УДК 621.396.61

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫХОДНОЙ СТУПЕНИ ТРАКТА ПЕРЕДАЧИ РПДУ

5.1 Постановка задач к разделу 5

Целью данного раздела является:

1. создание модели выходного каскада передатчика и моделирование его работы;
2. оценка влияния рассогласования выходного каскада на его основные энергетические характеристики и нелинейные искажения;
3. определение предельно допустимых значений коэффициента отражения в цепи нагрузки выходного каскада.

5.2 Разработка и описание модели выходной ступени тракта передачи

Схема модели выходной ступени тракта передачи разрабатывалась на основе моделей, разработанных в разделе 4 настоящего проекта, и изображена на рисунке 5.1.
Схема модели состоит из следующих функциональных узлов:

• модели собственно выходного каскада тракта передачи, состоящая из следующих частей:
• модели источников входного сигнала А1;
• модели входного трансформатора А2;
• моделей транзистора BLF368 А3 и А4;
• модели выходного трансформатора А5;
• модели одного из каналов фильтра гармоник А6.

Все модели составных частей тракта передачи выделены на рисунке 5.1 серым цветом.

Рисунок 5.1 - Схема модели выходной ступени тракта передачи.

Моделирование производится в двух режимах работы выходной ступени:

• в режиме усиления одночастотного сигнала, характерного для работы изделия в режиме амплитудного телеграфа;
• в режиме двухчастотного сигнала, используемого для оценки нелинейных искажений тракта.

Сигнал возбуждения выходного каскада тракта передачи РПДУ формируется моделью источников входного сигнала А1.
Входной сигнал для моделирования работы в режиме усиления одночастотного сигнала формируется источником V1.
Двухчастотный сигнал формируется источниками V2, V3, сигналы которых суммируются идеальным сумматором X1  и поступают на нагрузку R2 с номинальным значением 50 Ом.

Формирование требуемого уровня сигнала возбуждения транзисторов М1 и М2 выходной ступени  обеспечивается функциональным источником Е1, уровень которого определяется его коэффициентом передачи источника Е1 (множителем при V1 или V4). Сформированный функциональным источником Е1 сигнал возбуждения выходной ступени с уровнем Рвх поступает на вход модели А2 согласующего трансформатора Х2, на выходе которого противофазные сигналы поступают на входы IN1 и IN моделей транзисторов BLF368 транзисторной сборки А3 и А4. Усиленные транзисторами высокочастотные сигналы с выходов OUT1 и OUT через модель А5 выходного согласующего трансформатора Х3 поступает на вход модели фильтра гармоник А6.

Выход фильтра гармоник нагружен на вход модели эквивалента нагрузки А7.
Значения параметров L24, C24 и R16 определяют значение входного импеданса нагрузки фильтра в заданном круге КСВ.

Точки анализа в круге с  КСВ = 1, 2, 3, 4 приведены на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2 – Точки анализа в круге с КСВ = 1, 2, 3, 4

5.3 Моделирование работы выходной ступени тракта передачи в условиях рассогласования

Моделирование работы выходной ступени тракта передачи производится в программе Micro-Cap 9 на основе моделей, описанных в разделе 4 настоящего проекта и по схеме, приведенной на рисунке 5.1. Окно задания на моделирование приведено на рисунке 5.3.

Рисунок 5.3 – Окно задания на моделирование выходной ступени тракта передачи.

При моделировании проводится расчет значений функций следующих параметров:

1. AVG(Pin) – среднее значение активной мощности, действующей на входе трансформатора Х2 для оценки мощности возбуждения, необходимой для получения в активной составляющей нагрузки фильтра гармоник (резистор R16 рисунок 5.1) требуемого значения выходной мощности не менее 100 Вт;
2. V(34) и V(35) – напряжение на стоках моделей транзисторов М1 и М2 BLF368, необходимые для оценки максимальных импульсных значений в динамическом режиме;
3. ID(M1) – ток, протекающий в цепи стока транзистора М1 (для оценки максимального импульсного значения тока в динамическом режиме)
4. AVG(ID(M1)) – среднее значение тока в цепи стока транзистора М1(для оценки нагрузки транзистора по постоянной составляющей тока
   стока);
5. PD(M1) – мощность, рассеиваемая транзистором М1 в динамическом режиме);
6. AVG(PD(M1)) – средняя мощность, рассеиваемая транзистором М1;
7. PG(V4) – мощность источника питания V4 в динамическом режиме;
8. AVG(PG(V4)) – средняя мощность источника питания V4;
9. AVG(PD(R16)) – средняя мощность, рассеиваемая в активной составляющей R16 комплексной нагрузки (мощность в активной составляющей нагрузки выходной ступени);
10. dB(HARM(V(R16))) – уровень гармонических и комбинационных составляющих в активной составляющей R16 комплексной нагрузки.

Под средним значением функции понимается выражение [1]:

 (5.1).

Вид результатов расчета  работы выходной ступени тракта передачи в согласованном режиме с двухчастотным сигналом приведен на рисунке 5.5.

Рисунок 5.5 – Эпюры сигналов в контрольных точках выходной ступени тракта передачи при работе в согласованном режиме с входным двухчастотным испытательным сигналом.

Моделирование проводилось на двух частотных диапазонах фильтра, соответствующих нижнему диапазону рабочих частот от 2 до 2,94 МГц и верхнему диапазону рабочих частот от 20,376 до 30 МГц.
В качестве точек анализа работы на рассогласованную нагрузку выбраны точки, лежащие на концах линий, проходящих через центр круга КСВ согласно рисунку 5.2.

