4.4. Устойчивость транзисторов к рассогласованию нагрузки

Как правило, мощные ВЧ транзисторы использу­ются в выходных каскадах линейных широкополосных усилителей, где их нагрузкой является антенное уст­ройство. Для наилучшего использования транзисторов аппаратура должна быть спроектирована таким образом чтобы режим на выходе транзистора был близок к оп­тимальному. Практически осуществить такой режим до­вольно сложно, особенно если не идти на подбор со­гласующих элементов для каждого транзистора, так как разброс характеристик между отдельными экземпляра­ми транзисторов достаточно велик. Однако, даже если такой режим на выходе и может быть получен, в процессе наладки аппаратуры и в процессе ее эксплуатации возможны аварийные ситуации, например обрыв антен­ны или короткое замыкание на выходе транзистора. Антенна не подключается непосредственно к выходу транзистора, а между ним имеется согласующее уст­ройство. Это устройство может рассматриваться как от­резок длинной линии. При прохождении по этой линии сигнала может возникать стоячая волна. Появление стоячей волны вызовет значительные изменения режи­ма транзистора, которые при неблагоприятных фазах коэффициента отражения приведут к значительным пе­регрузкам.

В общем случае можно утверждать, что в аварийных ситуациях на выходе транзистора могут происходить произвольные изменения комплексной нагрузки; ее мо­дуль может изменяться от нуля до бесконечности, а фа­за может принимать при этом любые значения от нуля до 360°. Экспериментальные исследования показывают, что при таком произвольном изменении нагрузки напря­жение на коллекторе транзистора и ток через транзис­тор могут изменяться весьма значительно: их пиковые значения могут в несколько раз превосходить напряже­ние и ток, соответствующие оптимальному режиму на выходе транзистора. Если подобные условия возникают на выходе транзистора, работающего в реальном уст­ройстве, то он может оказаться очень сильно перегру­женным по напряжению, току и мощности. На случай подобных ситуаций аппаратура снабжается защитными устройствами, но, как правило, такая защита срабаты­вает через сравнительно большой промежуток времени — до десятых долей секунды. Необходимо, чтобы транзис­тор, оказавшийся в реальных условиях, выдерживал рас­согласованный режим.

Добиться этого можно различными путями. Можно эксплуатировать транзисторы при сниженных значениях выходной мощности и напряжения питания, при этом напряжение и выходную мощность надо снижать до тех пор, пока не будет гарантировано, что при любых усло­виях рассогласования на выходе ток через транзистор, напряжение на нем и рассеиваемая мощность не будут превосходить предельно допустимые значения. В этом случае транзисторы будут выдерживать рассогласован­ный режим в течение любого времени. Однако возмож­ности их при этом будут чрезвычайно сильно недоиспользованы. Можно поступить иначе: и транзисторах, работающих в ВЧ усилителе в номинальном режиме по отдаваемой мощности и напряжению питания, опреде­лить на основе экспериментальных исследований время, в течение которого они могут выдерживать любое рас­согласование, или установить условия рассогласования, которые прибор может выдерживать определенное вре­мя (скажем, 1 — 3 с).

Возможен еще один вариант. Транзисторы при ра­боте в номинальном режиме могут не выдерживать про­извольного рассогласования, но выдержат его при не­сколько сниженном режиме, когда токи, напряжения и мощности в момент рассогласования будут достигать значений, превосходящих предельно допустимые, но транзисторы будут еще достаточно устойчивы к подоб­ным перегрузкам.

Способность транзисторов выдерживать перегрузки зависит от имеющихся запасов по напряжению, току и допустимой мощности рассеяния, но при этом надо учи­тывать следующее. Если перегрузка происходит по на­пряжению, то транзистор или не выдержит ее при весьма кратковременном воздействии (как только наступит не­обратимый электрический пробой), или будет устойчив к ней достаточно длительное время (если при перегруз­ке необратимый электрический пробой не наступает). Если же происходят перегрузки по току или мощности рассеяния, то устойчивость к ним, безусловно, зависит от их продолжительности, так как оба вида перегрузок приводят к общему или локальному разогреву прибора.

Рассмотрим теперь мероприятия, обеспечивающие надежность мощных ВЧ транзисторов, в том случае, когда они подвергаются перегрузкам в результате рас­согласования. Если при рассогласовании ни напряже­ния, ни токи, ни мощности не будут превосходить пре­дельно допустимые значения, то никаких специальных мер по обеспечению надежности не требуется. Если же в процессе рассогласования превышаются предельно до­пустимые напряжения, ток или мощность, то гарантиро­вать надежность при подобных условиях эксплуатации можно, если технология изготовления транзисторов предусматривает их специальную проверку.

Остановимся на принципах построения методики по­добной проверки. Обычно берется ВЧ резонансный уси­литель, в котором измеряются основные параметры мощных ВЧ транзисторов (Р_вых, К_ур, М₃, М₅, КПД). После того, как на выходе усилителя устанавливаются оптимальный режим и номинальная мощность, вместо нагрузки подключают испытательное устройство, кото­рое можно рассматривать как отрезок длинной линии, замкнутой активным сопротивлением. Элементы на­стройки позволяют менять действующую длину линии или, иначе говоря, активную и реактивную составляю­щие нагрузки. Если в оптимальном режиме нагрузка связана с испытуемым транзистором через линию с вол­новым сопротивлением 75 Ом, то обычно в рассматри­ваемом устройстве отрезок линии замыкается резисто­ром сопротивлением 2,5 Ом. При этом КСВН будет ра­вен 30: 1. Такое значение КСВН не позволяет получить условия от полного обрыва до полного короткого замы­кания нагрузки, но реально обеспечиваемый диапазон изменений достаточно близок к этим условиям.

