4.1. Общие принципы построения схем

Из общей теории генераторов с внешним возбуждением (ГВВ) известно, что в его цепях протекают постоянные токи и переменные токи основной частоты (первой гармоники) и высших гармоник. В связи с этим при составлении схем генераторов необходимо исходить из следующих основных положений:

• Постоянные составляющие токов должны протекать через источник питания и основной потребитель энергии постоянного тока – электронный прибор. Все другие элементы принципиальной схемы, включенные по постоянному току последовательно или параллельно с электронным прибором приведут к дополнительным потерям энергии источника питания.
• Ток первой гармоники, генерируемый электронным прибором, должен протекать через полезную нагрузку. Включение любых элементов схемы (например, источника питания) последовательно или параллельно нагрузке приведет к дополнительным потерям колебательной мощности генератора.
• В схемах, которые будут рассмотрены ниже, для токов высших гармоник желательно обеспечить минимальное сопротивление внешних цепей, так как, создавая падение напряжения на элементах схемы, высшие гармоники могут вызвать существенное изменение режима генератора и, как следствие, уменьшение колебательной мощности и коэффициента полезного действия. Следует однако отметить, что в специальных режимах генератора (бигармоническом, «ключевом») высшие гармоники могут быть использованы и для повышения мощности и к.п.д..

Применяя рассмотренные условия к анодной цепи, можно составить три идеальных схемы по переменному (I_a1,I_an) и постоянному току (I_a0) (рисунок 4.1). Очевидно, что наложение идеальных схем невозможно, поэтому на практике прибегают к помощи «блокировочных» элементов.

Рисунок 4.1. Идеальные схемы анодной цепи

Такими элементами обычно служат конденсаторы, сопротивление которых на рабочей частоте должно быть минимальным, и катушки индуктивности (дроссели). Дроссель должен иметь максимально возможное сопротивление для переменного тока и минимальное для постоянного.

Блокировочные элементы всегда имеют конечную величину сопротивления, и обеспечить идеальное выполнение приведенных выше условий естественно не удается. Поэтому при выборе блокировочных элементов следует четко представлять с каким сопротивлением схемы надо сопоставлять сопротивление блокировочной емкости или дросселя.

Важное значение имеет правильный выбор места включения блокировочных элементов и источника питания. Рассмотрим две схемы включения источника питания. На рисунке 4.2а источник питания подключен между анодом лампы и контуром. Поскольку ни один из выводов источника питания не имеет заземления, его «паразитная» емкость относительно «земли» C_n оказывается включенной параллельно колебательному контуру. Паразитная емкость источника обычно довольно велика, в результате величина характеристического сопротивления контура и эквивалентное сопротивление контура (Q´- нагруженная добротность) может оказаться недостаточной для обеспечения заданного режима по напряженности. Очевидно, что влияние паразитной емкости тем сильнее, чем выше частота генератора.

Рисунок 4.2. Схемы включения источника питания

Исключить влияние емкости источника питания можно путем включения его в разрыв проводника, имеющего нулевой потенциал относительно земли (рисунок 4.2б). Аналогично следует поступать и с блокировочными элементами, которые также могут вносить в схему значительные емкости (вследствие значительных габаритов).

4.2. Схемотехника ламповых генераторов

4.2.1. Схемы анодной цепи генератора

Основные элементы анодной цепи генератора - лампа, источник питания и колебательная система могут быть включены параллельно либо последовательно. Соответственно различают параллельную и последовательную схемы питания анодной цепи.

Остановимся подробнее на каждой из этих схем. Вариант схемы последовательного питания анодной цепи приводится на рисунке 4.3а

Рисунок 4.3. Схемы последовательного питания анодной цепи

Блокировочная емкость в этой схеме (С_бл) должна быть выбрана таким образом, чтобы падение напряжения на ней от токов высокой частоты было незначительным по сравнению с напряжением на контуре. Для этого необходимо выполнить условие

Практически оказывается достаточно обеспечить сопротивление блокировочной емкости в 50-100 раз меньше R_ое, т.е.

(4.1)

Это уравнение можно использовать для сравнения блокировочной емкости с емкостью контура; , поэтому полагая , на основании (4.1) получим

Индуктивность блокировочного дросселя выбирается так, чтобы его сопротивление на рабочей частоте было значительно больше сопротивления блокировочного конденсатора

На практике можно ограничиться соотношением

В рассматриваемой схеме анодной цепи источник питания и блокировочные элементы включены в цепь, имеющую нулевой потенциал относительно земли. Поэтому влияние их паразитных емкостей на контур исключается. Это достоинство схемы обусловило ее применение в диапазонах выше 3 МГц. Основной недостаток схемы - наличие высокого напряжения источника питания на элементах контура относительно земли. В результате усложняется конструкция контура, т.к. требуется тщательная изоляция его элементов и органов перестройки от корпуса передатчика.

Если контур перестраивается конденсатором, можно построить схему последовательного питания частично свободную от указанного недостатка (рисунок 4.3б). В этом случае контурный конденсатор заземлен и не требуется изоляция контура от органа настройки. Однако катушка контура должна быть тщательно изолирована. Кроме того, появляются другие недостатки. В частности, на контурном конденсаторе кроме переменного напряжения оказывается сосредоточено постоянное напряжение источника питания. Усложняются и условия работы блокировочного конденсатора, т.к. через него теперь протекает контурный ток, который в Q´ раз превышает анодный.

На рисунке 4.4а представлен вариант последовательной схемы питания при неполном включении контура. Здесь оба конца контурной катушки находятся под высоким потенциалом, поэтому блокировочный дроссель шунтирует часть контура. Чтобы отвести контурный ток, проникающий через дроссель, от источника питания, непосредственно у контура ставится блокировочный конденсатор Сбл. Сопротивление дросселя должно быть значительно больше сопротивления той части контура, параллельно которой подключен дроссель

Контурные конденсаторы в этой схеме должны быть рассчитаны на сумму переменного и постоянного напряжения источника питания.

В схеме на рисунке 4.4б точка подключения дросселя L_бл выбирается так, чтобы он оказался в диагонали моста, образованного контурными конденсаторами и катушкой индуктивности. При условии L1·C1 =L2·C2 мост сбалансирован и переменного напряжения на дросселе нет.

Рисунок 4.4. Варианты схем последовательного питания анодной цепи

В связи с этим, величина индуктивности дросселя может быть небольшой. Следует однако иметь ввиду, что баланс моста может быть сохранен лишь при сопряженной настройке контура двумя переменными конденсаторами так, как это показано на рисунке 4.4. В этом случае соотношение С1/С2 может оставаться неизменным.

Постоянное напряжение на контурных конденсаторах отсутствует в схеме на рисунке 4.4б. Однако в этом случае требуется два блокировочных дросселя, а колебательный контур оказывается под напряжением источника питания.

Схемы параллельного питания анодной цепи приведены на рисунке 4.5

Здесь постоянной составляющей анодного тока отведена специальная цепь через блокировочный дроссель. Чтобы исключить возможность короткого замыкания источника питания через дроссель и контурную катушку, в цепь переменной составляющей анодного тока введен разделительный конденсатор (С_р). Блокировочный конденсатор (С_бл), который отводит переменный ток от источника питания, выбирается из следующего условия

В схеме параллельного питания блокировочные элементы L_бл и С_р подключены к аноду лампы; при этом контур шунтируется паразитными емкостями блокировочных элементов относительно земли. Это обстоятельство ограничивает область применения схемы диапазонами НЧ и СЧ, где собственная емкость контура достаточно велика.

Рисунок 4.5. Схемы параллельного питания анодной цепи

Согласно идеальным схемам анодной цепи, индуктивность блокировочного дросселя следует брать по возможности большей величины. Однако рост паразитной емкости с увеличением размеров дросселя заставляет ограничивать величину L_бл. Кроме того, при длине провода дросселя, сравнимой с длиной волны, он ведет себя как отрезок длинной линии с коротким замыканием на заземленном конце (через источник питания; см. рисунок 4.5в). Входное сопротивление такой линии

Z = j W tg(2π l_пр/λ),

где W – волновое сопротивление линии;

L_пр – длина провода дросселя.

Очевидно, что при l_пр=nλ/2 (n=1,2,3...), входное сопротивление дросселя равно 0 и контур закорочен на землю по высокой частоте. Поэтому длину провода выбирают так, чтобы во всем рабочем диапазоне волн дроссель имел индуктивный характер входного сопротивления

l_пр ≤ λ_мин/4 (4.2)

Здесь λ_мин – минимальная длина волны рабочего диапазона.

Блокировочный дроссель по высокой частоте включен параллельно индуктивности контура. Чтобы уменьшить шунтирующее действие дросселя, его индуктивность выбирается из условия L_бл>>L_к.

С учетом (4.2), практически берут L_бл = 50Lк.

Емкость разделительного конденсатора выбирают следующим образом

R_oe >> 1/ωCp

На практике, с целью уменьшения паразитной емкости разделительного конденсатора, пользуются следующим соотношением

Основное достоинство параллельной схемы питания - отсутствие необходимости изолировать элементы контура от корпуса передатчика. Это достоинство предопределило ее применение в мощных передатчиках диапазона НЧ и СЧ.

Вариант параллельного питания при неполном включении контура приведен на рисунке 4.5б. Особенностью этой схемы является включение дополнительного дросселя L2_бл. Этот дроссель закорачивает контурные конденсаторы по постоянному току, в результате чего все напряжение источника питания приложено к разделительному конденсатору, который на это рассчитан.

4.2.2. Схемы сеточных цепей

Схема цепи управляющей сетки включает элементы связи между каскадами, источник смещения и блокировочные элементы.

Связь между каскадами может быть осуществлена с помощью контура или трансформатора. Многоконтурные схемы связи в ламповых генераторах практически не используются вследствие чрезмерного усложнения процесса настройки передатчика.

Рассмотрим некоторые варианты одноконтурных схем.

