Podstawy techniki opracowania szerokopasmowych wielokanałowych wzmacniaczy mocy wielokanałowych wzmacniaczy mocy

Istnieje obszerna literatura poświęcona opracowaniu szerokopasmowych wzmacniaczy mocy [45]-[47], [110]-[119]. Jednak brakuje w niej zastosowania właściwości fazowych i podziału częstotliwościowego przy opracowaniu układów wielowrotnikowych.

W tym rozdziale rozpatrzono struktury i wyniki symulacji komputerowej sze-rokopasmowych wielokanałowych wzmacniaczy mocy do zastosowania w różnych systemach radiowych. Przedstawiono schematy i charakterystyki częstotliwościo-we poszczególnych modułów wzmacniających. Szczegółowo przeanalizowano różnorodne struktury wzmacniaczy wielokanałowych, zawierających komutatory fazowe oraz częstotliwościowe.

Przypomnimy, że komutator fazowy jest to taki wielowrotnik, który przy wzbudzeniu jednego z wejść zapewnia rozkład sygnałów wyjściowych o tej samej amplitudzie i różnych fazach (p. 1.1) (rys. 6.1a). Przy zmianie wzbudzanego wej-ścia zmienia się rozkład faz na wyjwej-ściach komutatora. Jest to stan pracy rozdziele-nia mocy sygnału wejściowego. Komutator może pracować również odwrotnie w stanie sumowania mocy sygnałów wejściowych [61], [73].

a) ^R

R1 1

₁ Rn

_n S_N

n Komu-

tator fazowy E_

1 1

E Rn n n

b) R

E_

1 1

E Rn n n

R1 1

f₁

Rn

fn n Komu- częstotli-tator

S_N wościowy

1

1 2

0,5 0 K_{p i}

f 1 f ₂ f n-1 f

n

f1 f2 fn

Rys. 6.1. Komutatory wielowrotnikowe: fazowy (a) i częstotliwościowy (b)

194

Układ odsprzęgający (odsprzęgacz) – jest to układ zapewniający diagonalną sumaryczną macierz kaskadowego połączenia odsprzęgacza i pełnego obciążenia wielowrotnikowego, np. układu antenowego [61], [73].

Komutator częstotliwościowy (multiplekser) – to wielowrotnik obustronny za-pewniający częstotliwościowy podział kanałów, tzn. zadany rozkład pasm często-tliwości na wyjściach komutatora przy wzbudzeniu poszczególnych wejść układu (rys. 6.1b) [60], [61].

Struktury zastosowania szerokopasmowych komutatorów fazowych i często-tliwościowych w kompleksach radiowych różnego rodzaju pokazano w rozdziale 1 (rys. 1.3-1.5); podstawy teoretyczne, aparat matematyczny oraz struktury komuta-torów fazowych 2-go, 4-go i 8-go rzędu przedstawiono w p. 3.2, natomiast struktu-ry, parametry oraz charakterystyki komutatorów częstotliwościowych opracowa-nych na podstawie diplekserów filtrowych i pierścieniowych zaprezentowano w p. 4.3 i p. 4.4.

Rozpatrzmy szczegółowo jedno- i wieloczęstotliwościowe wzbudzenie kanału radiowego (rys. 6.2). Szerokopasmowy pojedynczy kanał radiowy zawiera wzmac-niacz o mocy P, podłączony do anteny poprzez optymalny układ dopasowujący (rys. 6.2a). Wtedy z uwzględnieniem pewnego odbicia otrzymujemy na wejściu anteny prawie pełną moc wzmacniacza P. Można udowodnić, że przy wzbudzeniu kanału na kilku (k) dowolnych częstotliwościach radiowych w szerokim paśmie roboczym i zachowaniu liniowego stanu pracy wzmacniacza amplitudy każdego sygnału muszą być mniejsze k razy niż w przypadku sygnału pojedynczego. Wtedy moc każdego sygnału będzie odpowiednio k² razy mniejsza i sumaryczna moc wyj-ściowa wszystkich sygnałów będzie k razy mniejsza (rys. 6.2b) [59].

układ dopas.

A

f₁

P

Wzm.

Dowolne częstotliwości układ dopas.

A P

Wzm.

f1 f₂ fk

. . . P_k

^{f3 f1 f2 fk f}

. . .

P = P / k_i ²

Rys. 6.2. Jedno - (a) i wieloczęstotliwościowe (b) wzbudzenie kanału radiowego

Jeśli chcemy otrzymać moc P dla każdego sygnału informacji, trzeba zastoso-wać wielowrotnikowy układ częstotliwościowo-rozdzielczy – komutator częstotli-wości – multiplekser, zapewniający przesyłanie całej mocy wzmacniacza P dla sygnałów w poszczególnych pasmach roboczego zakresu częstotliwości (rys. 6.1b).

