Специфицирование выходной мощности усилителя в рассогласованной нагрузке

Рассмотрены вопросы использования усилителей мощности ВЧ-диапазона в приложениях, характеризующихся наличием рассогласования с нагрузкой. Обсуждаются вариации КСВН, встречающиеся при тестировании на устойчивость усилителей к воздействию КСВН в зависимости от их исполнения. Вводится концепция минимально доступной мощности (MAP) как мера способности усилителя отдавать мощность в рассогласованную нагрузку.

Введение⁽¹⁾

Важность параметра допустимой нагрузки на усилитель при указании его выходной мощности РЧ при проведении испытаний на устойчивость и чувствительность к рассогласованию.

Реальные изменения в КСВН нагрузки приводят к тому, что усилители класса AB "складываются" - снижают свою выходную мощность с целью обеспечения их надежной работы. Минимальная доступная мощность (MAP) представляет собой четкую и отличительную меру способности усилителя класса А обеспечивать номинальную мощность в реальных тестовых условиях работы.

Обзор проблемы

Основные характеристики, которые используются для оценки усилителей мощности РЧ хорошо известны и являются общепринятыми, без каких либо вопросов. Список основных характеристик включает в себя усиление, частотную характеристику и, конечно же, выходную мощность усилителя. Кроме того существуют  и другие менее понятные характеристики усилителя, такие как коэффициент шума, стабильность коэффициента усиления, искажения и т.д., которые учитываются в задании на усилитель мощности. В этой статье рассматривается нагрузочная способность усилителя (LOAD TOLERANCE) - способность обеспечивать мощность в условиях рассогласования с нагрузкой, как основная и часто упускаемая из виду характеристика усилителей мощности. В зависимости от применения, способность обеспечить мощность в нагрузке, которая отличается от идеальных  значений 50 Ом, может иметь решающее значение в реальных условиях эксплуатации. Такие изменения импеданса нагрузки являются обычным явлением, особенно при тестировании на устойчивость к рассогласованию. В приложениях такого рода устойчивость к КСВН нагрузки в конечном итоге определяет эффективность усилителя мощности.

В данной статье рассматриваются вопросы использования усилителей мощности ВЧ-диапазона в приложениях, характеризующихся наличием их рассогласования с нагрузкой. Обсуждаются вариации КСВН, встречающиеся при тестировании на устойчивость усилителей к воздействию рассогласования в зависимости от их исполнения. Концепция минимально-доступной мощности (MINIMUM AVAILABLE POWER - MAP) вводится как количественная мера способности усилителя отдавать мощность в рассогласованную нагрузку.

Существо проблемы

В реальных условиях эксплуатации редко используется  режим работы с идеальной согласованной нагрузкой 50 Ом. Чаще всего нагрузка изменяется с частотой в широком диапазоне значений импеданса. В данном случае речь идет о тестировании на устойчивость к внешним воздействиям. Рассматриваемое оборудование подвержено действию сильно варьирующихся импедансов нагрузок вследствие изменения характеристик антенны, отражений и резонансов в помещении, несовершенных кабелей и разъемов, а также отражений от тестируемого устройства. В частности, при использовании типичной антенны с КСВН 2,5:1 и влиянии комнат и эффектов от путей распространения отраженных сигналов, нередки случаи, когда КСВН превышает 5,0:1. Проблема, о которой говорится в этой статье довольно проста: "Большинство усилителей мощности РЧ не способны обеспечить полную номинальную мощность в нагрузках, которые значительно отличаются от идеально согласованного значения 50 Ом". Толчком к развитию рынка компании AR RF/Microwave Instrumentation за последние 35 лет стали испытания на устойчивость усилителей к радиочастотным помехам. Инженеры-испытатели ЭМС регулярно сталкивались с проблемой обеспечения мощности при значительном рассогласовании нагрузки усилителей, результатом решения которой явилась разработка линейки линейных усилителей класса А с характеристиками, удовлетворяющими этим сложным условиям применения.

