Измерение искажений в линейных усилителях мощности

Измерение искажений в линейных усилителях.

Насколько линеен Ваш “линейный” усилитель? Здесь рассматривается вопрос измерения искажений в усилителях мощности.

Walter Schreuer, K1YZW/G3DCU. Статья опубликована в журнале QEX, May/June 1999 pp. 55-57

Как и большинство в нашей жизни, линейный усилитель не идеален. Возможно, есть и другие способы выявления нелинейности, но пальма первенства здесь по праву принадлежит проверке с помощью двухтонального сигнала.

Рис.1. “Двухтональный ” спектр ICOM-761 при выходной мощности 50 Вт РЕР.

Принцип хорошо известен: два отдельных сигнала одинаковой амплитуды с небольшим разносом по частоте подаются на вход исследуемого устройства. Если эти частоты обозначить как f1 и f2, то нелинейные продукты появятся на частотах 2f1 – f2 и 2f1 – f2 (третий порядок) и на частотах 3f1 - 2f2 и 3f2 – 2f1 (пятый порядок) и так далее. На Рис. 1 представлено спектральное изображение двухтонального сигнала моего ICOM-761 при выходной мощности 50 Вт. Для такого измерения я использовал два хорошо развязанных источника звукового сигнала (два ГЗЧ), сигналы с которых я подал на микрофонный вход трансивера, результат смотрел на анализаторе спектра, который “одолжил” на месте работы. Разрешающая способность прибора 100 Гц, что потребовало медленной развёртки и позволило использовать цифровой дисплей. Другим требованием является наличие ФАПЧ, подобные приборы дороги и обычно не применяются конструкторами на дому.

Результаты двухтональных исследований аппаратуры часто публикуются в QST. Отношение мощности любой пары гармонических составляющих к мощности пары основных сигналов (первая гармоника) в децибеллах есть мера линейности исследуемого устройства. Приемлемой величиной считается - 20 дБ, очень хорошей - 40 дБ. При измерении на усилителях, исходный входной сигнал(ы) должен иметь искажения, по крайней мере, на 10 дБ меньше, чем ожидаемая величина искажений на выходе усилителя. Как-то мне нужно было оценить работу разработанного мной 1 кВт РА, где я надеялся получить гармонические составляющие третьего порядка не хуже -30 дБ.

Но, увы, как видно из Рис. 1 мой основной трансивер не годился для этой цели. Запасной же трансивер YAESU (FT-) 840 был ещё хуже, в сигнале к тому же присутствовал значительный уровень шума.

Исследование с помощью двух ВЧ сигналов

Ограничения, накладываемые применением одного источника ВЧ колебаний для двухтонального тестирования аппаратуры, могут быть устранены применением двух отдельных источников ВЧ колебаний - входных для исследуемых усилителей. Если у Вас нет другого трансивера или ВЧ возбудителя, то можно применить любой другой источник незатухающих ВЧ колебаний (немодулированных) достаточной мощности. Можно использовать и недорогой Heathkit раннего послевоенного или даже довоенного выпуска, которые можно найти на блошиных рынках . При разносе частот, скажем, в 100 кГц, удовлетворительной будет уже разрешающая способность анализатора спектра в 10 кГц, что также позволит производить быструю и стабильную развёртку изображения спектра. Такие устройства уже не столь сложны в изготовлении, дешевле, чем выше упоминавшиеся и могут быть выполнены в домашних условиях [ 1 ].

Избежав проблем, свойственных одному источнику ВЧ колебаний, мы создали другие, легко, правда, преодолимые финансово, но заставляющие хорошо потрудиться. Дело в том, что мы не можем, просто так, взять и соединить параллельно два источника ВЧ колебаний, имеющих выходную мощность, например, 50 Вт. Это может вызвать просто огромный уровень интермодуляционных искажений и, возможно, приведёт к повреждению обоих источников.

