К вопросу об усилителях мощности

[Barracuda]

Автор И. Гончаров (3А8019)


К вопросу об усилителях мощности.

Прежде, чем обсуждать использование усилителей мощности в радиосвязи, не лишним будет в очередной раз поговорить о проблемах увеличения дальности уверенного приёма - вообще.

Очевидно, многие уже понимают, что возможность приёма сигнала определяется соотношением его уровня с уровнем помех и шумов на входе детектора трансивера. В свою очередь, это соотношение зависит от четырёх составляющих: мощности, излучаемой передающей антенной в направлении корреспондента, уровня помех и шумов в канале, эффективности приёмной антенны и селективно-шумовых характеристик приёмника. Владелец какой либо конкретной Си-Би радиостанции вряд ли может влиять на уровень шумов в канале и селективные характеристики уже купленного трансивера, однако уровень излучаемой мощности и степень эффективности антенны ему вполне подконтрольны.

Шумы, помехи и прочие проблемы диапазона Си-Би.

Для тех, кому это интересно, можно кратко обсудить проблему шумов и помех в диапазоне 27 МГц.

Во-первых, для Си-Би радиосвязи этот диапазон имеет вторичный характер использования. Историческое решение комиссии ГКРЧ, допустившее широкие народные массы к излучению радиоволн, именно так и определило права владельцев Си-Би лицензий. "Использование на вторичной основе" предполагает наличие в диапазоне излучений от промышленных генераторов - греющих, сушащих, плавящих, закаляющих, сваривающих; от медицинских установок, от останков систем передачи данных и т.д. и т.п., то есть от всего того, что превращает энергию электрической сети в ВЧ поля и ЭМ волны диапазона 27 МГц во благо самого государства.

Во вторых, существуют различные эфирные шумы и помехи, простое перечисление которых занимает достаточно много времени и места. Их интенсивность не постоянна в течении суток, меняется в зависимости от сезона и погоды, не говоря уже о косвенном влиянии солнечной радиации.

Присутствуют и "хвосты" излучений из других диапазонов, включая и индустриальные помехи от искрящих контактов, коллекторных электромоторов и, просто, бросков тока в электросети. А жизнь наша устроена так, что чем резче какое-либо изменение, тем больший эффект оно производит (применительно к электротехнике это означает, что чем быстрее меняется ток, тем более широким спектром обладает возникающее при этом ЭМ излучение).

И, наконец, существует проблема перенасыщенности радиостанциями некоторых районов и даже областей, хотя это утверждение и может быть оспорено. Но что может поделать обладатель радиостанции, если на соседней (или даже на своей) крыше вдруг вырастает ещё одна антенна и S-метр периодически начинает зашкаливать? Не говоря уже о "дальнобойных" проходах, когда далёкий друг четырьмя Ваттами глушит прямых корреспондентов.

Пути увеличения дальности радиосвязи.

Очевидно, что всё перечисленные обстоятельства ни коим образом не способствуют улучшению связи, так как снижают результирующее отношение сигнал шум на входе трансивера. И если говорить о состоянии эфира крупных промышленных городов, то делают они это весьма успешно.

Поэтому у каждого владельца Си-Би радиостанции для увеличения дальности радиосвязи имеются только два пути: улучшение характеристик антенно-фидерного тракта и (или) увеличение уровня выходной мощности передатчика. Они взаимосвязаны, так как позволяют, прежде всего, поднять уровни мощности, излучаемой и, соответственно, принимаемой антенной. Учитывая непростой правовой аспект радикального увеличения выходной мощности, сначала целесообразно обратить специальное внимание на качество антенного хозяйства.

Как известно всем более-менее опытным радистам, в антенну можно превратить практически любой металлический предмет - например, гвоздь. Для этого нужно всего лишь подобрать величину удлиняющей катушки и трансформировать получившееся при этом входное сопротивление к номинальной величине. Однако, сравнивая такую антенну с полноразмерной (5/8l; 1/2l; 1/4l), нетрудно понять, что излучаемые ими мощности (при одинаковой выходной мощности передатчика) будут весьма и весьма отличаться.

Но не только физической длиной антенны определяется эффективность всей системы. О необходимости тщательной настройки и согласования антенно-фидерного тракта сказано и написано достаточно много, так как результирующий уровень КСВ во многом определяет потенциальную дальность радиосвязи в прямом луче. Тем не менее, применительно к фактической величине мощности излучения, на этом вопросе следует остановиться более подробно.

Далеко не во всех публикациях и, тем более, инструкциях к антеннам, понятия настройки и согласования рассматриваются отдельно. Однако их целесообразно разделять. Под настройкой следует понимать обеспечение резонанса антенны на выбранной частоте, для чего производится регулировка её электрической длинны (которую не нужно путать с длинной физической). Не вдаваясь в подробности этого процесса, можно отметить, что при резонансе входное сопротивление антенны (состоящее из суммы сопротивления излучения и сопротивления потерь) в точке подключения кабеля становится чисто активным. Хорошие антенны могут работать в достаточно широкой полосе частот. Это означает, что при отходе от резонанса входное сопротивление изменяется незначительно и появляющиеся при этом его реактивные (ёмкостные или индуктивные) составляющие также малы. Однако даже при резонансе величина входного сопротивления может отличаться от номинальной, и, в этом случае, согласование становится необходимым. К сожалению, вторая регулировка для большинства промышленных антенн является заводской и её проведение требует существенной разборки всей конструкции. Как правило, бывает достаточно подобрать точку отвода согласующего автотрансформатора.

В результате точной настройки самой антенны обеспечивается ряд условий, весьма положительно влияющих на работу всего радиокомплекса. А именно:

- в подводящем фидере сильно уменьшается ЭМ волна, отражённая от антенны, то есть почти вся ВЧ энергия передатчика попадает в антенну,

- выходной каскад передатчика работает в номинальном расчётном режиме, без перегрузок по мощности и теплу,

- в полном объёме реализуются направленные свойства антенны, а согласованный кабель не излучает ЭМ волны.

