книги / Трансформаторы в цепях согласования и сложение мощностей радиочастотных генераторов
..pdf
|
При СИЛЬНОЙ СВЯЗИ М-> I ИХвх.чет-> 0. |
|
|
|
|||||||
|
Для нечетных гармоник (/, = -Ъ = 7) при 1\= 1->= I согласно |
||||||||||
(2.46): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
71 72 7 Ии + ^ ( Ь + М) |
/1 = _ /2 = / _ М ^ + М ) _ |
||||||||||
1 |
2 |
|
Лн+у-2со(1 + М )’ |
2 |
|
1 |
Лн+у-2ш(1 + М )' |
||||
|
Согласно (2.45) |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
= / |
|
|
|
у |
- ц1=1 |
|
|
|
||
|
" |
|
Лн+у-2со(У+М) " |
1 |
|
2 |
Лн+у-2(о(^ +М) |
||||
|
Входная проводимость со стороны источника тока |
|
|||||||||
V |
|
_ |
1 _ / _ / _ |
1 |
+ |
1 2 |
+ |
1 |
|||
*вх.неч |
|
_ |
_ |
— |
|
|
— |
|
|||
|
|
|
^вхлеч ^1 |
—^2 |
^вх.неч |
|
-А^вх-неч |
|
7® (7+Л7) |
Резистивная составляющая входного сопротивления со сторо ны одного плеча на нечетной гармонике: ЛВХ1К.Ч= Кп/2; реактивная составляющая входного сопротивления на нечетной гармонике со стороны одного плеча, подключаемая параллельно /?вх.„еЧ:
У^вх. неч = У ® ( ^ "*■ Щ -
При сильной связи М-> Ь, уХвх не,, -»у• 2шЬ.
При работе одного плеча, например со стороны источника 1\, составляющие токи V, />' на четных и нечетных гармониках опре деляются (2.46), а токи 1г, 1\2равны нулю.
В этом случае согласно соотношениям (2.45):
и = / |
усо(Х + М)КН . |
Л" |
1Лн + у-2со(У + М ) ’ |
ушх[ян+усо(12- М 2)/х ]
^КИ+ у • 2со(I + М)
Входная проводимость со стороны источника 1\:
/, /г„+у-2(о(У+М)
*у, уш7У?м-со2 (у2 - М 2)
При сильной связи, когда М-+1,
Обратим внимание, что условие сильной связи М -> I в боль шей степени реализуется при размещении отрезка линии Тр2 на кольцевом ферритовом сердечнике.
Из приведенных соотношений видно, что при сильной связи и работе обоих плеч входное сопротивление на нечетной гармонике в два раза больше, чем при работе одного плеча, что отмечалось выше.
На рис. 2.19 показана схема совместного включения Тр2, Трз двухтактного генератора по схеме (см. рис. 2.12) с обозначением источников противофазных сигналов Е (первая и высшие нечетные гармоники) и продольных напряжений на обмотках трансформато ров (проводах отрезков линий).
Продольные напряжения на обмотках (проводах) трансформа тора Тр2 при принятых на рис. 2.19 обозначениях: II{= -Е; Щ= -Е.
|
Рис. 2.19 |
Учитывая, что Трз возбуждается результирующим источником |
|
сигнала от двух |
плеч двухтактного генератора 2Е и напряжение |
на нагрузке Кн |
(2.2 Г): 11ц,, = 2Ее~^е , соответственно при малой |
электрической длине отрезка 11ци« 2Е, для продольных напряжений на обмотках (проводах) трансформатора Трз получаем: II\ = 1?ц„ -
-Е ~ Е ; Пг =Е\ 1]г =-Е .
