Как известно, выходное сопротивление радиочастотных усилителей 50 Ом, и, соответственно, идеальным режимом работы для них является нагружение также на 50 Ом, когда все 100% мощности поглощаются в нагрузке и отраженная мощность отсутствует. В реальных ситуациях сопротивление нагрузки отличается от 50 Ом, что приводит к рассогласованию линии. Поскольку, усилитель - это дорогостоящее оборудование и ключевой элемент в испытательной установке, он должен быть способен справляться с рассогласованием с одной стороны и ограничен от таких моментов с другой.
КСВН Потери, дБ % Отраженной мощности
1:1 0 0
1,5:1 0,18 4
2:1 0,51 11
3:1 1,25 25
4:1 1,94 36
5:1 2,55 44
6:1 3,1 51
10:1 4,81 67
∞:1 ∞ 100
Степень рассогласования описывается с помощью коэффициента стоячей волны, обычно по напряжению ( КСВН ). Если сопротивление усилителя и нагрузки 50 Ом, то КСВН 1:1, и рассогласования нет. Усилитель должен быть спроектирован таким образом, чтобы постоянно поглощать отраженную мощность без последствий. Так, если, например, усилитель нагружен на антенну с КСВ 2:1 (100 Ом или 25 Ом на данной частоте), то 11% мощность будет отражено назад в усилитель.
Хотя производители антенн и нагрузок и стремятся удерживать их импеданс вблизи 50 Ом, на практике, например, для антенн, это очень сложно. Типовой КСВН широкополосных антенн лежит в диапазоне до 2,5:1. Также, напомним, что антенна является открытой электромагнитной системой и ее КСВН зависит от ее окружения, например, от расстояния до пола БЭК или ИТС, отражающего штатива. Кабели и различного рода контакторы и переходники также увеличивают рассогласование. Закороченный конец кабеля или "висящий в воздухе" представляет собой бесконечный КСВН.
Функция КСВН экспоненциальная, это значит, что даже небольшой рост КСВ может служить поводом для беспокойства. КСВ уже от 2:1 до 10:1 могут привести к повреждению усилителя. Одним из способов защиты усилителя от отраженной мощности являются аттенюаторы. Этот способ описан в МЭК 61000-4-6 (ГОСТ Р 51317.4.6), где между усилителем и нагрузкой находится аттенюатор 6 дБ, благодаря которому улучшается КСВ, ведь сопротивление инжектора там всего 2 Ома. Минус этого способа в том, что передаваемая (падающая) мощность в нагрузке также ослабляется на 6 дБ.
Для защиты выходных каскадов усилителей от отраженной мощности обычно используются следующие методы защиты:
1. Контроль внутренней температуры усилителя по известному порогу безопасности, превышение которого ведет к отключению усилителя.
2. Непосредственны контроль отраженной мощности и КСВ до порогового значения. Автоматическая система управления испытаниями поможет Вам в этом.
3. Контроль отраженной мощности и регулировка коэффициента усиления усилителя по мере изменения мощности отраженного сигнала. Этот подход часто называют «foldback».
Первый и второй способы - это предупредительные меры. Каждый раз, когда КСВ будет превышено, испытания будут остановлены. Общий принцип «Foldback» показан на рисунке ниже, где в автоматическом режиме плавно снижается выходная мощность усилителя в % при росте КСВН нагрузки.
Эта кривая показывает, например, что усилитель 100 Вт не смог выдать всю свою мощность в обычную антенну с КСВ 2,0:1. Мощность на антенне (при идеальном кабеле соединения) снизилась до 89 Вт (на 11%). Увеличение КСВ до значения 3:1 приведет к падению выходной мощности на 25%.
Приведенные способы неплохо защищают усилитель, но существуют ситуации, когда усилитель или система не может достаточно быстро реагировать, например, когда выходной кабель поврежден или закорочен. В результате 100% прямой мощности отражается обратно в выходные каскады усилителя. Это случается не так редко, как можно подумать, достаточно не проверять целостность всех РЧ-кабелей и разъемов перед запуском, и эта проблема Вам практически обеспечена, со временем. Поэтому очень важно проверять целостность кабелей до испытаний визуально, специальными приборами или той же испытательной установкой, но на малых уровнях сигналов.
Описанные выше свойства усилителей противостоять отраженной мощности встречаются только у усилителей класса А , однако многие лаборатории выбирают другие преимущества усилителей, такие как легкий вес и дешевизна, присущие классу АВ. Усилители класса А имеют более крупные габариты из-за большого количества активных устройств для совместного тепловыделения, которые рассеивают обратную мощность, а также из-за блоков теплоотвода и охлаждения. Также усилители класса А из-за схем имеют свойства выдавать максимальную мощность на нагрузку, даже при наличии рассогласования.