Важно и то, что антенная система, хорошо работающая на передачу, будет иметь неплохие параметры и в режиме приёма (хотя и тут есть некоторые тонкости, связанные с шумовыми параметрами, но их рассмотрение выходит за рамки этого материала).

Столь подробное обсуждение качества антенно-фидерного хозяйства предпринято для того, чтобы пояснить весьма важный вывод: дальность связи в прямом луче зависит далеко не только от выходной мощности передатчика. И если у владельца Си-Би радиостанции есть возможность построить хорошую, длинную и хоть немного направленную антенну, то пренебрегать этим категорически не следует.

Однако такая возможность имеется, к сожалению, не всегда. Как показывает практика, в случае стационарных радиостанций тому помехой является либо вандализм местной молодёжи, либо трепетная бдительность управдомов различного уровня. Очень мешают постоянно идущие по телевидению сериалы, заставляющие домохозяек писать в различные инстанции, даже при отсутствии каких либо помех. Принципиально нет возможности работать с длинной антенной и из автомашины. Вот и выходит, что далеко не всегда излучаемая антенной мощность соответствует паспортному значению выходной мощности радиопередатчика.

И если учесть, что тщательная настройка и согласование антенны по уровню трудностей несоизмерима с использованием усилителя, то становится понятно, отчего многие и очень многие владельцы Си-Би радиостанций для решения своих задач выбирают наиболее простой способ - покупают усилитель мощности.

Оставляя в стороне правовой вопрос применения усилителей в Си-Би диапазоне (о нём уже достаточно много писалось и говорилось) и рассматривая работу с усилителями как меру ВЫНУЖДЕННУЮ, можно попытаться понять, каким образом свести к минимуму негативные последствия этого процесса.

Для этого предварительно нужно разобраться, что это, вообще, такое - усилитель мощности, какие параметры и характеристики определяют его качество, и какими способами можно улучшить его работу и уменьшить приносимый им вред.

Усилитель - как преобразователь. Параметры и характеристики.

Тем, кто не знаком близко с электротехникой, можно предложить рассматривать всякий усилитель как преобразователь, превращающий постоянный тока источника питания в ток переменный и высокочастотный. Естественно, сам смысл усиления сводится к тому, чтобы формируемый в нагрузке сигнал имел большую мощность, чем входной и содержал ту же информацию. Для этого активные элементы (транзисторы, лампы и т.д.) выполняют функцию неких вентилей с регулируемым внутренним сопротивлением. При работе общее сопротивление для тока источника меняется в соответствии с входным управляющим сигналом и происходит постоянное перераспределение падений напряжения на самом активном элементе и нагрузке усилителя. Имея перед глазами такую модель, можно обсуждать работу усилителя с точки зрения основных параметров и характеристик.

Как и всякое электротехническое изделие, ВЧ усилитель мощности должен соответствовать комплексу различных технических требований. Не вдаваясь в обсуждение нормативных документов, все эти требования можно условно разделить на две категории. Первая интересует прежде всего владельцев этой техники, а вторая - остальное человечество, включая соответствующие службы и инстанции.

Естественно, что наиболее волнующим владельца параметром является выходная мощность усилителя. И вот тут нужно очень чётко понимать, что выходная мощность - это весьма косвенный показатель, который характеризует, по существу, только потенциальные возможности устройства. Под выходной мощностью понимается её уровень при работе на эквивалентную, чисто активную и нормированную нагрузку, причём при определённом уровне мощности на входе. Измерение ВЧ мощности - дело достаточно непростое, ниже будут приведены некоторые пояснения этого процесса и рекомендации по измерительным нагрузкам. В любом случае, нужно помнить, что реальная нагрузка отличается от номинальной; и зависит от степени согласования антенно-фидерного тракта, а также и от соотношения сопротивлений излучения и потерь используемой антенны. В итоге, совершенно не очевидно, какую мощность отдаст конкретный усилитель при работе на конкретную систему фидер - антенна, какая её часть доберётся до антенны, какая часть излучится, а какая - рассеется в согласующих элементах и сопротивлении потерь самой антенны. Если возвратиться к уже упоминавшейся антенне из гвоздя, пусть даже и идеально согласованной, то вряд ли стоит ожидать 100-Ваттного уровня излучаемой мощности при включении 100-Ваттного усилителя. И, естественно, пропорциональной прибавки на S-метре приёмной стороны.

Следующим параметром, который должен интересовать потенциальных владельцев усилителей, является величина потребляемого тока. И дело не только в стоимости источника питания. Это очень информативный показатель, так как по нему можно судить о качестве усилителя в целом. Соображения тут весьма простые. Теоретически, КПД выходных каскадов коротковолновых транзисторных усилителей не может быть выше 70 % (существуют, конечно, специальные высокоэффективные алгоритмы построения усилительных трактов с КПД порядка 80-90 %, однако, как правило, дорогостоящих). На практике следует иметь в виду КПД порядка 60 %. Разделив величину номинальной выходной мощности на это значение, можно оценить уровень мощности потребляемой (для примера - 100 х 0,6 = 170 ). Соответственно, при известном напряжении питания несложно вычислить номинальный ток потребления (170 : 13.8 = 12 [А]). Увеличив это значение на 25 % (запас на рассогласование), можно получить вероятное значение потребляемого тока (15 А). А дальше - нужно решать. Если указанный в паспорте или реально потребляемый усилителем ток существенно меньше - ни о каких 100 Ваттах выходной мощности говорить не приходится. Если больше - скорее всего, выходной каскад работает в неудачном режиме. Кстати, чем меньше КПД, тем больше рассеиваемая транзисторами мощность, и тем меньше надёжность и ресурс их работы.

