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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Transistori lineari a microonde per amplificatori di potenza. Dati di riferimento
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / materiali di riferimento L'attuale livello di sviluppo di REA e la sua base elementare consente di creare trasmettitori VHF FM e televisivi completamente allo stato solido con una potenza di uscita fino a 5 kW [1,2]. I percorsi di amplificazione basati su amplificatori a transistor a banda larga presentano numerosi vantaggi rispetto agli amplificatori a valvole. I trasmettitori a stato solido sono più affidabili, elettricamente sicuri, comodi da usare e più facili da produrre. Con un design modulare a blocchi del trasmettitore, il guasto di uno dei blocchi terminali dell'amplificatore non porta all'interruzione della trasmissione in onda, poiché la trasmissione continuerà fino alla sostituzione del blocco, solo con potenza ridotta. Inoltre, il percorso a banda larga dell'amplificatore a transistor non richiede un'ulteriore sintonizzazione su un canale specifico all'interno della banda di frequenza operativa [3]. È generalmente accettato che l'affidabilità di un trasmettitore dipenda innanzitutto dall'affidabilità dei componenti attivi utilizzati. Grazie all'uso di moderni transistor a microonde lineari ad alta potenza, le cui caratteristiche di progettazione e tecnologia di produzione forniscono un aumento significativo del tempo tra i guasti, il problema dell'aumento dell'affidabilità dei trasmettitori a stato solido ha ricevuto una soluzione fondamentale [4] . I crescenti requisiti per gli indicatori tecnici ed economici dei trasmettitori VHF FM e televisivi ad alta potenza, nonché il livello raggiunto della tecnologia domestica nel campo della creazione di transistor bipolari al silicio ad alta potenza, hanno stimolato lo sviluppo di una nuova classe di dispositivi: alta -transistor lineari a microonde di potenza. L'Istituto di ricerca di tecnologia elettronica (Voronezh) ne ha sviluppato e prodotto un'ampia gamma per l'uso nelle gamme di lunghezze d'onda del metro e del decimetro. I transistor sono appositamente progettati per l'uso in trasmettitori televisivi e radiofonici ad alta potenza, ripetitori, in particolare, in ripetitori televisivi con amplificazione congiunta di segnali audio e immagini, nonché in amplificatori di segnale multicanale di stazioni base di un sistema di comunicazione cellulare [5 ]. Questi transistor soddisfano requisiti estremamente severi di linearità della caratteristica di trasferimento, hanno un margine di dissipazione di potenza e, di conseguenza, una maggiore affidabilità. Strutturalmente, tali transistor sono realizzati in alloggiamenti in metallo-ceramica. Il loro aspetto è mostrato in Fig. 1 (sono mostrati gli alloggiamenti di non tutti i transistor citati nell'articolo; quelli mancanti possono essere visti nell'articolo [6]). Le elevate proprietà lineari e di frequenza delle strutture dei transistor sono realizzate attraverso l'uso della tecnologia isoplanare di precisione. Gli strati di diffusione hanno uno standard di progettazione submicronico. La larghezza degli elementi della topologia dell'emettitore è di circa 1,5 micron con un perimetro estremamente sviluppato.
