепь связи, необходимую для согласования УМ возбудителя и усилителя мощности в ПОК.