Ещё одним показателем, на который нужно обратить внимание владельцам радиостанций, является уровень КСВ по входу. Ситуация здесь такая же, как и в случае с антенно-фидерными делами. Чем меньше величина КСВ, тем легче работать выходному каскаду радиостанции, и тем проще ему обеспечить требуемый номинальный уровень возбуждения.

Как правило, все связные усилители имеют систему обхода для обеспечения режима приёма. Для этого используются либо релейные, либо диодные коммутаторы. Реле, обычно, не являются коаксиальными (дороговато), а диодные коммутаторы требуют известной тщательности при изготовлении. В результате, при неудачной конструкции или настройке обходной путь может вносить рассогласование в тракт антенны при приёме - со всеми вытекающими из этого последствиями. Для проверки рассогласования по обходному пути КСВ-метр включается между усилителем и радиостанцией. Сам усилитель должен быть нагружен на эквивалент нагрузки, соединён с включенным блоком питания и выключен соответствующей кнопкой на передней панели (для проверки входного КСВ усилитель нужно включить). В крайнем случае вместо эквивалента нагрузки можно использовать и антенну, но при этом будет измеряться КСВ всего тракта, а не усилителя.

Вторая категория параметров усилителей мощности объединяет их качественные характеристики. В отличии от энергетических, они характеризуют спектральный состав выходного сигнала. Эти показатели весьма важны с точки зрения совместной работы многих и многих радиоэлектронных устройств в эфире, который, к сожалению, только один и, к тому же, далеко не резиновый. И беспокоят они - не столько владельцев радиокомплексов, сколько их соседей и контролирующие организации. Таких показателей достаточно много, но, применительно к системам низовой радиосвязи, в первую очередь следует иметь в виду уровень побочных излучений (в основном, это излучение на гармониках рабочей частоты) и уровень внеполосных излучений (излучение в соседних каналах).

Исторически, по мере увеличения количества объектов, излучающих ЭМ волны (здесь имеются в виду не только радиопередающие устройства), плотность излучений во всех диапазонах также росла. Наконец, наступил момент, когда они стали существенно мешать друг другу. Очевидно, именно тогда и стало формироваться понимание проблемы, которую в последствии назвали проблемой электромагнитной совместимости (ЭМС). И, как стало понятно достаточно быстро, единственным способом решения этой проблемы оказался путь договоров и ограничений. На основе изучения свойств распространения радиоволн был выработан определённый порядок распределения эфира, который предполагал закрепление частотных диапазонов, самих рабочих частот, а также допустимых мощностей за конкретными странами, регионами, областями, районами и, далее, по списку. Но не только. Постепенно был выработан и комплекс технических ограничений на все устройства, так или иначе излучающие ЭМ волны. Все эти нормы, правила и договорённости были закреплены международными соглашениями, внутренними законами, ГОСТами, ТУ и т.д. Именно этим и объясняется комплекс ограничений, предусмотренных для радиосредств Си-Би диапазона.

Кстати, правила, регламентирующие работу Си-Би радиостанций в РФ, являются одними из самых либеральных, так как разрешают радиообмен на уровне выходной мощности до 10 Вт в режимах АМ, ЧМ и ОБП (SSB) в двух сетках. Такого комплекса нет, пожалуй, ни в одной другой стране. Например, в Германии, режим АМ разрешён лишь при выходной мощности в 1 Вт и только в небольшой части каналов сетки С.

Но на самом деле проблема ЭМС ещё более сложна. Если представить себе, например, современный самолёт, то можно только удивляться, как совершенно различные по своим функциям комплексы электронной аппаратуры, сосредоточенные в очень небольшом пространстве и сильно завязанные по цепям питания, ухитряются работать более-менее нормально и не мешать друг другу. А всё дело - в черезвычайно жестких требованиях по линии ЭМС. Тем, кто ещё не проникся, можно рекомендовать провести небольшой эксперимент. Если поднести портативную радиостанцию к АОНу, то вряд ли удастся принять слабые сигналы. В то же время, современный компьютер, по энергетике соизмеримый с десятком телефонных определителей, излучает значительно меньше и почти не мешает приёму, так как, по идее, сертифицировался и, как бы, даже соответствует.

Возвращаясь к более близкой части проблемы ЭМС, а именно - к качественным параметрам радиопередатчиков, нужно сделать небольшие пояснения для тех, кто не знаком со спецификой этого вопроса.

Всё, излучаемое передатчиком в эфир, можно разделить на две неравные части: полезное излучение - т.е. то, которое проистекает на рабочей частоте и содержит передаваемую информацию, и вредное излучение, которое происходит на других частотах, хотя информацию, так же, может и содержать. Очевидно, что для приёмной стороны имеет значение только первое из них, тогда как второе не только пропадает зря, но ещё и мешает работе других радиосистем.

Для того, чтобы понять, откуда берётся вредное излучение, удобно вернуться к предложенной выше модели усилителя. Рассматривая выходной каскад передатчика в качестве преобразователя энергии источника питания, нетрудно сообразить, что формируемая им в нагрузке мощная копия входного (управляющего) сигнала может отличаться от него по своей форме. И если входной сигнал имеет вид идеальной синусоиды, а выходной - нет, то, значит, при его формировании образовалось что-то ещё, что, сложившись с идеальной синусоидой, привело к такому искажению её формы. Но раз это присутствует в выходном сигнале, значит, оно пойдёт в антенну, и, далее, в эфир.

Причиной появления искажений всегда является нелинейность характеристик активных элементов (транзисторов, ламп и т.п.). Говоря другими словами - изменения в выходной цепи не всегда строго пропорциональны изменению управляющего сигнала. А в ряде случаев существуют и другие факторы, влияющие на степень искажения формы выходного сигнала. Например, если в двухтактном каскаде транзисторы имеют разный коэффициент усиления (т.е. схема несимметрична), то амплитуда положительной (от одного их них) и отрицательной (от другого) полуволн синусоиды на выходе схемы будет различна (рис. 4). При этом в выходном сигнале будут присутствовать чётные гармоники, т.е. сигналы на частотах, кратных удвоенной частоте сигнала на входе каскада. А вот если выходной сигнал будет симметричен относительно нуля, но сами полуволны будут искажены, то в его спектре будут присутствовать нечётные гармоники. К сожалению, жизнь устроена так, что всегда есть и то, и другое.

