Транзисторный усилитель мощности радиопередатчика

Предложено утроитель частоты входного сигнала подключать параллельно не оконечному, а предоконечному каскаду передатчика, отчего потребление мощности утроителем сокращается раз в 10, а КПД передатчика существенно возрастает.

Данная полезная модель (ПМ) относится к радиопередающим устройствам коротковолнового (KB) диапазона, оконечным каскадом которого является усилитель мощности.

Известны усилители мощности с повышенным коэффициентом полезного действия (КПД) за счет третьей гармоники входного сигнала, описанные в источниках:

1. Патент РФ на ПМ 84649. Транзисторный усилитель мощности / А.А.Волков, Г.В.Горелов, А.С.Геннинг, Приоритет от 19.12.2008.

2. Радиопередающие устройства / Под ред. Г.Л.Зейтленка - М. Связь, 1969. - С52.

Пор технической сущности наиболее близким к ПМ является усилитель, описанный в первом источнике, который по этой причине и принимается за ее прототип. Во втором источнике описан аналог ПМ.

Прототип - транзисторный усилитель мощности состоит из оконечного резонансного каскада передатчика и резонансного утроителя частоты, подключенного параллельно к оконечному каскаду, общей нагрузкой которых являются их коллекторные контуры, включенные последовательно. Так как 3-я гармоника утроителя противофазна первой гармонике усилителя, то суммарное напряжение в нагрузке имеет седловидный провал и меньший уровень по сравнению с уровнем первой гармоники, отчего режим усилителя смещается из критического или слабо перенапряженного в недонапряженный режим, где мощность и кпд меньше, чем в исходном режиме. Для возврата в исходный режим надо увеличить амплитуду первой гармоники, отчего вырастет коэффициент использования коллекторного напряжения =U_к1/E_к, где Е_к - напряжение источника коллекторного питания, и возрастет кпд усилителя _к=0,5(₁/₀), где - функция Берга.

Так как оконечный каскад передатчика является самым мощным усилительным каскадом передатчика, то и параллельно подключенный к нему утроитель частоты является тоже относительно мощным, увеличивающим общую потребляемую мощность примерно на 30%, что уменьшает кпд передатчика

Основным недостатком прототипа является пониженный кпд передатчика из-за относительно высокого потребления мощности утроителем.

Техническим результатом ПМ является повышение кпд усилителя передатчика за счет дополнительно введенного колебательного контура и новой связи утроителя частоты путем подключения его параллельно не к оконечному, а к предоконечному каскаду передатчика, мощность которого раз в 10 меньше мощности оконечного каскада. Поэтому и утроитель частоты потребляет мощность в 10 раз меньшую, чем в прототипе.

Сущность ПМ состоит в том, что в транзисторный резонансный усилитель мощности передатчика, состоящий из последовательно соединенных резонансных предоконечного и оконечного усилительных каскадов, а так же и из резонансного утроителя частоты, дополнительно введен параллельный колебательный контур, настроенный в резонанс на 3-ю гармонику входного сигнала, и изменена связь утроителя частоты в результате его подключения параллельно не оконечному, а предоконечному каскаду передатчика, при которой вторичные обмотки и их коллекторных контуров включены последовательно относительно перехода база - эмиттер транзистора оконечного каскада, коллекторный контур которого соединен последовательно с введенным контуром 3-й гармоники относительно перехода коллектор - эмиттер его транзистора.

Существенным отличием ПМ является дополнительно введенный колебательный контур и новая связь утроителя частоты в результате его подключения параллельно не к оконечному, а к предоконечному каскаду, что и определило повышение КПД передатчика.

ПМ иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 представлена принципиальная схема предложенного усилителя, а на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

На фиг.1 предоконечный каскад выполнен на транзисторе VT1, утроитель частоты - на VT2, а оконечный каскад - на VT3.

Работа схемы на фиг.1 происходит следующим образом. Входной сигнал u_вx(t)=Ucost поступает на базу транзистора VT1 предоконечного усилителя и параллельно на базу транзистора VT2 утроителя частоты.

Предоконечный каскад работает в режиме колебаний 2-го рода с углом отсечки =90° и его коллекторный контур настроен в резонанс на первую гармонику частоты входного сигнала.

Утроитель частоты на транзисторе VT2 работает тоже в режиме колебаний второго рода при угле отсечки =120/3=40°, что задается с помощью потенциометра R _n, а его коллекторный контур настроен в резонанс на третью гармонику частоты 3 входного сигнала.

Вторичные обмотки коллекторных контуров транзисторов VT1 и VT2 включены последовательно относительно перехода база - эмиттер транзистора VT3 оконечного каскада, работающего тоже в режиме колебаний 2-го рода при угле отсечки =90°.

С помощью этих вторичных обмоток снимается шунтирующее действие низкого входного сопротивления транзистора VT3 на данные контура (за счет понижающего коэффициента трансформации). Так как напряжение третьей гармоники U_кз противофазно первой U_к1, что задается соответствующим включением вторичной обмотки контура утроителя, то суммарное напряжение на базе транзистора VT3 имеет седловидный провал при t=90°, как показано на фиг.2. Нагрузкой коллекторной цепи транзистора VT3 является последовательно включенные контур, настроенный в резонанс на первую гармонику частоты входного сигнала, и введенный контур, настроенный в резонанс на третью гармонику этого сигнала, на выходе которых имеет место усиленное суммарное напряжение обмоток U_б3, т.е. U_к=U_б3, где - коэффициент усиления по напряжению усилителя на транзисторе VT3. По закону Кирхгофа на переходе коллектор - эмиттер транзистора VT3 напряжение е_кэ=Е_к-U_к>е_кэкр. На фиг.2 видно, что наличие третьей гармоники U_к3, противофазной первой U _к1, увеличивает напряжение е_кэ, переводя режим работы транзистора VT3 из критического или слабоперенапряженного в недонапряженный режим, где меньше его КПД и полезная мощность. Для возвращения в исходный режим надо увеличить амплитуду первой гармоники U_k1, отчего увеличится коэффициент использования коллекторного напряжения =U_k1/Е_к, где Е_к - напряжение коллекторного питания, а так же увеличится КПД оконечного каскада передатчика _к=0,5(₁/₀), где - функции Берга, и его выходная мощность.

Технико-экономическим эффектом ПМ является повышение КПД усилителя мощности передатчика за счет включения утроителя частоты параллельно предоконечному каскаду передатчика и включения введенного колебательного контура третьей гармоники последовательного с колебательным контуром оконечного каскада передатчика.

Транзисторный усилитель мощности передатчика, состоящий из последовательно соединенных резонансных предоконечного и оконечного усилительных каскадов, а также из резонансного утроителя частоты, отличающийся тем, что в него дополнительно введен параллельный колебательный контур, настроенный в резонанс на третью гармонику входного сигнала, и изменена связь утроителя частоты в результате его подключения параллельно не оконечному, а предоконечному каскаду передатчика, при котором вторичные обмотки их коллекторных контуров включены последовательно относительно перехода база - эмиттер транзистора оконечного каскада, коллекторный контур которого соединен последовательно с введенным контуром третьей гармоники относительно перехода коллектор - эмиттер его транзистора.