Потери мощности в усилителях при высоком КСВ

[UR5FFR]

Я думаю многие читающие сайт Гончаренко DL2KQ знакомы с его статьей Потери в рассогласованной линии. Там он анализирует потери в фидере и недополученную мощность от источника сигнала из-за рассогласования, т.е. при КСВ > 1.
Приводится следующая формула

dl2kq_power_loss_1.png (14.05 KiB) Viewed 10982 times

И результат ее применения для некоторых значений КСВ

dl2kq_power_loss_2.png (31.16 KiB) Viewed 10982 times

Эта формула действительно правильная и легко выводится. Тут есть один нюанс - она справедлива для источника сигнала, который имеет выходное сопротивление равное волновому сопротивлению фидера. Но в случае усилителя мощности это не так - его выходное сопротивление не равно 50ти ом! Как же так? Да вот так - усилитель просто расчитан выдавать на заданной нагрузке требуемую мощность. Если нагрузка будет другая, то и выходная мощность изменится.

Возьмем результаты расчета для двухтактного усилителя мощности работающего в классе B на паре RD16 при напряжении питания 14,7в

Теперь будем изменять сопротивление нагрузки

pa_75_100_150.png (22.64 KiB) Viewed 10982 times

Видно, что выходная мощность падает гораздо быстрее чем прогнозирует формула для источника с выходным сопротивлением 50ом.

Важно понимать что формулы расчитывают максимальную мощность которую может выдать усилитель на заданную нагрузку. Если мы попытаемся увеличить мощность увеличивая уровень возбуждения то мы получим ограничение сигнала на выходе.

Примерно мощность в нагрузке можно рассчитать по следующей формуле

Рвых = Рном/КСВ

Здесь Рном - максимальная выходная мощность усилителя при работе на номинальную расчетную нагрузку.
При этом потери мощности составят

Ploss = Рном - Рвых = Рном - Рном/КСВ = Рном*(КСВ-1)/КСВ.

Вот сравнительная табличка потерь мощности рассчитанной по формуле DL2KQ и потерь при работе реального усилителя мощности

power_loss.png (5.69 KiB) Viewed 10982 times

Замечу, что потери в фидере из-за высокого КСВ мы не рассматриваем. Это только потери, точнее недополученная мощность от усилителя в случае когда он работает на нештатную нагрузку с КСВ отличным от 1. Фидер даст дополнительные потери, которые зависят от его длины, погонного затухания и КСВ в нем.

Возвращаясь к формуле Гончаренко - неужели она совсем неприменима при анализе антенно-фидерного тракта? Нет! Очень даже применима, но для приемных устройств. Именно в этом случае нагрузка имеет постоянный импеданс равный волновому сопротивлению фидера и потери рассчитываются согласно формуле, приведенной DL2KQ

[UR5FFR]

Прогресс в области ИИ позволил привлечь его к анализу данной проблемы. В качестве схемы усилителя была задана следующая топология

Однотактный каскад на полевом транзисторе с крутизной 1А/В работает в классе В с напряжением питания 10в на частоте 1МГц. Нагрузкой транзистора является дроссель после которого идет ФНЧ третьего порядка с частотой среза 1.5МГц. Пиковый ток через транзистор не должен превышать 1А

Для этих вводных ChatGPT посчитал оптимальное сопротиление нагрузки для получения максимальной мощности

Screenshot_2025_09_28-1.png (4.95 KiB) Viewed 152 times

При этом на входе усилителя должен быть сигнал амплитудой 0,7Vrms.
Далее была поставлена задача не меняя напряжение на входе усилителя рассчитать выходную мощность для нагрузки 40ом и 10ом (ксв=2).
Вот результаты

Screenshot_2025_09_28-3.png (15.81 KiB) Viewed 152 times

Screenshot_2025_09_28-2.png (24.67 KiB) Viewed 152 times

В случае нагрузки 40ом мы сталкиваемся с ограничением по напряжению питания - т.е. усилитель входит в компрессию.
Видно что в обоих случаях при КСВ=2 на нагрузке мощность в два раза меньшая чем в случае работы на оптимальную нагрузку 20ом.
Что полностью подтверждает мои ранние выкладки