Решение проблемы

Существует два основных типа усилителей мощности ВЧ, используемых для тестирования на восприимчивость: усилители класса А и усилители класса АВ. Усилители класса А обладают характеристиками, которые особенно подходят для применений, требующих максимальной устойчивости к нагрузке. Базируясь на линейных усилителях класса А, рассчитанных на их  "нагрузочную устойчивость", приборы от AR RF/Microwave Instrumentation обладают уникальной способностью работать в приложениях с переменным импедансом нагрузки. Несмотря на то, что усилители класса А, как правило, больше и дороже, чем усилители класса АВ, электрические характеристики их намного перевешивают все остальные соображения. Чтобы понять, почему усилители класса А превосходят усилители класса АВ в данном конкретном применении, необходимо учитывать присущие им различия, которые приводят к  соответствующим их сильным и слабым сторонам.

При работе в классе А активные устройства смещены таким образом, что ток в коллекторе или ток анода протекает в пределах 360 градусов входного сигнала. При работе ниже 1 дБ точки компрессии входные ВЧ-сигналы и выходные ВЧ-сигналы одинаково меняются относительно точки постоянного тока покоя и лежат в пределах линейной области характеристических активного прибора. Такая схема смещения обеспечивает отличную линейность и низкие искажения.

Дополнительной характеристикой является то, что правильно спроектированный усилитель класса А рассеивает максимальную мощность в состоянии покоя. Таким образом, он должен быть построен так, чтобы справляться с большим рассеиванием мощности. В отличие от усилителя класса AB, конструкция усилителя класса А требует использования более мощных активных устройств и довольно часто большего количества устройств для обеспечения рассеивания тепла. Кроме того, дополнительное внимание должно быть уделено вопросам теплоотвода, охлаждения и выбора надежных компонентов. При подаче входного сигнала и рассеивании радиочастотной энергии в нагрузке, радиочастотные устройства фактически работают при более низком уровне требуемого охлаждения. Так как они работают в облегченном тепловом режиме, отражение мощности, возникающее при работе на высоких уровнях КСВН, не является проблемой для усилителей этого класса. Не смотря на то, что конструкция усилителя класса А по своей сути превосходит усилитель класса AB по его способности отдавать мощность в рассогласованную нагрузку, усилитель класса A несомненно будет больше, тяжелее, дороже и менее эффективным в отношении использования мощности первичного источника электропитания. Эти недостатки, как правило, не являются проблемой в типичном применении ЭМС и выгодно компенсируются за счет преимущества в производительности усилителей класса А.

Активные устройства в усилителе класса AB смещены для получения выходного тока менее 360 градусов и более 180 градусов входного сигнала. Конструкция класса AB потребляет меньше энергии в состоянии покоя, чем при воздействии входного сигнала. Так как он потребляет меньше энергии и, таким образом, более эффективен, чем усилитель класса А (Эффективность = выходная мощность усилителя /потребляемая мощность от первичного источника электропитания), ему требуется меньшее количество транзисторов, а используемые активные компоненты могут быть меньше по площади. Кроме того требуется меньше теплоотвода и схемы охлаждения, как правило, менее сложны. В этих условиях, способность широкополосного усилителя класса AB поглощать отраженную от нагрузки мощность серьезно снижается.

Чтобы проиллюстрировать выше изложенные моменты, рассмотрим типичный усилитель класса А мощностью 100 Вт, который требует 1000 Вт мощности от первичного источника электропитания для обеспечения 100 Вт  выходной мощности ВЧ. При отсутствии входного сигнала этот усилитель должен быть способным рассеивать 1000 Вт. При подаче сигнала усилитель рассеивает 900 Ватт и при этом отдает 100 Ватт в нагрузку. Типичный широкополосный усилитель класса AB мощностью 100 Вт рассеивает значительно меньше 100 Вт без входного сигнала, а при подаче входного сигнала внутреннее рассеивание может увеличиться более чем 500 Вт.

