FMUSER RF パワー アンプ電圧テスト ベンチ、AM トランスミッタ パワー アンプ (PA) およびバッファ アンプ テスト用

RF パワー アンプ ボードのテスト | FMUSER の AM コミッショニング ソリューション

 

RF パワー アンプとバッファ アンプは、AM 送信機の最も重要な部分であり、初期の設計、納入、および保守後の段階で常に重要な役割を果たします。

 

これらの基本コンポーネントにより、RF 信号の正しい伝送が可能になります。 受信機が信号を識別してデコードするために必要な電力レベルと強度によっては、放送用送信機に損傷が生じると、信号の歪みや消費電力の低下などが発生する可能性があります。

 

 

放送送信機のコア コンポーネントのオーバーホールとメンテナンスには、いくつかの重要なテスト機器が不可欠です。 FMUSER の RF 測定ソリューションは、比類のない RF 測定性能によって設計を検証するのに役立ちます。

 

仕組み

 

主にAM送信機のパワーアンプ基板やバッファアンプ基板が修理後に確認できない場合のテストに使用します。

 

 

特徴

 

• テストベンチの電源はAC220Vで、パネルには電源スイッチが付いています。 内部生成された-5v、40v、および30vは、内蔵スイッチング電源によって提供されます。
• テストベンチの上部には、バッファ出力テスト Q9 インターフェイス: J1 と J2、パワー アンプ出力テスト Q9 インターフェイス: J1 と J2、およびパワー アンプ電圧インジケーター (59C23) があります。 J1 と J2 は、二重統合オシロスコープに接続されています。
• テストベンチ下部の左側がバッファ増幅テスト位置、右側がパワーアンプボードテストです。

 

説明書

 

• J1：電源スイッチをテストします
• S1：アンプボードテストとバッファボードテストセレクタスイッチ
• S3 / S4：パワーアンプボードは、左右のターンオン信号のターンオンまたはターンオフの選択をテストします。

 

RF パワーアンプ: それは何で、どのように機能するのですか?

 

無線分野では、RF 電力増幅器 (RF PA) または無線周波数電力増幅器は、電圧または電力として表されることが多い入力内容を増幅および出力するために使用される一般的な電子デバイスです。RF 電力増幅器の機能は、あるレベルまで「吸収」し、「外の世界に輸出」します。

 

それはどのように動作しますか？

 

通常、RFパワーアンプは回路基板の形で送信機に組み込まれています。 もちろん、RF 電力増幅器は、同軸ケーブルを介して低電力出力送信機の出力に接続された別のデバイスにすることもできます。 スペースが限られているため、興味がある場合は、コメントを残してください。将来いつか更新します:)。

 

RFパワーアンプの重要性は、十分に大きなRF出力パワーを得ることです。 これは、まず第一に、送信機のフロントエンド回路では、オーディオソースデバイスからデータラインを介してオーディオ信号が入力された後、変調によって非常に弱い RF 信号に変換されますが、これらの弱い RF 信号は信号は、大規模な放送範囲を満たすには十分ではありません。 したがって、これらの RF 変調信号は、RF 電力増幅器を介して一連の増幅 (バッファ段階、中間増幅段階、最終電力増幅段階) を通過し、十分な電力に増幅されてから整合ネットワークを通過します。 最後に、アンテナに供給して放射することができます。

 

受信機の動作については、トランシーバーまたは送受信機ユニットに、内部または外部の送受信 (T/R) スイッチを取り付けることができます。 T/R スイッチの役割は、必要に応じてアンテナを送信機または受信機に切り替えることです。

 

RFパワーアンプの基本構造とは?

