10.2. Краткое описание образцов и лабораторных макетов

Ниже приводится краткое описание характерных электрических схем образцов и лабораторных макетов УРУ, разработанных в ЛРУ ТИАСУР. Из распределенных усилителей, выполненных на ТКЛ (табл. 10.26), наиболее типичными являются схемы усилителей метрового диапазона волн (образец 3) и полосового УРУ дециметрового диапазона (макет 3). Образец 3 является двухкаскадным усилителем с входным и межкаскадным переходными устройствами (ПУ). Каждый УРУ содержит четыре секции. УЭ построен по каскодной схеме ОК-ОС на титанокерамических триодах ГС-11 и ТМ-1, включенных по постоянному току последовательно. Каскад выполнен на ФНЧ типа k с волновым сопротивлением входной линии 75 Ом и выходной 150 Ом. Полосовые свойства усилителей обеспечиваются применением полосовых фильтров во входных линиях ПУ. При необходимости полосовые фильтры легко могут быть заменены ФНЧ типа k. Межкаскадное ПУ служит для согласования высокоомного выхода предыдущего каскада с низкоомным входом последующего. Согласование выходной линии усилителя с нагрузкой 75 Ом осуществляется широкополосным трансформатором сопротивления, выполненным на неоднородной полосковой длинной линии.

Таблица 10.1 Технические параметры зарубежных усилителей с распределенным усилением

Таблица 10.2а. Технические параметры ламповых усилителей с распределенным усилением

Таблица 10.2б. Технические параметры транзисторных усилителей с распределенным усилением, разработанных в ЛРУ ТИАСУР [73, 74, 77]

^* (R_вх = R_H = 75 Ом; неравномерность АЧХ менее ΔK_E ≤ 3 ДБ; КСВН ≤ 2; в образцах и макетах используются лампы титано-керамической серии; образец 4 имеет t_y = 1,1 нc, R_BХ = 50 Ом, R_вых = 75 Ом.)

Таблица 10.2в. Технические параметры транзисторных усилителей с распределенным усилением, разработанных в ЛРУ ТИАСУР

Первый и второй образцы отличаются от третьего тем, что в переходных устройствах применены лампы ГС-И с повышенной крутизной, благодаря чему коэффициент усиления увеличивается на 10 дБ. Внешний вид и частотные характеристики образцов 1, 2, 3 показаны на рис. 10.1, а, б. Нехарактерный (для каскада УРУ с потерями) вид частотной зависимости F_ш и его повышенное значение объясняются наличием входного ПУ.

Макеты 1, 2 имеют меньший F_ш, что достигнуто в результате исключения входных ПУ. ПЛ выполнены на полосовых трехэлементных фильтрах. Зависимость F_ш от частоты имеет характерный для УРУ с потерями подъем. УЭ построены по схеме ОК-ОС. Частотные характеристики изображены на рис. 10.2. Образец 4 представляет собой двухкаскадный УРУ, т содержащий ПУ, чем объясняется меньший коэффициент шума w₀₁, равное 50 Ом, позволяет увеличить число каскодных секций до пяти. Каскады построены на ФНЧ типа k.

Рис. 10.1. Внешний вид образцов 1, 2, 3 (а); частотные характеристики (б): кривые 1, 2, 3 - К_Е, обр. 1, 2, 3 соответственно: кривые 4, 5 F_ш обр. 2, 3 соответственно: кривые 6, 7 - КСВН_ВХ обр. 2, 3

Рис. 10.2. Частотные характеристики макета 1: К_Е (1), КСВН (2), F_ш (3); макета 2: К_Е (4), КСВН (5), F_ш(6)

Макет 4 содержит три каскада, разделенных ПУ. (Первый каскад состоит из трех секций на лампах ГС-11 по схеме с общим катодом. Волновое сопротивление входной линии равно 75 Ом, выходной-150 Ом. Согласование каскадов осуществляется с помощью чебышевских трансформаторов. Второй и третий каскады состоят из трех секций. В качестве УЭ во втором и третьем каскадах, а также в межкаскадных переходных устройствах применено каскодное включение ламп OK-ОС. В табл. 10.2в представлены параметры транзисторных УРУ.