На рисунке 4.6а приведена трансформаторная схема связи, в которой путем изменения взаимоиндуктивности М можно плавно регулировать напряжение возбуждения. Однако применяется такая схема довольно редко, т.к. требует довольно сложного вариометра. Кроме того, схему трансформаторной связи практически не удается использовать в диапазоне ВЧ. Это объясняется тем, что входная емкость лампы С_вх совместно с катушкой связи образует неперестраиваемый паразитный контур. Резонансная частота этого контура обычно лежит в пределах ВЧ диапазона, поэтому при работе на частоте выше резонансной сопротивление контура имеет емкостный характер. В результате коэффициент передачи трансформатора с ростом частоты существенно уменьшается и обеспечить требуемую величину напряжения возбуждения не удается.

Рисунок 4.6. Трансформаторная схема связи между каскадами

Такой вывод нетрудно сделать на основании эквивалентных схем, представленных на рисунке 4.6б, где L_s – индуктивность рассеяния трансформатора; C_э – эквивалентная емкость паразитного контура.

Большее применение находит автотрансформаторная (кондуктивная) схема связи (рисунок 4.7а). Входная емкость лампы в этом случае компенсируется при настройке контура в резонанс, а требуемую амплитуду возбуждения всегда можно получить соответствующим выбором точки подключения к контуру.

На практике используется и емкостная схема связи (рисунок 4.7б)

Рисунок 4.7. Схемы связи между каскадами

Достоинством этой схемы является повышенная устойчивость к самовозбуждению на частотах диапазона ОВЧ и УВЧ. Объясняется это тем, что емкость С2 (обычно значительной величины) подключена параллельно участку сетка-катод. В результате входное сопротивление генератора для высокой частоты паразитных колебаний понижается, уменьшается глубина паразитной положительной обратной связи и, как следствие, устраняется опасность самовозбуждения. Емкость С2 целесообразно размещать непосредственно на выводах сетки и катода с тем, чтобы исключить влияние паразитных индуктивностей соединительных проводников. В диапазонах ВЧ и УВЧ в качестве С2 можно использовать входную емкость лампы; емкость С1 изменяют (плавно или ступенчато) с целью регулировки амплитуды возбуждения.

Основные элементы сеточной цепи – источник возбуждения, лампа и источник смещения могут быть включены последовательно или параллельно. В зависимости от этого различают схемы последовательного или параллельного питания сеточной цепи.

Схема последовательного питания обычно применяется при трансформаторной схеме связи (рисунки 4.6, 4.8). Ее основное достоинство – простота, т.к. требуется лишь один блокировочный элемент С_бл . Во всех остальных случаях как правило используется схема параллельного питания. В таких схемах приходится включать два или три блокировочных элемента (рисунок 4.7).

Разделительная емкость С_р в диапазоне НЧ выбирается следующим образом

где R_вх = U_c / J_вх

Для диапазонов СЧ, ВЧ и ОВЧ Ср = (20 – 30)Свх

На рисунке 4.7б разделительный конденсатор отсутствует, т.к. его функцию выполняет конденсатор С1.

Блокировочный дроссель L_бл исключает короткое замыкание источника возбуждения через источник смещения. Величина его индуктивности для схемы на рисунке 4.7а выбирается в пределах (30 – 50)Lc. Для схемы 4.7б L_бл = (30 – 50)/ωС2.

Емкость блокировочного конденсатора подбирается следующим образом .

При использовании в предварительном тракте передатчика широкополосных усилителей мощности сеточная цепь лампового каскада должна представлять собой чисто активную нагрузку во всем рабочем диапазоне передатчика. Такое условие может быть выполнено при использовании генераторных тетродов, способных отдавать номинальную мощность без тока управляющей сетки. Входное сопротивление лампы в этом случае имеет чисто емкостный характер. Чтобы обеспечить активное входное сопротивление генератора, на входной емкости собирается звено фильтра нижних частот (ФНЧ), нагруженное на согласованный резистор R_б (рисунок 4.8).

Рисунок 4.8. Схема широкополосной связи между каскадами

Подстроечный конденсатор С_п совместно с входной емкостью лампы образует емкость Т-образного звена ФНЧ, волновое сопротивление которого определяется соотношением

, где

Решение этой системы уравнений позволяет определить параметры элементов фильтра L и R_б по заданной частоте среза фильтра ω_с и известной входной емкости С_вх.

Подстроечная емкость С_п выбирается величиной (0.1 – 0.2)С_вх.

В рассмотренных выше схемах напряжение смещения на управляющую сетку подается от отдельного источника. Этим источником обычно является выпрямитель. Однако, выпрямитель не может пропустить постоянную составляющую сеточного тока из-за наличия в его схеме вентиля (см. рисунок 4.9а). Поэтому напряжение смещения с выпрямителя на сетку подается через реостатный делитель (рисунок 4.9б), ток которого должен в несколько раз превышать ток сетки. В противном случае, смещение будет зависеть от тока сетки и, следовательно, от режима генератора.

Рисунок 4.9. Схема подачи смещения от выпрямителя

На практике зависимость напряжения смещения от тока I_co может оказаться полезной. В таких случаях применяется «автоматическое» сеточное смещение, при котором необходимость в специальном источнике отпадает (рисунок 4.10).

Рисунок 4.10. Схема автоматического сеточного смещения

Напряжение смещения в этом случае определяется следующим образом

E_c = -I_co·R_c.

Емкость блокировочного конденсатора определяется неравенством .

Схемы питания второй (экранирующей) сетки представлены на рисунке 4.11. Резистор R_o включается для ограничения тока второй сетки в аварийной ситуации, когда анодное напряжение пропадает, или резко снижается. Величина его сопротивления выбирается так, чтобы при увеличении тока экранирующей сетки на порядок на R_o было погашено все напряжение питания.

Рисунок 4.11. Схемы питания экранирующей сетки

I_co2 – ток второй сетки в рабочем (нормальном) режиме. Если к источнику Е_с2 подключены другие цепи передатчика, в схему следует ввести блокировочный дроссель. Расчет блокировочных элементов ведется следующим образом

Если в схеме генератора используется пентод, блокировочные элементы в цепи защитной сетки рассчитываются аналогично. Необходимо только учитывать, что при Е_с3 ≤ 0 ток защитной сетки отсутствует.

4.2.3. Схемы питания цепей накала мощных генераторных ламп

В генераторных лампах мощностью свыше 0,5 - 1 кВт применяются, как правило, катоды прямого накала. Подогревные катоды в мощных лампах не используются, т.к. вследствие низкой эффективности они требуют значительных затрат электроэнергии на подогрев. Питание катодов прямого накала осуществляется переменным током промышленной частоты (50 Гц). Поэтому в генераторе может появиться помеха (фон) с частотой 50 Гц, или кратной ей. Для выяснения причин появления фона с частотой 50 Гц обратимся к рисунку 4.12а, который соответствует простейшему варианту питания катода прямого накала. В этой схеме конденсатор С_бл необходим для обеспечения кратчайшего пути переменным составляющим тока катода на землю. Элементы сеточной цепи - L_бл и источник смещения для тока с частотой 50 Гц имеют незначительное сопротивление, поэтому можно считать, что по частоте 50 Гц сетка заземлена. Тогда оказывается, что правый (по схеме) конец катода соединен с сеткой, а между левым концом и сеткой приложено все напряжение накала U_н. Складываясь с напряжением смещения, напряжение накала вызывает паразитную модуляцию анодного тока.

Рисунок 4.12. Схемы питания цепи накала

Для устранения этого явления схема питания цепи накала должна быть выполнена согласно рисункам 4.12б или 4.12в.В этих схемах блокировочная емкость разделена на две части и средняя точка заземлена. Для постоянной составляющей катодного тока в этих случаях необходима дополнительная цепь на землю, которая создается либо заземлением средней точки вторичной обмотки трансформатора, либо искусственной средней точки, образованной реостатным делителем. При таком построении схемы, напряжение накла приложенное к сетке относительно противоположных концов катода, оказываются противофазными. В результате, глубина паразитной модуляции фоном существенно уменьшается. Схемы на рисунках 4.12б и 4.12в приблизительно равноценны, однако, в последней схеме легче выполнить точный вывод средней точки, поэтому она получила наибольшее распространение.

За счет тока I_ко на резисторах делителя R_н появляется напряжение автоматического смещения ΔЕс и расходуется часть мощности источника анодного питания. Кроме того, в резисторах R_н выделяется и мощность, обусловленная напряжением накала. Потери в резисторах получаются минимальными, если они выбраны следующим образом

R_н = U_н/I_ко

Величина мощности в делителе и дополнительное напряжение автосмещения определяются по формулам

При питании катода прямого накала переменным током может возникнуть также и фон с частотой 100Гц. Такой фон является следствием «магнетронного» эффекта, сущность которого поясняется рисунком 4.13

Рисунок 4.13. Магнетронный эффект

При максимальных значениях тока накала (i_н) напряженность (Н) магнитного поля достигает таких значений, что траектория перемещения электронов эмитированных катодом искривляется, и часть из них возвращается на катод. В результате возникает фон с частотой 100 Гц. Амплитуда пульсаций, обусловленных магнетронным эффектом, может быть существенно уменьшена в специальных лампах с трех фазным катодом, а также в генераторах содержащих 3 или 6 ламп. В первом случае изменение суммарного поля катода незначительно, поэтому и амплитуда пульсаций невелика. Слабый остаточный фон в этом случае имеет частоту 300 Гц. При использовании в генераторе трех (шести) ламп, цепи накала следует питать от отдельных фазных (линейных) напряжений. При этом ток эмиссии каждой лампы будет содержать пульсации обусловленные магнетронным эффектом, однако в суммарном токе трех ламп амплитуда пульсаций будет невелика. Если в генераторе используется две лампы включенные параллельно или по двухтактной схеме, цепи накала питают напряжениями, сдвинутыми по фазе на 90° относительно друг друга. Такая схема, представлена на рисунке 4.14 (Схема «Скотта»). Принцип ее работы поясняется векторной диаграммой. Напряжение на первичной обмотке трансформатора лампы U_н2 определяется линейным напряжением U_н2 = U_ab , а напряжение U_н1 представляет собой векторную сумму

Рисунок 4.14. Схема Скотта

В результате напряжения U_н1 и U_н2 оказываются сдвинутыми по фазе на 90° . Амплитуды их различны и поэтому различны коэффициенты трансформации накальных трансформаторов:

;

Поскольку напряжения накала сдвинуты по фазе на 90°, пульсации эмиссионного тока ламп, имеющие удвоенную частоту, оказываются сдвинутыми на 180°. В результате суммарный ток двух ламп меняется незначительно (рисунок 4.15), а остаточный фон имеет частоту 200Гц.