 

RF パワーアンプの主な技術指標は、出力電力と効率です。 出力パワーと効率を改善する方法は、RF パワーアンプの設計目標の核心です。

 

RF パワーアンプには指定された動作周波数があり、選択した動作周波数はその周波数範囲内にある必要があります。 動作周波数が 150 メガヘルツ (MHz) の場合、145 ～ 155 MHz の範囲の RF 電力増幅器が適しています。 周波数範囲が 165 ～ 175 MHz の RF パワーアンプは、150 MHz では動作できません。

 

通常、RF 電力増幅器では、歪みのない増幅を実現するために、基本周波数または特定の高調波を LC 共振回路によって選択できます。 これに加えて、他のチャンネルとの干渉を避けるために、出力の高調波成分をできるだけ小さくする必要があります。

 

ＲＦ電力増幅器回路は、トランジスタまたは集積回路を使用して増幅を生成することができる。 RF パワー アンプの設計における目標は、送信機とアンテナ フィーダーとアンテナ自体との間の一時的で小さなミスマッチを許容しながら、目的の出力電力を生成するのに十分な増幅を行うことです。 アンテナ フィーダーとアンテナ自体のインピーダンスは通常 50 オームです。

 

理想的には、アンテナと給電線の組み合わせは、動作周波数で純粋な抵抗インピーダンスを示します。

RFパワーアンプが必要な理由

 

送信システムの主要部分として、RF パワーアンプの重要性は自明です。 プロの放送送信機には、多くの場合、次の部品が含まれていることは誰もが知っています。

 

1. 硬質シェル：通常はアルミニウム合金製で、価格が高くなります。
2. オーディオ入力ボード: 主にオーディオ ソースから信号入力を取得し、送信機とオーディオ ソースをオーディオ ケーブル (XLR、3.45MM など) で接続するために使用されます。 オーディオ入力ボードは通常、送信機の背面パネルに配置され、縦横比が約 4:1 の直方体です。
3. 電源：電源に使用します。 110V、220V など、国によって電源規格が異なります。一部の大規模なラジオ局では、標準に準拠した 3 相 4 線式 (380V/50Hz) の電源が一般的です。 また、民電基準とは異なる基準による工業用地でもあります。
4. コントロールパネルとモジュレーター: 通常、送信機のフロントパネルの最も目立つ位置に配置され、インストールパネルといくつかのファンクションキー (ノブ、コントロールキー、ディスプレイ画面など) で構成され、主にオーディオ入力信号の変換に使用されます。 RF 信号 (非常に微弱) に変換されます。
5. RF パワー アンプ: 通常はパワー アンプ ボードを指し、主に変調部から入力された微弱な RF 信号を増幅するために使用されます。 これは、PCB と一連の複雑なコンポーネント エッチング (RF 入力ライン、パワー アンプ チップ、フィルターなど) で構成され、RF 出力インターフェイスを介してアンテナ フィーダー システムに接続されます。
6. 電源とファン：仕様は送信機メーカーが作成したもので、主に電源と放熱に使用されます

 

その中で、RF パワー アンプは送信機の最もコアで、最も高価で、最も簡単に燃える部分です。これは主に、その動作方法によって決まります。RF パワー アンプの出力は外部アンテナに接続されます。

 

ほとんどのアンテナは、フィーダーと組み合わせると、送信機に最も理想的なインピーダンスを提供するように調整できます。 このインピーダンス整合は、送信機からアンテナへの最大電力転送に必要です。 アンテナは、周波数範囲でわずかに異なる特性を持っています。 重要なテストは、アンテナからフィーダーへの反射エネルギーと送信機への反射エネルギーが十分に低いことを確認することです。 インピーダンスのミスマッチが高すぎると、アンテナに送信された RF エネルギーが送信機に戻る可能性があり、高い定在波比 (SWR) が発生し、送信電力が RF パワー アンプにとどまり、過熱やアクティブなデバイスの損傷さえ引き起こします。コンポーネント。

 

アンプが優れた性能を発揮できれば、それ自体の「価値」を反映してより多くの貢献をすることができますが、アンプに特定の問題がある場合は、動作を開始したり、一定期間動作したりした後、動作しなくなるだけでなく、どんな「貢献」でも構いませんが、思わぬ「衝撃」があるかもしれません。 このような「ショック」は、外界やアンプ自体にとって致命的です。

 

バッファアンプ：それは何で、どのように機能するのですか?

