1 Введение

По мере развития систем связи, навигации и радиолокации, систем телевидения и радиовещания возрастает потребность в передаче радиосигналов на большие расстояния. Одновременно возрастают требования к таким параметрам указанных радиотехнических систем и комплексов как коэффициент полезного действия (КПД), уровень выходной мощности, полоса рабочих частот, линейность амплитудной и неравномерность амплитудно-частотных характеристик, массогабаритные показатели, стоимость [1,2], которые в значительной мере определяются применяемыми в них усилителями мощности (УМ) [3,4]. Это обуславливает возрастание как потребности в УМ, так и требований предъявляемых к этим усилителям. Одним из основных при этом является требование повышения энергетических характеристик используемых УМ, то есть требование повышения их выходной мощности и КПД.

В сверхширокополосных усилителях мощности ОВЧ - и УВЧ-диапазонов традиционным является использование транзисторов в режиме класса А с фиксированной рабочей точкой (ФРТ) [5-8]. Использование режимов с отсечкой, в таких усилителях, неприемлемо по следующим причинам. В диапазоне частот выше 0,01 – 0,05 , где – граничная частота коэффициента усиления тока базы транзистора, нет возможности для построения усилителей с глубокой общей отрицательной обратной связью, обеспечивающей уменьшение искажений формы выходного сигнала [9-11]. Реализация глубокой местной отрицательной обратной связи для минимизации искажений невозможна, во-первых, из-за малого коэффициента усиления активного элемента в верхней части рабочего диапазона частот, а во-вторых, в силу того, что использование отрицательной обратной связи в мощных усилителях связано с поглощением значительной части выходной мощности в резистивных элементах цепи отрицательной обратной связи [8,9,12,13].

Однако при работе транзистора в режиме класса А с фиксированной рабочей точкой, он используется по мощности на 55-65 % [9,14-16]. Повышение выходной мощности, отдаваемой транзисторами СУМ, возможно благодаря введению автоматической регулировки режима (АРР) работы активного элемента по постоянному току [9,14,17,18]. Существует два метода реализации АРР, это автоматическая регулировка напряжения питания (АРН) [19-21] и автоматическая регулировка потребляемого тока (АРТ) [14-18,22-24]. Отсутствие сравнительной оценки эффективности использования АРН и АРТ в сверхширокополосных усилителях мощности затрудняет обоснованность выбора систем регулирования при разработке СУМ с автоматической регулировкой режима.

В [25] показано, что в не стабилизированном усилительном каскаде с ФРТ эффект детектирования (ЭД) [26], обусловленный нелинейностью входной цепи активного элемента, приводит к потерям выходной мощности до 40 %. Известные схемные решения СУМ с автоматической регулировкой режима предназначены для работы на согласованную нагрузку и не имеют механизмов компенсации влияния ЭД на работу системы регулирования. Вопросы влияния ЭД на изменение заданного закона регулирования и количественной оценки потерь выходной мощности каскада с АРР, обусловленных этим эффектом, не исследованы. Отсутствие схемных решений построения СУМ с автоматической регулировкой режима, предназначенных для работы на несогласованную нагрузку в условиях перегрузки по входу и обеспечивающих устранение влияния ЭД на работу системы регулирования, объясняет ограниченную область применения АРР в сверхширокополосных усилителях мощности.

Средний КПД сверхширокополосных усилителей мощности, при работе транзисторов в режиме с ФРТ и при усилении сигналов различной амплитуды, составляет 3-10 % [8,27]. В то же время, использование АРР позволяет в 2-3 раза повысить средний КПД сверхширокополосных усилителей мощности благодаря уменьшению потребляемой мощности при его работе в режиме усиления слабых сигналов [14-17,19-24].

Реальный коэффициент усиления одного каскада многокаскадного усилителя мощности ОВЧ - и УВЧ-диапазонов составляет величину порядка 4-10 дБ [4,8,12,13,27,28]. В этом случае увеличение коэффициента усиления каждого каскада, например, на 2 дБ позволяет повысить КПД всего усилителя в 1,2-1,4 раза [17]. В усилителях мощности ОВЧ - и УВЧ-диапазонов выравнивание амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), обеспечение режима максимального использования усилительных свойств применяемых транзисторов и постоянства сопротивления нагрузки для внутреннего генератора транзистора выходного каскада достигаются благодаря использованию корректирующих цепей (КЦ) [4,6,29,30,12,31-33,27,34-40]. Современные методы параметрического синтеза усилительных каскадов с КЦ не позволяют осуществлять реализацию максимально возможного для заданного схемного решения коэффициента усиления при одновременном обеспечении заданного допустимого уклонения АЧХ от требуемой формы [4,12,28-30,41-43]. Задача нахождения значений элементов КЦ, обеспечивающих максимальный коэффициент усиления каскада, в каждом конкретном случае может быть решена с помощью программ оптимизации. Однако наличие хорошего начального приближения многократно сокращает этап последующей оптимизации или делает его излишним [28,41].