Фильтр постоянной составляющей для усилителя гармонических колебаний, работающего в режиме А

Полезная модель относится к радиоэлектронике и может быть использована в широкополосных радиопередатчиках.
Известны фильтры подавления гармоник несущей частоты, например, Патент РФ «Октавный фильтр» №62313 Н03Н 7/00 от 26.02.2006 г. и патент РФ «Октавный фильтр» №130166 от Н03Н 7/38 от 10.07.2013 г.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели по технической сущности является «Октавный фильтр», представленный в патенте РФ №130166. Октавный фильтр, содержащий параллельно соединенные по входу фильтры нижних и верхних частот и балластный резистор, соединенный с выходом фильтра верхних частот, отличающийся тем, что дополнительно включены широкополосное согласующее устройство, двухполупериодный выпрямитель, накопительная емкость, дроссель и ограничительный диод, причем выход фильтра верхних частот соединен со входом широкополосного согласующего устройства, выход которого соединен со входом двухполупериодного выпрямителя, выход двухполупериодного выпрямителя соединен с накопительным конденсатором и с дросселем, соединенными параллельно, другая клемма накопительного конденсатора заземлена, последовательно с дросселем соединен ограничительный диод, к выходу которого подключается источник питания радиопередатчика.
г
Общим недостатком всех известных фильтров является отсутствие обеспечения работы усилителя в режиме усиления «А», характеризующегося наименьшим коэффициентом гармоник (К=2…5%) по сравнению со всеми другими режимами усиления, но имеющего наихудший КПД, не превышающий 25…30% [Радиотехника: Энциклопедия/Под ред. Ю.Л. Мазора. Е.А. Мачусского, В.И. Правды. - М.: ДМК Пресс - 944 с. Стр. 748].
Целью полезной модели является повышение КПД широкополосного радиопередатчика, усилитель мощности которого работает в режиме усиления «А».
Поставленная цель достигается тем, что в октавный фильтр, содержащий фильтр нижних частот, широкополосное согласующее устройство, накопительную емкость, дроссель и ограничительный диод, дополнительно включены полосовой фильтр с верхней граничной частотой, равной верхней частоте рабочего диапазона, и нижней граничной частотой, равной нижней частоте рабочего диапазона усилителя, причем входы полосового фильтра и фильтра нижних частот соединены параллельно с выходом усилителя, выход полосового фильтра соединен с входом нагрузки усилителя, а выход фильтра нижних частот соединен со входом широкополосного согласующего устройства, выход которого соединен с накопительным конденсатором и с дросселем, соединенными параллельно, другая клемма накопительного конденсатора заземлена, последовательно с дросселем соединен ограничительный диод, к выходу которого подключается источник питания системы охлаждения радиопередатчика.
Структурная схема устройства изображена на фигуре. В соответствии с ней устройство состоит из следующих элементов:
1 - полосовой фильтр с нижней граничной частотой, равной нижней частоте рабочего диапазона, и верхней граничной частотой, равной верхней частоте рабочего диапазона усилителя;
2 - фильтр нижних частот (ФНЧ) с граничной частотой, равной нижней частоте рабочего диапазона усилителя;
3 - широкополосное согласующее устройство (ШСУ);
4 - сопротивление нагрузки усилителя Z;
5 - накопительная емкость С;
6 - дроссель Др;
7 - ограничительный диод Д.
Полосовой фильтр с нижней граничной частотой, равной нижней частоте рабочего диапазона и верхней граничной частотой, равной верхней частоте рабочего диапазона усилителя 1 - фильтр, который пропускает составляющие, находящиеся в некоторой полосе частот. Полосовой фильтр - линейная система, которая представлена в виде последовательности, состоящей из фильтра верхних частот и фильтра нижних частот. Полосовые фильтры имеют характеристики: нижняя граница полосы пропускания; верхняя граница полосы пропускания; максимальное подавление в полосе пропускания; минимальное подавление в полосе пропускания.
Фильтр нижних частот с граничной частотой, равной нижней частоте рабочего диапазона усилителя 2 - электронный или другой фильтр, эффективно пропускающий частотный спектр сигнала ниже заданной частоты среза и подавляющий частоты сигнала выше этой частоты. Степень подавления каждой частоты зависит от вида фильтра. Реализация фильтра нижних частот может быть разнообразной, включая электронные схемы, программные алгоритмы, механические системы. Радиопередатчики используют ФНЧ для блокировки гармонических излучений, которые могут взаимодействовать с низкочастотным полезным сигналом и создавать помехи другим радиоэлектронным средствам.
Широкополосное согласующее устройство 3 - техническое средство, предназначенное для согласования параметров выходного сопротивления ФНЧ 2 с параллельно включенными дросселем и накопительной емкостью, выполненное в виде отдельного блока и устанавливаемого на выходе ФНЧ 2.
Сопротивление нагрузки усилителя 4 - это сопротивление кабеля, подключаемого ко входу антенны.
Накопительная емкость 5 - двухполюсник с постоянным значением емкости и малой проводимостью для накопления электрического заряда, является пассивным электронным компонентом. Конденсатор в цепи постоянного тока проводит ток в момент включения его в цепь (происходит зарядка или перезарядка конденсатора), по окончании переходного процесса ток через конденсатор не течет, так как его обкладки разделены диэлектриком. Для постоянного тока частота равна нулю, следовательно, для постоянного тока реактивное сопротивление конденсатора формально бесконечно большое.