Podsumowując, zaletą 1-go sposobu wzbudzenia (rys. 6.2b) jest możliwość przesyłania sygnałów o dowolnych wartościach częstotliwości i dowolnej zmianie częstotliwości (mogą być w dowolny sposób bliskie i ustawione w dowolny sposób w zakresie roboczym). Wadą tego wzbudzenia jest zmniejszenie k² razy mocy każ-dego sygnału.

a) b)

Dla 2-go sposobu wzbudzenia (rys. 6.1b) – odwrotnie: zaletą jest zachowanie mocy każdego sygnału równej mocy wzmacniacza, natomiast wadą – fakt, że czę-stotliwości każdego sygnału mogą być ustawione tylko w wyznaczonych pasmach określonych charakterystykami poszczególnych filtrów. Oprócz tego z całego ro-boczego pasma wypadają pasma przejściowe filtrów związane z nieidealnością charakterystyk rzeczywistych układów (rozdz. 4) [40], [60].

Oba te sposoby wzbudzenia mogą być zastosowane przy opracowaniu szero-kopasmowych wzmacniaczy wielokanałowych i odpowiednich wielowrotnikowych struktur kompleksów radionadawczych (patrz rozdz. 7).

Rozpatrzmy podstawowe struktury wielowrotnikowych wzmacniaczy mocy z zastosowaniem komutatorów fazowych i częstotliwościowych (rys. 6.3). Liniami przerywanymi na wszystkich strukturach pokazano podstawowe stany pracy wzmacniaczy.

Rys. 6.3. Podstawowe struktury wzmacniaczy wielowrotnikowych z zastosowaniem:

a) komutatorów fazowych, b) multiplekserów, c) komutatorów fazowych i multiplekserów;

d) zmodyfikowana struktura z jednym wejściem i jednym wyjściem

196

Pierwsza struktura (rys. 6.3a) zawiera pracujące w tym samym szerokim pa-śmie komutatory fazowe (wejściowy i wyjściowy) oraz zestaw jednakowych mo-dułów wzmacniających. Ten wzmacniacz wielowrotnikowy odnosi się do układów z fazowym podziałem i sumowaniem sygnałów. Przy wzbudzeniu jednego z wejść wejściowego komutatora fazowego na jego wyjściach otrzymamy sygnały o jedna-kowej amplitudzie i z odpowiednim rozkładem faz, np. i (rys. 6.3a). Po wzmoc-nieniu ten sam rozkład faz sygnałów o mocy P mamy na wejściach wyjściowego komutatora fazowego.

Struktury komutatorów fazowych wejściowych i wyjściowych muszą być „lu-strzanymi odbiciami” względem modułów wzmacniających, dlatego sygnał wyj-ściowy o sumarycznej mocy nP wszystkich modułów wzmacniających pojawi się na odpowiednim wyjściu wyjściowego komutatora fazowego. Ten nominalny stan pracy wzmacniacza wielokanałowego opracowanego na podstawie komutatorów fazowych jest zilustrowany na rysunku 6.3a.

Przy zmianie numeru wzbudzanego wejścia wejściowego komutatora wyj-ściowy sygnał sumaryczny będzie na innym, odpowiednim wyjściu (i obciążeniu) komutatora wyjściowego. W taki sposób dokonuje się fazowa (niemechaniczna) komutacja sygnałów wyjściowych dość dużej mocy nP na różnych obciążeniach za pomocą zmiany wejściowych sygnałów małej mocy. Komutacja sygnału wejścio-wego też może być wykonana w sposób „niemechaniczny”, np. za pomocą diod p-i-n [19], [30].

Podobnie dla przypadku wieloczęstotliwościowego wzbudzenia pojedynczego kanału radiowego (rys. 6.2b) struktura wzmacniacza wielokanałowego (rys. 6.3a) może być też wykorzystana przy jednoczesnym wzbudzeniu kilku lub wszystkich wejść komutatora wejściowego sygnałami o zupełnie różnych częstotliwościach w danym szerokim paśmie roboczym. Przy odpowiednim zmniejszeniu amplitud tych sygnałów w modułach wzmacniających, na każdym obciążeniu całego wzmacniacza, będą sygnały sumarycznej mocy o odpowiednich częstotliwościach i zmniejszonej mocy. Przy takiej wieloczęstotliwościowej pracy całego układu powstają dodatkowe wymagania co do liniowości modułów wzmacniających.

