Основные соотношения. Внеполосные интермодуляционные излучения (ИМИ) возникают в радиочастотных и СВЧ усилителях мощности при работе вблизи насыщения для достижения высокой

Контрольная работа №3 – ЭМС

РАСЧЁТ ВНЕПОЛОСНЫХ ИНТЕРМОДУЛЯЦИОННЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ

Внеполосные интермодуляционные излучения (ИМИ) возникают в радиочастотных и СВЧ усилителях мощности при работе вблизи насыщения для достижения высокой выходной мощности и энергетической эффективности (КПД). Причины их появления: компрессия усиления (АМ/АМ преобразование) и амплитудно-фазовая конверсия (AM/ФМ преобразование).

Цель работы: рассчитать, построить и объяснить характеристики нормированных зависимостей выходной мощности Z (Y), усиления G (Y) и уровня ИМИ 3-го порядка IM3(Y) от уровня входной мощности транзисторного усилителя мощности (ТУМ) для разных сочетаний параметров сигнала и режима ТУМ.

Основные соотношения

Нечётная часть вольтамперной характеристики (НЧ ВАХ) активного элемента может быть монотонной (рис. 1, а) или при Е < E’ иметь мёртвую зону (рис. 1, б).

Рис. 1. Нечётная часть статической ВАХ

Здесь: y – нормированное входное напряжение относительно рабочей точки; Е = ±0, 3 – зона нечувствительности; ZM = ±1, 1 – нормированное максимальное выходное напряжение; условная точка нормировки (насыщения ТУМ) соответствует y = ±1, z = ±1.

Одночастотный входной сигнал y 1(t) с амплитудой U и нормированной частотой f = 32 представлен в виде y 1 _t = U [сos(2p*32* t /512)], текущее время t представлено 512 отсчётами. Его средняя за период колебаний мощность Y = U ²/2.

Для расчёта внеполосного излучения ИМИ используется тестовый двухчастотный y 2(t) сигнал вида y 2_t , где частота входных составляющих имеет значение 31, 5 и 32, 5 соответственно, а амплитуда U / выбрана так, чтобы средняя (эффективная) мощность суммы двухчастотного сигнала за период разностной частоты Т = 1/ F = 1 совпадала со средней мощностью одночастотного сигнала y 1(t).

На рис. 2 показаны осциллограммы входного одночастотного и двухчастотного входных сигналов с одинаковой средней мощностью Y= 1, 5 Вт.

Рис. 2. Осциллограммы одночастотного и двухчастотного входных сигналов с одинаковой средней мощностью по 1, 5 Вт

Значение мощности входного сигнала в дБВт описывается в пакете MathCAD-14 соотношением Y1L = 20*log(U) = 10*log(Y). Его частотный спектр выражается соотношениями f = 0…1024*32 Y1 = CFFT(y1) Y1_f = 2*|Y1_f|². Спектр мощности показанных выше сигналов показан на рис. 3.

Рис. 3. Спектры мощности одночастотного и двухчастотного входных сигналов

с одинаковой средней мощностью по 1, 5 Вт

Спектр мощности выходного сигнала Z(f) в логарифмической шкале выражается соотношениями Z1 = CFFT(z1) Z1_f = 10*log[2*|Z1_f|²], дБ. При одночастотном сигнале мощность на частоте f ₀ = 32 равна Z1_32*128. Коэффициент передачи ТУМ по мощности для одночастотного сигнала составит K1 = Z1_32*128 – Y1L, дБ.

На рис. 4 показаны осциллограммы выходного сигнала при монотонной ВАХ для входной мощности 1, 5 Вт. На рис. 5 – их спектрограммы мощности.

Мощность в логарифмической шкале на частоте тестового входного сигнала f ₂ = 33, 5 составляет С2 = 10*log(Z2_33.5*128), дБ; суммарная мощность на частотах f ₁ и f ₂ в 2 раза (на 3 дБ) больше. Мощность мешающего внеполосного излучения на частоте мешающей составляющей 3-го порядка f _IM3 = 33, 5 составит IM3L = 10*log(Z2_33.5*128), дБ. Суммарная мощность интермодуляции 3-го порядка в 2 раза (на 3 дБ) больше. Относительный уровень интермодуляционных излучений 3-го порядка в логарифмическом масштабе равен разности мощностей в дБ на входных частотах и на частотах ИМИ 3-го порядка.

Рис. 4. Осциллограммы одночастотного и двухчастотного выходных сигналов

Рис. 5. Спектры мощности одночастотного и двухчастотного выходных сигналов

Таким же образом рассчитываются мощность I5 = 10*log(Z2_34.5*128) и относительный уровень излучений 5-го порядка на частотах 2 f ₁ – f ₂ и 2 f ₂ – f ₁. Суммарная мощность внеполосных составляющих 3-го и 5-го порядков находится обратным преобразованием из логарифмической шкалы и линейную: сложением мощностей в линейной шкале и новым преобразованием в логарифмическую шкалу.

Текст программы IM расчёта ИМИ ТУМ в пакете MathCAD приложен.