Per eliminare i guasti causati da guasti elettrici e termici secondari, la struttura del transistor è realizzata su un cristallo di silicio con collettore epitassiale a doppio strato e l'utilizzo di resistori stabilizzatori di emettitore. I transistor devono la loro affidabilità a lungo termine anche all'uso della metallizzazione multistrato a base d'oro. I transistor lineari con una dissipazione di potenza superiore a 50 W (ad eccezione di KT9116A, KT9116B, KT9133A), di norma, hanno un circuito di adattamento dell'ingresso LC strutturalmente integrato, realizzato sotto forma di un microassemblaggio basato su un built- nel condensatore MIS e in un sistema di cavi. I circuiti di adattamento interni consentono di espandere la banda di frequenza operativa, semplificare la corrispondenza di ingresso e uscita e anche aumentare il guadagno di potenza CUR nella banda di frequenza. Allo stesso tempo, questi transistor sono "bilanciati", il che significa la presenza di due strutture di transistor identiche su una flangia, unite da un emettitore comune. Questo design e questa soluzione tecnica consentono di ridurre l'induttanza dell'uscita dell'elettrodo comune e aiutano anche ad espandere la banda di frequenza e semplificare l'adattamento. Quando i transistor bilanciati sono accesi push-pull, il potenziale del loro punto medio è teoricamente uguale a zero, che corrisponde alla condizione di una "terra" artificiale. Questa inclusione fornisce effettivamente un aumento di circa quattro volte dell'impedenza complessa di uscita rispetto a quella single-ended allo stesso livello del segnale di uscita e un'efficace soppressione delle componenti armoniche pari nello spettro del segnale utile. È noto che la qualità della trasmissione televisiva dipende innanzitutto da quanto lineare è la caratteristica di trasferimento del percorso elettronico. Il problema della linearità è particolarmente acuto quando si progettano nodi per l'amplificazione congiunta di segnali di immagini e suoni a causa della comparsa di componenti combinatori nello spettro di frequenza. Pertanto, è stato adottato il metodo a tre toni proposto da esperti stranieri per valutare la linearità delle caratteristiche di trasferimento dei transistor domestici in base al livello di soppressione della componente combinata del terzo ordine. Il metodo si basa sull'analisi di un segnale televisivo reale con un rapporto del livello del segnale della frequenza portante dell'immagine di -8 dB. frequenza laterale -16 dB e frequenza portante -7 dB rispetto alla potenza di uscita al picco dell'inviluppo. I transistor per l'amplificazione congiunta, a seconda della serie di frequenza e potenza, devono fornire un valore del coefficiente dei componenti combinatori del MS, di regola, non superiore a -53...-60 dB. La classe di transistor a microonde in esame con una rigorosa regolamentazione della soppressione dei componenti combinatori è chiamata transistor superlineari all'estero [7]. Va notato che un livello così elevato di linearità viene solitamente realizzato solo nella modalità di classe A, dove può essere effettuata la massima linearizzazione della modalità della caratteristica di trasferimento.
Nella gamma dei contatori, come si può vedere dalla tabella, sono presenti numerosi transistor, rappresentati dai dispositivi KT9116A, KT91166, KT9133A e KT9173A con una potenza di uscita di picco Pvmkh.peak rispettivamente di 5,15, 30 e 50 W. Nell'intervallo di lunghezze d'onda decimali tale intervallo è rappresentato dai dispositivi KT983A, KT983B, KT983V, KT9150A e POZ con RVV1X,PIK pari a 0,5, 1,3,5, 8 e 25 W. I transistor superlineari vengono solitamente utilizzati negli amplificatori comuni (in modalità classe A) di ripetitori televisivi e nei moduli amplificatori di potenza di trasmettitori con una potenza fino a 100 W. Tuttavia, gli stadi di uscita dei trasmettitori ad alta potenza richiedono transistor più potenti che forniscano il livello richiesto del limite superiore della gamma dinamica lineare quando funzionano in una modalità energetica vantaggiosa. Distorsioni non lineari accettabili ad alti livelli di segnale possono essere ottenute utilizzando un'amplificazione separata in modalità classe AB. Sulla base dell'analisi delle condizioni operative termofisiche del transistor e delle peculiarità della formazione della linearità di un segnale monotonale, è stata sviluppata appositamente una serie di transistor a microonde per la modalità operativa della classe AB. La linearità delle caratteristiche di questi dispositivi secondo metodi stranieri è valutata dal livello di compressione (compressione) del fattore di guadagno basato sulla potenza di un segnale monotonale - il fattore di compressione Kszh o altro - la potenza