Рисунок 4.15. Волновая диаграмма схемы Скотта

Аналогично может быть составлена схема для 4-х ламп, обеспечивающая сдвиг фаз напряжений накала на 45°.

Основой катода мощных генераторных ламп является вольфрамовая нить. Поэтому электрическое сопротивление катода зависит от температуры разогрева. В холодном состоянии катод имеет сопротивление в 14 раз меньше, чем в разогретом и, следовательно, включение катода в холодном состоянии на полное напряжение накала недопустимо.

Значительная величина пускового тока вызывает перемещение нити накала в собственном магнитном поле. Механическая деформация катода может привести к разрушению мест крепления катода, растрескиванию стекла у выводов; возможен обрыв нити накала. Для ограничения пускового тока применяют регулировочные реостаты, автоматические устройства для постепенного увеличения напряжения накала, либо специальные накальные трансформаторы с повышенной индуктивностью рассеяния. Для нормальной работы катода пусковой ток не должен превышать номинальное значение более чем в 1.5 раза.

4.2.4. Схема генератора с общей сеткой

Два варианта схемы с общей сеткой приведены на рисунке 4.16. В схеме с общей сеткой катод должен быть изолирован относительно земли по высокой частоте и соединен с нею по постоянному току.

Рисунок 4.16. Схемы генератора с общей сеткой

Поэтому для разделения высокочастотных цепей и цепей постоянного тока, в схему включаются дополнительные блокировочные элементы, отсутствующие в схеме с общим катодом. Такими элементами являются катодные дроссели и блокировочные конденсаторы (L_к;С_к). Дроссели отделяют катод по высокой частоте от земли и обеспечивают цепь для постоянного тока катода.

Индуктивность катодного дросселя не должна заметно шунтировать входное сопротивление генератора

(4.3)

Индуктивность L_к следует выбирать в разумных пределах, т.к. с увеличением габаритов дросселя растет длина провода, которым он намотан, и паразитная емкость на землю. Удлиннение провода приводит к росту потерь мощности накала на собственном активном сопротивлении дросселя. Кроме того, при провод дросселя, подобно короткозамкнутой линии, ведет себя как последовательный резонансный контур вблизи резонанса. Поэтому при конструировании дросселя следует учитывать, что длина провода дросселя должна на всех частотах удовлетворять условию .

Указанные причины заставляют ограничивать условие (4.3) следующими пределами . Конденсаторы С_к отделяют катод лампы генератора от контура предшествующей ступени по постоянному току. Благодаря применению двух разделительных конденсаторов, удается сохранить эквипотенциальность катода относительно сетки по напряжению накала. Сопротивление конденсаторов должно быть значительно меньше входного сопротивления генератора, т.к. в противном случае на них будет выделяться значительная часть напряжения возбуждения . На практике достаточно выполнить условие:

В схеме на рисунке 4.16а конденсатор С_бл обеспечивает заземление управляющей сетки по высокой частоте, и отделяет ее от земли по постоянному току. Следует иметь в виду, что часть первой гармоники анодного тока протекает через конденсатор С_бл по цепи, образованной междуэлектродной емкостью С_ас . При этом в цепи сетки появляется напряжение паразитной связи U1 . Для нормальной работы генератора напряжение U1 должно быть значительно меньше напряжения возбуждения U_c. Это условие может быть выполнено, если С_бл >> C_ac. Практически С_бл выбирается следующим образом:

Индуктивность блокировочного дросселя выбирается как обычно

;

Использование в цепи сетки блокировочного конденсатора крайне нежелательно в мощных генераторах ВЧ и ОВЧ диапазонов. Дело в том, что с увеличением мощности генераторной лампы, увеличивается емкость С_ас. Для уменьшения глубины паразитной обратной связи приходится соответственно увеличивать емкость С_бл. При этом неизбежно растут размеры конденсатора С_бл и понижаются его собственные резонансные частоты, обусловленные распределенными индуктивностями и емкостями. На частотах, близких к резонансным, реактивное сопротивление блокировочного конденсатора резко возрастает. В результате, увеличивается напряжение паразитной обратной связи в цепи сетки, которое может оказаться причиной самовозбуждения генератора. Паразитное самовозбуждение обычно возникает на частотах, близких к рабочим. Поэтому его устранение связано с большими трудностями, особенно в диапазонных, перестраиваемых передатчиках.

Указанного недостатка нет в схеме на рисунке 4.16б, где сетка непосредственно заземлена, а смещение поступает на сетку с резистора, включенного в цепь постоянной составляющей катодного тока (R_к). Недостатком этой схемы является значительная мощность потерь на резисторе катодного смещения и уменьшение анодного напряжения на величину напряжения смещения.

;

В схеме с общей сеткой может быть включен и мощный тетрод. На первый взгляд такое включение может показаться неестественным, т.к. этот прибор, в свое время, был предложен для работы именно в схеме с общим катодом. Необходимость использования тетродов в схеме с общей сеткой вызвана следующими причинами:

1. Номинальная мощность вновь разрабатываемых тетродов постоянно растет. Соответственно увеличиваются размеры и междуэлектродные емкости лампы, а также паразитные емкости монтажа. Устойчивость генератора к самовозбуждению при этом безусловно падает.
2. В современных передатчиках используются устройства авто-матической настройки и автозагрузки генератора, цепи которых могут образовывать дополнительные пути для паразитных связей и наводок.

По этим причинам тетроды в схеме с общим катодом работают неустойчиво, особенно в диапазонах ВЧи ОВЧ. Схема с общей сеткой на тетроде, благодаря экранирующему действию двух сеток, более устойчива к самовозбуждению, чем аналогичная схема на триоде. Кроме того, высокая крутизна характеристики тетрода позволяет получить больший коэффициент усиления по мощности ( на 30 – 50 %).

Цепи питания тетрода в схеме с общей сеткой не имеют каких либо принципиальных особенностей. Следует только отметить, что экранная сетка по высокой частоте должна быть обязательно заземлена. При соединении экранирующей сетки с катодом проходная емкость схемы будет определяться емкостью между анодом и экранирующей сеткой, величина которой значительно больше, чем емкость между анодом и катодом.

4.2.5. Совместная работа генераторных ламп на общую нагрузку

При проектировании генератора далеко не всегда удается подобрать лампу с подходящей номинальной мощностью. В таких случаях приходится использовать в генераторе несколько ламп работающих на общую нагрузку.

Простейшим вариантом работы нескольких ламп на общую нагрузку является включение их параллельно друг другу. Схема параллельного включения показана на рисунке 4.17. Все одноименные электроды соединены по высокой частоте. По постоянному току цепи сеток разделены для того, чтобы можно было осуществить индивидуальный подбор и контроль режима ламп, параметры которых могут несколько отличаться.

Рассмотрим влияние асимметрии схемы на режим генератора при парал-лельном включении двух ламп. Основными причинами асимметрии схемы генератора являются различие одноименных параметров ламп и правильный монтаж генератора. В случае несимметричного монтажа анодные токи ламп могут отличаться не только по амплитуде, но и по фазе. Кажущееся сопротивление нагрузки для одной лампы генератора можно определить следующим образом

(4.4)

Аналогично для второй лампы получим

При наличии фазового сдвига между токами ламп кажущееся сопротивление нагрузки для ламп будет комплексным (при точной настройке контура в резонанс); в случае неравенства амплитуд анодных токов, кажущиеся сопротивления будут отличаться и по модулю. Причем для лампы с меньшим током режим будет более напряженным и наоборот. Этот вывод следует непосредственно из (4.4). Действительно, если , то и, следовательно, напряженность режима у первой лампы будет выше, чем у второй.

Колебательная мощность при изменении нагрузки достигает максимума в критическом режиме, поэтому изменение напряженности режима как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения напряженности неизбежно приведет к снижению колебательной мощности генератора. Если при этом одна из ламп окажется в недонапряженном режиме (ННР), то снижается и к.п.д. генератора. Комплексный характер нагрузки при фазовой асимметрии также приводит к снижению мощности и к.п.д. .

В качестве частного примера рассмотрим случай выключения одной из ламп генератора, работающего в критическом режиме.

Рисунок 4.17. Схема параллельного включения генераторных ламп

Согласно (3.1) для симметричной схемы . После выключения второй лампы . В результате уменьшения сопротивления нагрузки в 2 раза, режим работающей лампы станет недонапряженным, вдвое уменьшится . Соответственно, в два раза уменьшится колебательная мощность, отдаваемая оставшейся лампой. Общая же мощность генератора упадет в 4 раза . Мощность, потребляемая от источника работающей лампой, останется прежней (в ННР ток слабо зависит от сопротивления нагрузки), а мощность потребляемая генератором сократится вдвое . Определим мощность потерь на аноде оставшейся лампы

, где Р_а = Р_о - Р₁

Учитывая, что в критическом режиме к.п.д. генератора η_кр ≈ 0,7

Окончательно получим .

Таким образом, рассеиваемая на аноде работающей лампы мощность равна мощности потерь на анодах двух ламп симметричного генератора. Иначе говоря, при отключении одной из ламп мощность потерь на аноде другой увеличилась вдвое.