Дроссель 6 - винтовая, спиральная или винтоспиральная катушка из свернутого изолированного проводника, обладающая значительной индуктивностью при относительно малой емкости и малом активном сопротивлении. Ее сопротивление зависит от номинала частоты при переменном токе. Сопротивление катушки при протекании через нее постоянного тока равно активному (резистивному) сопротивлению. Применяется в данной схеме для защиты источника питания системы охлаждения радиопередатчика от паразитных частотных составляющих.
Ограничительный диод 7 - двухэлектродный электронный компонент, обладающий различной электрической проводимостью в зависимости от полярности приложенного напряжения полупроводниковый прибор, изготовленный из полупроводникового материала, во внутренней структуре которого сформирован один p-n-переход. Принцип действия полупроводниковых диодов основывается на различных физических явлениях переноса зарядов в твердотельном полупроводнике и взаимодействии их с электромагнитным полем в полупроводнике. Диоды обладают нелинейной вольт-амперной характеристикой, она у них несимметрична. Электроды диода носят названия анод и катод. У диодов при приложении прямого напряжения (то есть анод имеет положительный потенциал относительно катода) диод открыт (через диод течет прямой ток, диод имеет малое сопротивление). Напротив, если к диоду приложено обратное напряжение (катод имеет положительный потенциал относительно анода), то диод закрыт (сопротивление диода велико, обратный ток мал, и может считаться равным нулю во многих практических случаях). Ограничительный диод предназначен для снижения энергии от источника питания системы охлаждения. Он открывается при превышении напряжения на его аноде напряжения на катоде.
Работа схемы осуществляется следующим образом.
При появлении сигнала рабочей частоты с постоянной составляющей на входах полосового фильтра 1 и фильтра нижних частот, сигнал на рабочей частоте проходит через полосовой фильтр 1 к сопротивлению нагрузки усилителя 4. Постоянная составляющая сигнала, для которой полосовой фильтр l представляет большое сопротивление за счет использования, например, последовательно включенной на входе полосового фильтра разделительного конденсатора, имеющего малое сопротивление на нижней частоте рабочего диапазона и бесконечно большое для постоянного тока. В то же время для постоянной составляющей сопротивление ФНЧ 2 минимально. С выхода ФНЧ 2 постоянная составляющая сигнала поступает на широкополосное согласующее устройство 3, которое согласует выходное сопротивление ФНЧ 2 с входным сопротивлением, подключаемой к его выходу электрической цепи, обеспечивая при этом величину напряжения на накопительной емкости 5 больше, например, на 10%, напряжения источника питания системы охлаждения радиопередатчика. Это обеспечит протекание тока через ограничительный диод 7, который открывается только при условии превышения напряжения на выходе ШСУ 3 величины напряжения источника питания системы охлаждения радиопередатчика. Таким образом, снижается потребление энергии источником питания системы охлаждения радиопередатчика, что снижает затраты энергии на охлаждение высоколинейного усилителя, работающего в режиме А, и повышает его КПД.
Величина накопительной емкости С может быть определена из условия:
доп
τ=Т, где τ=RC постоянная времени заряда конденсатора [Справочник по физике. Под ред. X. Штекера. - М.: Техносфера, 2009, 1264 с., стр. 589];
R - активная составляющая цепи заряда конденсатора, определяемая величиной резистивных составляющих выходной цепи ШСУ;
доп
Т - допустимое время заряда конденсатора примем равным времени одной высокочастотной битовой посылки.
С учетом принятых ограничений величина емкости «С» определяется соотношением:
доп
С=Т/R.
Следует отметить, что величина R может корректироваться при проектировании такого усилителя за счет изменения диаметров проводов дросселей 6, используемых в ШСУ 3.
др
ип
др
ип
Величина индуктивности дросселя L 6 может быть определена из условия Х>>R, где Х - величина реактивной составляющей комплексного сопротивления дросселя «Др», R - активная составляющая выходного сопротивления источника питания системы охлаждения радиопередатчика.
д
ип
др
Примем Хр=10⋅R. С учетом заданного значения величины Х, запишем требование к величине L:
ип
н
н
L=10⋅R/2πƒ, где ƒ - нижняя частота рабочего диапазона усилителя.
Величина повышения КПД широкополосного радиопередатчика зависит от конкретных значений характеристик элементов, входящих в его состав:
н
п
охл
КПД=Р/(Р+Р),
н
где Р - мощность нагрузки;
п
Р - мощность, потребляемая усилителем;
охл
Р - мощность, потребляемая системой охлаждения радиопередатчика.
охл
В результате использования предложенного технического решения снижается мощность, потребляемая системой охлаждения радиопередатчика Р.
Таким образом, предложенная полезная модель решает задачу эффективного использования энергии постоянной составляющей сигнала на выходе усилителя, работающего в режиме «А», обеспечивающего высокую линейность усиления, тем самым повышает КПД широкополосного радиопередатчика ориентировочно с 25 до 45 процентов.