В силу того, что продольные напряжения на обмотках (прово дах) трансформаторов Тр2, Трз оказываются при малой электриче ской длине отрезков практически одинаковыми по величине и находятся либо в фазе, либо в противофазе, отрезки линий, обра зующих эти трансформаторы, могут быть размещены на одном кольцевом магнитопроводе с соблюдением полярности продольных напряжений и соединений концов обмоток (проводов). Число вит ков у каждой обмотки, размещаемое на магнитопроводе, одинако вое и определяется длиной наименьшего из отрезков линий для изготовления Тр2 и Тр3. Так как выбор длины отрезков для Тр3 не критичен, а для Тр2 длина отрезка ограничивается в пределах I = (0,05...0,1) то длины всех отрезков обоих трансформаторов могут выбираться одинаковыми на основании последнего соотно шения.
На рис. 2.20 показано возможное размещение отрезков линий, образующих Тр2, Тр3, на общем кольцевом магнитопроводе и со единение их концов при подключении к плечам двухтактного гене ратора по схеме рис. 2.12.
кЯ„
Рис. 2.20
Как уже отмечалось, размещение отрезка линии Тр2 на кольце вом магнитопроводе практически обеспечивает сильную связь меж ду обмотками (проводами), что способствует замыканию четных гармоник через Тр2, минуя нагрузку Л„. Следовательно, реализация Тр2 на основе кольцевого магнитопровода как общего с Тр3, так и
раздельного, является предпочтительной при изготовлении двух тактного транзисторного ГВВ на трансформаторах из отрезков длинных линий.
Размещение Тр2, Трз на общем магнитопроводе позволяет уменьшить габариты устройства и сократить объем ферритового материала.
В заключение отметим, что при размещении отрезков линий, образующих Тр2, Трз, на фторопластовых каркасах входные сопро тивления плеч Тр2, Трз оказываются конечными как для нечетных, так и для четных гармоник. В этом случае необходимо, чтобы для четных гармоник, в первую очередь для второй гармоники, результи рующее входное сопротивление, определяемое параллельным со единением входных сопротивлений плеч Тр2 (2.37), Тр3 (/2с2 *§ РО и сопротивлением выходной емкости одного транзистора 1#©СВЬ1Х, стремилось к нулю. Для нечетных гармоник, включая полезную - первую, реактивная составляющая входного сопротивления также определяется параллельным соединением входных сопротивлений плеч Тр2 (2.38), Тр3 (/2^*8 РО и сопротивления выходной емкости одного транзистора 1//соСвых. Относительно коллекторов транзисто ров УТ\, УТг (см. рис. 2.12) реактивная составляющая входного со противления для нечетных гармоник удваивается, а резистивная составляющая равна Ки. Напомним, что при реализации режима ра боты транзисторов двухтактного генератора с углом отсечки кол лекторного тока 0 = 90° в составе выходных токов транзисторов кроме первой гармоники практически не будет никаких высших нечетных гармоник.
Двухтактные транзисторные генераторы с использованием ТЛ реализуют на частоты до 30...80 МГц, что обусловлено трудностя ми обеспечения низкого сопротивления (короткого замыкания) по четным гармоникам в коллекторной цепи транзисторов [5].
На частотах от 100 МГц до 1 ГГц двухтактные генераторы вы полняют на так называемых «балансных» транзисторах [5], пред ставляющих собой два транзистора одного типа проводимости, размещенных в одном корпусе. Как правило, внутри корпуса ба лансного транзистора во входной и коллекторной цепях размеща ются дополнительные Ь- и С-элементы, которые вместе с внешними ^С-элементами образуют входные и выходные согласующие цепи и цепи коррекции АЧХ, спроектированные на заданный рабочий диа пазон балансного транзистора. На входе и выходе двухтактного ге нератора на балансном транзисторе обычно включают ТЛ, вопервых, для повышения (понижения) нагрузочных сопротивлений
и, во-вторых, для перехода от несимметричных к симметричным нагрузкам. Как правило, эти функции разделяют между двумя от дельными ТЛ в каждой цепи [5]. Рабочая полоса частот двухтактно го ГВВ на балансном транзисторе может составлять 100...200 МГц и выше [5].
