Разработка оптимальной технологичной конструкции конкурентоспособного усилителя мощности

Дальность и качество радиосвязи зависит от совокупности физических факторов и параметров оборудования. Чем выше используемый частотный диапазон, тем меньше зависимость дальности радиосвязи от мощности излучения. Однако в низкочастотном диапазоне УКВ, так называемом диапазоне LowBand, мощность излучения радиостанции существенно влияет на качество и дальность радиосвязи. Этот диапазон (33÷48,5 МГц, 57÷57,5 МГц) очень популярен ещё со времен СССР и используется для радиосвязи, предприятиями силовых структур, пограничниками, МЧС, региональных управлениях железнодорожным транспортом, предприятиями лесхоза, агропромышленного комплекса, службами охраны, скорой помощи, службами ЖКХ, службами энергетики, газа, канализации, водопровода, лифт ремонт, строителями, автодорожными службами. Таким образом, в этом хорошо освоенном диапазоне очень много как стационарных, так и возимых радиостанций, но наибольшее количество в этом диапазоне задействовано портативных радиостанций (в силу специфики работ выше перечисленных служб).

Но портативные радиостанции имеют малую мощность (не более 2-3 Вт) и очень малую эффективность антенн. Штатная антенна портативной радиостанции, как правило, представляет собой закрытую полимерной оболочкой спираль на гибком диэлектрическом стержне. Её длина совершенно не соизмерима с четвертьволновой антенной. При типичных длинах таких штатных антенн в 20 см. их КПД в лучшем случае составит 3 %. А, учитывая специфику этого диапазона - подверженность влиянию промышленных помех, помех от бытовых приборов, радиовещательных и телевизионных передатчиков, подверженность замираниям и сверх прохождениям, хорошие параметры приемника (селективность, чувствительность, высокоэффективная АРУ, устройство шумопонижения), а так же мощность передатчика и эффективность антенны имеют первостепенное значение.

Для улучшения потребительских характеристик огромного парка носимых радиостанций в этом диапазоне, увеличения дальности радиосвязи и улучшения её качества к портативным радиостанциям подключаются умощнители выходного сигнала (до максимально разрешённой в этом диапазоне) при этом сама радиостанция и её умощнитель запитываются от бортовой сети автомобиля или стационарного источника питания, а вместо низкоэффективного штыря портативной радиостанции используется эффективная автомобильная или стационарная антенны. Таким образом портативная радиостанция превращается в возимую или стационарную с хорошими техническими характеристиками, при этом дальность связи и её качество увеличиваются в разы. При эксплуатации такой радиостанции в условиях плотной городской застройки и сильных индустриальных помех увеличение мощности радиостанции позволяет превысить уровень помех и увеличить дальность и повысить качество радиосвязи.

Анализ технического задания (ТЗ) производится с целью определения основных направлений создания конструкции, оценки степени важности взаимосвязанных факторов, оказывающих существенное влияние на качество и параметры разрабатываемого изделия. При анализе необходимо изучить технические характеристики, конструкцию, опыт производства и эксплуатации ранее созданных аналогичных изделий, близких по назначению и условиям работы.

В соответствии с ГОСТ 16019- 2001. Аппаратура сухопутной подвижной радиосвязи, разрабатываемый усилитель мощности относится к группе В4 (аппаратура возимая, устанавливаемая в автомобилях, на мотоциклах, в сельскохозяйственной, дорожной и строительной технике). Согласно требованиям технического задания усилитель мощности должен быть выполнен в климатическом исполнении У, категории 3.1, которое предполагает, что разрабатываемый усилитель мощности будет эксплуатироваться в закрытых помещениях (объемах) с естественной вентиляцией без искусственно регулируемых климатических условий, где колебания температуры и влажности воздуха существенно меньше, чем на открытом воздухе (отсутствие воздействия атмосферных осадков, прямого солнечного излучения, существенное уменьшение ветра, существенное уменьшение или отсутствие воздействия солнечного излучения, конденсации влаги). Таким образом при климатическом исполнении У 3.1 рабочее значение температуры воздуха при эксплуатации находится в пределах-25 до +55 оС, а предельное от -40 до +55 оС.