Имея в виду подобные гармонические искажения, следует помнить, что, если антенна настроена на какую-либо частоту, то точно так же она настроена и на её нечетные гармоники и будет излучать их тоже - очень неплохо. Поэтому уровень излучения на гармониках основной частоты и ограничивается соответствующими нормами.

Для лучшего понимания важности этого вопроса можно привести следующий наглядный пример. Двухтактный транзисторный усилительный каскад без фильтров на выходе даже при подборе транзисторов по параметрам с точностью до 20 % гонит в нагрузку сигнал на второй гармонике несущей частоты с относительным уровнем в минус 20-30 дБ, а на третьей - минус 10-15 дБ. И если общая выходная мощность составляет 100 Вт, то это практически эквивалентно работе двух дополнительных передатчиков - одного, работающего на удвоенной частоте =57 Мгц с выходной мощностью 1 Вт (минус 20дБ), и второго - на частоте =81 Мгц с выходной мощностью 10 Вт (минус 10 дБ). Как известно, этот уровень мощностей примерно соответствует возможностям радиостанций. Тут не лишним будет и вспомнить, что частота 54 Мгц находится в полосе первого телевизионного канала (48.5-56.5), а 81 Мгц - третьего (76-84). Вот и начинают телевизионные приёмники соседей, вместо любимых народом сериалов, транслировать элементы радиообмена.

Естественно, что приведённый пример является, по существу, предельным и, потому, почти клиническим случаем. Как правило, большинство усилителей всё-таки снабжаются выходными фильтрами или их подобием. Правда, очень часто включение различных реактивных цепочек преследует только задачи трансформации нагрузки с целью выжимания большей мощности, но нет и худа без добра - уровень излучения на гармониках попутно всё же снижается. Как следует из теории, каждый реактивный элемент, входящий так или иначе в состав фильтра, обеспечивает дополнительное подавление вредных излучений до 6 дБ (в четыре раза) на октаву (с каждым удвоением частоты).

Следует отметить, что грамотное проектирование и настройка многоэлементных фильтров с хорошим подавлением является весьма трудной задачей, требующей, в том числе, наличия специальных приборов и приличного опыта. Не стоит и надеяться, что в домашних условиях можно предсказуемо настроить что-либо более сложное, чем традиционный Пи-контур. Плохо настроенный фильтр может нарушить работу выходного каскада, внести существенные потери на рабочей частоте и вместо того, что бы ослабить вредные излучения, напротив, их подчеркнуть. Пожалуй, именно это обстоятельство заставляет более чем критически относиться к различным самопальным конструкциям из серии "Усилитель мощности для радиостанции - это очень просто!".

Заканчивая описание этой характеристики выходного спектра, нужно добавить, что существующие нормы на допустимый уровень побочных излучений, к которым впрямую относится излучение на гармониках, в принципе, зависят от общей величины выходной мощности. Для устройств низовой связи оно не должны превышать уровня в минус 60 дБ или быть в 1000000 раз слабее полезного сигнала. Конечно, ориентируясь на технические требования к Си-Би аппаратуре (для 10 Вт - минус 40 дБ), можно выйти на величину порядка - 50 дБ для 100 Ваттного усилителя, но.... В любом случае, используя приведённые выше данные, можно прикинуть, какой сложности фильтры должны присутствовать в усилителе мощности. И если, открыв его крышку, не удаётся найти должного количества солидных катушек и ёмкостей, можно не сомневаться - это устройство будет радовать только своего хозяина. Ещё - может быть - продавца. А остальных, как говорится: "Ну, это - вряд, ли...".

Общим свойством излучения на гармониках является то, что они прилично удалены от основной частоты, что и позволяет уменьшать их мощность в нагрузке, включая на выходе передатчика различные фильтры. Но в спектре выходного сигнала могут присутствовать и ещё одна категория составляющих, расположенных близко к рабочему каналу. Они подпадают в группу внеполосных излучений и, также как и побочные, относятся к вредной части излучаемого сигнала.

Справедливости ради нужно отметить, что при работе с частотной модуляцией вклад усилительных каскадов в уровень внеполосных излучений практически отсутствует. Их уровень определяется, в основном, качеством работы модулятора и синтезатора. Известный "вылет" сигнала в соседние каналы, возникающий при значительном увеличении индекса (глубины) модуляции, как раз соответствует возросшему уровню внеполосных излучений. А некоторые синтезаторы, в силу каких-то своих внутренних причин, ухитряются выдавать в тракт усиления вместе с несущей частотой выбранного канала и все остальные доступные им частоты, хотя, конечно, и меньшего уровня.

Сложнее дело обстоит при работе в режиме амплитудной модуляции. В этом случае и усилительные каскады могут вносить свою лепту в конечный уровень внеполосных излучений. Нелинейность характеристик будет приводить к искажению формы огибающей, в результате чего появляются и её гармоники (рис. 5). Спектр излучения расширяется и если нелинейность велика, гармоники верхней части модулирующих частот ощутимо попадут в соседние каналы. Именно такая ситуация возникает при попытке использовать усилитель ЧМ сигналов для работы с амплитудной модуляцией. В режиме несущей усилитель и так выдаёт почти всю мощность, на которую способен. При появлении модулирующего сигнала эта мощность, по идее должна меняться. Вниз, хоть и не очень линейно, это происходит, а вот вверх - уже некуда. Вот и происходит одновременное искажение информации и вылет в соседние каналы, чего, естественно, сам владелец не ощущает.