Подведем итог анализа параллельной работы генераторных ламп:

1. Параллельное включение ламп требует тщательного симметрирования конструкции генератора и режимов ламп. В противном случае снижается мощность и к.п.д. генератора.
2. При параллельном включении мощных ламп существенно увеличивается протяженность соединительных шин. Совместно с паразитными емкостями схемы, собственные индуктивности шин образуют множество дополнительных контуров, на резонансных частотах которых возможно появление паразитных колебаний.
3. При параллельной работе ламп существенно снижается надежность генератора, т.к. при выходе из строя одной лампы вторая не может работать вследствие резкого увеличения мощности потерь на аноде.

Двухтактная схема (рисунок 4.18) представляет собой другой вариант совместной работы генераторных ламп.

Рисунок 4.18. Схема двухтактного включения генераторных ламп

Для нормальной работы схемы напряжение возбуждения на сетки ламп подается в противофазе. Поэтому в случае полной симметрии схемы анодные токи равны по величине и сдвинуты по фазе на 180° (рисунок 4.19).

Рисунок 4.19. Волновая диаграмма двухтактного генератора

Первые гармоники анодного тока (а также все нечетные) протекают через анодный контур в одном направлении, а в общем проводе в противоположных. В результате для симметричной схемы в общем проводе токи первой гармоники отсутствуют. Четные гармоники оказываются синфазными, и поэтому в общем проводе складываются, а на контуре создают противофазные напряжения так, что между анодами напряжения четных гармоник нет. Токов четных гармоник нет в индуктивности контура, т.к. их магнитные поля взаимно компенсируются.

Анализ двухтактной схемы показывает, что асимметрия в двухтактной схеме приводит к тем же последствиям, что и в случае параллельного включения ламп.

Рассмотрим некоторые особенности двухтактного генератора. Как уже было отмечено выше, ток первой гармоники при полной симметрии отсутствует в общем проводе. Тем не менее, емкостную ветвь целесообразно заземлить с тем, чтобы обеспечить минимальное сопротивление цепи для четных гармоник. Одновременное заземление по высокой частоте средней точки индуктивности недопустимо, т.к. из-за неточного определения середины катушки, средние точки индуктивной и емкостной ветвей могут оказаться не эквипотенциальными, а их соединение вызовет асимметрию в работе ламп. Если питание анодной цепи двухтактного генератора – последовательное (рисунок 4.20а), то источник питания включается в индуктивность контура через блокировочный дроссель. Величины индуктивности и емкости блокировочных элементов могут быть значительно меньше, чем для схемы последовательного питания в однотактном варианте.

Рисунок 4.20. Варианты двухтактных схем

В схеме на рисунке 4.20а контурные конденсаторы должны быть рассчитаны на сумму переменного и постоянного анодных напряжений. Постоянное напряжение с контурных конденсаторов можно убрать, устранив среднюю точку емкостной ветви, т.к. в этом случае катушка контура закорачивает контурный конденсатор по постоянному току (рисунок 4.20б). При этом увеличивается сопротивление анодных цепей для четных гармоник, что в конечном счете приведет к увеличению уровня излучения этих гармоник на выходе передатчика. Применение такой схемы оправдано лишь в предварительных ступенях, где подавление четных гармоник не имеет столь важного значения. В выходной ступени передатчика более рационально применение схемы представленной на рисунке 4.20в, в которой емкостная ветвь заземляется через блокировочный конденсатор. Однако такая схема требует удвоенного количества блокировочных элементов.

Отметим некоторые достоинства двухтактной схемы:

• В двухтактной схеме существенно упрощается задача блокирования источников питания от токов высокой частоты. Даже при неполной симметрии схемы через блокировочные элементы протекают лишь небольшие уравнительные токи.
• некоторых случаях возможен полный отказ от блокировочных элементов за счет тщательного симметрирования конструкции генератора. Это обстоятельство особенно важно для генераторов, работающих в импульсном режиме, или с широкополосными видами модуляции. Блокировочные элементы в этих случаях могут существенно исказить форму сигнала.
• Двухтактная схема удобна при необходимости осуществления связи с симметричной нагрузкой (фидером или антенной).
• При индуктивной связи с нагрузкой двухтактная схема позволяет ослабить уровень четных гармоник. Однако, вследствие остаточной асимметрии, уровень излучения на второй гармонике остается значительным. Поэтому и в случае двухтактной схемы приходится использовать дополнительные фильтры. Кроме того, токи четных гармоник проникают в нагрузочный контур через паразитные емкости между контурной катушкой и катушкой связи (рисунок 4.21).

Вибраторы антенны по четным гармоникам эквипо-тенциальны, тем не менее, антенна излучает четные гармоники как несимметричный вибратор относительно земли.

Рисунок 4.21. Схема проникновения четных гармоник в цепь антенны

Паразитные емкости между катушками могут быть умень-шены с помощью электро-статического экрана, Однако при этом увеличивается расстояние между катушками, уменьшается коэффициент связи и в результате далеко не всегда удается надлежащим образом загрузить генератор. Таким образом, последнее достоинство двухтактной схемы оказывается несущественным. Вместе с тем у двухтактной схемы имеются и существенные недостатки:

• Как и в случае параллельного соединения ламп в двухтактной схеме увеличивается опасность возникновения паразитных колебаний.
• Схема требует симметричного монтажа и подбора режима ламп.
• В двухтактном генераторе необходим двойной комплект деталей, вследствие чего снижается надежность генератора.
• Контур двухтактного генератора находится под удвоенным напряжением высокой частоты.

В силу указанных недостатков двухтактная схема находит ограниченное применение и постепенно вытесняется однотактной, которая обеспечивает более высокую надежность передатчика.

4.3. Схемотехника транзисторных генераторов

В современных радиопередающих устройствах транзисторные генераторы используются при выходных мощностях до 1 мегаватта в диапазонах НЧ и СЧ, до 30-50 кВт в диапазоне ВЧ и до 2-5 кВт в диапазоне ОВЧ. На более высоких частотах реализуемая мощность транзисторных передатчиков падает примерно обратно пропорционально рабочей частоте. В связи с этим, ведущие фирмы, занятые производством радиопередающих устройств, практически отказались от использования генераторных ламп в передатчиках диапазона НЧ-СЧ, а на более высоких частотах, при больших выходных мощностях, лампы используют лишь в выходных ступенях.

В передатчиках предназначенных для работы в широком диапазоне с перекрытием по частоте более 1,5 - 2 (как правило это передатчики НЧ – ВЧ и частично ОВЧ диапазонов) тракт предварительного усиления мощности строится по схемам широкополосного усиления. Это позволяет отказаться от необходимости его перестройки по частоте, упростить тем самым эксплуатацию передатчика и повысить его надежность за счет исключения из его схемы переключателей и подвижных органов настройки. Следует иметь в виду, что при работе в широком диапазоне частот трудно обеспечить оптимальный режим генератора, поэтому такие усилители мощности обычно не позволяют обеспечить высокий к.п.д. и имеют относительно низкий коэффициент усиления. Тем не менее, преимущества широкодиапазонных усилителей, перечисленные выше, оказываются более существенными и важными для эксплуатации передатчика.

Узкодиапазонные генераторы применяют в усилительных трактах УВЧ и более высокочастотных, когда относительный диапазон частот передатчика не превышает 1,2 и, когда трудно обеспечить приемлемый коэффициент усиления по мощности.

4.3.1. Схемы широкодиапазонных генераторов

В диапазонах НЧ и СЧ широкодиапазонные усилители мощности строятся с применением трансформаторов с магнитной связью между обмотками. При этом мощности до 5 - 10 Вт получают в однотактных схемах, где транзистор работает в режиме класса «А» с общим эмиттером. Заметим, однако, что современная элементная база позволяет в этом интервале мощностей использовать интегральные усилители на частотах до УВЧ диапазона. Более мощные усилители обычно двухтактные, в которых транзисторы для повышения к.п.д. работают с углом отсечки 90°. Это позволяет компенсировать на выходе четные гармоники и получить колебание по форме близкое к гармоническому без колебательной системы.

Вариант схемы двухтактного генератора НЧ-СЧ диапазона представлен на рисунке 4.22.

Рисунок 4.22. Схема генератора диапазона НЧ и СЧ

Здесь R_д – добавочный резистор, обеспечивающий симметричную форму импульса коллекторного тока; С – разделительные конденсаторы; Тр1, Тр2 – согласующие трансформаторы; L_бл - блокировочные дроссели в параллельной схеме питания коллекторной цепи; L - в базовой; R2– резисторы, подбором которых регулируется смещение на базах, для обеспечения симметрии режимов транзисторов. Последовательная схема питания (через среднюю точку выходного трансформатора) применяется редко, т.к. при не точном выводе средней точки возможно подмагничивание ферритового сердечника, вследствие чего в трансформаторе возникают нелинейные искажения. Дроссели L_бл имеют разомкнутую магнитную цепь и рассчитаны на подмагничивающий ток. На частотах выше 2 – 3 МГц обычные трансформаторы из-за большой индуктивности рассеяния не обеспечивают необходимой полосы пропускания, поэтому генератор строится с использованием трансформаторов на линиях. Линия образуется обмотками трансформатора, при этом полоса пропускания трансформатора практически не ограничена (при условии работы на согласованную нагрузку, отсутствии собственных потерь в линии и минимальной индуктивности соединительных проводников).

Вариант схемы генератора с использованием трансформаторов-линий представлен на рисунке 4.23. В этой схеме трансформаторы Тр1,Тр3 – обеспечивают переход от несимметричного входа (выхода) генератора к симметричному входу (выходу) двухтактной схемы. Для согласования входа и выхода генератора необходимы дополнительные трансформаторы, которые также выполняются на трансформаторах-линиях (ТЛ).