Параметры и характеристики применяемой элементной базы и материала печатной платы должны соответствовать климатическому исполнению изделия и выполнять свои функции в заданных условиях эксплуатации. Необходимо стремиться как можно больше применять унифицированных и стандартных деталей и узлов. Поиск направлений унификации ведется на основе сравнения вариантов по полученному эффекту и затраченным средствам.

Конструкция усилителя должна быть удобно размещена в процессе эксплуатации, а учитывая ограниченный объем салона автомобиля и его оснащение электронной техникой, массогабаритные параметры изделия должны быть минимально возможными, внешний вид усилителя должен удовлетворять требования технической эстетики и эргономики. Кроме того, подключение усилителя к носимой радиостанции ВЭБР 40/8 должно быть простым и надежным. Необходимо так же учесть, что усилитель должен быть расположен в салоне автомобиля в таком месте, где водителю должны быть видны светодиодные индикаторы, расположенные на корпусе усилителя, сигнализирующие о соответствующих режимах усилителя и его аварийном режиме (при рассогласовании антенны). Конструкция сборочной единицы должна удовлетворять требованиям изготовления, эксплуатации и ремонта наиболее производительными и экономичными способами при заданных условиях производства. Конструкция сборочной единицы должна обеспечить удобный доступ к местам контроля, регулировки и настройки. Конструкция деталей и сборочных единиц должна быть технологичной и разработана с использованием типовых и перспективных технологических процессов. В конструкции сборочной единицы должны предусматриваться устройства, например центрирующие, фиксирующие и другие, обеспечивающие точность расположения составных частей.

Требования по безопасности. Необходимо обеспечить безопасность при монтаже, эксплуатации, обслуживании и ремонте, охраны природы при производстве, эксплуатации (использовании, транспортировании, хранении) и утилизации продукции. Усилитель мощности должен быть сконструирован и изготовлен таким образом, чтобы при нормальной эксплуатации обеспечивалась надежная его работа и не создавалась опасность для оператора даже в случае небрежного обращения с изделием.

По мере развития систем радиосвязи требования к их надежности и технико-экономическим показателям постоянно повышаются. Так же возрастают объемы передаваемой информации и скорость передачи данных. Все это приводит к необходимости увеличения КПД, уровня выходной мощности, полосы рабочих частот, а так же к ужесточению требований, предъявляемых к уровням внеполосных излучений, массогабаритным показателям и стоимости. При проектировании оконечных каскадов радиопередающих устройств разработчики стремятся максимально использовать возможности транзисторов по мощности, однако вследствие этого они не имеют запасов по предельно допустимым параметрам и даже при незначительных отклонениях от номинальных режимов эксплуатации могут выйти из строя. Поэтому возникает важная проблема стабилизации режимов работы и защиты транзисторов выходных каскадов передатчиков. Основной причиной произвольного изменения режимов эксплуатации радиопередающего оборудования является рассогласование выходного каскада передатчика с нагрузкой. При проектировании полосовых передатчиков средней и большой мощности, также как и при проектировании широкополосных, одной из основных является задача максимального использования по выходной мощности транзистора выходного каскада усилителя. Однако в этом случае между выходным каскадом и нагрузкой усилителя включается трансформатор импедансов, выполненный в виде фильтра нижних частот. Принципиальная схема усилительного каскада с таким трансформатором приведена на рис. 2.1[1], где элементы формируют трансформатор импедансов, обеспечивающий оптимальное, в смысле достижения максимального значения выходной мощности, сопротивление нагрузки транзистора и практически не влияют на форму АЧХ усилительного каскада.