Ввиду большого разнообразия возможных схем включения транзисторов и широкого диапазона полос усиливаемых частот в данной работе используется следующая система обозначений усилителей, позволяющая ориентироваться в большом количестве разработок по их основным характерным особенностям. В шифре усилителя цифра указывает верхнюю граничную частоту в гигагерцах, а буквы в конце (одна или две) являются первыми буквами названия общего электрода транзистора (или двух транзисторов) в УЭ. Например, УРУ 0,48-ЭБ есть усилитель с f_B = 480 МГц, в котором в качестве УЭ используется каскодная схема общий эмиттер - общая база. В том случае, если каскады усилителя выполнены по различным схемам, то шифруется УЭ первого каскада.

Рис. 10.3. Частные зависимости УРУ 0,12Э F_ш и К_Е при напряжении регулировки усилителя 6,1В (1), 6,75В (2), 7,02В (3), 7,2В (4), 7,27В (5)

УРУ 0,12-Э состоит из двух каскадов и схемы регулировки усиления. УЭ выполнены на транзисторах по схеме с ОЭ с противосвязью в цепи эмиттера. Передающие линии состоят из ФНЧ типа k. w₀₁ первого каскада и w₀₂ второго каскада равны 75 Ом. Выходная ПЛ первого каскада и входная второго каскада имеют w₀ = 150 Ом. Схема регулировки усиления собрана на переключательных диодах и представляет собой диодный аттенюатор, затухание которого регулируется напряжением запирания. Частотные характеристики приведены на рис. 10.3. Схема УРУ'0,14-Э аналогична схеме УРУ0,12-Э. Отличие состоит в замене схемы регулировки усиления дополнительным каскадом с двумя секциями (w_01,2 = 150 Ом). Выходной каскад содержит три секции. УРУ 0,27-КБ и УРУ 0,24-КБ представляют собой усилители с большим динамическим диапазоном и предназначены для применения в кабельных линиях передач.

УРУ 0,24-КБ состоит из пяти каскадов, амплитудного выравнивателя (АВ) и ФВЧ типа k, включенных на входе и выходе для формирования полосы пропускания в области нижних частот. Усилитель работает на кабель длиной 1 км. Поэтому перед оконечным каскадом предусмотрен АВ, который при работе усилителя без длинного кабеля в принципе может быть исключен из схемы. Два первых каскада собраны на ФНЧ типа к и УЭ по каскодной схеме общий коллектор - общая база с корректирующей RС-цепочкой между транзисторами. Схема одного каскада показана на рис. 10.4. Третий и четвертый каскады собраны на базе тех же УЭ, но коллекторы первых триодов использованы в качестве потенциальных электродов, включенных в третью ПЛ, образующую второй выход каскада. С помощью широкополосного трансформатора производится сложение сигналов первой и второй выходной ПЛ, а также обеспечивается необходимое согласование ПЛ с нагрузкой. Выходной каскад представляет собой усилитель структуры h, в котором УЭ выполнены на транзисторах по схеме с ОБ и симметрирующих устройствах по схеме Сосина. Для увеличения линейности ВАХ УЭ состоят из параллельно соединенных транзисторов взаимно противоположной проводимости ГТЗ11И и ГТ313Б. УРУ 0,27-КВ по схеме аналогичен первому каскаду усилителя УРУ 0,24-КБ. Схема УРУ 0,27-Б аналогична схеме оконечного каскада УРУ 0,24-КБ, но в каждой секции используется по одному транзистору с ОБ типа КТ-904.

Рис. 10.4. Принципиальная схема первого каскада УРУ 0,24-КБ. 206

Рис. 10.5. Типовая принципиальная схема каскада УРУ на по каскодной схеме ОЭ-ОБ

В большом числе макетов используются УЭ, построенные по каскодной схеме ОЭ-ОБ с эмиттерной противосвязью в первом транзисторе. В основу этих усилителей положена схема (рис. 10.5) с последовательным питанием по постоянному току от двух разнополярных источников. Достоинствами данной схемы являются: высокое, относительно f_T, значение верхней граничной частоты, достигающее в лучших образцах усилителей 0,7f_T простота установки и регулирования режимов транзисторов по постоянному току и переменной составляющей сигнала; минимальное количество необходимых всломогательных радиокомпонентов (разделительных и блокировочных конденсаторов и т. д.); достаточно высокая, даже без специальных мер, термостабильрость. Далее приводится краткое описание отличительных особенностей усилителей и более полные, дополняющие таблицу 10.2в сведения об их параметрах.

