О сложении мощностей транзисторов
Автор Грищенко С. В. UA3QHP Пятница, 06 Апрель 2007
Эта статья написана исходя из личного опыта изготовления различных транзисторных УМ с выходной мощностью до 1 КВт для радиовещания, телевидения и других систем связи на частототах от 100 до 1000 МГц.
В отличие от ламповых УМ, для которых увеличение мощности связано просто с выбором более мощной лампы, для увеличения мощности транзисторного УМ необходимо “сложить” большое количество сравнительно маломощных транзисторов. То есть, если необходимо получить 100 Вт на лампе надо взять 100 Вт лампу, если 400 Вт то 400 ваттную лампу, для транзисторных УМ – для получения 100 Вт используем 150 Вт транзистор, а для получения 400 Вт используем сложение мощностей четырех 150 Вт транзисторов. Одной из особенностей применения мощных СВЧ транзисторов является их недозагрузка по выходной мощности и особенно по мощности рассеиваемой на коллекторе (или стоке). На практике рекомендуется использовать транзисторы с коэффициентом загрузки 0,7-0,8, тогда транзисторы могут работать длительное время без какой либо деградации.
Основным методом сложения мощностей транзисторов является использование гибридных ответвителей. В любительских УКВ диапазонах с их малым перекрытием по частоте гибридные ответвители реализуются сравнительно просто. Гибридные ответвители предназначены для деления или суммирования мощности высокочастотных сигналов, при этом взаимное влияние источников должно быть максимально ослаблено. На частотах УКВ диапазона в основном распространены ответвители двух типов:
-
Ответвители со сдвигом фаз между выходными каналами 90º (квадратурные гибридные ответвители);
-
Ответвители со сдвигом фаз между выходными каналами 0º или 180º (синфазные или противофазные гибридные ответвители).
Особенностью ответвителей первого типа, является то, что при равенстве импедансов нагрузок входной КСВ ответвителя будет близок к единице и определяется только развязкой между выходами и КСВ балластного резистора. Эти ответвители в основном изготавливаются на полосковых линиях с лицевой связью, или в микрополосковом варианте типа «квадратный мост», «двойной квадратный мост», «мост Ланге». Главными недостатками таких ответвителей являются высокие требования к точности исполнения рисунка, его совмещения, а также при мощностях более 100 Вт использование достаточно экзотичных материалов типа фольгированного фторопласта или поликора. Для отработки конструкции необходимо дорогостоящее измерительное оборудование.
В любительской практике наиболее приемлемые результаты можно получить с ответвителями второго типа, которые являются модификацией моста Вилкинсона, выполненные на коаксиальных кабелях (рис 1).
Рисунок 1 – Мост Вилкинсона на коаксиальных кабелях.
Для работы в 50 омном тракте, можно использовать стандартные коаксиальные кабели с волновым сопротивлением 75 Ом. При использовании коаксиальных кабелей с фторопластовой изоляцией типа РК75-2-21 длина линий в диапазонах: 144 МГц – L=370 мм, 435 МГц – L=122 мм. Пример разделки кабелей показан на рис.2.
Рисунок 2 – Разделка и монтаж кабелей гибридного ответвителя.
Пример сложения двух усилительных модулей показан на рис.3
Рисунок 3 – Сложение двух усилительных модулей.
Основным недостатком гибридных сумматоров (рис. 1) является использование незаземленных балластных резисторов (R1, R2) с низким собственным КСВ. Выходной резистор (R2) в идеале должен иметь мощность рассеяния 50 % мощности одного усилительного модуля, что при суммарной выходной мощности 1 КВт составит 200-250 Вт. Изготовление такого резистора или его приобретение является весьма сложной задачей.
Обойти эту проблему можно путем преобразования гибридного ответвителя Вилкинсона в кольцевой мост. Такая модификация производится путем добавления еще двух коаксиальных кабелей, что позволяет заземлить балластные резисторы. Схема кольцевого моста приведена на рис.4.
где W1, W2, W3 - коаксиальный кабель РК75 с электрической длиной λ/4;
W4 - коаксиальный кабель РК75 с электрической длиной 3λ/4;
R1 – балластный резистор 50 Ом.
Рисунок 4 – Кольцевой мост.
На практике важно, что сопротивление балластного резистора 50 Ом, а линии W3 и W4 нет необходимости изготавливать из фторопластового кабеля, подойдет обычный телевизионный. Полоса рабочих частот кольцевого моста меньше, чем гибридного ответвителя Вилкинсона, поэтому необходимо обратить внимание на точность определения длин кабелей.
Однако остается открытым вопрос изготовления мощного балластного резистора. Решить эту проблему можно путем сложения мощностей резисторов также как и усилительных модулей, для этого используется гибридный ответвитель Вилкинсона без балластных резисторов. Схема сложения четырех резисторов приведена на рис.5.
где W1-W6 коаксиальный кабель РК75 с электрической длиной λ/4;
R1 – R4 резисторы типа Р1-3- 50.
Рисунок 5 – Сложение балластных резисторов.
Четырех резисторов P1-3-50 достаточно для использования в качестве выходного балласта в транзисторном УМ с выходной мощностью 1КВт.
Пример сложения двух 150 ваттных УМ приведен на рис.6.
где W1 – W4, W7 – W10 коаксиальный кабель РК75-2-21 с электрической длиной λ/4;
W5, W6 коаксиальный кабель РК50-2-21 с электрической длиной λ/4;
R2 – P1-3-50;
Тип резистора R1 зависит от коэффициента усиления УМ, при использовании УМ на основе КП979Б (f=144 МГц, Кур>30, Рвых=150 Вт) в качестве R1 можно использовать резисторы типа С2-33Н, С2-10 мощностью 2 Вт.
Рисунок 6 - Сложение двух 150 ваттных УМ.
Использование фазосдвигающих линий W5, W6 (рис.6) позволяет получить суммарный входной и выходной импеданс пары 150 Вт УМ близкий к 50 Ом, как при использовании квадратурных гибридных ответвителей.
Пример сложения четырех трехсотваттных модулей при изготовлении УМ с выходной мощностью 800 – 900 Вт показан на рис.7.
Рисунок 7 – Пример сложения четырех трехсотваттных модулей.
Характеристики основных элементов сумматоров приведены выше и отдельных пояснений не требуют.
Грищенко С. В. UA3QHP uhf@niiet.ru