Существующие нормы на уровень внеполосных излучений для систем низовой радиосвязи также зависят от уровня выходной мощности, хотя и являются более жесткими, чем на побочные излучения. Как правило, они описывают некий трафарет, в который должен укладываться спектр выходного сигнала. Форма трафарета задаётся допустимым относительным (минус дБ) уровнем спектральных составляющих при нормируемых отстройках от рабочей частоты за пределами канала.

Ещё более сложно обстоит дело с усилением ОБП (или SSB) сигналов. В этом случае дополнительно присутствует ещё один показатель, определяющий качество радиосвязи. Речь идёт об уровне комбинационных искажений. Как, наверное, многим известно, в режиме ОБП выходной сигнал является полным эквивалентом информационного (речевого) сигнала, который просто переносится в область рабочей частоты. Так как при этом отсутствует основная база и опора радиосвязи - несущая частота - то для сохранения информации при усилении крайне важно соблюсти исходные состав и соотношение между спектральными составляющими этого сигнала. Отсюда и вытекают повышенные требования к линейности усилительного тракта.

Вообще, режим ОБП является классическим примером компромисса. С одной стороны, радиоаппаратура значительно усложняется, к её характеристикам предъявляются повышенные требования. Требуется и большее мастерство от оператора. Цена аппаратуры заметно выше. С другой стороны, реализуются весьма значительные преимущества: выходная мощность передатчика используется только на передачу информации и не расходуется на несущую и вторую боковую полосу, излучение в паузах отсутствует, экономно используется ёмкость эфира, так как полоса сигнала вдвое уже. А на приёмном конце улучшаются условия приёма, так как за счёт более узкой полосы существенно уменьшается мощность шумов - и эфирных, и собственных. Соответственно, растет и дальность связи при той же выходной мощности. Или - требуется меньше мощности для той же дальности. Реальный выигрыш измеряется разами, что позволяет рассматривать работу в режиме ОБП как очень и очень перспективное направление.

Естественно, что комплекс качественных показателей усилительных каскадов далеко не ограничивается перечисленными. Но они чрезвычайно важны и чистота эфира во многом зависит от их строгого соблюдения. Уж коли, в силу объективных и субъективных причин, не удаётся обеспечить радиообмен при малом уровне мощности, так нужно всемерно стремиться к минимальному загрязнению эфирного пространства побочными продуктами от процессов умощнения.

Структура ВЧ усилителя мощности.

После обсуждения всех основных параметров усилителей логично поговорить о том, какими способами они обеспечиваются. В задачу данного материала не входит изложение принципов проектирования и разработки усилительных устройств, так как для этого существует большое количество специальной, почти специальной и радиолюбительской литературы. Да и, вообще, приступать к строительству подобного устройства стоит лишь в том случае, если существует возможность тщательно проконтролировать результаты этой работы. Не лишним будет ещё и ещё раз напомнить, что чистота эфирного пространства и возможность проведения нормального радиообмена - это совокупный результат, во многом зависящей от степени ответственности заинтересованных сторон. С учётом этого ниже будут приведены лишь общие характеристики узлов ВЧ усилителей, поясняющие их работу на уровне структурной схемы.

Несмотря на разнообразие вариантов построения транзисторных ВЧ усилителей мощности (ламповые усилители распространены в значительно меньшей степени, имеют свою специфику и здесь не рассматриваются) все изделия этого рода имеют достаточно типичные признаки и могут быть сведены к общей структуре. В предельном случае современный связной усилитель должен содержать следующие основные узлы: входное согласующее устройство, предварительный каскад (или каскады), цепи межкаскадного согласования, выходной каскад, выходной фильтр и систему обхода для обеспечения дуплексного режима работы. Помимо этого, в состав устройства должны также входить различные системы защиты - по току, по теплу и по уровню КСВ. Далеко не лишней бывает и защита от переполюсовки питания (при этом следует помнить, что она может спасти усилитель только при наличии в цепи питания предохранителя или электронной защиты). Ну и, наконец, блок управления и контроля, позволяющий оперативно выбирать оптимальный режим работы.

Входное согласующее устройство (ВСУ) обычно представляет собой некий трансформирующий четырехполюсник, приводящий входное сопротивление первого каскада усилителя к номинальной величине в рабочем диапазоне частот. Для этого могут использоваться как ВЧ трансформаторы (двухтактные схемы), так и различные L-C цепочки. В ряде случаев ВСУ выполняет функции коррекции частотной характеристики для уменьшения неравномерности выходной мощности в диапазоне частот. Если усилитель предполагает работу в режимах с АМ, то ВСУ может работать и в качестве коммутируемого аттенюатора для уменьшения выходной мощности в режиме несущей. По аналогии с ВСУ строются и цепи межкаскадного согласования (МКС).

Наличие и количество каскадов предварительного усиления (ПУ) зависит от многих условий. В первую очередь, от необходимого общего коэффициента усиления по мощности и свойств транзисторов. Чем более высокочастотные (и дорогие!) транзисторы используются в схеме, тем больший коэффициент усиления имеет любой каскад. В ряде случаев удаётся обеспечить задуманное и в однокаскадном варианте. Но, как правило, построение относительно широкополосного усилительного тракта, способного работать устойчиво (без самовозбуждения) и надёжно (в условиях рассогласования нагрузки), требует определённого запаса по усилению. Практика показывает, что при уровне выходной мощности до 200 Вт в верхней части КВ диапазона бывает вполне достаточно одного предварительного каскада с однотактным включением транзистора.

В выходных или оконечных каскадах (ОК) усилителей мощностью более 50 Вт применяются, в основном, двухтактные схемы. Помимо относительно неплохих энергетических показателей (класс В, АВ) такие схемы имеют несколько меньший уровень чётных гармоник в спектре выходного сигнала и при грамотном выборе режима более стабильно работают на рассогласованную нагрузку. Можно утверждать, что работа выходного каскада во многом определяет качество всего усилителя, так как именно этот блок потребляет основное количество энергии источника и вносит наибольший вклад в результирующий уровень вредных излучений. В тех случаях, когда требуется особо большая выходная мощность (выше 200 Ватт), может использоваться сложение выходных сигналов нескольких однотипных двухтактных схем.