Рис. 10.6. Частотные характеристики УРУ 0,39-ЭБ

УРУ 0,39-ЭБ. Усилитель имеет два трехсекционных каскада на транзисторах ГТ-313Б с навесным монтажом и бескаркасными катушками индуктивностей фильтров ПЛ. R_oc в эмиттерных цепях первых транзисторов каскадных схем секций равны 33 Ом. Отличительной особенностью усилителя является наличие двух трансформаторов сопротивлений, построенных на базе фильтров Чебышева, предназначенных для согласования между собой и нагрузкой каскадов с различными волновыми сопротивлениями входных (75 Ом) и выходных 1(150 Ом) ПЛ. Применение в каждом каскаде выходных линий с повышенными волевыми сопротивлениями диктовалось стремлением увеличить коэффициент усиления усилителя в целом. Однако экспериментальные исследования как всего усилителя, так и отдельных его каскадов показали что реальный выигрыш в усилении в результате применения трансформации сопротивлений из-за значительных потерь в трансформаторах оказался ниже ожидаемого. Поэтому в последующих УРУ трансформация сопротивлений, как правило, не использовалась, и ПЛ каскадов выполнялись с одинаковыми сопротивлениями, что существенно упрощало как конструкцию усилителей, так и их настройку. Частотные зависимости основных параметров усилителя при нормальной температуре окружающей среды приведены на рис. 10.6. Обладая хорошим КСВН, равномерной АЧХ при высоком значении относительной верхней граничной частоты (y_В =f_В/f_Т ≈ 0,5), усилитель имеет неудовлетворительную шумовую характеристику в области верхних частот.

Рис. 10.7. Частотные характеристики УРУ 0,48-ЭБ при температуре ____ t = +20°C; - - - t = +70°C

Рис. 10.8. Частотные характеристики УРУ 0,36-ЭБ при температуре окружающей среды: -○- t = 10 °С; -●- t = +20°С; -×- t = +60°C

УРУ 0,48-ЭБ. В первом каскаде данного усилителя (для уменьшения коэффициента шума) применены транзисторы ГТ-329А, во втором - транзисторы ГТ-330. Трехсекционные каскады выполнены на ПЛ из ФНЧ типа k с w₀ = 75 Ом и соединены между собой коротким отрезком кабеля. Монтаж усилителя навесной с применением проходных конденсаторов и бескаркасных катушек индуктивности. Графики частотных зависимостей основных параметров усилителя при нормальной и повышенной температуре приведены на рис. 10.7. Измеренное значение времени установления переднего фронта импульса в усилителе равно 0,8 не при выбросе 0,3%. Такое значение t_y при верхней граничной частоте f_B = 480 МГц косвенно свидетельствует о хорошей линейности его фазочастотной характеристики. Измерения фазовой характеристики, проведенные в диапазоне от 200 МГц и выше, подтверждают этот вывод.

Рис. 10.9. Амплитудно-частотные характеристики УРУ 0,35-ЭБ: всего усилителя (1), его каскадов (2, 3)

УРУ 0,36-ЭБ. Соединительные проводники данного двухкаскадного усилителя изготовлены методов печатной технологии на двухсторонней плате из фольгированного стеклотекстолита. В первом трехсекционном каскаде применены транзисторы ГТ-329В; второй каскад изготовлен на транзисторах ГТ-330 и имеет четыре секции. Большее число секций во втором каскаде выбрано для снижения уровня комбинационных составляющих усилителя в целом. (Величина R_ос в каскадных УЭ всех секций усилителя равна 18 Ом. Для того, чтобы усилитель стал полосовым, на входе первого каскада включен ФВЧ (f_cp = 95 МГц). Частотные зависимости основных параметров усилителя при различной температуре окружающей среды представлены на рис. 10.8. При увеличении нагрузки до 300 Ом К_Е увеличивался менее чем на 4 дБ без существенных изменений формы АЧХ. Хорошая термостабильность и малокритичность к изменению нагрузки является, в основном, следствием самого принципа распределенного усиления.

Рис. 10.10. Частотные характеристики УРУ 0,60-ЭБ (а), зависимость уровня комбинационных составляющих третьего порядка УРУ 0,60-ЭБ f_K = 2f₁ ± f₂ (МГц) от входного напряжения (б) при температуре окружающей среды: _________ t = +20 °С; - - - t = +65°С и следующих частотах:

Рис. 10.11. Внешний вид УРУ 0,54-ЭБ со стороны печатных катушек индуктивности

Рис. 10.12. Внешний вид УРУ 1,1-ЭБ со стороны ПЛ (а) и частотные характеристики усилителя (б)

УРУ 0,35-ЭБ построен на базе двух усилителей УРУ 0,36-ЭБ при их каскадном соединении с помощью отрезка кабеля без каких-либо подстроек. Благодаря прямоугольности АЧХ и достаточно близкому к единице КСВН ПЛ отдельных каскадов полоса пропускания всего усилителя практически не уменьшается (рис. 10.9).

