Как возможно, чтобы передатчик мощностью 5 Вт воздействовал на 50 Ом при напряжении питания 12 В?

Ключом ко всему этому является «согласование импеданса». Вам нужно, чтобы усилитель думал, что он управляет низким импедансом (чтобы он мог получать большой ток от источника питания 5 В и, таким образом, генерировать большую мощность). Затем вам «волшебным образом» нужно преобразовать эти токи, чтобы управлять 50 Ом при гораздо более высоком напряжении.

Это делается с помощью схемы согласования импеданса. Когда вы записываете уравнения, управляющие сетью, она должна выглядеть (на интересующей частоте — эти вещи должны быть настроены для работы) как низкое сопротивление на входе и высокое (50 Ом) сопротивление на выходе.

Есть много способов добиться согласования импеданса: если ваш входной импеданс составляет 5 Ом, и вы хотите согласовать выходной импеданс 50 Ом на частоте 27 МГц, вы можете использовать простую LC-схему.

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

который я «вычислил», используя http://home.sandiego.edu/~ekim/e194rfs01/jwmatcher/matcher2.html и введя соответствующие параметры.

Здесь происходит то, что переменное напряжение на источнике (с импедансом R1) направляет ток в резонансный LC-контур. Поскольку они имеют последовательное включение, они выглядят как низкоимпедансные, но на самом деле перепады напряжения, которые могут быть достигнуты на выходе, очень велики — намного выше, чем входные напряжения. Записав импеданс C1 как Z1 (=1/jwC) и импеданс L1 как Z2 (jwL), вы видите, что их можно комбинировать:

R1 и Z1 последовательно:$X_1 = R_1 + Z_1$
R2 и Z2 параллельно:$X_2 = R_2 * Z_2 / (R_2 + Z_2)$

Теперь входное напряжение делится, поэтому выходное напряжение равно

$V_{out}/V_{in} = X_2 / (X_1 + X_2)$

Теперь мнимый член внизу отменяется, когда

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

или

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

Если R1 равно нулю и$\omega = \sqrt{\frac{1}{LC}}$, вы можете подавать практически любое напряжение на R2, даже не генерируя напряжение на входе, потому что ваш ток через C1 идеально согласуется с током, протекающим в L1. Но эти изменения тока создают напряжение на L1 и, следовательно, на R2. Все дело в том, что последовательная LC-цепь имеет гораздо более низкий импеданс при резонансе — напряжение на конце меняется меньше, чем напряжение в точке между L и C.

Вышеупомянутая ссылка дает вам множество альтернативных схем, которые будут делать то же самое, но в конечном итоге для эффективного передатчика вы хотите иметь реальный импеданс на интересующей частоте (без отражения) - и согласующая схема достигает этого для вас, почти любой импеданс (при правильных значениях компонентов, разумеется).

Если вы посмотрите на любую из этих схем, катушки индуктивности повсюду. Есть много способов генерировать более высокие напряжения без использования трансформатора. Действительно, посмотрите на искровую катушку, используемую в автомобилях. Вы генерируете огромные напряжения, создавая ток, а затем прерывая его, и это устройство «бестрансформаторное». Эти схемы работают по-разному, но основная идея повышения напряжения при изменении тока применима к обеим. «Могучий микрофон» (первое звено) резонирует с цепочкой «Пи» и «Т» с конденсаторной связью. Конструкция Lythal (вторая ссылка) также является резонансной, но с трансформатором даже указано, что не следует использовать ферритовую пластину (которая дает потери), поскольку она ослабила бы резонанс.

Выходное сопротивление транзистора драйвера может быть довольно низким. Таким образом, ВЧ-усилитель может потреблять большой ток. Скажем, полампера, при 12 В это будет около 6 Вт. Похоже на 24 Ом. Затем пройдите через трансформатор, чтобы согласовать это до 50 Ом на антенне. Напряжение выше, ток ниже, а мощность та же.

Во-первых, ваши расчеты напряжения неверны. При подаче питания 12 В через трансформатор или катушку индуктивности напряжение в средней точке составляет 12 В постоянного тока, а максимальное колебание напряжения составляет 24 В пик-пик. Таким образом, на 50 Ом он может производить в 4 раза больше мощности, чем вы рассчитали.

Вы правы, что для того, чтобы поместить среднеквадратичную синусоидальную волну 5 Вт на 50 Ом, вам нужно почти 45 В пик-пик. Если конечное выходное напряжение усилителя составляет всего 24 В пик-пик, вам понадобится повышающий трансформатор или другая схема согласования импеданса без потерь. Чтобы увеличить напряжение, выходное сопротивление просто должно быть выше входного сопротивления.

Объяснение согласования импеданса в основном правильное, но немного мнимое (каламбур). Чтобы ответить на вопрос ОП, мы можем получить «усиление» через настроенную радиочастотную схему. Он резонирует, «усиливая» входную мощность за счет нагруженной добротности настроенной схемы. Здесь это достигается путем преобразования большого количества коммутируемого тока, любезно предоставленного выходным устройством, в настроенную мощность схемы. Нагруженная добротность довольно низкая (~5), чтобы обеспечить достаточную рабочую полосу пропускания и уменьшенный динамический импеданс для пропускания тока. Таким образом, ограниченные 12-вольтовые «импульсы тока» могут стать 60-вольтовой синусоидальной настроенной выходной схемой для теоретической мощности 72 Вт. Но мы никогда не достигнем этой нирваны из-за потерь, а вот 5Вт, конечно, выполнимо. Больше силы ? Просто увеличьте ток переключения выходных устройств.