2.2.3. ПЕРЕХОД ОТ ОДНОТАКТНОГО ГЕНЕРАТОРА К ДВУХТАКТНОМУ
Возбуждение плеч двухтактного генератора осуществляется про тивофазными сигналами одинаковой амплитуды, получаемыми от од нотактного генератора. Для перехода от однотактного генератора
кдвухтактному применяются специальные схемы однотактных ГВВ. Наиболее простой схемой перехода от однотактного генератора
кдвухтактному представляется схема с трансформаторным выхо дом* (рис. 2.21), когда у вторичной обмотки высокочастотного трансформатора, образуемой катушкой Ь, заземляется средняя точ ка, а с противоположных концов снимаются противофазные по от ношению к земле напряжения, подаваемые на входы плеч двух тактного генератора.
к двух |
к двух |
тактному |
тактному |
генератору |
генератору |
—> |
-> |
Гбл.а О
+Еа
Рис. 2.21
Однако, несмотря на кажущуюся простоту схемы (рис. 2.21), получить симметричные сигналы в ней оказывается достаточно сложно, особенно на частотах выше 1 МГц. Во-первых, с ростом частоты появляются трудности в построении высокочастотного трансформатора, образуемого катушкой контура 1Ки связанной
*
Подобная схема широко применяется в усилителях низких частот, когда трансформатор изготавливается с сердечником из электротехнической стали или феррита.
с нею выходной катушкой I, так как уменьшается требуемая индук тивность контура Ьк, соответственно уменьшается число витков у катушки Ь и трудно установить и заземлить у этой катушки сред нюю точку. В отдельных случаях при небольшом уровне мощности и относительно невысоких рабочих частотах катушки Ьк, Е могут быть размещены на ферритовом сердечнике кольцевой или цилинд рической формы. Во-вторых, концы катушки X асимметрично рас полагаются по отношению к земле (общей шине генератора), что нарушает симметричное возбуждение плеч двухтактного генерато ра. Нижний конец катушки Ь из-за наличия паразитной емкостной связи между катушками Ьк, Ь приобретает утечку на землю (общую шину) через узел подключения блокировочного конденсатора СбЛ.а или Сбл.к- С повышением частоты связь нижнего конца катушки Ь с землею усиливается, что ухудшает симметрию возбуждающих двухтактный генератор сигналов.
Для перехода от однотактного генератора к двухтактному часто применяют схему (рис. 2.22), у которой по высокой частоте зазем ляется средняя точка емкостной ветви контура, образуемой последова тельным соединением двух конденсаторов емкостью С каждый.
Заземление средней точки у емкостной ветви контура позволя ет обеспечить симметрию сигналов для возбуждения двухтактного генератора, а также создать путь для переменных составляющих анодного (коллекторного) тока. Напряжение питания анода Ея (кол лектора Ек) подается через блокировочный дроссель как в двух тактной схеме (см. рис. 2.5), чтобы предотвратить замыкание средней точки у катушки контура Ьк на землю (общую шину) по высокой частоте через емкость Сбл. Очевидно, одновременное за земление средних точек у емкостной и индуктивной ветвей контура недопустимо. Можно построить схему, аналогичную рис. 2.22, с за землением по высокой частоте средней точки у индуктивности кон тура Ьк и отсутствием заземления средней точки у емкостной ветви контура. Однако отыскать среднюю точку у катушки оказывается намного сложнее, чем обеспечить ее у емкостной ветви. Кроме того, наличие выходной емкости у АЭ усложняет получение симметрич ных сигналов при заземлении средней точки у катушки индуктив ности.
Емкостная связь АЭ с контуром в схемах (рис. 2.22) улучшает фильтрацию гармоник [3, кн. 1], что обеспечивает более гармоничес кую форму сигнала возбуждения двухтактного генератора. Обратим внимание, что в схемах рис. 2.22 индуктивность Ьк и емкости С фор мируют П-контур, эквивалентный колебательному контуру третье
го вида (контур с неполным подключением к емкостной ветви). Схемы (рис. 2.22) могут быть реализованы по классическому вари анту параллельного питания анода (коллектора). Однако в этом случае потребуется большая величина блокировочной индуктивно сти Хбл в цепи питания анода (коллектора) и ухудшится симметрия схемы в силу того, что Ь6п подключается параллельно к одной из емкостей С (левой на схеме).