Druga struktura wzmacniacza wielokanałowego (rys. 6.3b) zapewnia często-tliwościowy podział kanałów i zawiera, oprócz modułów wzmacniających, wej-ściowy i wyjwej-ściowy komutatory częstotliwościowe (multipleksery). Przy wzbudze-niu odpowiedniego wejścia multipleksera wejściowego na wyjściach jego otrzy-mamy pewien rozkład pasm częstotliwości (rys. 6.1b). Wtedy mogą być zastoso-wane dość wąskopasmowe (nawet rezonansowe) wzmacniacze mocy, odpowiada-jące pasmom multipleksera (np. układ na rys. 6.4).

Tak jak w przypadku pierwszej struktury wzmacniacza (rys. 6.3a) struktura wyjściowego multipleksera musi być „lustrzanym odbiciem” struktury układu wej-ściowego.

Jeśli jedno wejście wejściowego multipleksera jest wzbudzane poprzez poje-dynczy sygnał wąskopasmowy, sygnał pojawi się na pewnym jednym wyjściu multipleksera wejściowego, np. w paśmie fk , (rys. 6.3b), a wtedy po wzmocnieniu do mocy P sygnał o tej samej mocy pojawia się na wyjściu całego wzmacniacza.

Jeśli wykona się jednoczesne wzbudzenie wieloczęstotliwościowe wszystkich wejść układu, przy zachowaniu zasady „jeden sygnał – jedno poszczególne pa-smo”, to na wyjściach całego wzmacniacza będzie ten sam sygnał wieloczęstotli-wościowy o sumarycznej mocy nP.

Analogiczny stan pracy będzie przy wzbudzeniu wzmacniacza pojedynczym sygnałem szerokopasmowym przy „rozmieszczeniu” widma sygnału we wszyst-kich poszczególnych pasmach częstotliwości multiplekserów. Wtedy na wyjściu całego wzmacniacza będzie też szerokopasmowy sygnał o mocy nP.

Trzecia struktura wzmacniacza wielokanałowego (rys. 6.3c) zawiera wejścio-we i wyjściowejścio-we komutatory fazy i częstotliwości oraz moduły wzmacniające. Tak jak w poprzednich przypadkach, wejściowe i wyjściowe struktury komutatorów fazy i częstotliwości muszą być nawzajem „lustrzanymi odbiciami” względem modułów wzmacniających. Pełna struktura wzmacniacza ma wszystkie właściwo-ści charakteryzujące wzmacniacze wielowrotnikowe zawierające tylko komutatory fazy lub częstotliwości (rys. 6.3a,b).

Na przykład przy wzbudzeniu sygnałem wąskopasmowym jednego wejścia multipleksera wejściowego ten sygnał przechodzi na odpowiednie jego wyjście i wzbudza połączone z nim wejście wejściowego komutatora fazowego, np. w pa-śmie fk , (rys. 6.3c). Zgodnie z macierzą tego komutatora fazowego sygnały w tym samym paśmie i tej samej amplitudzie, ale z pewnym rozkładem faz, np.

i (rys. 6.3c), pojawią się na wejściach modułów wzmacniających. Zatem sygna-ły o jednakowej mocy P wzbudzają wszystkie wejścia wyjściowego komutatora fazowego i zgodnie z tą samą macierzą sumaryczny sygnał o mocy nP pojawi się na tym samym odpowiednim wyjściu komutatora fazowego, jak i wejściu komuta-tora wejściowego (rys. 6.3c). Wskutek „lustrzanej” struktury multipleksera wyj-ściowego sumaryczny sygnał nP pojawi się w jednym odpowiednim obciążeniu.

Przy zmianie częstotliwości sygnału wąskopasmowego zmieni się wzbudzany port komutatora wejściowego oraz rozkład faz sygnałów w modułach wzmacniają-cych i sygnał o sumarycznej mocy nP pojawia się na innym obciążeniu całego wzmacniacza. Jak w poprzednich przypadkach możliwe są wzbudzenia układu wieloczęstotliwościowe lub sygnałem szerokopasmowym przy odpowiednim zmniejszeniu parametrów energetycznych wzmacniacza.

Czwarta struktura wzmacniacza wielokanałowego (rys. 6.3d) jest modyfikacją pełnej struktury (rys. 6.3c) przy zastosowaniu tylko jednego wejścia wejściowego multipleksera i odpowiednio jednego wyjścia multipleksera wyjściowego. Wzmac-niacz ten też zapewnia wybór pasma multipleksera fk w zależności od częstotli-wości sygnału wejściowego i pewny rozkład faz i sygnałów komutatorów

fazo-198

wych. Taka modyfikacja może być opracowana też dla drugiej struktury wzmac-niacza mocy (rys. 6.3b).

Schematy i parametry modułów tranzystorowych opisano w p. 6.2, zaś struktu-ry, parametry i charakterystyki 2-, 4- i 8-kanałowych wzmacniaczy mocy przed-stawiono w p. 6.3.