Точки, размещенные на горизонтальной линии диаметра окружности согласно [2] соответствуют наиболее жестким условиям работы транзисторов по напряжению на стоках и рассеиваемой мощности.  Точки, размещенные на вертикальной линии диаметра окружности, выбраны для исследования поведения каскада при работе на комплексную нагрузку.

Итоговые результаты моделирования выходной ступени тракта передачи в точках 1…13 круга (рисунок 5.2) с различными значениями КСВ  приведены в таблицах 5.1…5.4.

Таблица 5.1

В таблицах 5.1…5.4 в столбце «Доп. КСВ» приведены допустимые значения КСВ нагрузки выходной ступени тракта передачи, при которых выходные параметры достигают следующих граничных (предельных) значений:

• предельное значение мощности возбуждения оконечного каскада выходной ступени Рпред, которое не должно превышать 20 Вт;
• предельное значение напряжения на стоках выходных транзисторов Uмакс , которое не должно превышать 65 В [3];
• предельное значение постоянной составляющей тока, проходящего через выходные транзисторы I0пред , которое не должно превышать 25 А на два транзистора [3];
•  предельное значение рассеиваемой мощности на каждый транзистор Рр пред  при температуре корпуса до 100 0С, которое не должно превышать 100 Вт [3];
• предельное значение потребляемой мощности Рпотр пред , определяемое предельными возможностями источника электропитания – блока БП-В, которое не должно превышать 330 Вт;
• минимальное допустимое  значение КПД_Σпред  выходного каскада тракта передачи,  при котором нагрузка источника электропитания (блока БП-В) не превышает заданного значения 330 Вт;
•  максимально допустимое значение уровня нелинейных искажений на выходе тракта передачи, которое не должно превышать минус 25 дБ;
•   заданное значение выходной мощности в активной составляющей нагрузки 100 Вт.

Допустимое значение КСВ в таблицах представлено цифровым значением или символом «н/р», обозначающим недопустимость работы в точках с параметрами, приведенными в строке, содержащей этот символ.
Значения КСВ в столбце «Доп. КСВ» выполнены виде цифровых значений, отличающихся по размеру шрифта и цветовым тоном ячеек столбца с различной плотностью.
Работа с заданным КСВ допустима, если все четыре значения, соответствующие точкам круга КСВ (кроме точки с КСВ=1),  не содержат символов «н/р».
Превышение режима по напряжению на стоках транзисторов допускается не учитывать, т.к. транзистор выдерживает импульсные перегрузки до КСВ 10 при любых его фазах [3/37]. Значения напряжения в данном случае носят информационный характер.
Из анализа таблиц 5.1, 5.2 следует что, для диапазона частот от 2 до
2,94 МГц:

• область допустимого значения КСВ не превышает 2 при допущении, что в некоторых точках диапазона возможно ухудшение значения уровня нелинейных искажений до минус 24,7 дБ;
• область допустимых значений КСВ может быть расширена до 3 путем снижения рассеиваемой мощности до 100 Вт за счет уменьшения  выходной мощности тракта передачи.

Моделирование режима с уменьшенным значением мощности на выходе тракта передачи показывает, что для снижения рассеиваемой мощности до допустимого значения 100 Вт выходная мощность тракта передачи не должна превышать 57,8 Вт.
Для работы на КСВ=4 и исключения при этом перегрузки транзисторов по рассеиваемой мощности уровень мощности на выходе тракта передачи должен быть ограничен 38,5 Вт.
Из анализа таблиц 5.3, 5.4 следует, что для диапазона частот от 20,376 до 30 МГц:

• область допустимого значения КСВ не превышает 2 при допущении импульсных перенапряжений на стоках транзисторов выходного каскада до 82,2 В;
• область допустимых значений КСВ может быть расширена до 3 при допущении, что в некоторых точках диапазона возможно  ухудшения значения уровня нелинейных искажений до минус 20,5 дБ;
• область допустимых значений КСВ может быть расширена до 4 при снижении выходной мощности тракта передачи до 80 Вт и уровня нелинейных искажений до минус 20 дБ.

Из вышеизложенного следует, что выходной тракт передачи обеспечивает заданные параметры при работе в режиме рассогласования, характерного для работы в режиме ППРЧ, до значения КСВ, не превышающего 2, и требует снижения выходной мощности при работе на большие значения КСВ.
Таким образом,  реализация режима ППРЧ с обеспечением заданной выходной мощности полностью определяется возможностью блока АСАУ обеспечивать допустимое  значение КСВ во всем диапазоне скачков частоты.

Выводы

В статье:

1. проведена разработка модели выходной ступени тракта передачи, сделано ее краткое описание;
2. определено, что для оценки энергетических характеристик и нелинейных искажений каскада моделирование должно быть выполнено в двух режимах - одночастотном и двухчастотном;
3. оценка характеристик каскада при работе на рассогласованную нагрузку проведена анализом его режима в четырех точках круга КСВ согласно рисунку 5.2;
4. оценка параметров каскада проведена моделированием в двух поддиапазонах фильтра гармоник – на нижнем поддиапазоне (2…2,94) МГц и верхнем поддиапазоне (20,376…30) МГц. Результаты моделирования приведены в таблицах 5.1…5.4.

Моделирование каскада показывает:

1. требования технического задания выполняются при КСВ нагрузки не превышающей 2;
2. работоспособность каскада сохраняется до значения КСВ=3 при снижении выходной мощности до 57,8 Вт, при этом наблюдается увеличение нелинейных искажений до значения минус 20 дБ;
3. увеличение нелинейных искажений наиболее сильно проявляется на верхнем участке диапазона рабочих частот;
4. для обеспечения работоспособности каскада на КСВ ≥ 4 необходимо уменьшать мощность на выходе РПДУ до 38,5 Вт. Уровень нелинейных искажений не превышает минус 20 дБ.