Приведенные ниже иллюстрации предполагают идеальную согласованную нагрузку 50 Ом. Как же эти усилители работают при реальных нагрузках, встречающихся в типичных ситуациях тестирования на восприимчивость или в приложениях, где импедансы могут сильно варьироваться? Так как нагрузка варьируется от идеальных 50 Ом, отдаваемая мощность отражается обратно в выходной каскад. Так как усилитель класса А предназначен для рассеивания по крайней мере 1000 Вт, то мощность, отраженная обратно в выходной каскад усилителя, не представляет для него проблем. Даже если бы выход был закорочен или разомкнут, итоговое отражение 100 Вт не повлияло бы отрицательно на работоспособность усилителя, так как дополнительные 100 Вт отраженной мощности не увеличили бы рассеивание устройства выше проектного значения. Таким образом, усилитель будет продолжать отдавать выходную мощность 100 Вт без перегрева и независимо от нагрузки.

С другой стороны, у усилителя класса AB есть серьезная проблема, связанная с изменением нагрузки. Его конструкция предполагает практически идеальные нагрузки, а малейшее количество отраженной мощности может привести к серьезному повреждению его выходных каскадов.

Поэтому в усилителях класса AB используется схема защиты для ограничения уровня отраженной мощности. На рисунке 1 показана типичная выходная мощность усилителя класса AB в зависимости от КСВН нагрузки, взятой из опубликованной литературы. Эта кривая показывает неспособность таких радиочастотных устройств поглотить даже минимальное количество отраженной мощности. Для защиты своих выходных каскадов усилитель должен использовать" откат" (уменьшение) доступной выходной мощности ВЧ. В частности, график на рис. 1 ясно показывает, что 100-ваттный усилитель не смог бы удержать 100 Вт при работе с КСВН 2,0:1 (типичное значение КСВН антенны) и его мощность при этом упала бы до 89 Вт. Таким образом, при отражении всего лишь 11% выходной мощности, падающая мощность усилителя класса АВ упала до 89 Ватт. Учитывая скромное увеличение КСВН до значения 3,0:1, при котором только 25% выходной мощности отражается назад, усилитель класса AB снизит свою падающую мощность до 50 Ватт. Очевидно, что это не та производительность, которая необходима в тестовой системе на устойчивость к внешним воздействиям и которая должна поддерживать предписанные уровни поля, несмотря на вариации КСВН нагрузки.

Определение MAP

Так как вышеприведенная дискуссия затрагивает концепцию допустимой нагрузки усилителя и доступной при этом мощности, то возникает необходимость иметь удобную метрику (оценку) для определения допустимой нагрузки конкретного усилителя, а также его пригодности для работы в условиях наличия  рассогласованной нагрузки. В данной статье приводятся графики качественной характеристики усилителя РЧ, называемой минимальной доступной мощностью (MAP). Чтобы показать значимость такого подхода, рассмотрим типичный график для усилителя класса AB, показанный на рисунке 1 - "Снижение мощности - FOLDBACK" в зависимости от КСВН нагрузки для типичного класса AB усилителей мощности .

Рисунок 1

Этот график отображает две нелинейные величины и, следовательно, результаты несколько нечеткие. Гораздо более четкое представление о фактических характеристиках усилителя можно получить, проецируя процент выходной мощности (падающей) против процента отраженной мощности. Полученный график представляет собой четкий и однозначный прогноз параметров MAP усилителя. На рисунке 2 графически показана кривая MAP для усилителя 100W1000B от AR RF/Microwave Instrumentation, а также MAP для типичного усилителя класса AB, рассчитанные согласно рисунку 1.

Минимальная доступная мощность для усилителя 100W1000B типичного класса AB.

Рисунок 2

Кривая MAP на рисунке 2 четко показывает, что усилитель 100W1000B класса A обеспечивает 100% номинальной мощности независимо от КСВН нагрузки и, следовательно, превосходит усилители класса AB. Эта кривая относится к большинству усилителей компании с выходной мощностью менее 500 Вт. Более мощные усилители (до 10000 Вт) демонстрируют MAP, показанный на рисунке 3. Данная MAP характерна для усилителя с допустимой мощностью в нагрузке, равной 50% от номинальной выходной мощности при бесконечном КСВН. Кривая MAP для усилителей класса AB обычно применяется ко всем усилителям данной классификации независимо от их выходной мощности.