Говоря о выходных каскадах транзисторных усилителей, нельзя обойти вниманием и сами транзисторы. Их выбор чрезвычайно разнообразен: (отечественные - импортные, полевые - биполярные, ВЧ - СВЧ и т.д.), как, собственно, и диапазон имеющихся цен. Поэтому перед разработчиками всегда стоит задача поиска компромисса между использованием дорогих мощных высокочастотных транзисторов и различными схемотехническими ухищрениями, позволяющими заставлять работать более дешёвые приборы там, где им, может быть, и не совсем положено. Практика показывает, что при грамотном проектировании выходные каскады ВЧ усилителей даже могут выдерживать кратковременную работу без выхода из строя в режимах от холостого хода до короткого замыкания по выходному разъёму.

О необходимости и функциях выходного фильтра (ВФ) выше было сказано достаточно много. Имея в виду этот блок, как составную часть усилительного тракта, нужно добавить, что выбор его типа и конкретной структуры должен производиться не только из соображений подавления побочных излучений. Любой фильтр имеет трансформирующие свойства, поэтому необходимо в обязательном порядке учитывать его реакцию на рассогласование нагрузки, с тем, чтобы не создавалось дополнительных перегрузок для транзисторов выходного каскада. Учитывая, что при резонансе величины реактивных токов и напряжений в высокодобротных цепях достигают весьма больших значений, следует позаботиться о минимизации активных потерь в его элементах и обеспечить соответствующий запас по пробивным напряжениям.

Система обхода (СО) усилителя мощности обеспечивает возможность приёма сигналов трансивером, минуя усилительный тракт. Как правило, она строится на основе обычного амплитудного детектора, который управляет релейным коммутатором. Для работы в режиме SSB постоянная времени детектора обычно увеличивается, так как несущая отсутствует и возможно самопроизвольное отключение усилителя при малых уровнях сигнала.

Учитывая относительно высокую стоимость ВЧ транзисторов, весьма желательным является наличие в составе усилителя системы или систем защиты (СЗ). В простейшем случае может быть реализована защита по температуре. Тепловой датчик располагается по возможности более близко к мощным транзисторам и при их перегреве отключает усилитель. Несмотря на простоту, такая защита обычно оказывается достаточно эффективной, так как спасает устройство от выхода из строя при переходе транзисторов в неэффективный режим работы. Однако она работает интегрально и не позволяет быстро установить причину нештатного режима.

Более сложным вариантом является комбинированная система, когда усилитель отключается не только при постепенном перегреве, но и сразу, как только меняются параметры нагрузки. Именно такой вариант защиты предпочтителен при использовании транзисторов в режимах, близких к предельным. И, наконец, есть схемы защиты, которые определяют, нужно ли сразу отключить усилитель или достаточно понемногу уменьшать его выходную мощность, удерживая усилительный тракт в области относительно безопасного режима.

Но защищать нужно не только усилитель. Не следует забывать и о защите от него самого. Поэтому абсолютно необходимо иметь соответствующий предохранитель в цепи его питания. Он не помешает даже при наличии в блоке питания защиты электронной, которая может разрегулироваться и не сработать. Нужно только позаботиться о качестве контактов в его колодке.

Последнее, о чём стоит упомянуть - это о блоке управления и индикации. В хорошем усилителе должен быть не только выключатель (ON/OFF) и переключатель режима работы (AM/FM/SSB), но и регулятор выходной мощности. Последнее представляется весьма актуальным, так как работать всегда следует на минимально возможном уровне выходной мощности. Чтоб другим не мешать, да и себя не облучать лишний раз. Ведь никто и никогда не мерил, какая напряжённость ЭМ поля образуется, например, внутри маленькой машины, если в ней установлен суперусилитель типа 797, а антенный кабель почти перебит дверцей. Ну, а то, что касается индикации - тут - дело вкуса и удобства работы с устройством. Хотя оперативный контроль КСВ нагрузки вряд, ли, когда-нибудь, кому-нибудь принесёт вред. Скорее - денег наэкономит.

Измерение ВЧ мощности.

Теперь уместно более подробно остановиться на вопросах измерения высокочастотной мощности. На особенности этого процесса следует обратить определённое внимание, что, впрочем, требуется всегда, когда дело доходит до ВЧ цепей. Специфика заключается в том, что с ростом частоты сигнала большинство радиокомпонентов начинают проявлять новые свойства, которые обусловлены их конструкцией и практически не ощущаются в области низких частот (и, тем более, на постоянном токе).

Для того, чтобы наглядно пояснить, о чём идет речь, можно рассмотреть конструкцию и частотные свойства популярного в народе мощного резистора марки ПЭВ-25 (если, кто - сразу не помнит - это достаточно солидное радиоизделие тёмно-зелёного цвета с двумя крепкими плоскими выводами). Казалось бы, при номинале в 51 Ом оно идеально подходит для нагрузки радиостанции или, допустим, усилителя - есть и запас по мощности (25 Вт), и припаяться легко. Однако на самом деле это далеко не так.

Конструктивно этот резистор представляет собой трубчатую керамическую основу, на которую навита спираль из нихрома. Сверху всё это хозяйство покрыто слоем стекла - для придания стабильности и прочности. И, действительно, в источниках питания, осветительных приборах и т.п. резистор работает изумительно, не боясь перегрева и механических воздействий. Особенно хорошо его использовать для подогрева замкнутых объёмов (картошка на балконе). Но для ВЧ цепей он практически непригоден, по крайней мере - впрямую, без принятия дополнительных и непростых мер.

