Расчёт цепи согласования выходного каскада передатчика с антенной

Онлайн калькулятор расчёта транзисторного каскада с трансформатором сопротивлений на основе LC-фильтра нижних частот

В последнее время в транзисторных усилителях мощности, работающих в КВ диапазоне, практически повсеместно применяются широкополосные выходные трансформаторы (ШПТ), выполненные на "биноклях" (они же ферритовые трансфлюксоры, они же - двухапертурные сердечники).
Другое дело - УКВ диапазоны, где не требуется столь значительной широкополосности. Там для согласования сопротивления антенного тракта с выходным сопротивлением оконечного каскада передатчика гораздо удобнее использовать трансформаторы сопротивлений, выполненные в виде фильтров нижних частот.
На Рис.1 приведена схема подобного выходного каскада однотактного транзисторного передатчика с согласующими ФНЧ на выходе.

Рис.1

Вариант №1 вполне сойдёт для усилителей малой и средней мощности (до 3Вт), вариант №2 предназначен для более мощных агрегатов.
Резистор Rсм задаёт коллекторный ток транзистора в режиме молчания. В мощных выходных касадах его стараются выбирать незначительной величины (5-30 Ом), а режим транзистора задавать изменением напряжения Есм. Индуктивность L1 устраняет шунтирующее действие низкоомного сопротивления по переменному току, и может быть выбрана из условия:
L₁ (мкГн) ≥ 20/F_ср (Мгц), где F_ср - средняя частота полосы пропускания разрабатываемого усилителя.
В маломощных выходных каскадах и промежуточных каскадах - Rсм допускается выполнять большей величины, поэтому необходимость в данной катушке отпадает.

Переходим к выходным цепям усилительного каскада.
Для того чтобы нам правильно рассчитать значения элементов в цепи согласования, прежде всего необходимо выяснить величину оптимального сопротивления нагрузки транзистора, на которое он отдаёт максимальную мощность. В последующих рассуждениях будем считать эту величину - выходным сопротивлением транзисторного каскада со стороны коллектора. Для этих целей существует следующая формула:
R_вых = (Е_к - U_нас)²/2P_макс ,  где:
U_нас - напряжение насыщения коллектор-эмиттер транзистора ≈ 0,2-0,4В; Ек - напряжение, подаваемое на колектор транзистора; Рмакс - значение максимальной мощности транзистора (справочная величина).

Итак, будем считать, что первый шаг сделан: с напряжением питания мы определились, транзистор выбрали, максимальную мощность выявили - теперь можно посчитать и его выходное сопротивление.

Онлайн расчёт выходного сопротивления транзисторного каскада

Напряжение питания Ек (В)
Макс. мощность транзистора (Вт)
Выходное сопротивление транзистора Rвых (Ом)

А теперь хочу немного поспорить с авторами приведённой выше формулы по расчёту выходного сопротивления транзистора.
Формула верна исключительно в частном случае работы транзистора в режиме, близком к предельно-допустимому. Как правило, для надёжной работы устройства разработчики РЭА стараются избегать подобных режимов и оставляют 20-30% запас как по максимальной мощности, так и по напряжению питания полупроводника.
Поэтому полученное на калькуляторе сопротивление Rвых следует увеличить на эти 20-30%, либо изначально ввести значение максимальной мощности за вычетом величины, соответствующей выбранному запасу по мощности транзистора.

Скажу пару слов о насущном - из каких соображений и какой мощности следует выбирать выходной транзистор усилителя.
Ну, во-первых, из соображений его частотных свойств. Необходимо зорко следить за тем, чтобы частота единичного усиления транзистора как минимум в 5 раз (а лучше в 10) превышала максимальную рабочую частоту усилителя.
Во-вторых - мощность, которую качает через себя выходной транзистор, не равна мощности усилителя, а превышает её на величину, зависящую от КПД выходного каскада (50-80%) и КПД согласующего устройства (90-95%).
Т.е. при выходной мощности передатчика, равной 50Вт: на транзисторе в наихудшем случае рассеется такое же количество мощности в виде тепла (50 Вт при КПД = 50%) и 5вт (при КПД =90%) потеряется на выходном согласующем устройстве.
Сложив эти значения - получим необходимую величину паспортной мощности транзистора: 50Вт (выходная) + 50Вт (КПД усилительного каскада) + 5Вт (КПД СУ) + 21Вт (20% запас) = 126Вт.
Данный подход к выбору мощности транзистора не претендует на абсолютную истину в последней инстанции, однако позволяет создавать устройства с достаточно высоким уровнем надёжности.
Ну и, в-третьих, максимальное напряжение коллектор-эмиттер транзистора должно превышать величину напряжения питания в 2, а лучше в 2,5 раза.

