用 12V 电源驱动 50 欧姆的 5W 发射器怎么可能?

电器工程 射频 天线 阻抗 发射机
2022-01-25 00:49:28

因此,假设您有一个电路,它会在某个频率(例如 27MHz)生成载波,并连接到 50 欧姆的虚拟负载(我认为它相当于用于电路分析目的的天线)。它由稳压 12V 电源供电。

因此,假设载波是 12 伏峰峰值,即 4.242 伏 RMS。根据公式 \$P = (V_{rms})^2/R\$,这给出了大约 0.36W 的功率输出。即使不考虑平均功率,12V 进入 50\$\Omega\$ 也是 2.88W。波形的峰值实际上是 6V,在 50 欧姆时只有 0.72W。

那么,这些输出为 5W 或更多的电路如何使用 12V(给予或接受几伏)电源呢?

如果您想要 50 欧姆负载的平均 5W,您需要接近 45V 的峰峰值电压。对于 100W,您需要一个 200V 峰峰值的信号!不知何故,我怀疑人们是否用如此高的电压为他们的收音机供电。

我不明白的是,如何从具有固定负载和固定电源电压的电路中获得更多功率。即使您的放大器可以提供 100A,I=V/R;使用 12V 电源时,欧姆定律表明,即使在峰值时,它也只会提供 0.12A 的电流,负载耗散为 0.72W。

我认为可以以某种方式使用升压变压器将电压提高到必要的水平,用初级上的电流换取次级上的电压,但上面的电路都没有这样做。除此之外,世界上所有的阻抗匹配网络都不会在该负载上为您提供更多电压。

我解释的所有内容都可能是错误的,这就是我解释它的原因。请帮我理清我的概念误解:)

4个回答

这一切的关键是“阻抗匹配”。您需要放大器认为它正在驱动低阻抗(因此它可以从 5 V 电源中获取大量电流,从而产生大量功率)。然后你“神奇地”需要转换这些电流以在更高的电压下驱动 50 欧姆。

这是通过阻抗匹配网络完成的。当你写下控制网络的方程时,它需要看起来(在感兴趣的频率上——这些东西必须调整才能工作)就像输入端的低阻抗和输出端的高阻抗(50 欧姆)一样。

实现阻抗匹配的方法有很多:如果你的输入阻抗是 5 ohm,并且你想匹配到 27 MHz 时 50 ohm 的输出阻抗,你可以使用一个简单的 LC 电路

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

我通过使用http://home.sandiego.edu/~ekim/e194rfs01/jwmatcher/matcher2.html并输入适当的参数来“计算”。

这里发生的是源上的交流电压(具有阻抗 R1)驱动电流进入谐振 LC 电路。因为它们是串联开关的,它们看起来像一个低阻抗 - 但实际上可以在输出端实现的电压摆幅非常高 - 远高于输入电压。将 C1 的阻抗写为 Z1 (=1/jwC) 并将 L1 的阻抗写为 Z2 (jwL),您会看到它们可以组合:

R1 和 Z1 串联:\$X_1 = R_1 + Z_1\$
R2 和 Z2 并联:\$X_2 = R_2 * Z_2 / (R_2 + Z_2)\$

现在输入电压被分压,所以输出电压为

\$V_{输出}/V_{输入} = X_2 / (X_1 + X_2)\$

$$\begin{align} &= \frac{(R_2 * j \omega L)}{(R_2 + j \omega L) (R_1 + \frac{1}{j \omega C} + \frac{R_2 * j \omega L}{R_2 + j \omega L})}\\ &= \frac{R_2 * j \omega L} {(R_1 + \frac{1}{j \omega C})(R_2 + j \欧米茄 L) + R_2 * j \omega L}\\ &= \frac{R_2 * j \omega L}{R_1R_2 + j(R_1 \omega L - \frac{R_2}{\omega C}) - \frac{ L}{C}) + R_2 * j \omega L}\\ &= \frac{R_2 * j \omega L}{R_1R_2 - \frac{L}{C} + j(R_1\omega L - \frac{ R_2}{\omega C} + R_2 \omega L)}\\ \end{align} $$

现在底部的虚项取消时

\$R_1 \omega L = R_2 (\omega L - \frac{1}{\omega C})\$

要么

\$\frac{R_1}{R_2} = 1 - \frac{1}{\omega ^2 LC}\$

如果 R1 为零且 \$\omega = \sqrt{\frac{1}{LC}}\$,您可以将几乎任何电压驱动到 R2,而无需在输入端产生电压 - 因为您通过 C1 的电流完全匹配电流流入 L1。但电流的这些变化确实会在 L1 上产生电压,从而在 R2 上产生电压。这与串联 LC 电路在谐振时看起来阻抗低得多的事实有关——末端的电压变化小于 L 和 C 之间点的电压。

上面的链接为您提供了许多可以做同样事情的替代电路 - 但最终对于一个高效的发射器,您希望在感兴趣的频率(无反射)处具有真实阻抗 - 匹配电路几乎可以为您实现任何阻抗(当然,具有正确的组件值)。

如果您查看其中任何一个原理图,就会发现到处都是电感器。有许多方法可以在不使用变压器的情况下产生更高的电压。事实上,看看汽车中使用的火花线圈。您通过建立电流然后中断它来产生巨大的电压,并且该设备是“无变压器”的。这些电路以不同的方式工作,但随着电流的变化而升压的核心思想适用于两者。“强大的麦克风”(第一个链接)与电容器耦合的“Pi”和“T”链共振。Lythal 设计(第二个环节)也是共振的,但带有变压器,它甚至注意到不使用铁氧体块(有损耗)并且会抑制共振。

驱动晶体管的输出阻抗可能非常低。所以射频放大器可以消耗大量电流。说半安培,在 12V 时大约是 6 瓦。这看起来像 24 欧姆。然后,通过一个变压器在天线上匹配高达 50 欧姆的电阻。电压越高,电流越低,但功率还是一样的。

首先,你的电压计算是错误的。12V 电源通过变压器或电感器时,中点电压为 12VDC,最大电压摆幅为 24Vpp。所以它实际上可以在 50Ω 下产生比您计算的多 4 倍的功率。

正确的是,要将 5W rms 正弦波放入 50Ω,您需要将近 45vpp。如果最终放大器输出仅为 24Vpp,则需要升压变压器或其他无损耗阻抗匹配电路。为了增加电压,输出阻抗必须高于输入阻抗。