книги / Трансформаторы в цепях согласования и сложение мощностей радиочастотных генераторов
..pdfДополнительные сведения о МУ на ТЛ для сложения в нагруз ке токов двух и более генераторов представлены в приложении 5.
Очевидно, МУ на ТЛ можно отнести к устройствам на элемен тах с распределенными параметрами, которыми служат отрезки длинных линий. Напомним, что отрезки длинных линий широко используются в качестве элементов цепей согласования и колеба тельных контуров генераторов СВЧ [3].
Следует отметить, что еще до появления ТЛ как самостоятель ных элементов цепей согласования генераторов применялись МУ, реализуемые на отрезках линий. Одним из первых мостов на основе отрезков линий следует считать 7-мост или {7-мост. У такого моста два плеча образуются отрезками коаксиальной линии. Длина отрез ков 2. принимается равной УА на средней рабочей частоте:/ср = (/МИн+ +7макс)/2. При сложении мощностей двух генераторов конструкция моста напоминает символ 7 или {/ (рис 2.54, наружные провода - оплетки коаксиальной линии не показаны).
На микрополосковых линиях конструкция рассматриваемого моста реализуется в форме части кольца, образуемого полоской ли нии (рис. 2.55, общая проводящая поверхность не показана),что по служило основанием для названия такого моста: укороченное кольцо [6, 10]. Выполнение МУ в форме части кольца позволяет обеспечить присоединение балластного резистора 7?б без дополни тельных проводов, создающих индуктивное сопротивление и соот ветственно нарушающих работу моста. Балластный резистор может быть изготовлен вместе с микрополосковой линией путем напыле ния высокоомного материала.
В рассматриваемых мостовых схемах (рис. 2.54, 2.55) генера торы должны быть синфазными и полностью идентичными. Если напряжения генераторов окажутся в противофазе, то мощность бу
дет выделяться в балластном резисторе Яб, а в нагрузке |
ток будет |
||
«б |
Отсутствие соединения |
балла |
|
|
стного резистора Яб с землею (кор |
||
|
пусом) устройства является |
недос |
|
|
татком рассматриваемых |
мостов, |
|
|
так как в таких конструкциях за |
||
|
труднен отвод тепла от балластных |
||
|
резисторов в аварийном режиме. |
||
|
Нетрудно видеть, что рассмат |
||
|
риваемые мосты (рис. 2.54, 2.55) по |
||
|
существу идентичны |
рассмотрен |
|
|
ному ранее МУ на ТЛ для сложения |
в нагрузке токов двух генераторов по принципу схемы рис. 2.51 при использовании коаксиальной или микрополосковой линии. В то же время есть некоторые принципиальные различия в практической реализации рассматриваемых мостов и МУ на ТЛ по принципу схе мы рис. 2.51.
В МУ на ТЛ волновое сопротивление линии выбирается из ус ловия 2о = 2Яи, а длина отрезков линии существенно меньше Х/4,
хотя не исключается и значение ( = У 4 на одной из частот (см. при ложение 5).
В рассматриваемых мостах принято волновое сопротивление линии выбирать из условия 2о = л/2 Ян, а длину отрезков, как уже отмечалось; принимать равной У4 на средней рабочей частоте.
Следует отметить, что свойства моста, в том числе и полоса ра бочих частот, существенно зависят от соотношения 20 и Кн. При этом если волновое сопротивление линии выбирается, как в ТЛ (2о = 2ЯН), то резистивная составляющая входного сопротивления моста не зависит от длины отрезков и рабочей частоты, а при выбо ре Яб - 22о = 4ЯНоказывается независимой также от режимов гене раторов и равна 2о (Явх = 2о = 2Ян). Реактивная составляющая входного сопротивления в случае идентичных генераторов равна бесконечности независимо от частоты, а в аварийном реясиме при коротком замыкании одного из генераторов принимает в общем
случае |
конечное значение, определяемое соотношением: у'Хвх = |
- /• 22о |
=у • 4Яи Р^. При выборе 20 = Л Яи резистивная и ре- |
активная составляющие входного сопротивления зависят от длины отрезков и частоты и только на частоте, соответствующей ( = АУ4, входное сопротивление моста имеет резистивный характер и равно
по величине Кн (Квх= Кн = 2о/л/2 ). В аварийном режиме при корот ком замыкании одного из генераторов на частоте, соответствующей I =Х/4, входное сопротивление моста также остается резистивным и если взять Кб —2Кн, то сохраняется Квх = К„. Напомним, что обеспе чение Квх = К„ удобно при использовании системы обхода моста в аварийном режиме, когда работающий генератор может быть непо средственно подключен к нагрузке Кн без какой-либо регулировки режима генератора.