Гибридные схемы известны со времён существования двухпроводного телефона или ещё ранее, где они устраняли или ослабляли сигнал, идущий от микрофона к наушнику (собственный сигнал в телефонной трубке). В полупроводниковых схемах “гибриды” часто используются для сложения мощности на выходе двух (или более) устройств с одновременной изоляцией источников друг от друга. Много устройств сложения представлено фирмой Motorola [ 2 ]. На Рис. 2 показаны две конфигурации гибридных смесителей (HYBRID COMBINERS) с использованием ферритовых сердечников – нагруженных линий передачи. На Рис. 2В приведена схема, в которой, согласно старой пояснительной записке фирмы Phillips [ 3 ], они достигли развязки (изоляции) одного источника сигнала от другого в 40 дБ в диапазоне частот от 1 до 30 МГц при уровне подаваемой мощности в 3 Вт. Я предпочитаю схему, приведённую на Рис. 2 А, в силу большей простоты выполнения и более подходящих величин импедансов.

Рис.2. Принципиальные схемы двух гибридных ВЧ смесителей (Hybrid Combiners).

Small Capacitor for best SWR - Небольшой (по ёмкости) конденсатор для достижения наилучшего КСВ. In – Вход. Out – Выход.

Много слов было сказано в пользу важности значений импеданса трансформаторов на передающих линиях, после публикации классического труда Рутроффа (Ruthroff) [4]. Однако, при применении современных ферритов, это – не главное, особенно, когда ограничен частотный диапазон (в узкой полосе частот). Длина намотки линий должна быть сравнима с четвертью длины волны (с учётом коэффициента укорочения), реактивность - сравнима с 50 Ом. В выполненном мной устройстве ф и з и ч е с к а я длина каждой линии передачи (на 7 МГц) равнялась 0,008l, реактивность обмотки - свыше 1000 Ом.

Резистор “гибрида” RH на Рис.2 рассеивает половину общей подводимой мощности, что в моём примере составляет 50 Вт. Это “плавающий” компонент и это является наиболее неудобным в этой схеме при этом уровне мощности. Проблема решается установкой в передающую линию дросселя перед “заземлённым” резистором. 25-омный выход может быть имитирован двумя 50-омными резисторами, соединёнными параллельно; я использовал 12 шт 5-ваттных металл-оксидных резисторов сопротивлением 300 Ом соединённых параллельно. Требуемый 25-омный выход должен быть как-то трансформирован в 50 Ом. Я использовал простой однопроводный автотрансформатор на ферритовом кольце: всего десять витков, с отводом от семи. Выход имеет небольшую реактивность из-за не вполне точного согласования. Последовательный конденсатор компенсирует это. На Рис. 3 показан согласующий трансформатор 25 : 50 Ом.

Хорошая изоляция источников друг от друга требует тщательного исполнения “гибрида” и его выходных портов. Если вход исследуемого усилителя имеет КСВ близкий к 1, то всё, что требуется Вам, так это только, немного подстроить ёмкость конденсатора ( Рис. 3). В большинстве случаев, этого будет недостаточно, Вам потребуется настроечная согласующая цепь. Я использовал трёхполюсную схему опубликованную в "MOTOROLA ANNOTATION № 267" [2] с нагруженной добротностью Q = 5. Такой выбор ничем особенным не отличается, просто, у меня под рукой оказались подходящие детали. Схема представлена на Рис. 4. Она изначально должна быть настроена под вход усилителя на КСВ = 1 при пониженной (милливаттной) мощности с активной нагрузкой. Это также относится к трансформатору на Рис. 4.

Рис. 3. Принципиальная схема трансформатора 25 : 50 Ом. Сердечник – AMIDON FT 125-K. Обмотка 10 витков эмалированного провода AWG #22 с отводом от 7 витка. Для использования на частотах выше 18 МГц, используйте обмотку из семи витков, с отводом от пятого витка. Общая ёмкость для 7,1 МГц составляет 930 пФ.

Рис. 4. Принципиальная схема согласующего устройства для входа усилителя. Числа обозначают значения реактивности в Ом.

Получение и измерение изоляции

Изоляция легко измеряется с помощью анализатора спектра (АС). Для измерений на малых уровнях мощности и настройки я использовал активный измеритель КСВ (антенный анализатор (АА)) в качестве источника сигнала, другой вход был нагружен входным импедансом АС в 50 Ом. Схема с Рис. 2 А обеспечивала изоляцию (развязку) в 45 дБ в широком диапазоне частот – от 3,5 до 22 МГц. При применении трансформатора 25 : 50 Ом с Рис. 3 изоляция достигла 55 дБ на 7 МГц, на 14 МГц, в этом случае, изоляция была 48 дБ с небольшим последовательным конденсатором. Соединение резистора RH c корпусом через дроссель требует небольшой перенастройки. Если используется согласующее устройство с Рис. 4, то его необходимо предварительно настроить на минимальный КСВ = 1, затем, - на максимум изоляции в схеме “гибрида”. Окончательная настройка производится при нормальном рабочем уровне мощности. Необходимая величина изоляции зависит от конкретных применяемых типов возбудителей. Я рассматриваю 20 дБ изоляцию как неудовлетворительную, 30 дБ - достаточную.