Рисунок 4.23. Схема генератора для диапазона ВЧ и ОВЧ

Трансформатор Тр2 обеспечивает магнитную связь плеч генератора, закорачивая коллекторную цепь генератора по четным гармоникам. Одновременно обмотки Тр2 используются в качестве блокировочных дросселей в цепи питания транзисторов. Дополнительные обмотки трансформаторов Тр1, Тр3 необходимы для симметрирования базовых цепей относительно «земли».

Резистор R_кор и конденсатор С_кор составляют простейшую цепь, корректирующую амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) генератора в области верхних частот. Неравномерность АЧХ возникает вследствие снижения напряжения на эмиттерно-базовом переходе в области верхних частот, обусловленного сопротивлением базы, индуктивностью ее вывода и емкостью перехода эмиттер-база. Резистор R_кор снижает коэффициент передачи входной цепи на нижних частотах рабочего диапазона, а конденсатор Скор, шунтируя резистор R_кор, повышает коэффициент передачи в области верхних частот. Однако такая схема коррекции приемлема лишь на частотах ниже 3_ωТ/βо. При работе генератора на более высоких частотах применяются сложные схемы коррекции, описание и расчет которых можно найти в [7].

Расчет блокировочных элементов в коллекторной цепи ведется следующим образом:

;

Соответственно, для базовой цепи:

;

В этих формулах R_к – сопротивление коллекторной нагрузки;

- модуль входного сопротивления транзистора;

ω_n- нижняя частота рабочего диапазона генератора.

Смещение на базы транзисторов задается делителем R1,R2. При этом в мощных генераторах на биполярных транзисторах (десятки-сотни Вт) напряжение смещения подается от отдельного низковольтного источника (см. рисуок 4.22). В менее мощных ступенях для питания цепей смещения можно использовать источник коллекторного напряжения (рисунок 4.23). В мощных генераторах применение общего источника приводит к большим потерям мощности в резисторах R1. Чтобы напряжение смещения не зависело от режима генератора, ток делителя R1, R2 должен быть в 2-3 раза больше постоянной составляющей тока базы I_б0. Таким образом,

E_с/(R1+R2)=(2-3) I_б0 (4.5)

C другой стороны при известном напряжении смещения на базе (Е_б)

(4.6)

Таким образом, есть два уравнения с неизвестными R1 и R2. Решение этой системы уравнений позволяет определить параметры делителя напряжения в цепи базы.

В схеме на рисунке 4.22 резисторы делителя смещения (R1, R2) могут использоваться в качестве R_д. При этом

(4.7)

Однако это возможно лишь при выполнении одновременно условий (4.5) и (4.6), т.к. в общем случае система трех уравнений может оказаться не совместимой. Если (4.7) удовлетворяет условиям совместимости, в схеме на рисунке 4.22 можно исключить R_д и дроссели L.

На рисунках 4.24 представлены примеры согласующих трансформаторов на ТЛ. В отличие от обычных трансформаторов с магнитной связью между обмотками, ТЛ при работе на согласованную нагрузку имеет коэффициент передачи равный 1, поэтому в согласующих трансформаторах, как правило, используется несколько ТЛ и коэффициент передачи трансформатора представляет собой отношение целых чисел. При использовании в согласующем трансформаторе нескольких ТЛ продольные напряжения на них существенно отличаются (см. рис.4.24) и следовательно ТЛ- трансформаторы должны быть разными. В связи с этим, не рекомендуется использовать в схеме согласующего трансформатора более 4..5 ТЛ. На рисунке 4.24 представлены два варианта согласующих трансформаторов с коэффициентом передачи 1:4, иллюстрирующих возможность выравнивания продольных напряжений на ТЛ.

В широкой полосе частот достаточно сложно обеспечить работу ТЛ на согласованную нагрузку, поэтому коэффициент передачи ТЛ становится зависимым от длины линии. Чтобы ослабить эту зависимость длина линии не должна превышать (0,1..0,2)λ на верхней частоте диапазона. Однако в этом случае продольная индуктивность линии оказывается слишком малой на нижней частоте диапазона. Проблема решается применением в ТЛ ферритового сердечника, который и обеспечивает необходимую продольную

индуктивность. Заметим, что на нижнем (по отношению к земле) ТЛ продольного напряжения нет и, следовательно, нет необходимости в ферритовом сердечнике. Более подробную информацию о широкополосных трансформаторах можно найти в [ 6 ].

Рисунок 4.24. Схемы согласующих трансформаторов

4.3.2. Схемы узкополосных генераторов

Широкодиапазонные усилители находят применение на частотах до 30 – 60 МГц. На более высоких частотах относительная полоса используемых частот существенно сокращается, а в диапазоне СВЧ отношение максимальной частоты к минимальной обычно не превышает 1,1 – 1,2. Поэтому на таких частотах возможно использование узкополосных не перестраиваемых генераторов. В качестве элементов коррекции и согласования входной и выходной цепей используются Г-, Т- и П- образные LC контуры, схемы которых аналогичны элементарным звеньям фильтров нижних частот (ФНЧ). Варианты построения таких усилителей представлены на рисунке 4.25. Здесь L и C – блокировочные элементы.

Рисунок 4.25. Схемы узкодиапазонных генераторов

Если коэффициент перекрытия по частоте больше 1,2, но не превышает 2 ÷ 3, используются сложные цепи, содержащие до 3 ÷ 4 звеньев и

обеспечивающие коэффициенты трансформации по сопротивлению

до 10 (0,1) [9]. Усложнение согласующей цепи существенно затрудняет настройку генератора, поэтому в каждом конкретном случае следует выбирать минимально необходимое число звеньев

На частотах выше 300 МГц в качестве индуктивностей согласующих цепей (L1) используются отрезки длинных линий полоскового типа. При длине короткозамкнутого отрезка l<λ/4 его входное сопротивление имеет индуктивный характер. В качестве емкостей согласующих цепей (C1,C2) на частотах примерно до 1ГГц используются конденсаторы, а на более высоких частотах в качестве конденсаторов используются металлизированные площадки, которые также могут рассматриваться как короткие (l<λ/4) разомкнутые линии с низким волновым сопротивлением.

Действительно, входное сопротивление линии без потерь, замкнутой на конце, определяется выражением

(4.8)

Здесь W – волновое сопротивление линии.

При l=λ/4, X= ∞, поэтому такой отрезок линии используют в качестве «металлического» изолятора; если l<λ/4, tg(2πl/λ)>0 и линия имеет индуктивный характер входного сопротивления. Заметим также, что вследствие периодичности функции в (4.8), линия будет индуктивностью и при условии

(4.9)

Входное сопротивление разомкнутой линии определяется выражением

(4.10)

и при условии (4.9), ctg(2πl/λ)<0, что соответствует емкостному входному сопротивлению разомкнутой линии.

В качестве блокировочных элементов (L,C) на частотах до 1-2 ГГц используются катушки индуктивности и конденсаторы, а на более высоких частотах четверть волновые отрезки полосковых линий. Для блокировочных индуктивностей - короткозамкнутые с большим волновым сопротивлением (узкие полоски); для емкостей - разомкнутые с малым волновым сопротивлением (широкие полоски). На рисунке 4.25 приводится пример схемы генератора СВЧ и расположение его элементов на печатной плате.

На частотах выше 1÷2 ГГц коэффициент усиления генератора в схеме с общей базой может быть выше, чем в схеме с общим эмиттером. Это учитывается в конструкции транзисторов, предназначенных для работы в схеме с общей базой. Именно этому случаю соответствует рисунок 4.25.

Рисунок 4.26. Генератор диапазона СВЧ

Разделительные и блокировочные емкости (С,С_БЛ) представляют собой конденсаторы, включенные в схему поверхностным монтажом. Элементы цепей согласования и коррекции (С1,С2,С3,С4,L1,L2) выполнены в виде отрезков полосковых линий с l<λ/4. Блокировочные индуктивности представляют собой четверть волновые отрезки закороченные на концах блокировочными конденсаторами С_БЛ.

4.4 Сложение мощностей генераторов высокой частоты

Как следует из раздела 4.2.5 при совместной работе АЭ на общую нагрузку, вследствие взаимной зависимости режимов, существенно снижается надежность генератора. Поэтому по возможности избегают параллельного соединения АЭ в схеме генератора. Причем в случае биполярных транзисторов не допускается параллельная работа, если разброс параметров превышает 5%. Это положение иллюстрируется рисунком 4.27

Рисунок 4.27. Параллельное включение транзисторов

Биполярный транзистор управляется током и поэтому различие входных сопротивлений транзисторов (даже в одной партии параметры транзисторов могут отличаться в несколько раз) приводит к существенному различию токов i₁, i₂. В результате, при параллельной работе, транзистор с меньшим входным сопротивлением получит больший ток управления, и будет отдавать ток в нагрузку, тогда как другой из-за малого тока базы работать практически не будет. Таким образом, желаемого удвоения мощности генератора не произойдёт.

Проблема выравнивания входных сопротивлений может быть частично решена включением последовательно с цепями базы резисторов R>>r_вх. При этом величина входных токов в основном будет определяться дополнительными резисторами. Однако в этом случае существенно возрастает входная мощность генератора, падает коэффициент усиления, а на высоких частотах за счет входной ёмкости транзистора усиление станет практически невозможным. В практике генераторостроения известны случаи параллельного включения до 10 транзисторов, но при этом категорически оговаривалась необходимость подбора транзисторов с разбросом параметров не более 5%. Такой генератор имеет крайне низкую надежность и сложен в эксплуатации.

Широкое применение находит двухтактный вариант генератора на биполярных транзисторах, т.к. в этом случае удваивается входное сопротивление генератора и облегчаются условия межкаскадного согласования. Проблема выравнивания входных сопротивлений решается (как и в ламповых схемах) подбором индивидуального смещения на базы транзисторов.

В случае полевых транзисторов с изолированным затвором используется как параллельное, так и двухтактное включение. Это объясняется тем, что полевой транзистор управляется напряжением на затворе и при параллельном соединении на всех транзисторах одно и тоже входное напряжение. Поэтому все транзисторы работают достаточно эффективно.