Соотношения, определяющие характеристики рассматривае мых мостов (рис. 2.54; 2.55) при любом соотношении 2о и Кн, в том
числе и при 2о= ур2 Кн, могут быть получены с использованием вы ражений приложения 5.
В общем случае напряжение на нагрузке КИ определяется вы ражением (П.5.50), согласно которому, учитывая 12ц
|
и = . |
№ +е 2)К |
(2.102) |
|
|
Л. |
2КпС05 $2. + у '2 0 5111$2 |
||
|
|
|||
а ток через нагрузку: |
|
|
|
|
Т |
— щЛн |
_ |
^1+^2 |
|
ч |
- - у |
|
2КпС05 р ^ + у 2 0 51П Р ^ |
|
Согласно принятым на рис. П.5.3 обозначениям ток через нагрузку /дн = / 10 + 1\о, где согласно (П.5.47) с учетом (2.102)
|
(Е2- Еу )7 ? „ С Р 5 Р 1 + ]Е22р 51П Р 1 |
|
Соответственно |
у 2 05111 р /?(27?н с о з р ^+ у‘2 0 5111Р ^ ) |
|
(Е\ - Е2)ЯНсозре +]Е{205т$С |
||
|
||
Ч = - |
(2.103) |
|
^2 ^51П Р^(2ЛНСО$Р^+ у'20 5Шр^) |
Ток, поступающий от генератора Г1в отрезок линии, определя ется (П.5.40) и с учетом (2.102), (2.103) будет:
(Я, +Е2)Кп-усозр ^ п р ^ ад + ^ [ ( Д ,-Е2)сщ2ре-Е]- ^ ]
1\С—
47^ С052 $2+2о 51П2 $2
Аналогично определяется ток, поступающий от генератора Гг в от резок линии (ток /]/ на схеме рис. П.5.3):
(4 + 4 ) 4 -усозр/’з т р ф о ^ + Щ ^ Е 2 - Е х)сХ%2^ - Е х- Е 2]|
4 =
4 ^ СОЗ2 + 7 |
$ 31П2 Р^ |
Последние выражения позволяют определить составляющие вход ного сопротивления моста без балластного резистора со стороны генератора. В частности, составляющие входного сопротивления со стороны генератора Г|:
АВ^ соз2 |
|
|
+ 7.131П2 |
||
4x1 — |
|
|
|
|
; |
0 + 4 / 4 ) 4 |
|||||
АЕ^ соз2 Р^ + 7 \ з т 2р^ |
|||||
/4x1 —' |
|
|
( |
т? Л |
|
242 ' |
с1§2 Р ^ -1 ----- |
||||
СОЗ Р^51П Р^-< 2 0 + - |
N1 |
|
|
1 -— |
|
|
.1 ^ |
|
|||
|
|
|
Аналогично определяются составляющие входного сопротивления со стороны генератора Г2 (выражения отличаются только заменой 4 на Е\ и наоборот).
Если 7й = 2Кн, как |
принимается в МУ на |
ТЛ по схеме |
||
рис. П.5.3, то: |
|
|
|
|
п |
4 4 |
220 |
. |
|
^ х1 |
1 + Е2/Еу |
1 + 4 / 4 |
’ |
|
/4 x 1 = / • 441бР г/(1 - 4!Ех) = / • 220*е р/?/(1 - |
4 / 4 ) . |
В случае идентичных генераторов (4 = 4 ): 4x1 = 4 ; /4x1 = °°- При коротком замыкании генератора Г2: 4x1 = 220 = 4 4 ; /4x1 = =/'• 22о Р^ =/• 4 4 *Е Р^- Чтобы при коротком замыкании Г2 иметь резистивную составляющую входного сопротивления моста рав ной То, необходимо взять балластный резистор с сопротивлением 4 = 22о= 44-
Если 2о = V 2 ЛНэ как принимается в подобных мостах, то:
к2^, (1 + со§2 р1) _ ^220(1 +со52 р1).