На Рис. 5 показан спектр двухтонального входного сигнала с мощностью 50 Вт РЕР на нагрузке 50 Ом с изоляцией настроенной на 35 дБ.

Рис. 5. Спектр сигнала 50-ваттного передатчика на входе РА (нагрузка 50 Ом).

Не рекомендуется настраивать на хороший входной спектр при раскачке тестируемого усилителя. Достоверные получаемые результаты же требуют, чтобы изоляция была измерена и оптимизирована при раскачке усилителя до нормальной рабочей его выходной мощности. На Рис. 6 показано ещё одно устройство. Согласователь АС расположен в небольшой коробке. Я использовал старинный экран от фильтра ПЧ с соединителями.. На Рис. 7 показана схема. Параметры кольца некритичны. Характеристика от 1 до более чем 100 МГц “плоская”! Поскольку на Рис. 6 показано два согласователя к АС, то один можно перемещать от порта к порту. Согласующее устройство подстраивается на максимум изоляции. Я добился 48 дБ на 7 МГц. С трансформатором на ферритовом кольце с Рис. 3, заменяющим согласующее устройство изоляция ухудшилась до 22 дБ. (КСВ по входу моего РА составляет 1,2 : 1).

Достигнутые результаты

Детали согласующей схемы показаны на Рис. 8. Линии передачи работают хорошо от 3,5 до 18 МГц. Я проводил измерения на частоте 7 МГц.

Рис. 6. Принципиальная схема устройства для проверки изоляции устройств друг от друга. SAC – согласующее устройство анализатора спектра. From Exiter - от возбудителя. To SA – к анализатору спектра. Hybrid Coupler – гибридный согласователь (смеситель). Matching Unit – согласующее устройство. See Fig 3 or 4 - смотрите Рис.3 или Рис.4. To Amplifier Input – на вход усилителя.

Рис. 7. Принципиальная схема согласователя для анализатора спектра (SAC). Обмотка – 20 витков изолированного провода #28 на сердечнике AMIDON FT50-43.

Рекомендуется использовать настраиваемое согласующее устройство на входе усилителя, несмотря на хороший КСВ имеющийся и без согласования. В моём случае, использование ферритового трансформатора с Рис. 3 внесло погрешность в 2 дБ (см. Рис. 9). Я “добил” свой РА до респектабельно высокого уровня составляющих третьего порядка - 28 дБ.(?) Сотрудники лаборатории ARRL назвали бы эту цифру как - 34 дБ, поскольку они аппелируют к двухтональному, а не к однотональному РЕР.

Рис. 8.Детали согласующего устройства. Все передающие линии выполнены из плотно свитых изолированных эмалированных проводов AWG #28. Необходимо сделать 8 витков на кольцевом ферритовом сердечнике AMIDON125-K. Для работы на частотах 21 МГц и выше, необходимо всего 5 витков.

В заключение, не подстраивайте входное согласующее устройство для обеспечения, казалось бы, меньшего уровня гармоник. Это приведёт к небольшому уменьшению уровня гармоник по входу усилителя, но не улучшит качества вашего РА, а лишь приведёт к ошибочным результатам измерений.

Рис. 9. Выходные спектры сигналов 1,2 кВт РЕР усилителя. Спектр А: используется согласующее устройство при более чем 40 дБ изоляции входных сигналов друг от друга. Спектр В: показывает 2 дБ погрешность, вносимую трансформатором на ферритовом сердечнике при 22 дБ изоляции (входной КСВ РА = 1,2 : 1).

Литература: 1.W. Hayward, W7ZOI, and T. White, K7TUA “A Spectrum Analyzer for the Radio Amateur”, QST Part 1: August pp. 35-43? And Part 2: September pp. 37-40, 1998

Свободный перевод с английского В. Беседин (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru
г. Тюмень, декабрь, 2002 г.