Дело в том, что спиральная форма токонесущего проводника предполагает наличие индуктивности, которая не имеет никакого отношения к его основной функции - внесения в цепь активных омических потерь. Её величину несложно подсчитать: при диаметре каркаса =12 мм, длине намотки =30 мм и числе витков около 60, собственная индуктивность составит примерно 10 мкГн. Такая индуктивность на частоте 27 МГц имеет реактивное сопротивление около 1600 Ом (Хl = 2·п·f·L), что практически в тридцать раз превышает величину резистивного номинала. Если использовать такой резистор в качестве нагрузки радиостанции, то это будет почти эквивалентно обрыву антенны, хотя на самом деле ситуация может оказаться ещё хуже, так как общее сопротивление имеет ярко выраженный индуктивный характер. В то же время, резистор указанной марки можно успешно использовать на частотах до 70 кГц, так как там его реактивное сопротивление будет на порядок ниже резистивного номинала.

Заканчивая рассмотрение этого очень сложного элемента, нужно добавить, что частотная модификация его свойств не ограничивается приобретением индуктивной составляющей. На самом деле с ростом частоты начинает проявляться влияние и межвитковой ёмкости, и индуктивности выводов, и ёмкости монтажа, и многого другого, что в итоге заставляет говорить уже о сложной многоконтурной цепи с несколькими выраженными резонансами.

Столь подробное рассмотрение наиболее простого из радиокомпонентов - резистора - приведено здесь для того, чтобы пояснить, сколько неочевидных факторов нужно учитывать при работе с ВЧ техникой. Поэтому, при попытках вмешаться в работу любой ВЧ схемы, следует ещё и ещё раз подумать о возможных последствиях этого деяния.

Возвращаясь к измерению выходной мощности радиопередатчика, нужно сделать достаточно чёткий вывод: для использования в качестве эквивалента нагрузки следует применять резисторы с минимально возможными паразитными параметрами. К их числу наиболее распространённых и недорогих относятся низкоомные и практически безиндуктивные резисторы серии МОН (1 или 2). Из них и нужно набирать различные комбинации, обеспечивающие рассеяние необходимой мощности при заданной величине нагрузки.

Весьма важна и конструкция эквивалента. Не стоит скручивать выводы и пропаивать всё это дело. Много лучше использовать печатную плату, на которой резисторы будут распределены равномерно. При рисовании платы нужно стремиться к минимальному количеству поворотов токовых траекторий и, по возможности, к их одинаковой длине. Все площадки должны быть большими и квадратными. Если приходится тянуть какую-либо шину, нужно всемерно увеличивать её ширину, так как при этом погонная индуктивность уменьшается. Выводы резисторов лучше откусить и паяться к торцам, зачищенным напильником. При использовании двухстороннего стеклотекстолита фольгу с неиспользуемой стороны лучше удалить (паразитная ёмкостная связь). Распаивая коаксиальный кабель, нужно стремиться к минимальной длине расплетённых концов (неоднородность линии). Хорошие результаты даёт конструкция "Беличье колесо". Это два диска, между которыми в необходимом количестве распаиваются резисторы. Коаксиальный разъём устанавливается в центре, его корпус соединён с одним из дисков, а центральная жила - с другим. Такая нагрузка (при надлежащем качестве изготовления) имеет стабильный КСВ до частот в несколько десятков мегагерц.

Существуют и промышленные эквиваленты нагрузок, например, коаксиальных. Однако они на удивление дороги. Значительно целесообразнее изготовить эквивалент самому, проверив тем самым свою готовность работать с ВЧ техникой. Тем более, что в хозяйстве радиостанции эта вещь будет совсем не лишней. После изготовления нагрузку нужно проконтролировать КСВ метром - по возможности, в наиболее широком диапазоне частот.

Имея удовлетворительный нагрузочный эквивалент, можно переходить к следующему вопросу, а именно - к выбору измерительной техники. Тот, кто дочитал материал до этого места, уже, очевидно, интуитивно понимает, что измерять ВЧ сигналы обычным тестером совершенно бессмысленно. Мало того, что выпрямительные диоды прибора не рассчитаны на такую частоту, ещё и длинные концы со щупами будут работать, как антенны. Тут намерить можно очень многое, а то и, вообще, прибор попортить.

Учитывая, что ВЧ напряжение меряется значительно проще, чем ток, наиболее оптимальным вариантом является использование вольтметров с выносным ВЧ детектором (ВК7-9, В7-26, В7-15 и т.п.), который должен быть подключен непосредственно к нагрузке. Предварительно необходимо убедиться, что прибор рассчитан на ожидаемый уровень сигнала (U~=). Если это не так, то нужно использовать делитель, который должен быть изготовлен с учётом приведённых выше соображений и прокалиброван через отношение резисторов. Его удобно разместить на той же плате, что и нагрузку, предусмотрев надёжное подключение щупа прибора.

Но если ВЧ вольтметр недоступен, можно обойтись и без него. Придётся делать детектор самостоятельно. Это не очень сложно. На той же плате, параллельно нагрузке, нужно включить ВЧ диод (КД521, КД522,) и последовательно с ним резистор в 1 кОм. Параллельно резистору - конденсатор 0.1 мкФ. Сигнал с резистора и конденсатора экранированным ВЧ кабелем подвести к измерителю постоянного напряжения, вход которого также зашунтировать конденсатором. Не исключено, что для этих измерений подойдёт и обычный (советский) тестер, главное, чтобы он мог работать в ВЧ полях. Проверить это просто: отсоединив штатные концы и повесив непосредственно на вход конденсатор, нужно включить станцию на передачу. Если прибор начнёт что-либо показывать - значит он не годится и нужно искать другой.

Добравшись до этого места, нужно остановиться и напомнить себе правила техники безопасности. ВЧ напряжение действует на человека весьма своеобразно. Резкие неприятные ощущения отсутствуют, есть лишь небольшое жжение. Однако в месте прикосновения на коже выжигается впадина, которая будет тем больше, чем дольше продолжался контакт с проводником. Это следует обязательно иметь в виду.