Рисунок 2.1 - Выходной каскад передатчика с коррекцией

Выходные каскады полосовых усилителей мощности работают, как правило, в режиме с отсечкой коллекторного тока, так как в этом случае можно получить в нагрузке значительно большую мощность, чем от каскада, работающего в режиме без отсечки, при одновременном обеспечении более высокого коэффициента полезного действия[3].

Однако в этом случае сигнал на выходе усилителя оказывается не синусоидальным и содержит в своем спектре высшие гармонические составляющие, приводящие к большим внеполосным излучениям.

В соответствии с требованиями ГОСТ, уровень любого побочного (внеполосного) радиоизлучения передатчиков с выходной мощностью более 25 Вт должен быть не менее чем на 60 дБ ниже максимального значения выходной мощности радиосигнала.

Указанное требование достигается установкой на выходах усилителей мощности фильтрующих устройств, в качестве которых чаще всего используются фильтры Чебышева (рисунок 2.2) и фильтры Кауэра (рисунок 2.3).

Рисунок 2.2 - Фильтр Чебышева

Рисунок 2.3- Фильтр Кауэра

Цепи формирования амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) служат для реализации максимально возможного для заданного схемного решения коэффициента усиления усилительного каскада при одновременном обеспечении заданного допустимого уклонения его АЧХ от требуемой формы. К ним относятся межкаскадные и входные корректирующие цепи (КЦ). Необходимость выполнения указанного требования обусловлена тем, что коэффициент усиления одного каскада многокаскадного усилителя мощности метрового и дециметрового диапазона волн не превышает 3-10 дБ.

В последнее время в выходных каскадах усилителей мощности все чаще применяют полевые МДП- транзисторы, которые выгодно отличаются от биполярных благодаря ряду преимуществ. К первому из них можно отнести меньшее влияние температуры на их свойства вследствие отрицательного температурного коэффициента тока стока, а так же отсутствие вторичного пробоя[4]. Это значительно повышает их эксплуатационную надежность и, в частности позволяет включать большее число транзисторов параллельно. Благодаря более высокой термостабильности полевые транзисторы могут устойчиво работать в большом диапазоне частот. К достоинствам МДП- транзисторов следует отнести значительно меньшие длительности включения и выключения, отсутствие или существенное ослабление процессов накопления заряда. Современные МДП- транзисторы по уровням колебательной мощности догнали и перегнали биполярные транзисторы, по величине остаточного напряжения на стоке они не уступают биполярным транзисторам, но у них ниже радиационная стойкость, чем у биполярных транзисторах. Так же достоинства МДП транзисторов- сохранение работоспособности с высокими энергетическими характеристиками при существенно больших рассогласованиях нагрузки, что очень важно для выходных каскадов передатчиков. В аварийной ситуации, когда величина нагрузки выходного каскада передатчика сильно отличается от номинальной, появляется отраженная мощность значительного уровня. При этом величина напряжения питания оконечного каскада должна быть снижена. Датчиками рассогласований при этом могут быть либо направленный ответвитель со слабой связью, регистрирующий отраженную от нагрузки мощность, либо пиковый детектор, подключенный к коллектору транзистора оконечного каскада или резистор, последовательно включенный в цепь питания транзистора выходного каскада[5].

Исторически сложилось так, что при разработке новых радиостанций передающая часть чаще всего строилась по устоявшимся, отработанным схемам, как, например, на рисунке 2.4[2].

Рисунок 2.4- Выходной каскад передатчика с регулируемой выходной мощностью

При использовании в выходном каскаде транзисторов типа 2SC1971 и при напряжении питания +12 В достигается типовая выходная мощность 5...6 Вт при приемлемом КПД > 55% (на частотах до 175 МГц). Приведенная схема использовалась с минимальными изменениями всеми ведущими фирмами.

