Новые достижения в широкополосных усилителях. Часть 2
1.4.1 Что такое КСВН?
Максимальная передача радиочастотной мощности на нагрузку происходит, когда сопротивление нагрузки такое же, как сопротивление источника. В этом случае два этих импеданса называются «согласованными», и с учетом линии передачи без потерь вся выходная мощность, сгенерированная усилителем, будет поглощена нагрузкой. Это является идеальной ситуацией и обеспечивает максимальную передачу мощности на нагрузку – то, что очень желательно для большинства устройств.
Что же происходит, если импеданс нагрузки не совпадает с импедансом источника? В этом случае часть мощности, переданной на нагрузку (прямая мощность), возвращается на источник (отраженная мощность). Это приводит к так называемым стоячим волнам на линии передачи между источником и нагрузкой – нежелательная, неэффективная и даже потенциально опасная ситуация.
Отражение измеряется с помощью коэффициента отражения, Г, который представляет собой отношение импеданса нагрузки (ZL) и импеданса источника (Z0)
Как мы увидим, тот факт, что эти импедансы являются сложными, зависимыми от частоты значениями (R ± jX), оказывает огромное влияние на выбор и использование усилителей. Это особенно важно в случае плохо согласованных или переменных нагрузок.
Комбинация прямых и отраженных волн приводит к стоячим волнам на линии передачи. Отношение максимального напряжения к минимальному напряжению на линии передачи называется Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН, в английском – VSWR, что часто произносится как «виз-вар»). КСВН может быть выведен из коэффициента отражения Г следующим образом:
Чаще всего КСВН определяется как соотношение (например, 2:1) или как нормальное число (2). КСВН 1:1 (1,0) указывает на идеально согласованную нагрузку без отраженной мощности. Получение идеальной или близкой к идеальной согласованности очень желательно (опять же так как это максимизирует передачу мощности и минимизирует отраженную мощность), но получить ее очень трудно в диапазоне широких волн, где обычно используются широкополосные усилители.
Важно помнить, что КСВН зависит как от амплитуды, так и от фазы несогласованности. Данное значение КСВН может быть результатом несогласованности импедансов, которые либо выше, либо ниже 50 Ω. Например, 2:1 КСВН может быть создан как нагрузкой 25 Ω, так и нагрузкой 100 Ω (в обоих случаях |Г| =1/3).
1.4.2. КСВН и отраженная мощность
Другой проблемой высокого КСВН является влияние отраженной мощности на сам усилитель. Как отмечено выше, высокий уровень отраженной мощности может причинить ущерб усилителю. КСВН 6:1 соответствует 50% отраженной мощности, и когда КСВН достигает 15:1, то более 75% переданной мощности отражается обратно на усилитель с нагрузки. В зависимости от уровня отраженная мощность может создать неприемлемые уровни напряжения и тепла в схеме усилителя, что приведет к временному ухудшению выхода мощности и/или перманентному повреждению источника.
Самый простой способ защитить усилитель от отраженной мощности – это установить фиксированный ослабитель мощности в схему. Хотя это не уменьшит уровень отраженной мощности, видимой в усилителе, это явно уменьшит саму передаваемую мощность.
Более замысловатый способ предотвратить повреждение от высокого уровня отраженной мощности известен как возврат сигнала (foldback) – при увеличении уровня отраженной мощности усилитель автоматически уменьшает свою выходную мощность до тех пор, пока значение отраженной мощности не упадет до безопасного уровня. Предполагая, что схема возврата сигнала может быстро видеть и реагировать на избыточную отраженную мощность, данный подход оказывается достаточно простым и надежным. Однако, возврат сигнала имеет один серьезный недостаток: он уменьшает мощность, подаваемую на нагрузку. Возврат сигнала может защитить усилитель от повреждения или ухудшения, но за это придется заплатить (и очень серьезно) снижением производительности и невозможностью получить целевую выходную мощность.
Хотя КСВН используется для отображения процентного содержания мощности, которая отражается, именно абсолютный уровень отраженной мощности запускает механизм возврата сигнала. Например, при КСВН 6:1 50% мощности отражается, но количество отраженной мощности в усилителе зависит от уровня выхода усилителя: 50% от 100 Вт нанесет значительно меньше вреда, чем 50% от 1000 Вт. Следовательно, недостаточно просто определить при каком значении КСВН произойдет возврат сигнала – мы должны также знать, при каком уровне мощности произойдёт возврат сигнала для данного КСВН. Усилитель, который возвращает сигнал при 50% даже при полной выходной мощности и бесконечном КСВН очевидно превосходит тот усилитель, который продолжает снижать выходную мощность при снижении уровня отраженной мощности.
1.4.2. Надежность и КСВН
Кроме влияния на линейность, класс эксплуатации усилителя (или угол проводимости) также оказывает влияние на способность усилителя выдерживать высокие уровни отраженной мощности – так называемый допуск КСВН или надежность.
Усилители Класса А разработаны для работы с 100% углом проводимости, и эти усилители более надежны с точки зрения высокого уровня несоответствия (КСВН). С другой стороны, усилители класса АВ значительно более чувствительны к отраженной мощности, вызванной несоответствием импедансов.
Как отмечено выше, когда усилитель работает с хорошо согласованной нагрузкой, процент мощности, отраженный нагрузкой, будет очень мал, и следовательно, даже очень большой уровень прямой мощности не приведет к тому, что отраженная мощность достигнет опасного уровня (такого, который может повредить усилителю). Другими словами, мы может работать с усилителем на так называемой «высокой мощности», если вышеуказанные ограничения не применимы. Однако, если мы либо знаем, либо предполагаем нестандартную несогласованность нагрузки, то будет более разумно для усилителя работать в режиме «высокий КСВН», ограничивая выходную мощность по необходимости. Одно из преимуществ «умных» усилителей заключается в том, что они позволяют пользователю изменять угол проводимости, то есть выбирать между функционированием в режиме высокой мощности или высокого КСВН.