Итак, добившись более или менее надёжных показаний (хорошим признаком может служить их стабильность при помахивании руками вокруг эквивалента) можно рассчитать уровень выходной мощности. Для этого напряжение возводится в квадрат и делится на величину нагрузки. Как правило все вольтметры градуируются в действующих значениях и дополнительное деление на два не требуется.

Конечно, в самом крайнем случае можно пользоваться и показаниями КСВ - метра, в котором предусмотрен режим измерения мощности. Но, как показывает практика, градуировка и калибровка дешёвых приборов оставляет желать лучшего и особо доверять их показаниям не следует. И уж ни в коем случае не стоит принимать их показания всерьёз, измеряя мощность при работе на реальную антенну.

В заключение этой темы - несколько слов о профессиональных способах измерения мощности. В принципе, для этого существуют специальные приборы. Они сложны, чрезвычайно дороги и, соответственно, малодоступны. Как правило, они имеют встроенную коаксиальную нагрузку с нормированным уровнем КСВ порядка 1.01-1.05 в очень широком диапазоне частот. Принцип их действия различен. Например, у прибора МК3-69 температура нагрузочного резистора стабилизируется посредством специального водяного охлаждения. Измерения производятся по интенсивности нагрева этой воды. За всем приглядывает процессорный блок, который периодически производит калибровку всей системы. Точность измерений этого прибора достигает 2-5 %. Прибор М3-56 более прост, он не имеет системы стабилизации температуры нагрузки и его точность 10-20 %. Очевидно, что последние цифры позволяют более реально взглянуть на домашние методы измерений, предложенные выше.

http://www.a27.ru/information/bulleten/ ... moshnosti/

[Жарик]

Попробую выложить мнение и дам ссылку на обсуждение про усилители.
Это к вопросу - зачем ставить усилитель мощнее ста Ватт ( принимая во внимание рост стоимости усилителей при мощностях свыше 100 Ватт)

Ссылка на обсуждение http://wwwboards.auto.ru/connect/294987.html

Мой вопрос
Про мощность в СиБи.... вопрос специалистам
Вот скажите мне пожалуйста... Есть системы, где в антенну закачивается 100 Ватт, есть 150, потом 300, потом выше-выше-выше.
Говорим об автомобильных системах....
Вот скажите мне пожалуйста: пользую я пока магнитку ML-145, ожидаю, что в скором времени поставлю Ат-73 (турбу 2001 ставить не стал в силу двукратной цены по сравнению с той же АТ-73 при конструктивной схожести).
И вот встает вопрос "экстренной связи" (единственное обоснование использования сверхмощности): какая разумная "тяга" рассматривается?
Многократно слышал про 100 Ватт, чем сам всегда и руководствовался: сначала ЕА-150, потом Воронежский КП100-12 (тягу пока не тестировал).
И вот мне интересно: для чего люди используют усилители к примеру KL-300, они ж блин дорогие... Или они имеют какие-то "вкусности", непонятные "простым стоВаттникам"?
Где разумный предел?
Зы... просто даже дома, используя всего 80 Ватт, был весьма доволен результатами и большего желать и не хотел (усилитель 80 Ватт, антенна лемм АТ-1700, с Калужской слышали в Зеленограде).


И ответ:
вооружимся арифметикой
велика ли разница на "приемном" конце?
1. есть "голый" трансивер с 4-мя Ваттами. и есть "веселитель" Ватт на ммм... на 40. Так - для простоты.
разница по мощности составляет 10 раз, или 10 дБ.
"1 балл" по S-метру приемника составляет примерно (именно примерно, поскольку их мало кто калибрует) 6 дБ.
стало быть 10 дБ это примерно чуть более полутора баллов прибавки у принимающей стороны. разница, в общем-то, ощутимая.
потребляемый ток у сорокаВаттника примерно 7 Ампер. плюс-минус пол-слона.


теперь рассмотрим два сигнала, на равном удалении от принимающей стороны, но один 40 Вт подводимой, а второй ммм... 100. опять-таки, для простоты.
разница по мощности составляет грубо 2 раза с копейками. это 3 дБ, или ПОЛ-БАЛЛА по S-метру. и что, заметите вы эту разницу? ой-ли?
потребляемый ток у стоВаттника приближается к 18-20 Амперам.

поехали далее. опять два передатчика, равноудаленных от приемника, на одной чаше весов 100 Ватт, на противоположной - 200.
раскладку смотрим в предыдущем абзаце, с той лишь разницей, что двухсотВаттник жрет при этом ампер под 30.

таким образом, получаем формулу "золотой серидины":
оптимальным вариантом по соотношению "цена-качество-разница" получается, как ни странно, усилитель весьма скромный - Ватт на 40-70. Потому как от его применения при прочих равных толку в пересчете на затраты - больше, чем даже от 100-Ваттного.

Сия формула подтверждается и личным опытом работы на КВ, где я практически никогда не насилую трансивер и не пользуюсь усилителями, а работаю спокойными 50-ю Ваттами, и в активе имею от джапании до бразильянии. хотя, "на всякий пожарный", под столом стоит PA на 2-х ГИ7Б, а это около 700 Ватт. но тут уже и разница существенная, но все равно... включаю крайне редко, и только чтобы пробиться в пайл-апе.

ЗЫ: надеюсь, в децибелах не напутал. :)
_____________

[Barracuda]

Ну, собственно проездив полтора года с KL300 и убив оба в двух разных машинах, установил FT-857. У нее выходная мощность 100 Ватт. Учитывая, что убить усилитель проще, чем 857 и то, что у последней есть защита по КСВ, остается вопрос дальности связи. Так вот: принимая во внимание, что мощность KL-300, ни хрена не 200 Ватт, а 160-170, разницу в "минус 70 Ватт" за пять месяцев я не почувствовал. Как меня слышала МСС, где бы я ни был, так и слышит.