 

AM送信機にはバッファアンプが使われています。

 

AM トランスミッタは、オシレータ ステージ、バッファおよび乗算器ステージ、ドライバ ステージ、変調器ステージで構成され、メイン オシレータがバッファ アンプに電力を供給し、その後にバッファ ステージが続きます。

 

オシレーターの隣のステージは、バッファーまたはバッファー アンプ (単にバッファーと呼ばれることもあります) と呼ばれます。これは、オシレーターをパワー アンプから分離するためです。

 

ウィキペディアによると、バッファー アンプは、負荷が生成する可能性のある電流 (または電流バッファーの場合は電圧) から信号源を保護するために、ある回路から別の回路への電気インピーダンス変換を提供するアンプです。

 

実際、トランスミッタ側では、バッファ アンプを使用してメイン オシレータをトランスミッタの他のステージから分離します。バッファなしで、パワー アンプが変化すると、オシレータに反射して周波数を変化させます。送信機が周波数を変更すると、受信機は送信機との通信を失い、不完全な情報を受信します。

 

それはどのように動作しますか？

 

AM トランスミッタのメイン オシレータは、安定したサブハーモニック キャリア周波数を生成します。 この安定したサブハーモニック発振を生成するために、水晶振動子が使用されます。 その後、高調波発生器を使用して周波数を目的の値まで上げます。 キャリア周波数は非常に安定している必要があります。 この周波数が変化すると、他の送信局に干渉を引き起こす可能性があります。 その結果、受信機は複数の送信機からのプログラムを受け入れます。

 

メインオシレータ周波数で高入力インピーダンスを提供する同調増幅器はバッファ増幅器です。 負荷電流の変化を防ぐのに役立ちます。 メイン発振器の動作周波数での入力インピーダンスが高いため、変更はメイン発振器に影響しません。 したがって、バッファ アンプはメイン オシレータを他のステージから分離し、ローディング効果によってメイン オシレータの周波数が変化しないようにします。

 

RF パワー アンプ テスト ベンチ: 概要と機能

 

「テストベンチ」という用語は、デジタル設計でハードウェア記述言語を使用して、DUT をインスタンス化し、テストを実行するテスト コードを記述します。

 

テストベンチ

 

テスト ベンチまたはテスト ワークベンチは、設計またはモデルの正確性または健全性を検証するために使用される環境です。

 

この用語は、エンジニアがラボのベンチに座って、オシロスコープ、マルチメーター、はんだごて、ワイヤー カッターなどの測定および操作ツールを保持し、テスト対象のデバイスの正確性を手動で検証する、電子機器のテストに由来します。 (DUT)。

 

ソフトウェアまたはファームウェアまたはハードウェア エンジニアリングのコンテキストでは、テスト ベンチは開発中の製品がソフトウェアおよびハードウェア ツールの助けを借りてテストされる環境です。 場合によっては、ソフトウェアをテストベンチで動作させるために小さな変更が必要になることがありますが、慎重にコーディングすることで、変更を簡単に元に戻すことができ、バグが発生しないようにすることができます。

 

「テスト ベッド」のもう XNUMX つの意味は、分離された制御された環境であり、運用環境と非常によく似ていますが、一般ユーザーや顧客などから見えたり見えたりすることはありません。したがって、エンド ユーザーが関与しないため、変更を行っても安全です。

 

テスト中の RF デバイス (DUT)

 

被試験デバイス (DUT) は、パフォーマンスと習熟度を判断するためにテストされたデバイスです。 DUT は、被試験ユニット (UUT) と呼ばれるより大きなモジュールまたはユニットのコンポーネントになることもあります。 DUT に欠陥がないかチェックして、デバイスが正常に動作していることを確認します。 このテストは、損傷したデバイスが市場に出回るのを防ぐように設計されており、製造コストも削減できます。

 

テスト中のデバイス (DUT) は、テスト中のデバイス (EUT) およびテスト中のユニット (UUT) とも呼ばれ、最初に製造されたとき、または進行中の機能テストの一環としてライフ サイクルの後半でテストされる製品検査です。とキャリブレーション。 これには、製品が元の製品仕様どおりに機能するかどうかを判断するための修理後のテストが含まれる場合があります。

 

半導体テストでは、テスト対象のデバイスは、ウェーハ上のダイまたは最終的にパッケージ化された部品です。 接続システムを使用して、コンポーネントを自動または手動試験装置に接続します。 次に、テスト機器はコンポーネントに電力を供給し、スティミュラス信号を提供し、機器の出力を測定および評価します。 このようにして、テスターは、テスト対象の特定のデバイスがデバイスの仕様を満たしているかどうかを判断します。

 