|
вх1 |
] +Е2/Е1 ~ |
|
\ + е 2/ е] |
|
.V |
_ ./2Лн1§р^(1 +С052 (ЭД) |
— 7 |
. 201§Р^(1 + со$2 (ЭД) |
||
]Х пуI |
7 ----------- |
^------------------------ |
---------л---------------------- |
• |
|
|
|
(соз2 № -Е 2!Ех) |
|
( соз2 ^е~Е2/Е1) |
|
В случае идентичных генераторов (Е\ = Е2):
■йвх) = Ли (1 + соз2 Р^) = Д^(1 + соз2 Р^);
|
л/2 |
|
.у |
_ .л/2Д„(1 +со52 р1) _ |
,20(1 +соз2 Р<?) _ |
^ вх1 |
^ зтР^созР^ |
^ зтр^созР^? |
= - у 'л & н с 1 § Р^(2 + г§ 2р^) = - у 2 0с(§ Р<? (2 + 1§2р ^ ) .
При коротком замыкании генератора Гг: /?Вх1 = 2ЛН(1 +
+ соз2 РО =л/2 20(1 + соз2 р^); уХвх, =ул/2 Лн Ш № (2 + *§2 РО = = у2ЫёР^(2+4ё2р^).
Как видим, резистивная и реактивная составляющие входного
сопротивления при 2Г0 = -\/2 Лн у рассматриваемых мостов зависят от длины отрезков и частоты как в номинальном, так и в аварийном режиме. Только при длине отрезков I = У4 (Р^ = тг/2) входное со противление имеет резистивный характер и в случае идентичных генераторов оказывается равным Кн, а при коротком замыкании од ного генератора равно 2КН. Очевидно, чтобы при коротком замыка нии одного генератора входное сопротивление моста сохраняло значение /?вх = КИ, необходимо иметь Я$ = 2Кн.
Так как I = У4 обеспечивается только на одной частоте, то рассматриваемые мосты (рис. 2.54, 2.55) в обычно принимаемом
исполнении: 2о = л/2 Ян оказываются относительно узкополосными и используются в полосах частот до 5 % от средней частоты. Узкополосность рассматриваемых мостов также является их недос татком.
При реализации мостов на отрезках коаксиальной линии может быть осуществлено сложение в нагрузке токов двух и более генера торов, например, как условно показано на рис. 2.56 для N = 4 [6]. Балластные резисторы соединены звездой. В общем случае произ вольного Л/, где N - число генераторов в номинальном режиме, для обеспечения Лвх = Ли необходимо использовать линию с волновым
сопротивлением 2о = - Ш Лн и балластные резисторы /?б.зв = Лн. Длина отрезков линии I = У А на средней частоте. Возможно соеди нение балластных резисторов многоугольником и полным много угольником. Сопротивления балластных резисторов при различных схемах соединения связаны соотношением (2.94). При реализации моста с использованием свойства ТЛ: независимость величины вы ходного напряжения и тока от длины отрезков и частоты - необхо дима линия с волновым сопротивлением 20 = М?н и балластные резисторы, имеющие при соединении звездой сопротивление: Л$гй= = 20 = ЫЛН. Входное сопротивление моста при этом имеет рези стивную составляющую Лт ~ 2оДлина отрезков линии в этом слу чае может отличаться от УА во всей полосе рабочих частот.
Рис. 2.57
Известна схема моста (рис. 2.57) на отрезках коаксиальной ли нии, обеспечивающая сложение токов двух генераторов в нагрузке Лн и позволяющая соединить балластный резистор Л§ с землею (корпусом) устройства, что упрощает отвод тепла от балластного резистора в аварийном режиме. В данной схеме синфазные генера торы соединяются с нагрузкой Лн отрезками линии длиной I - У А,
соответствующей средней частоте, а с балластным резистором один из генераторов соединяется через отрезок длиной I = ЯУ4, а другой - через отрезок длиной I = (3/4)А,. При этом токи генерато ров в нагрузке оказываются в фазе и суммируются, а в балластном резисторе токи генераторов оказываются в противофазе и соответ ственно вычитаются. Полный баланс моста обеспечивается на частоте, длина волны коле баний которой соответствует указанным длинам отрезков.
Подобный мост реализу ется также на отрезках микрополосковых линий (рис. 2.58) и носит название: «гибридное кольцо» [6, 10].
Очевидно, отрезок линии длиной I - (3/4)А. может при соединяться со стороны любо го генератора.