Что касается надёжности таких генераторов, то она в любом из рассмотренных случаев остается низкой.

4.4.1. Синфазные мостовые схемы сложения мощностей

В последние десятилетия, для увеличения мощности передатчиков широко применяются мостовые схемы сложения мощности, обеспечивающие независимую работу АЭ (или генераторов). Простейший электрический мост представляет собой двухвходовое устройство, собранное из 4-х пассивных элементов Z1...Z4. (см. рисунок 4.28).

Рисунок 4.28. Электрический мост

Если в этой схеме выполняется условие

,

то при подключении источника напряжения ко входу 1-2, разность потенциалов между точками 3-4 будет равна 0. Поменяем в последнем выражении местами Z2 и Z3. В результате получим условие, при котором напряжение приложенное ко входу 3-4 не попадёт на вход 1-2. Таким образом, условие «баланса» моста можно представить в следующем виде Z1·Z4 = Z3·Z2. Если теперь подключить ко входам моста два генератора, то при выполнении условия баланса моста, генераторы будут работать независимо друг от друга.

Для того чтобы электрический мост можно было использовать для сложения мощностей, два соседних элемента моста должны быть активными, а остальные – реактивными. Такой мост представлен на рисунке 4.29.

Рисунок 4.29. Схема сложения мощностей

Амплитуды и фазы напряжений U1 и U2 подбираются так, чтобы токи I1 и I2 были синфазными и равными по величине. Тогда для направлений, выбранных на рисунке, токи суммируются в резисторе R4 и вычитаются в резисторе R3>. В результате мощность обоих генераторов выделяется в резисторе R4, который в этом случае выполняет функции нагрузки. Резистор R3 представляет собой балластную нагрузку. Хотя в идеальном случае мощности в балластной нагрузке нет, тем не менее, исключать ее из схемы нельзя, т.к. только при её наличии обеспечивается независимость работы генераторов. Поскольку сохранить идеальную балансировку моста в процессе эксплуатации невозможно, часть мощности генераторов всегда выделяется и в балластной нагрузке. В реактивных элементах моста активной мощности естественно нет. В качестве реактивных элементов предпочтительнее использовать емкости, т.к. у конденсаторов потери меньше, чем в катушках индуктивности. Если фазу напряжения одного из генераторов изменить на 180°, резисторы R3 и R4 поменяются ролями.

На практике рассмотренная схема применения не нашла, поскольку у генераторов различные условия работы: |U1|≠|U2|, а входные сопротивления моста – комплексные и разные по величине. Для случая, когда R3 = R4 = R и X1=X2=X,

Практическое применение находят электрические мосты трех типов:

1. Синфазные мосты, для нормальной работы которых выходные напряжения генераторов должны быть синфазными.
2. Квадратурные мосты для сложения мощностей, в которых необходимо обеспечить сдвиг напряжений генераторов по фазе на 90°.
Эти мостовые устройства относительно узкополосны, т.к используют резонансные цепи.
3. Мосты сложения мощностей на широкополосных трансформаторах.

На рисунке 4.30 представлены варианты Т-образных синфазных мостов на сосредоточенных элементах.

Рисунок 4.30. Варианты синфазных мостов на сосредоточенных LC -элементах

Условие баланса таких мостов определяется следующими соотношениями

(4.11)

Резонансная частота моста

Для того чтобы убедиться в мостовых свойствах схем на рисунке 4.30, определим входное сопротивление моста для генератора в нормальной и аварийной ситуации, когда один из генераторов отключен.

Рассмотрим такие ситуации на примере первой Т-образной мостовой схемы. При работе двух генераторов точки подключения генераторов эквипотенциальны, поэтому ток в цепи балластного резистора отсутствует. По цепи L, R_н протекает ток двух генераторов и кажущееся сопротивление элементов этой цепи удваивается. В результате для расчета входного сопротивления моста получится эквивалентная схема представленная на рисунке 4.31а.

Рисунок 4.31. Эквивалентные схемы Т-моста

В соответствии с этой схемой

(4.12)

С учетом (4.11)

(4.13)

В аварийной ситуации при отключении второго генератора эквивалентная схема моста соответствует рисунку 4.31б. В этом случае на резонансной частоте в контуре балластной нагрузки индуктивность L и правая по схеме емкость С взаимно компенсируются. Определим входное сопротивление моста для этого случая.

(4.13)

Итак, независимо от наличия, или отсутствия второго генератора, входное сопротивление моста на резонансной частоте остается неизменным, что является признаком мостового устройства. Аналогичные соотношения могут быть получены и для остальных схем Т-образных мостов на рисунке 4.30. Заинтересованный читатель может проверить это самостоятельно.

Заметим, что в аварийной ситуации мощность оставшегося генератора поровну распределяется на балластной и полезной нагрузке. Это означает, что общая мощность на выходе схемы сложения при отключении одного генератора упадёт в 4 раза. Потери мощности в балластной нагрузке крайне не желательны, поэтому в устройствах с выходной мощностью более 0,5…1 кВт используют схемы обхода моста сложения мощностей. При этом в аварийной ситуации мост сложения мощностей отключается, а оставшийся генератор подключается непосредственно к нагрузке и отдает в неё всю мощность.

Очень важно обеспечить равенство сопротивления нагрузки и входного сопротивления моста, т.к. в этом случае отпадает необходимость подстройки генератора после обхода моста. Из расчета входных сопротивлений Т-образного моста (4.12), (4.13) следует, что условия обхода для него выполняются.

Мосты на сосредоточенных элементах применяются в диапазоне частот примерно до 2 ÷ 3 МГц. На более высоких частотах, как правило, используются мосты на отрезках длинных линий (коаксиальных, двухпроводных, полосковых). При этом используются следующие свойства линии:

Входное сопротивление линии длиной (2n+1)λ/4 с волновым сопротивлением W, нагруженной на активное сопротивление R определяется выражением

Линия длиной nλ/2 в аналогичных условиях не преобразует сопротивление нагрузки, т.е. R_вх=R.

На рисунке 4.32 представлены два типа синфазных мостовых устройств на двухпроводных линиях, применяемые в диапазоне до 30 МГц.

Рисунок 4.32. Синфазные мосты на двухпроводных линиях

Токи генераторов в сторону полезной нагрузки проходят одинаковые пути равные λ/4 и в нагрузке складываются. В сторону балластной нагрузки, вследствие разности путей, токи генераторов приходят в противофазе и взаимно компенсируются. Кажущееся сопротивление в точках подключения полезной нагрузки составит 2R_н, а точки подключения балласта окажутся короткозамкнутыми. Как отмечалось выше, отрезок линии длиной (2n+1)λ/4 короткозамкнутый на конце имеет входное сопротивление равное ∞. Таким образом, токи генераторов буду протекать только в сторону полезной нагрузки. Входное сопротивление моста для каждого генератора составит

(4.14)

При выходе из строя и отключении одного генератора, ток оставшегося генератора поровну распределится между полезной и балластной нагрузками. В сторону каждой нагрузки входное сопротивление моста составит и . Поскольку , то общее входное сопротивление моста, равное параллельному соединениюи, также определится выражением (4.14). Следовательно, рассмотренное устройство действительно обладает свойствами электрического моста. На практике, особенно на нижних частотах ВЧ диапазона длина отрезков линии может быть очень велика (десятки метров), поэтому вместо отрезка 3λ/4 используют скрещивание проводников четвертьволновой линии, получая таким образом необходимый фазовый сдвиг 180°. Этот вариант также представлен на рисунке 4.32. Для обхода такого моста в аварийной ситуации необходимо чтобы R_вх=R_н. Из выражения (4.13) следует, что при этом волновое сопротивление линии должно составлять

(4.15)

На частотах выше 50 МГц используются отрезки коаксиальных и полосковых линий. Варианты таких мостов представлены на рисунке 4.33.

Рисунок 4.33. Коаксиальный и полосковый синфазные мосты

Принцип их действия ничем не отличается от двухпроводных мостов. Но поскольку такие линии не поддаются скрещиванию, вариант с укороченной стороной здесь не возможен.

В диапазоне сантиметровых и более коротких волн возможно использование упрощенного синфазного моста, варианты которого представлены на рисунке 4.34.

Рисунок 4.34. Варианты упрощенного синфазного полоскового моста

Как и в предыдущем случае, входное и волновое сопротивления моста определяются выражениями (4.14) и (4.15). Форма мостов этого типа определяется необходимостью слабой электромагнитной связи между линиями. Вариант моста на рисунке 4.34а можно применять лишь в том случае, когда расстояние между точками подключения генераторов не превышает длины безвыводного балластного резистора. В противном случае индуктивность выводов этого резистора может существенно повлиять на работу моста. Чтобы сблизить концы линий при слабой связи между ними, используются варианты представленные на рисунках 4.34б и 4.34в.

4.4.2. Квадратурные мосты сложения и деления мощностей

Широкое применение в современных генераторах, благодаря ряду полезных свойств, находят квадратурные мосты, используемые в качестве сумматоров и делителей мощности. В качестве простейшего квадратурного моста используется «трёхдецибельный» направленный ответвитель (НО), который представляет собой две линии (коаксиальных, или полосковых) связанных на интервале λ/4 и нагруженных на согласованные нагрузки (см. рисунок 4.35).

Рисунок 4.35. 3х-дБ направленные ответвители

Генератор подключён ко входу 1. В линии 1 – 2 протекает ток I₁. За счёт магнитной связи между линиями в линии 3 – 4 наводится ток I_м, а за счет электрического поля через взаимную ёмкостную связь токи I_c. Подбором волнового сопротивления линии и расстояния между линиями на участке взаимодействия можно добиться компенсации наведённых токов на входе 4. На входе 3 наведённые токи соответственно сложатся. Если при этом длина участка взаимодействия составит λ/4, то мощность генератора поделится поровну между входами 2 и 3. Таким образом, мощность на выходе линии 3 – 4 составит половину мощности генератора, т.е. будет ослаблена по отношению к мощности генератора на 3 дБ (отсюда и название НО).