一般に、RF DUT は、Agilent Circuit Envelope Simulator を使用したシミュレーションに適した、アナログおよび RF コンポーネント、トランジスタ、抵抗、コンデンサなどの任意の組み合わせおよび数を含む回路設計にすることができます。 RF 回路が複雑になるほど、シミュレーションに時間がかかり、より多くのメモリが消費されます。

 

テストベンチのシミュレーション時間とメモリの要件は、ベンチマーク テストベンチの測定値と、最も単純な RF 回路の要件と、対象の RF DUT の回路エンベロープ シミュレーションの要件を組み合わせたものと考えることができます。

 

多くの場合、ワイヤレス テスト ベンチに接続された RF DUT をテスト ベンチと共に使用して、テスト ベンチ パラメーターを設定することでデフォルトの測定を実行できます。 標準的な RF DUT では、デフォルトの測定パラメータ設定を使用できます。

 

• 一定の無線周波数キャリア周波数を持つ入力 (RF) 信号が必要です。 テスト ベンチ RF 信号ソースの出力は、RF キャリア周波数が時間とともに変化する RF 信号を生成しません。 ただし、テスト ベンチは、RF 搬送波の位相と周波数の変調を含む出力信号をサポートします。これは、一定の RF 搬送波周波数での適切な I および Q エンベロープの変化によって表すことができます。
• 一定の RF キャリア周波数を持つ出力信号が生成されます。 テストベンチの入力信号には、周波数が時間とともに変化するキャリア周波数が含まれていてはなりません。 ただし、テスト ベンチは、RF 搬送波位相ノイズまたは RF 搬送波の時変ドップラー シフトを含む入力信号をサポートします。 これらの信号摂動は、一定の RF キャリア周波数で適切な I および Q エンベロープの変化によって表されると予想されます。
• ソース抵抗が 50 オームの信号発生器からの入力信号が必要です。
• スペクトル ミラーリングのない入力信号が必要です。
• 50 オームの外部負荷抵抗を必要とする出力信号を生成します。
• スペクトル ミラーリングなしで出力信号を生成します。
• テスト ベンチに依存して、RF DUT 出力信号の測定関連バンドパス信号フィルタリングを実行します。

 

知っておくべきAMトランスミッターの基本

 

AM信号を発信する送信機をAM送信機と呼びます。 これらの送信機は、AM 放送の中波 (MW) および短波 (SW) 周波数帯域で使用されます。 MW バンドの周波数は 550 kHz ～ 1650 kHz で、SW バンドの周波数は 3 MHz ～ 30 MHz です。

 

送信電力に基づいて使用される XNUMX 種類の AM 送信機は次のとおりです。

 

1. 上級
2. 低レベル

 

高レベル送信機は高レベル変調を使用し、低レベル送信機は低レベル変調を使用します。 XNUMX つの変調方式のどちらを選択するかは、AM 送信機の送信電力によって異なります。 送信電力が数キロワットの放送送信機では、高レベルの変調が使用されます。 数ワットの送信電力しか必要としない低電力送信機では、低レベル変調が使用されます。

 

高レベル送信機と低レベル送信機

 

下の図は、高レベル送信機と低レベル送信機のブロック図を示しています。 XNUMX つの送信機の基本的な違いは、搬送波と変調信号の電力増幅です。

 

図 (a) は、高度な AM 送信機のブロック図を示しています。

 

図 (a) は音声伝送用に描かれています。 高レベル伝送では、図 (a) に示すように、搬送波と変調信号の電力が変調器ステージに適用される前に増幅されます。 低レベル変調では、変調器段への XNUMX つの入力信号の電力は増幅されません。 必要な送信電力は、送信機の最終段であるクラス C 電力増幅器から得られます。

 

図 (a) のパーツは次のとおりです。

 

1. キャリアオシレータ
2. バッファアンプ
3. 周波数乗数
4. パワーアンプ
5. オーディオチェーン
6. 変調クラス C パワーアンプ
7. キャリアオシレータ

 