 Минимальная доступная мощность для усилителя 1000W1000A классов А и AB

Рисунок 3

Примечание. Перевод текстов для рисунков 1, 2 и 3:

MINIMUM AVAILABLE POWER FOR 100W1000B AND TYPICAL CLASS AB AMPLIFIER - минимально доступная мощность для 100W1000B и типового класса АВ усилителя.
100W1000B - обозначение типа усилителя от компании AR RF/Microwave Instrumentation.
SPECIFIED LOAD TOLERANCE OF 100% - специфицированный уровень мощности в нагрузке 100 %.
RATED OUTPUT POWER (%) - уровень выходной (падающей) мощности  усилителя в % от номинального значения.
POWER REFLECTED (%) - уровень отраженной мощности в % от номинальной мощности усилителя.
VSWR - КСВН реальной нагрузки.

   

Нагрузочный допуск на все усилители AR RF/Microwave Instrumentation указан в их соответствующем спецификационном листе под заголовком "Допуск на рассогласование" (Mismatch Tolerance) и определяется формулой. приведенной ниже.

или

Допуск мощности в нагрузке (%)=(Мощность падающая при 100% отражении) x 100

/(Номинальная мощность усилителя)

Рекомендации

Концепция MAP, представленная в этой статье, предлагается как " характеристика качества усилителей", которая должна учитываться при выборе усилителя мощности. Когда речь идет о изменяющихся нагрузках, например, обычно встречающихся при тестировании на устойчивость к внешним воздействиям, устойчивость к таким нагрузкам имеет первостепенное значение. Чтобы гарантировать, что покупаются только усилители, устойчивые к нагрузке, при написании заявок на покупку пользователям рекомендуется задавать усилители с допуском по нагрузке, выраженным в процентах от номинальной мощности. Графическое представление концепции, представленной в данной статье, см. на рис. 4 (а, б, в) ниже.

Усилители 1000 Вт классов А и AB с КСВН нагрузки 2,0: 1

Рисунок 4а

В приведенном выше примере усилитель класса A способен обеспечить полную номинальную выходную мощность 1000 Вт. Так как 110 Вт отражается обратно в выходные каскады усилителя мощности, то в нагрузке фактически рассеивается 890 Вт. В усилителе класса AB используется защита с обратной связью, ограничивающая выходную мощность примерно до 930 Вт. Так как 11% падающей мощности отражается обратно на усилитель, в нагрузке рассеивается только 828 Вт.

Усилители 1000 Вт классов А и AB с КСВН нагрузки 3,0: 1

Рисунок 4б

В приведенном выше примере усилитель класса A способен обеспечить полную номинальную выходную мощность 1000 Вт. Так как 250 Вт отражается обратно в выходные каскады усилителя мощности, то в нагрузке фактически рассеивается 750 Вт. В усилителе класса AB используется защита с обратной связью, ограничивающая выходную мощность примерно до 500 Вт. Так как 25 % падающей мощности отражается обратно на усилитель, в нагрузке рассеивается только 375 Вт.

Усилители 1000 Вт классов А и AB с КСВН нагрузки 6,0: 1

Рисунок 4в

В приведенном выше примере усилитель класса A способен обеспечить полную номинальную выходную мощность 1000 Вт. Так как 500 Вт отражается обратно в выходные каскады усилителя мощности, то в нагрузке фактически рассеивается 500 Вт. Усилитель класса AB должен использовать еще большую защиту в виде обратной связи, ограничивающей его выходную мощность менее 100 Вт. Так как 50 % падающей мощности отражается обратно на усилитель, в нагрузке рассеивается только 50 Вт.

Примечание. Перевод текста для рисунков 4а, б, в 

VSWR - КСВН нагрузки 2,0: 1
FORWARD POWER - падающая мощность.
REVERSE POWER - отраженная мощность.
POWER ABSORBED BY THE LOAD - мощность в нагрузке.

* Также ведут себя менее мощные усилители класса А.

Источники информации:

1. APPLICATION NOTE # 27 THE IMPORTANCE OF LOAD TOLERANCE IN SPECIFYING RF POWER AMPLIFIERS FOR IMMUNITY / SUSCEPTIBILITY TESTING APPLICATIONS . [Электронный ресурс]. URL: https://www.arworld.us/PDFs/appNotes_site_0701/AppNote27.pdf (Дата обращения: 02.11.2020).