Ср
а
Ср
б
Рис. 2.22
Наличие выходной емкости СВЬ1Ху АЭ (лампы, транзистора) на рушает симметрию схемы (рис. 2.22). Для поддержания симметрии схемы в нее включается симметрирующий конденсатор, имеющий емкость Сейм ~ СВых (в схеме добавляется еще емкость монтажа). При полной симметрии емкость контура в схемах (рис. 2.22): Ск = (С + Ссим)/2.
Если выходная емкость АЭ СВЫх (с учетом емкости монтажа) составляет заметную часть от требуемой емкости контура Ск: Ск = 1/со2Хк, то заземление средней точки у емкостной ветви конту ра, образуемой емкостями С, равно как и сами эти емкости, может отсутствовать. Подобные схемы представлены на рис. 2.23.
В схемах рис. 2.23 заземленной оказывается средняя точка у ветви, образуемой последовательным соединением емкостей
Свых» Ссим.
Коэффициент включения контура в схемах рис. 2.22, 2.23 р = 0,5. В ламповом генераторе при таком коэффициенте включения контура может оказаться невозможной реализация требуемого режима работы, особенно на высоких частотах, из-за низкого сопротивле-
5 |
1 |
р=\ = |
ния нагрузки в анодной цепи лампы: Кое = р Кое р=\ - |
— Я0е |
= ~ <2н у!Ьк/ Ск , где 0,н- нагруженная добротность контура (с уче
том нагрузки со стороны двухтактного генератора).
Коэффициент включения контура р > 0,5, соответственно большее значение сопротивления нагрузки в анодной цепи обеспе чивается в схемах рис. 2.24. На рис. 2.24,6 представлена классиче ская схема параллельного питания анода. Индуктивность Ь$л в схе ме рис. 2.24, б требуется больше, чем в схеме рис. 2.24,а, и усилива ется ее влияние на получение симметричных сигналов для возбуж дения двухтактного генератора.
Противофазные напряжения в схемах рис. 2.24 снимаются с конденсаторов С\, Сг. При наличии выходной емкости лампы СВЫх через емкость С\ протекает часть контурного тока /конт, тогда как через емкость Сг протекает весь контурный ток. Для получения одинаковых по величине напряжений на С\, Сг необходимо иметь емкость С] меньше емкости Сг, соответственно сопротивление ем кости С| больше, чем сопротивление емкости Сг. Из анализа схем (рис. 2.24) получаем: С\ = (С2 - СВЫх) С3/(С3 + Сшх), что соответст вует условию С] < С2. Реализация схем возможна при условии С2> СВых В схеме рис. 2.24, б к СВых АЭ добавляется емкость, вно симая 1бл-
сР
Ср
Рис. 2.23
Коэффициент включения контура со стороны анода в схемах рис. 2.24:
__________ 1_________
|+<С3+С»ых)'<С3+С2) '
При условии реализации схем: Сг> Свых оказываетсяр > 0,5. Емкость контура в схемах рис. 2.24:
(2 _ 2 (С3+Свых) __ 1
С 2 + 2 С 3 + С ВыХ со Ь к
При Сз = оо схемы рис. 2.24 переходят в схему рис. 2.22,а, когда напряжения возбуждения плеч двухтактного генератора сни маются с концов катушки контура Ьк. В этом случае согласно последним соотношениям С| = (С2 - СВых); Р ~ 0,5; Ск = С2/2 = = (С, + С„ых)/2, что полностью соответствует схеме рис. 2.22,а, по скольку С, = С, а СВЬ1Х= Сейм-
■^бл
а
^•бл
б
Рис. 2.24
При использовании ТЛ переход от однотактного генератора к двухтактному осуществляется с помощью симметрирующего ТЛ, выполняемого по схеме рис. 1.31, как это сделано в двухтактном транзисторном ГВВ по схеме рис. 2.12.