Чем выше будет запас по напряжению питания и по мощности выходного транзистора, тем спокойнее он отнесётся к рассогласованию с нагрузкой. Однако, тут важно не переусердствовать. Любое чрезмерное увеличение мощности транзистора, а также уменьшение напряжения питания - прямой путь к снижению КПД выходного каскада!

Ну и хватит об этом!
Что даёт нам величина выходного сопротивления транзистора? Во-первых, зная коэффициент трансформации, мы можем рассчитать элементы согласующей цепи с нагрузкой. Во-вторых - определиться со значением индуктивности коллекторного дросселя L2.
Умные книжки не особо-то и охотно описывают методики по расчёту индуктивности коллекторного дросселя, который с таким же успехом может оказаться либо стоковым, либо анодным. Поэтому воспользуемся здравым смыслом, а также статьёй уважаемого Игоря Викторовича Гончаренко (http://dl2kq.de/pa/1-7.htm) и авторитетно резюмируем: по всем канонам радиотехники, данный дроссель обязан иметь реактивное сопротивление (на частоте усиления), в 4-10 раз превышающее выходное сопротивление транзистора.
Теперь можно переходить к цепи, предназначенной для преобразования нагрузочного сопротивления (Rн) в эквивалентное сопротивление коллекторной цепи.

П-образная цепь согласования (C4,L3,C5 на Рис.1) является наиболее универсальной и широко применяется в выходных каскадах передатчиков. В отличие от Г-образной цепи она может использоваться как при Rн< Rк, так и при Rн> Rк.
Помимо трансформации сопротивлений данная цепочка (в отличие от трансформаторов) неплохо справляется и с функцией подавления до приемлемого уровня высших гармоник, всегда присутствующих в выходном сигнале усилительного каскада.

Формулы для расчёта элементов цепей согласования достаточно сложны и должны учитывать помимо частоты и входных/выходных сопротивлений - также и добротность катушки, причём не только холостую, но и нагруженную.
Выбор параметра нагруженной добротности, как правило, вызывает основную трудность у радиолюбителя. Для понимания критериев выбора этого параметра приведу выдержку из умной книжки:
"Если нагруженную добротность Q выбрать малой, то невозможно получить большой коэффициент трансформации сопротивлений. Кроме того, при малой Q уменьшается фильтрация, а при высокой падает КПД. Обычно Q выбирается в диапазоне 10-15, реже 20".

Поэтому, чтобы не мучать себя лишний раз вопросами, выберем данный параметр (по умолчанию) равным 15. Он будет наиболее универсальным: как с точки зрения высокого КПД, так и с точки зрения приемлемого диапазона трансформации и подавления высших гармоник.

А вот обойтись без ввода параметра холостой добротности катушки индуктивности Qхх никак не удастся. От данной величины будут зависеть (незначительно) номиналы ёмкостей конденсаторов и гораздо в большей степени - значение КПД устройства.
Заодно можно будет наглядно определиться - подойдёт ли Вам китайский дросселёк (Q ≈ 100), либо следует намотать толстым проводом однослойную катушку (на ВЧ диапазонах) с конструктивной добротностью 250-400 единиц. Если оставить этот параметр без ввода, программа подставит значение Qхх, равное 200.

Теперь можно переходить к расчётам. Не забываем, что в качестве сопротивления источника следует вводить величину, посчитанную на предыдущем калькуляторе.

Онлайн расчёт элементов согласования с нагрузкой

Вариант схемы СУ	Вариант №1 Вариант №2
Рабочая частота (МГц)
Сопротивление источника Rвых (Ом)
Сопротивление нагрузки Rн (Ом)
Добротность катушки Qхх
Индуктивность дросселя L1 (мкГн)
Индуктивность дросселя L2 (мкГн)
Индуктивность катушки L3 (мкГн)
Индуктивность катушки L4 (мкГн)
Ёмкость конденсатора С4 (пФ)
Ёмкость конденсатора С5 (пФ)
КПД СУ

Подобные однотранзисторные каскады обеспечивают усиление - в 5-10 раз по мощности (в зависимости от статического коэффициента передачи тока и частотных свойств транзистора).
При согласовании с предыдущими каскадами усилителя необходимо учитывать крайне низкое входное сопротивление Rбэ мощных транзисторов, которое может составлять доли ома. Поэтому при каскадировании подобных узлов следует также использовать соответствующие согласующие цепи.

Что это за цепи и как их можно рассчитать рассмотрим на следующей странице.

Дальше