搬送波発振器は、無線周波数範囲の搬送波信号を生成します。 搬送波の周波数は常に高いです。 良好な周波数安定度で高い周波数を生成することは困難であるため、搬送波発振器は目的の搬送波周波数で約数を生成します。 このサブオクターブは、目的のキャリア周波数を得るために乗算器ステージで乗算されます。 また、この段階で水晶発振器を使用して、周波数安定度が最も高い低周波搬送波を生成できます。 次に、周波数逓倍器ステージは、搬送波周波数を目的の値まで増加させます。

 

バッファアンプ

 

バッファ アンプの目的は XNUMX つあります。 まず、搬送波発振器の出力インピーダンスを、搬送波発振器の次段である周波数逓倍器の入力インピーダンスと一致させます。 次に、搬送波発振器と周波数逓倍器を分離します。

 

これは、乗算器が搬送波発振器から大きな電流を引き出さないようにするために必要です。 これが発生すると、搬送波発振器の周波数が安定しなくなります。

 

周波数乗数

 

搬送波発振器によって生成された搬送波信号の分数逓倍された周波数は、バッファ増幅器を介して周波数逓倍器に適用されます。 このステージは、高調波発生器としても知られています。 周波数逓倍器は、搬送波発振器周波数の高調波を生成します。 周波数逓倍器は、送信する必要があるキャリア周波数に同調する同調回路です。

 

パワーアンプ

 

キャリア信号の電力は、電力増幅段で増幅されます。 これは、高レベルの送信機の基本的な要件です。 クラス C パワーアンプは、出力でキャリア信号の高出力電流パルスを提供します。

オーディオチェーン

 

送信する音声信号は、図(a)のようにマイクから取得します。 オーディオ ドライバ アンプは、この信号の電圧を増幅します。 この増幅は、オーディオ パワー アンプを駆動するために必要です。 次に、クラス A またはクラス B パワーアンプがオーディオ信号のパワーを増幅します。

 

変調クラスCアンプ

 

これは送信機の出力段です。 変調されたオーディオ信号とキャリア信号は、電力増幅後にこの変調ステージに適用されます。 この段階で変調が発生します。 また、クラス C アンプは、AM 信号の電力を再送信電力まで増幅します。 この信号は最終的にアンテナに渡され、アンテナは信号を伝送空間に放射します。

 

図 (b): 低レベル AM 送信機のブロック図

 

図 (b) に示す低レベル AM 送信機は、搬送波と音声信号の電力が増幅されない点を除いて、高レベル送信機と似ています。 これらの XNUMX つの信号は、変調されたクラス C パワー アンプに直接適用されます。

 

変調はこの段階で発生し、変調信号の電力は目的の送信電力レベルに増幅されます。 次に、送信アンテナが信号を送信します。

 

出力段とアンテナの結合

 

変調されたクラス C 電力増幅器の出力段は、信号を送信アンテナに供給します。 出力段からアンテナに最大電力を伝達するには、XNUMX つのセクションのインピーダンスが一致している必要があります。 このためには、マッチング ネットワークが必要です。 XNUMX つの間の一致は、すべての送信周波数で完全でなければなりません。 異なる周波数での整合が必要なため、異なる周波数で異なるインピーダンスを提供するインダクタとコンデンサが整合ネットワークで使用されます。

 

これらの受動部品を使用して整合ネットワークを構築する必要があります。 下の図（c）に示すように。

 

図 (c): デュアル Pi マッチング ネットワーク

 

送信機の出力段とアンテナを結合するために使用されるマッチング ネットワークは、デュアル π ネットワークと呼ばれます。 ネットワークを図 (c) に示します。 これは、1 つのインダクタ L2 および L1 と 2 つのコンデンサ C1 および C1 で構成されます。 これらのコンポーネントの値は、ネットワークの入力インピーダンスが XNUMX ～ XNUMX' になるように選択されます。 図 (c) は、トランスミッタの出力段の出力インピーダンスを一致させるために示されています。 さらに、ネットワークの出力インピーダンスは、アンテナのインピーダンスと一致します。

 

ダブル π マッチング ネットワークは、送信機の最終段の出力に現れる不要な周波数成分も除去します。 変調されたクラス C 電力増幅器の出力には、XNUMX 次高調波や XNUMX 次高調波などの非常に望ましくない高調波が含まれる場合があります。 整合ネットワークの周波数応答は、これらの不要な高調波を完全に除去するように設定されており、目的の信号のみがアンテナに結合されます。