УРУ 0,60-ЭБ. Состоит из двух четырехсекционных каскадов на транзисторах ГТ-329А. Полосовые свойства получены путем включения на входе первого каскада ФВЧ. Особенностью усилителя является применение для снижения уровня комбинационных составляющих и получения равномерной АЧХ нелинейной обратной связи, получаемой включением в обратном направлении переходу эмиттер - база каждого транзистора с ОЭ высокочастотного диода. Усилитель выполнен на одной двухсторонней печатной плате из стеклотекстолита. На рис. 10.10, а, б показаны частотные зависимости К_Е, F_ш и КСВН, а также зависимости D₂₁ от напряжения на входе.

УРУ 0,54-ЭБ (рис. 10.11) выполнен на двухсторонней печатной плате. Индуктивности передающих линий, расположенные на одной из сторон печатной платы, также изготовлены печатным способом. В диапазоне температур +35 ... -50 °С коэффициент усиления практически не изменяется. Испытания многих экземпляров данного усилителя показали хорошую повторяемость характеристик без индивидуальной подстройки отдельных экземпляров.

В усилителях, в которых f_B превосходит 1 ГГц, ПЛ вместо катушек индуктивности содержат отрезки несимметричных полосковых линий различной конфигурации.

Внешний вид и характеристики двухкаскадного УРУ 1,1-ЭБ показаны на рис. 10.12,а, б. УРУ 1,25-ЭБ имеет два трехсекционных каскада. Волновое сопротивление отрезков несимметричной полосковой линии равно 105 Ом. На входе имеется ФВЧ, ограничивающий полосу пропускания со стороны НЧ. При отсутствии ФВЧ усилитель работает от 5 МГц. Графики К_Е и КСВН приведены на рис. 10.13. УРУ 1,52-ЭБ выполнен на транзисторах с f_т = 2,4 ГГц. Волновые сопротивления линий равны 50 Ом. ПЛ выполнены на отрезках полосковых линий. АЧХ и КСВН приведены на рис. 10.14. Было произведено измерение времени установления однокаскадного усилителя, аналогичного одному каскаду УРУ 1,52-ЭБ. Характеристики каскада: f_н... f_в = 1700 МГц, К_Е = 9 дБ (на верхних частотах имелся подъем на 2 дБ). R_вх,вых = 50 Ом, КСВН в полосе частот 0,5-1500 МГц не хуже 1,8, t_y ≈ 0,3 не, выброс 20%. Переходная характеристика измерялась на скоростном осциллографе с полосой пропускания 5 ГГц. Полученные результаты наглядно иллюстрируют частотные возможности транзисторных УРУ.

Рис. 10.13. Частотные зависимости К_Е и КСВН на входе и выходе УРУ 1,25-ЭБ,

Рис. 10.14. Частотные зависимости К_Е И КСВН на входе и выходе УРУ 1,52-ЭБ

При верхней граничной частоте усилителя, меньшей f_т транзисторов в три-четыре раза, можно применять УЭ на транзисторе по схеме с ОЭ с Roc в цепи эмиттера, о чем свидетельствуют УРУ 0,45-Э и УРУ 0,82-Э. Усилители обладают меньшими габаритами, удовлетворительными характеристиками, но имеют больший коэффициент обратного прохождения сигнала по сравнению с аналогичными усилителями на УЭ по каскодной схеме.

Для получения большого динамического диапазона УЭ может строиться по каскадной схеме общий коллектор - общий эмиттер. УРУ 0,50-КЭ. Данное соединение транзисторов обладает достаточно хорошими усилительными и динамическими свойствами, имеет сравнительно большое входное сопротивление, позволяющее приме-нить транзисторы повышенной мощности при параллельном их включении в ПЛ.

Схема двухкаскадного УРУ 0,40-Б приведена на рис. 10.15. УЭ имеют последовательно-параллельное включение в ПЛ (структура h). Большое число транзисторов (УЭ состоит из двух параллельно включенных транзисторов по схеме с ОБ) компенсируется повышенным динамическим диапазоном. На входе и выходе усилителя предусмотрены трансформаторы сопротивления с 75 Ом на 50 Ом.