В схеме представленной на рисунке 4.35, НО используется в качестве устройства деления мощности, причем входы 1 и 4 взаимно развязаны, а напряжения на них сдвинуты по фазе на 90°.

Наличие двух взаимно развязанных входов позволяет использовать НО в качестве моста сложения мощностей. Для этого генераторы подключаются к развязанным входам 1 и 4 ( см. рисунок 4.36)

Рисунок 4.36. Квадратурный мост сложения мощностей на связанных линиях

При выборе фазового сдвига напряжений генераторов равным 90° (как показано на рисунке 4.36), сигнал со входа 1 поступит на вход 3 с тем же фазовым сдвигом 0°, а на вход 2 с запаздыванием на 90°. Аналогично со входа 4 на вход 2 сигнал поступит со сдвигом 90°, а на вход 3 - 180°.

Таким образом, на входе 2 произойдет сложение мощностей и сюда должна подключаться полезная нагрузка. На входе 3 токи вычитаются и здесь должна быть включена балластная нагрузка. Поскольку для сложения мощностей напряжения генераторов должны отличаться по фазе на 90°, мост получил название – «квадратурный».

У конструкции моста, представленной на рисунке 4.36, есть два недостатка осложняющих её практическое использование:

1. Генераторы располагаются по разные стороны моста. Схема становится асимметричной, что может вызвать дополнительные фазовые сдвиги, нарушающие работу устройства.
2. В полосковом исполнении, для обеспечения необходимой ёмкостной связи, зазор между линиями оказывается слишком узким, что может привести к электрическому пробою.

Первый недостаток на практике устраняется скрещиванием линий (см. рисунок 4.37). В этом случае одна линия разрывается и её части связываются перемычками






Рисунок 4.37. Квадратурный мост со скрещенными линиями

Для усиления связи между линиями на них можно наложить металлические бруски и проложить между ними диэлектрик с высокой диэлектрической постоянной, как показано на рисунке 4.38. При этом можно существенно увеличить ёмкость связи между линиями при технологически приемлемом зазоре. Такая конструкция может применяться и в скрещенном варианте






Рисунок 4.38. Квадратурный мост с увеличенной ёмкостью связи между линиями

Другой путь усиления связи между линиями заключается в увеличении длины участка взаимодействия. В конструкции «тандем» длина участка взаимодействия увеличивается за счет последовательного включения двух НО ( см. рисунок 4.39а). Значительно увеличить ёмкость связи удаётся в конструкции «на встречных стержнях» (рисунок 4.39б)






Рисунок 4.39. Варианты квадратурных мостов

В настоящее время наибольшее применение находят мосты на встречных стержнях. В частности, конструкция на рисунке 4.39б известна под названием «мост Ланге». Основной недостаток последних мостов - необходимость очень высокой точности изготовления. Достаточно отметить, что зазор между линиями может составлять величину порядка 0,1 мм.

Помимо мостов на связанных линиях применение находят и так называемые «квадратные» квадратурные мосты. Один из вариантов такого моста в полосковом исполнении и его аналог на сосредоточенных элементах представлены на рисунке 4.40а






Рисунок 4.40а Варианты квадратурных мостов

В сторону балластной нагрузки сигналы от генераторов приходят в противофазе, поэтому кажущееся сопротивление на входе 2 равно 0. Соответственно входное сопротивление участка 1 – 2 и 4 – 2 равно ∞. Поэтому токи генераторов в сторону R_н протекают только по участкам 1 – 3 и 3 – 4. Входное сопротивление линии 3 – 4 в этом случае определяется выражением . Поскольку на входе 3 токи генераторов синфазны, кажущееся сопротивление на входе 3 равно 2 R_вх34. Соответственно, на входе 1 сопротивление . Таким образом, входные сопротивления моста для генераторов

; (4.15)

Полагая R_вх1 = R_вх3= R_н = R_б, решим систему уравнений (4.25) относительно W₁ и W₂. В результате получим

; (4.16)

В аварийной ситуации (например при коротком замыкании в генераторе на входе 1), линии 2 – 1 и 3 – 1 будут представлять собой «металлические изоляторы» и их можно исключить из рассмотрения схемы моста для этого случая. В результате получим следующую схему (рисунок 4.41).






Рисунок 4.41. Схема моста в аварийной ситуации

Определим входное сопротивление моста, полагая, что выполняются условия (4.16)

; , где ;

Подставляя в эти выражения соответствующие значения R_б, W1, W2, окончательно получим . Таким образом, имеют место все признаки электрического моста.

Следует отметить, что при соответствующем выборе волновых сопротивлений линий моста, возможна также трансформация сопротивления нагрузки, т.е. [7].

На рисунке 4.40б представлен аналогичный мост на сосредоточенных элементах, в котором используется известное свойство цепи, аналогичной фильтру нижних частот, поворачивать фазу выходного напряжения на 90° . Звенья соответствующие W1 и W2 представлены на рисунке 4.42






Рисунок 4.42. LC звенья аналогичные линиям длиной λ/4 с волновыми сопротивлениями W1, W2

Параметры звеньев выбираются следующим образом:

; ;

В схеме на рисунке 4.40б С=С1+С2.

Применение находят и комбинированные схемы моста, когда за счет подключения на входах моста из полосковых линий дополнительных емкостей удается значительно сократить длину линий.

Квадратурные мосты используются при построении «балансных» схем транзисторных усилителей. Такая схема представлена на рисунке 4.43.

Благодаря использованию квадратурного моста на входе, даже при комплексном входном сопротивлении транзисторов, входное сопротивление усилителя оказывается чисто активным, т.к. мощность отраженной волны в этом случае рассеивается в балластной нагрузке и не попадает на вход усилителя. Аналогичная картина имеет место на выходе усилителя.






Рисунок 4.43. Балансный усилитель мощности

При комплексном характере сопротивления нагрузки усилителя, мощность отраженной волны поглощается в балластной нагрузке и не попадает в коллекторные цепи усилителя. В результате сопротивление коллекторной нагрузки оказывается чисто активным. Следует однако заметить что эти рассуждения справедливы, если входные и выходные сопротивления транзисторов одинаковы. В связи с этим, в подобных усилителях используют специальные «балансные» транзисторы. Балансный транзистор (БТ) представляет собой два транзистора выполненные на одном кристалле и в одном корпусе. Поэтому разброс параметров у таких транзисторов минимален.

Кроме того, в корпусе балансного транзистора могут быть встроены корректирующие и согласующие цепи, обеспечивающие стандартные сопротивления 50 Ом на входе и выходе транзисторов. В последнем случае балансные транзисторы выпускают на определённый диапазон частот.





4.4.3. Широкополосные мосты на трансформаторах

Рассмотренные мосты сложения мощностей относятся к категории резонансных устройств и способны эффективно работать при коэффициенте перекрытия по частоте порядка 1,2. Для широкополосного сложения мощностей используются схемы на трансформаторах c коэффициентом передачи 1:1. Простейший синфазный мост такого типа представлен на рисунке 4.44а.

В нормальном режиме сложения мощностей токи генераторов протекают через обмотки трансформатора в противоположных направлениях. Поэтому магнитные поля обмоток взаимно компенсируются и кажущееся сопротивление трансформатора для генераторов равно 0. По нагрузке токи протекают в фазе, вследствие чего кажущееся сопротивление нагрузки удваивается (2R). В балластной нагрузке ток отсутствует т.к. предполагается равенство выходных напряжений генераторов по амплитуде и фазе.

В аварийной ситуации (обрыв в цепи одного генератора, или короткое замыкание) эквивалентные схемы устройства сложения мощностей принимают вид, соответствующий рисункам 4.44б и 4.44в. В частности, в первом случае (рисунок 4.44б) сопротивление балластной нагрузки трансформируется к точкам а-с с уменьшением в 4 раза. В результате сопротивление нагрузки для генератора составит








Рисунок 4.44. Эквивалентные схемы трансформаторного моста

Для того, чтобы входное сопротивление моста, как и в нормальном режиме R_вх = 2R, R_б должно равняться 4R.

Аналогично для короткого замыкания второго генератора (рисунок 4.44в), сопротивление нагрузки R трансформируется к точкам а-б со значением 4R. Входное сопротивление моста для генератора в этом случае составит



Таким образом, все признаки электрического моста имеют место.

Теоретически, для идеального трансформатора, полоса такого моста не ограничена. В реальных условиях снизу полоса ограничивается значением индуктивности намагничивания трансформатора, а сверху индуктивностью рассеяния и паразитными ёмкостями обмоток.

Другой вариант трансформаторного моста представлен на рисунке 4.45.






Рисунок 4.45. Трансформаторный мост сложения мощностей

В этом случае, число трансформаторов соответствует числу генераторов. На рисунке 4.45а приведена синфазная схема сложения мощностей двух идентичных генераторов. Поскольку разность потенциалов на балластном резисторе отсутствует, мощность в нём не выделяется и входное сопротивление моста (R) для каждого генератора соответствует R_н/2.

R= Rн/2 (4.17)

В аварийной ситуации, при отключении одного генератора эквивалентная схема моста соответствует рисунку 4.45б. Верхний по схеме трансформатор может быть исключён, т.к. его обмотки эквипотенциальны. Таким образом, получаем эквивалентную схему на рисунке 4.45в. В этой схеме ток через обмотки трансформатора Т2 протекают в противофазе. Поэтому кажущееся сопротивление трансформатора равно 0. Поскольку в этой ситуации для моста должно выполняться условие (4.17), то сопротивление балластного резистора должно быть равно R_н.

При коротком замыкании одного генератора эквивалентная схема моста соответствует рисунку 4.45г. Совершенно очевидно, что и в этом случае, для выполнения условия (4.17), сопротивление балластной нагрузки должно удовлетворять условию R_б= R_н=2R.

Принцип построения моста, рассмотренный в последнем случае, может быть положен в основу многополюсных мостовых устройств, варианты которых представлен на рисунке 4.46.






