Инженеры-испытатели и технические специалисты по ЭМС часто сталкиваются с проблемами при выборе мощных усилителей для испытаний на радиочастотную помехоустойчивость. Во время испытаний усилитель должен выдерживать высокие уровни отраженной мощности. Знания того, как отраженная мощность влияет на работу усилителя, несомненно, имеют первостепенное значение и должны быть использованы в принимаемых решениях. Многолетний опыт работы в области испытаний на ЭМС многократно показывал пример того, как в руководство и персонал, не имеющий отношения к техническим специалистам, простой заменой одного усилителя мощности в установке на другой, может вывести из строя всю установку, Как устранить такого рода сложные явления? Как бороться с отраженной мощностью? Обычно к современным усилителям предъявляют высокие требования, например, выдерживать 100% отраженной мощности, работать при высоких КСВ. Иногда затруднительно понять, что конкретно имеется в виду, иногда это означает работу усилителя при пониженной мощности, иногда просто защитный механизм - отключение без причинения повреждений. Чтобы лучше разобраться в этом, давайте проведем простой мысленный эксперимент, а затем посмотрим, как различные конструкции усилителей справляются с высоким КСВ.
Прежде всего, рекомендуем к ознакомлению более раннюю статью об усилителях и их КСВ. Представьте себе, что Вы инженер-испытатель, перед Вами усилитель мощностью 200 Вт работает в составе испытательной установки на устойчивость к радиочастотному полю в полосе частот 80 - 1000 МГц. в полубезэховой камере как показано на рисунке.
Отключите генератор сигналов от входа усилителя так, чтобы усилитель оставался в рабочем режиме усиления. Мысленно замените антенну на второй идентичный усилитель мощности и генератор сигналов (не стоит этого делать в действительности во избежании поломок, если только вы не высококвалифицированный специалист с многолетним стажем или разработчик усилителей). Этот второй усилитель будет подавать мощность на выход первого. Теперь у нас есть установка для моделирования эффектов при возникновении отраженной мощности в радиочастотном тракте.
Представьте, что введенная со второго усилителя радиочастотная мощность входит в выходной разъем первого усилителя. Это будет несложно, так как выходные радиочастотные каскады позволяют сигналам проходить в любом направлении. Сигнал достигает выходных транзисторов первого усилителя и накладывается на их постоянный ток смещения. Каким будет влияние быстро меняющегося поля, вызванного сигналом со второго усилителя? Очевидно, что ранее постоянный поток электронов станет переменным. Установите частоту первого генератора сигналов такую же, как и на втором и включите его (повторимся, что это только мысленный эксперимент. Натурные испытания скорее всего приведут к поломке).
Включите первый генератор и подайте мощность с первого усилителя (падающую). Ситуация с выходными транзисторами второго усилителя повториться и они будут пытаться создавать все больший сигнал в ответ на изменения входного потока электронов. В зависимости от относительной фазы возможно 4 варианта "перетягивания каната" усилителями:
- оба сигнала увеличивают поток через транзисторы;
- оба уменьшают поток электронов;
- первый увеличивает, второй уменьшает;
- и, наоборот, второй увеличивает, а первый уменьшает.
«Победителем» здесь будет сигнал с большей амплитудой. Отключите оба сигнала и замените второй усилитель плохим трактом или кабелем с большим отражением. Включив первый генератор снова, мы увидим отражение от кабеля, пропорциональное увеличению падающей мощности. Изменение частоты сигнала будет определять относительную фазу падающей и отраженной мощностей на выходных транзисторах. Изменяя мощность и частоту генератора, мы можем воспроизвести любое из предыдущих рассмотренных вариантов, за исключением тех, которые были получены из-за того, что отраженная мощность была больше, чем падающая. При низких мощностях коэффициент усиления постоянный, далее при повышении входной мощности происходит так называемое "сжатие" усиления и усилитель начинает вести себя как усилитель с меньшей мощностью. Какие имеются варианты избежать подобного?
Автоматический контроль уровня (ALC) - это механизм для поддержания прямой мощности усилителя на заданном уровне, не взирая на изменения входной мощности или изменения условий нагрузки. Для низких и средних уровней отраженной мощности этот механизм прекрасно справляется с ней. Однако, когда отраженная мощность начинает вызывать значительное ухудшение коэффициента усиления, достигается такая точка, выше которой ALC бесполезен, поскольку любая попытка увеличить прямую мощность приводит к соответствующему увеличению отраженной. Большинство типов усилителей класса A или AB используют ALC,
Поглощение отраженной мощности - этот метод подразумевает размещение мощного аттенюатора на выходе усилителя, который будет согласовывать линию и уменьшать отраженную мощность в случае плохого изначального согласования, например дефекта кабеля на изгибе. Минусом такого метода является то, что аттенюатор ослабит и полезную выходную мощность. Однако, если выходная мощность будет уменьшена, скажем со 100 Вт до 70 (30%), то, в худшем случае, когда 100% мощности отражается назад в усилитель, ей придется снова пройти через аттенюатор и затухнуть уже до 49 Вт,
Ограничение выходного тока - здесь имеется в виду ток, проходящий через выходные транзисторы, предотвращение выбросов которого уменьшает чрезмерное рассеяние. Этот метод защиты не может повлиять на потери в усилении из-за отраженной мощности.
Отвод отраженной мощности - это происходит при помощи отводящего комбинированного ответвителя, который забирает часть мощности от выходных транзисторов. Этот компонент широко используется ведущими мировыми производителями усилителей, но, к сожалению, его пропускная способность ограничена чуть более чем двумя октавами по частоте. Октава - это, фактически, удвоение частоты. Например, эти компоненты находятся в усилителях на диапазоны частот от 500 до 1000 МГц, от 1 до 2 ГГц или от 2 до 4 ГГц. Однако, если посчитать количество октав в усилителе с традиционным для ЭМС диапазоном 80 - 1000 МГц, окажется, что их там почти четыре! Поэтому гибридный ответвители в них не используются. Исключение составляют многоблочные системы, состоящие из нескольких усилителей. Этот неутешительный факт является основной причиной повреждения усилителей при неправильной эксплуатации или случайных повреждениях тракта в лабораториях по электромагнитной совместимости без должной организации работ.
Авто-смещение - это то, что отличает усилители класса «А» - старый и проверенный временем способ поддержания тока смещения в силовых транзисторах на постоянном уровне, несмотря на изменения мощности, выдаваемой на нагрузку. Хотя, основная цель автоматического смещения - обеспечить оптимальную линейность в широком динамическом диапазоне, оно используется и в защитных целях. Поэтому усилители класса «А» способны рассеивать больше тепла, чем усилители класса «АB», но, как и в случае с ALC, автоматическое смещение не исправляет снижение производительности усилителя из-за "отраженки". Существует также точка, выше которой этот механизм перестает работать и осуществлять компенсацию. не может компенсировать изменения, вызванные высокой отраженной мощностью. Т.е. плавное ухудшение характеристик тракта этот механизм защиты отработает, но при скачкообразном увеличении обратной мощности он бесполезен.