Можно проводить разные испытания, создавая на выходе рассогласованные условия: можно сразу после достижения режима номинальной выходной мощности подключить вместо нагрузки рассогласованный отрезок длинной линии, можно перед этим снимать напряже­ние питания, а после переключения опять подавать это напряжение, а можно перед переключением снять вход­ной сигнал, а после переключения опять подавать на вход тот же сигнал. Но надо следить за тем, чтобы, с одной стороны, снятие и подача напряжения или вход­ного сигнала происходили достаточно быстро (за вре­мя, намного меньшее, чем длительность самого испыта­ния) и, с другой стороны, чтобы все эти операции не приводили к появлению значительных бросков напря­жения или тока. При значительных бросках испытания фактически могут резко ужесточиться, причем непред­сказуемым образом, и они уже не будут соответство­вать тем реальным условиям рассогласования, устойчи­вость к которым следует проверять.

Изменяя в испытательном устройстве активное со­противление и индуктивность или емкость, можно из­менять значение КСВН и фазу отражения. Очевидно, что при более высоких значениях КСВН перегрузки при рассогласовании будут более значительными, чем такие же перегрузки при менее высоких КСВН. Результаты экспериментов показывают, что при рассогласовании напряжение, ток и мощность рассеяния могут возрастать в несколько раз по сравнению с оптимальным ре­жимом, но при этом максимум напряжения, тока и мощ­ности рассеяния наступает при разных значениях фазы нагрузки.

Испытания на проверку устойчивости к рассогласо­ванию должны проводиться так, чтобы транзистор обя­зательно оказывался в наиболее жестких условиях. В зависимости от длительности испытаний такими усло­виями могут оказаться положения, соответствующие максимуму мощности рассеяния (при более длительных испытаниях), максимуму напряжения (при более крат­ковременных испытаниях); возможно, что самым жест­ким условиям будет соответствовать положение, в кото­ром достаточно высокая мощность рассеяния сочетается с напряжением пусть не максимальным, но достаточно высоким.

Могут применяться два варианта методики испыта­ний. Один из них основан на том, что предварительно экспериментально определяют, при каких фазах на­грузки создаются наиболее жесткие условия рассогла­сования. Для каждого транзистора таких положений может быть два или три. Если разброс параметров ис­пытуемых транзисторов невелик, то можно фиксировать эти положения и затем ввести в технологию испытания каждого транзистора в течение заданного времени в каждом из этих положений. Однако в реальных усло­виях разброс параметров транзисторов часто бывает большим и в соответствии с этим выбор фаз нагрузки, соответствующих наихудшим условиям рассогласования, оказывается достаточно условным. Поэтому можно ре­комендовать другой вариант методики испытаний: после подключения к выходу транзистора устройства, эквива­лентного изменяемому отрезку длинной линии, специ­альным приспособлением настраиваемый элемент пере­водится через все его возможные положения. При этом каждый транзистор, безусловно, окажется во всех наи­более опасных режимах. Недостатком второго вариан­та методики является то, что испытание, во время кото­рого проходятся все возможные фазы рассогласования, нельзя вести слишком долго, так как оно сопровожда­ется выделением мощностей, значительно превосходя­щих предельно допустимые. Практика показывает, что такие испытания нельзя продолжать более 1 — 3 с. Однако при этом длительность нахождения в каждом из опасных положений будет длиться около 0,1 — 0,2 с, а это время достаточно для срабатывания в реальной аппа­ратуре защитного устройства при попадании транзисто­ра в аварийный режим.

Так как процесс испытания транзистора на устойчи­вость к рассогласованию нагрузки связан с перегрузка­ми, неизбежно возникает вопрос: не приведут ли эти испытания к изменениям деградационного характера, которые впоследствии при эксплуатации вызовут отказ транзистора? В настоящее время единственным спосо­бом убедиться в том, что это не произойдет, является многократное проведение подобных испытаний на груп­пе транзисторов. Если при этом не будет обнаружено никаких изменений в характеристиках и параметрах транзисторов, то с довольно большой степенью досто­верности можно считать, что таких изменений испыта­ния на устойчивость к рассогласованию нагрузки не вы­зывают.

Если же испытания на устойчивость к рассогласова­нию транзисторов, работающих в номинальном режи­ме, приводят к их деградационным изменениям или ка­тастрофическим отказам, то целесообразно проверить устойчивость транзисторов к рассогласованию в режи­мах со сниженным уровнем отдаваемой мощности и в результате установить тот уровень, при котором они выдерживают любой или заданный уровень рассогла­сования в течение заданного интервала времени доста­точно надежно.

Итак, при выполнении конструктивных и технологиче­ских мер, направленных на обеспечение высокой надеж­ности, а также при правильном конструировании аппа­ратуры и соблюдении правил эксплуатации, несмотря на незначительность запасов мощных ВЧ транзисторов по основным их параметрам, эти приборы будут рабо­тать в аппаратуре с достаточно высокой надежностью.