di uscita è determinata a un certo Kszh normalizzato. Per l'utilizzo nell'intervallo di lunghezze d'onda del misuratore in modalità classe AB, sono ora disponibili i transistor KT9151A con una potenza di uscita di 200 W e i transistor KT9174A con una potenza di uscita di 300 W. Per la gamma decimale sono stati sviluppati i transistor 2T9155A, KT9142A, 2T9155B, KT9152A, 2T9155V, KT9182A con potenza di uscita da 15 a 150 W. Per la prima volta gli specialisti NEC hanno dimostrato la possibilità di creare trasmettitori modulari a stato solido nell'ordine dei decimetri con amplificazione combinata di segnali video e audio con una potenza di 100 W. Successivamente, furono creati trasmettitori simili utilizzando transistor a microonde domestici ad alta potenza 8, 12]. In particolare, in [9] viene descritta la ricerca originale per ampliare l'ambito di utilizzo dei transistor ad alta potenza KT9A e KT9151A durante la creazione di moduli di amplificazione congiunti da 9152 watt in modalità classe A. Viene dimostrato che in questa modalità è possibile garantire soppressione dei componenti combinatori con sottoutilizzo della loro potenza pari a 3.. .4 volte il valore nominale in modalità classe AB. Gli specialisti dell'Università tecnica statale di Novosibirsk hanno condotto ricerche sull'uso di transistor a microonde domestici ad alta potenza nei moduli amplificatori di potenza televisivi con amplificazione separata. Nella fig. La Figura 2 mostra uno schema a blocchi di un amplificatore di potenza del segnale immagine per i canali televisivi 1 - 5 con una potenza di uscita di picco di 250 W. L'amplificatore è progettato secondo il circuito di amplificazione separata dei segnali immagine e suono. Per i canali 6 - 12, l'amplificatore è realizzato secondo un circuito simile con l'aggiunta di uno stadio intermedio su un transistor KT9116A operante in modalità classe A per ottenere il guadagno richiesto.
Nello stadio di uscita, i transistor KT9151A funzionano in classe AB. È assemblato secondo un circuito push-pull bilanciato. Ciò consente di ottenere la potenza di uscita nominale con circuiti di adattamento abbastanza semplici in completa assenza di “eco di alimentazione” e il livello delle componenti armoniche pari non superiore a -35 dB. La non linearità della caratteristica di ampiezza dell'amplificatore viene stabilita per un piccolo segnale selezionando lo spostamento del punto operativo in ciascuno stadio, nonché regolando la non linearità nel modulatore video dell'eccitatore. Lo schema a blocchi di un amplificatore di potenza per i canali televisivi 21 - 60 è mostrato in Fig. 3. Anche lo stadio di uscita dell'amplificatore è realizzato secondo un circuito push-pull bilanciato.
Per garantire l'adattamento a banda larga e la transizione da carichi asimmetrici a simmetrici, un filtro passa-basso a due collegamenti viene utilizzato come circuito di correzione negli stadi di uscita degli amplificatori per i canali 6 - 12, 21 - 60. L'induttanza del primo collegamento del circuito di adattamento è realizzata sotto forma di tratti di microlinee di striscia su elementi della topologia generale del circuito stampato. Le bobine del secondo collegamento sono i terminali della base del transistor. La struttura di questi amplificatori corrisponde alla Fig. 2 e 3. La divisione della potenza all'ingresso degli stadi di amplificazione e la sua somma alla loro uscita, nonché l'adattamento di ingressi e uscite con un carico standard, viene effettuata utilizzando accoppiatori direzionali da tre dB. Strutturalmente ciascun accoppiatore è realizzato sotto forma di avvolgimenti bifilari (linee a quarto d'onda) su un telaio posto in un involucro schermante. Pertanto, i moderni transistor lineari a microonde domestici consentono di creare moduli amplificatori televisivi potenti, fino a 250 W. Utilizzando batterie di tali moduli, è possibile aumentare la potenza di uscita fornita al percorso dell'alimentatore dell'antenna a 2 kW. Come parte dei trasmettitori, gli amplificatori sviluppati soddisfano tutti i requisiti moderni in termini di caratteristiche elettriche e affidabilità. I potenti transistor lineari a microonde hanno recentemente iniziato ad essere ampiamente utilizzati nella costruzione di amplificatori di potenza per stazioni base di un sistema di comunicazione cellulare. In termini di livello tecnico, i transistor lineari a microonde ad alta potenza sviluppati da NIIET possono essere utilizzati come base elementare per la creazione di moderne apparecchiature radiofoniche, televisive e altre apparecchiature radioamatoriali e economiche nazionali. Letteratura
Autori: A.Assessors, V.Assessors, V.Kozhevnikov, S.Matveev, Voronezh
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