технология конструкторский изделие усилитель себестоимость

Традиционно развитие переносных станций шло по пути уменьшения размеров, массы, повышения надежности работы и т.д. Так, в начале 90-х, с развитием технологии поверхностного монтажа, появилась возможность выполнить выходной каскад передатчика в виде единого законченного блока (так называемой "таблетки"), существенно сократив количество установочных компонентов и одновременно повысив надежность как самого передатчика, так и станции в целом. Также это привело к заметному ускорению процесса разработки и упрощению настройки как радиостанции в целом, так и передатчика.

Типовая схема передатчика на базе такой микросборки представлена на рисунке2.5, а ее упрощенная внутренняя структура на рисунке 2.6.

Рисунок 2.5- Типовая схема передатчика на базе микросборки

Для обеспечения повторяемости и устойчивости работы на входе и выходе установлены цепи согласования, а регулировка выходной мощности осуществляется путем изменения напряжения смещения предвыходного транзистора.

Рисунок 2.6 - Упрощеная схема выходного каскада передатчика на базе микросборки

Основные параметры одного из описываемых модулей (S-AV28 фирмы TOSHIBA) приведены в таблице2.1.

Таблица 2.1 - Параметры модуля S-AV28

Предельные эксплуатационные значения
Максимально допустимое напряжение питания, В	17
Регулировочное напряжение, В	6
Входная мощность, мВт	20
Выходная мощность, Вт	12
Потребляемый ток, А	3
Основные технические характеристики
Рабочий диапазон частот, МГц	144...148
Выходная мощность, Вт, не менее	7
Коэффициент усиления по мощности, дБ,	25,4
КПД,%, не менее	50
КСВ по входу, не более	2,5
Примечание. Приведенные значения указаны при следующих условиях: напряжение питания 9,6 В; регулировочное напряжение 4 В; входная мощность 20 мВт.

Дальнейшее развитие технологии, на этот раз в области полупроводников, привело к появлению на рынке так называемых MOSFET-транзисторов, т.е. полевых транзисторов с МОП-структурой затвора, позволяющих отдавать большую мощность при меньших значениях питающего напряжения. Следует отметить, что большинство современных микросборок построено именно на них.В то же время, если требовалась работа в нескольких диапазонах, приходилось применять несколько микросборок, что серьезно увеличивало стоимость и размеры станции. Выход из этой ситуации был найден после того, как промышленность начала выпуск новых полевых транзисторов для оконечных каскадов ПРД типа 2SK2975, 2SK3075 и подобных, также выполненных по технологии MOSFET. В настоящее время самым показательным примером их использования является радиостанция "Iсом Т-81А", передатчик которой способен работать в диапазонах 50, 144, 440 и 1200 МГц. Упрощенная схема выходного каскада этой радиостанции показана на рисунке 2.7, а заявленные фирмой-изготовителем параметры приведены в таблице2.2.

Рисунок 2.7 - Выходной каскад многодиапазонного передатчика

Таблица 2.2 - Параметры выходного каскада радиостанции

Параметр	Диапазоны, МГц
	50	144	440	1200
Выходная мощность, Вт	5	5	5	1
Потребляемый ток, А, При Рвыхmах	1,4	1,4	1,4	0,8
Примечание. Работоспособность сохраняется при снижении напряжения питания до 4,5 В.

Прочтите также:

Проект зональной сети передачи данных
Система передачи данных - система, предназначенная для передачи информации как внутри различных систем инфраструктуры организации, так и между ними, а также с внешними системами. Опреде ...

Принцип работы счетчиков
С развитием электроники появился такой класс электронной техники, как цифровая. Эта техника предназначена для формирования, обработки и передачи электрических импульсных сигналов и пере ...

Разработка автоматической системы регулирования установки АВТ1
Системы автоматики выполняют разнообразные функции: контроль за ходом процесса управления; организацию пуска, торможение, переход с одной ступени скорости на другую, реверс различног ...

Разработка оптимальной технологичной конструкции конкурентоспособного усилителя мощности

Прочтите также:

Основные разделы