Рисунок 4.46. Многополюсные трансформаторные мосты сложения мощности

Входное сопротивление моста R для одного генератора в этих схемах

R = R_б = R_н/N

Обычные трансформаторы способны передавать колебания с верхней частотой не более 30-40 МГц, что обусловлено влиянием индуктивности рассеяния и межвитковой паразитной емкости обмоток. При необходимости передать более высокие частоты используют трансформаторы-линии (ТЛ).

Такие мосты способны работать до 1ГГц. Однако на частотах выше 700 МГц широкой полосы, как правило, не требуется, поэтому там выгоднее использовать более простые резонансные мосты.





4.4.4. Сложение мощностей генераторов с разными выходными параметрами

В предшествующем материале по умолчанию предполагалось, что генераторы имеют идентичные параметры, обеспечивающие баланс электрического моста. На практике это условие обычно выполняется с некоторой погрешностью, поэтому следует рассмотреть особенности работы устройства сложения мощностей при рассогласовании выходных параметров генераторов. Воспользуемся для этого простейшей схемой на рисунке 4.29.

Предположим? что токи генераторов в балластной (R3) и полезной (R4) нагрузках отличаются по амплитуде и фазе.



В этом случае токи в балластной и полезной нагрузках равны



Полагая, что R3 = R4 = R, определим мощность в каждой нагрузке



Коэффициент полезного действия моста определим следующим образом

(4.18)

Если амплитуды токов равны (k=1), но не совпадают по фазе

(4.19)

Наоборот, при синфазных токах с различными амплитудами

(4.20)

На рисунке 4.47 представлены графики зависимостей (4.18) для некоторых частных случаев значений φ и k.

Из полученных зависимостей видно, что при отличи токов генераторов до 30° по фазе, или до 60% по амплитуде, к.п.д. моста не падает ниже 90%.

В рамках настоящего пособия естественно невозможно было осветить все проблемы теории и проектирования устройств сложения и деления мощностей. Детальную информацию по этим вопросам можно найти можно найти в [8].






Рисунок 4.46. Коэффициент полезного действия моста сложения мощностей





4.5. Колебательные системы выходных ступеней радиопередающих устройств

Выходная ступень передатчика работает непосредственно на антенну, либо на антенный фидер и её колебательная система выполняет следующие основные функции:

• Преобразование произвольного (в общем случае комплексного) сопротивления антенны (фидера) в чисто активное, оптимальное по величине сопротивление нагрузки генератора.
• Фильтрация высших гармоник (обеспечение электромагнитной совместимости).

Кроме того, выходная колебательная система должна обеспечить необходимую форму амплитудно-частотной характеристики и высокий к.п.д.

В зависимости от требований к уровню побочных излучений колебательная система (КС) может быть простой одноконтурной, многоконтурной, либо представлять собой систему коммутируемых фильтров.





4.5.1. Одноконтурная колебательная система

Несколько вариантов одноконтурной КС представлено на рисунке 4.47.

Рассмотрим процесс передачи энергии через КС и преобразование в ней сопротивления нагрузки. В общем случае сопротивление внешней нагрузки (антенны, фидера) имеет комплексный характер Z_A = R_A + j X_A. Однако, при настройке контура в резонанс реактивность нагрузки XA. компенсируется соответствующей реактивностью контура, поэтому в дальнейшем будем полагать, что Z_A = R_A. Поскольку в контуре имеют место собственные потери, представленные на рисунке 4.47а. резистором R_П, то мощность, поступающая в КС от генератора (Р₁) распределится между этими сопротивлениями. Причем выходной (полезной) мощностью (Р_А) будет лишь мощность, выделяющаяся в R_A.






Рисунок 4.47. Одноконтурная колебательная система

Таким образом, коэффициент полезного действия КС может быть определен следующим образом

(4.21)

Обозначим полное сопротивление потерь в контуре , тогда (4.21) примет вид

(4.22)

Предполагая, что реактивная часть нагрузки учтена в L или С контура, получим следующие выражения для характеристического сопротивления контура ( ρ), нагруженной добротности (Q_Н), собственной добротности (Q_хх ), эквивалентного сопротивления нагруженного контура (R_к) и сопротивления «холостого хода» (R_хх)

(4.23)

Умножая числитель и знаменатель дроби в (4.22) на ρ, получим следующие выражения

(4.24)

Поскольку от нагруженной добротности зависит полоса пропускания контура ( где ), то из (4.24) следует, что увеличивая к.п.д. КС за счет уменьшения нагруженной добротности, мы неизбежно понижаем степень фильтрации побочных излучений, т.к. при этом расширяется полоса контура ΔF.

Казалось бы, что при неизменной добротности Q_Н к.п.д. контура можно увеличить увеличивая Q_хх. Однако реальные контуры имеют добротность холостого хода не более 200 – 400, ценой использования дорогих высокодобротных катушек индуктивности. Поэтому такой путь повышения коэффициента полезного действия КС имеет определённые границы и проблема электромагнитной совместимости приходится решать, используя сложные многоконтурные КС.

Другая проблема одноконтурной КС связана с подбором величины R_к, которая для обеспечения оптимального режима генератора должна быть вполне определённой величины. Поскольку сопротивление нагрузки R_A величина фиксированная, изменение Rк возможно только изменением ρ, т.е. изменением L или C, что неизбежно приведёт к расстройке контура. Регулировка КС становится очень сложной.

Проблемы одноконтурной КС частично удается решить в схемах представленных на рисунках 4.47б и 4.47в. Здесь появляются дополнительные степени свободы в регулировке R_к. Во-первых за счёт частичного включения контура в коллекторную цепь генератора емкостным делителем С1, С2, и во-вторых путем регулировки вносимого в контур сопротивления со стороны Z_A c помощью элементов связи С_с, или L_c.

Контуры этого типа получили название П-контуры. К их достоинству следует отнести и повышенную степень фильтрации побочных излучений, которая объясняется наличием двух параллельных емкостных связей, существенно ослабляющих напряжение высших гармоник на выходе КС.

В тех случаях, когда одноконтурная система не обеспечивает фильтрации побочных излучений, применяются многоконтурные системы. На рисунке 4.48а приводится вариант трёхконтурной КС при индуктивной связи между первым и вторым контурами. Первый контур обычный и удобен при использовании последовательной схемы питания коллекторной цепи генератора. Остальные контуры П-типа и их назначение обеспечение требуемой фильтрации побочных излучений. Увеличение числа контуров обычно идет по пути наращивания числа П-образных звеньев и в передатчиках мощностью 1000 и более кВт число контуров может достигать 5...6.






Рисунок 4.48. Многоконтурные колебательные системы

Рассмотрим процесс передачи мощности в многоконтурной КС с помощью условной схемы, представленной на рисунке 4.48б. Здесь Р1...РN мощность поступающая в соответствующий контур. Каждый контур имеет собственную нагруженную добротность Q1...QN , и к.п.д.



Определим к.п.д. колебательной системы в целом



Таким образом, общий к.п.д. КС равен произведению к.п.д. всех контуров.

Заметим, что одноконтурная КС передатчиков мощностью до 10 кВт имеет к.п.д. не более 70 – 80 %. У сверхмощных передатчиков, при том же допустимом уровне побочных излучений и четырёх – пяти контурах в КС, к.п.д. может достигать 95 – 98 %, т.к. нужная избирательность достигается при нагруженной добротности контуров Qi ≈ 2 ÷ 4.





4.5.2. Колебательные системы на отрезках линий с распределёнными параметрами

По мере повышения рабочей частоты КС характеристическое сопротивление контура ρ и эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки R_к можно сохранить неизменными только при одновременном уменьшении L и С (4.23). Однако, когда емкость контура уменьшится до паразитной ёмкости коллекторной цепи Со, дальнейшее повышение резонансной частоты контура становится возможным лишь за счёт уменьшения индуктивности и следовательно уменьшения ρ и R_к. Чтобы сохранить оптимальное значение R_к приходится увеличивать нагруженную добротность Q_Н и следовательно снижать к.п.д. КС. В этой ситуации вместо катушки индуктивности в контуре используют отрезки короткозамкнутых линий с распределёнными параметрами, которые отличаются существенно большими значениями Q_хх (до 2000), что позволяет поддерживать оптимальные значения R_к и приемлемые значения к.п.д. на более высоких частотах.

Как уже отмечалось ранее (см. раздел 4.3.2), входное сопротивление линии короткозамкнутой на конце, определяется выражением (4.8) и при условии (4.9) имеет индуктивный характер входного сопротивления.

Простейшая колебательная система в этом случае образуется выходной ёмкостью генератора и входной индуктивностью линии. Резонансу в такой колебательной системе соответствует следующее выражение

(4.25)

Учитывая, что λ_ο = 2πv_c/ω_ο, где v_c - скорость света, для резонансной частоты ω_ο на основании (4.25) получим

(4.26)

Полученное выражение является трансцендентным, поэтому решение его относительно ω_ο определим графически (см. рисунок 4.50).






Рисунок 4.50. Резонансные частоты контура с линией

Поскольку котангенс - периодическая функция, уравнение (4.26) имеет бесчисленное множество решений. Тем не менее, колебательная система такого вида обладает свойством фильтрации высших гармоник, т.к. резонансные частоты ω_οi в общем случае не кратны друг другу. Однако вероятность совпадения одной из резонансных частот с частотой гармоники не исключается.

Решим теперь уравнение (4.25) относительно резонансной длины линии l.

(4.27)

Таким образом, одной резонансной частоте (длине волны) соответствует бесчисленное множество отрезков отличающихся на целое число n·λ_ο/2. Эта особенность контура с линией используется, если минимальный отрезок линии lo (n=0) оказывается слишком коротким (например, меньше длины вывода внутри корпуса АЭ). Следует однако иметь в виду, что удлиннение линии приведет к увеличению потерь в ней и к снижению Q_хх.