دسته: تقویت کننده RF

تقویت کننده های RF یا همان RF Amplifier ها یک زیر سیستم حیاتی مبتنی بر امواج رادیویی برای هر دستگاه ام ار ای هستند. آشنایی با عملکرد اساسی، قابلیت‌ها و محدودیت‌های آن برای رشته‌های مختلف فن‌آوران درگیر با طراحی، توسعه و استفاده از این ماشین‌ها مفید خواهد بود. اگر بخواهیم یک تعریف خیلی ساده ارائه کنیم می توانیم بگوییم، تقویت کننده RF را می توان به طور مشابه به عنوان قلب یک دستگاه ام ار ای در نظر گرفت. اگرچه اجرای یک کار مفهومی ساده و اساسی؛ به عنوان مثال، تبدیل یک سیگنال RF “کوچک” به یک سیگنال RF “بزرگ”، نحوه برخورد عملیاتی یک تقویت کننده RF با طراحی پیچیده توالی پالس RF می تواند تأثیر مستقیمی بر نسبت سیگنال به نویز (SNR) یا سایر پارامترها در این حوزه پیچیدگی تکنولوژیکی بسیار زیادی دارد. در ادامه قصد داری تا به طور تخصصی تر قدری راجه به شماتیک عملکردی سیستم تقویت کننده RF ام ار ای بیشتر توضیح دهیم.
یک بلوک دیاگرام سطح بالا در سطح سیستم برای یک تقویت کننده RF در شکل زیر نشان داده شده است. معماری هر تقویت کننده RF دستگاه ام ار ای به طور کلی شبیه این بلوک دیاگرام است. عملکرد هر بلوک به شرح زیر است:
1- Pre-Driver و Driver مراحل تقویت کننده کم توان هستند که سطح توان سیگنال ورودی کوچک و سطح پایین را از محدوده میلی وات به سطحی به اندازه کافی بالا می برند تا بخش های تقویت کننده با توان بالا را هدایت کنند. ممکن است برای دستیابی به سطوح توان خروجی بالاتر به تقویت‌کننده‌های توان زیادی نیاز باشد، بنابراین شبکه‌های تقسیم‌کننده/ترکیب‌کننده برای جمع جبری چند سطح توان خروجی تقویت‌کننده با هم مستقر می‌شوند.
2- کوپلر جهت دار نمونه های دقیق و متناسبی از توان سیگنال رو به جلو و منعکس شده را برای نظارت بر توان داخلی/خارجی و تشخیص عیب جدا می کند.
3- منبع تغذیه DC ولتاژهای خط AC را به ولتاژهای DC تبدیل می کند که برای کار با Pre-Driver، Driver، Power Amplifiers و میکروکنترلر مناسب هستند.
4- میکروکنترلر اساسا یک میکرو کامپیوتر است که به طور مداوم یک حلقه برنامه ثابت را اجرا می کند که چندین پارامتر عملیاتی حیاتی را در سراسر شاسی تقویت کننده RF نظارت می کند. این پارامترها عبارتند از: ولتاژ DC، جریان، عرض پالس، ضریب وظیفه، توان خروجی RF، VSWR بار و دما. در صورتی که هر یک از این پارامترها به حدی برسد که آسیب به تقویت کننده RF قریب الوقوع باشد، میکروکنترلر سیستم را در حالت خطا قرار می دهد، مدارهای مناسب را قطع می کند و وضعیت سیستم را از طریق رابط سیستم ارسال می کند.
6- شماتیک سطح مدار در پایین شکل زیر یک مرحله تقویت کننده اصلی را نشان می دهد که شامل شبکه های تطبیق ورودی/خروجی، یک دستگاه فعال (Q1)، اجزای کوپلینگ/جدایی (به ترتیب C1، C2/L1)، منبع DC است. و ولتاژ دروازه. این سطح از خرابی مدار، آنچه را که از نظر معماری در مراحل پیش درایور، درایور یا تقویت کننده RFPA یافت می شود، نشان می دهد. اساساً فقط دو کار برای توان RF که وارد RFPA می شود انجام می شود: انتقال و تقویت. هر مدار RF در یک RFPA یکی یا دیگری عملکرد را انجام می دهد. در شکل شماره 1، شبکه های تطبیق ورودی/خروجی وظیفه تطبیق امپدانس 50 اهم سیستم را با امپدانس های پایین ترانزیستورهای RF برای حداکثر انتقال توان دارند. اجزای کوپلینگ/دیکوپلینگ (C1، C2 و L1) انرژی RF و DC را در جهات مناسب انتقال می دهند. ترانزیستور Q1 سیگنال RF را تقویت می کند.
همانطور که گفته شد، عملکرد اصلی تقویت کننده RF ساده است. تقویت یا افزایش قدرت سیگنال پالس RF اعمال شده به ورودی آن. اگر تقویت کننده RF ایده‌آل بود، این تنها کاری است که انجام می‌داد، خروجی یک کپی دقیق از شکل موج ورودی بود، و فقط دامنه به مقدار چند برابر ثابت بیشتر بود. اما تقویت کننده RF های معمولی ایده آل نیستند و همیشه سیگنالی را که فقط برای تقویت آن است، دستخوش تغییر می کنند.

از آنجایی که تنها هدف تقویت کننده RF ام ار ای تقویت یک پالس آر اف است، درک کامل پارامترهایی که پالس ار اف ایده‌آل را تعریف می‌کنند و همچنین تعیین اینکه چه پالس RF واقعاً از یک تقویت کننده RF بیرون می‌آید، مهم است. با در نظر گرفتن این دانش؛ درک اینکه چگونه ناهنجاری‌های عملکرد تقویت‌کننده ویژگی‌های تقویت‌کننده را کاهش می‌دهد، آسان‌تر است
با اشاره به پالس ایده آل در شکل زیر، یک قطار پالس RF دارای چندین پارامتر تعیین کننده است، زیرا ایده آل است، ما فرض می کنیم همه آنها کامل هستند. با انتشار از خط مبنا در سمت چپ، یک خط مرجع صفر ولت داریم که تا لبه افزایشی پالس ادامه می‌یابد که از صفر ولت به یک دامنه ثابت در زمان صفر می‌رود. پالس دقیقاً در دامنه ثابت تا پایان مدت زمان عرض پالس ادامه می یابد و دوباره در زمان صفر دامنه دقیقاً به صفر ولت کاهش می یابد.
اگر یک تقویت کننده RF ایده آل برای تقویت پالس RF ایده آل خود داشتیم، خروجی دقیقاً مانند ورودی به نظر می رسید. فقط دامنه ثابت با مقداری ضریب تقویت توان “A” افزایش می یابد. اما تقویت‌کننده‌های ایده‌آل وجود ندارند و حتی بهترین‌ها نیز تا حدی پالس را مختل می‌کنند.