В случае идентичных син фазных генераторов на средней рабочей частоте каждый генератор
нагружается на цепь, показанную на рис. 2.59,а. При коротком за мыкании одного из генераторов другой оказывается нагруженным на средней рабочей частоте на цепь, представленную на рис. 2.59,6.
Волновое сопротивление линий для мостов рис. 2.57 и 2.58
принимается 20= л/2 Кн. В этом случае на средней частоте в номи нальном режиме каждый генератор ощущает резистивное сопро тивление, равное по величине Л„- Действительно, согласно схеме рис. 2.59,от, поскольку входное сопротивление короткозамкнутого отрезка равно бесконечности, нагрузка генератора формируется четвертьволновым отрезком, нагруженным на сопротивление 2Кн (сопротивление 7?н удваивается за счет совместной работы генера торов). Входное сопротивление такого четвертьволнового отрезка определяется известной формулой четвертьволнового трансформа тора и в данном случае равно: Явх = 2о2/27?н = Кн.
При коротком замыкании одного из генераторов на средней частоте согласно схеме рис. 2.59,6 нагрузка генератора формирует ся параллельным соединением двух четвертьволновых отрезков, один из которых нагружен на сопротивление Кн и имеет входное сопротивление согласно формуле четвертьволнового трансформа
тора Лвх.н = 2о2/Лн, а другой нагружен на сопротивление и имеет входное сопротивление, также определяемое по формуле для чет вертьволнового трансформатора: Квх.б= 2-а/Кб •
т ^ |
* |
ЗЛ/4 |
* <-------- |
т — > <------- |
т — > |
20 |
] |
20 |
М |
|
Пш |
________ ’_____ : |
|
|
|
[._______ -______ |
б
Рис. 2.59
Результирующее сопротивление нагрузки генератора:
Л _ -^вх.н-^вхб _ |
^0 |
_ 2/?н |
■^вх.н "**^вх.б |
^н+Лб |
Лн+Лб |
Чтобы получить Лвх = Кн, необходимо обеспечить - ^?н = 20 /у[2
Используя схемы рис. 2.59, можно определить связь 20 |
и |
с /?н для обеспечения нужного значения Лвх. Например, |
если |
потребовать: Квх = 2о, то из номинального реясима, соответствую щего схеме рис. 2.59, а, получим: 202 /2Кн =2в, откуда 2о = 2ЯН
При этом в случае короткого замыкания одного из генераторов для работающего генератора согласно схеме рис. 2.59,6 имеем:
•^вх.н = 2о /Л„ = 4КН= 220; ЛВх .б2о |
= 4/?н /-^б> |
||
^ _ ^ВХ.Н^ВХ.б _ |
4/?н __ |
|
22д |
^вх.н + ^вх.б |
Я„+*б |
^0 + 2Лб |
Из равенства ЛВх = 2о получаем необходимое сопротивление балластного резистора: Яв = 20/ 2 = Яп.
Как видим, в обеих реализациях сопротивление балластных ре зисторов оказывается одинаковым относительно Ян.
При отклонении рабочей частоты от средней баланс моста (рис. 2.57, 2.58) нарушается, ощущаемые генераторами сопротивле ния оказываются комплексными и разными в силу различия геомет рических длин отрезков, соединяющих генераторы с балластным резистором 7?б (отрезки XIА и 3X1А на средней частоте). Чтобы сде лать устройство симметричным, в гибридном кольце (рис. 2.58) включают два балластных резистора (включение второго резистора показано пунктиром). При включении двух балластных резисторов каждый из них должен иметь сопротивление Я$ = 2/?„. На средней частоте при коротком замыкании одного из генераторов другой на гружается на цепь, представленную на рис. 2.60.
7 |
« |
-------------- Ш --------------- |
> « — |
ш - > <5— |
х /4 —* *— |
Л/4 |
|
|
|
] л6 |
|
|
|
|
|
2» |
|
/?б |
П |
с ± |
Ли |
2о |
|
_______ |
1____________-__________ |
|
|
1 Г . . |
Рис. 2.60
Левый балластный резистор пересчитывается на средней часто те через отрезок линии длиной Х/2 без изменения величины парал лельно второму балластному резистору, обусловливая в месте его включения результирующее балластное сопротивление Я$/2 = Ян. Пересчитанные к генератору сопротивление нагрузки Я„ и балласт ные резисторы обусловливают на средней частоте для работающе го генератора резистивное сопротивление, равное Я„, при выбо
ре 2о = у/2 Ян. Если волновое сопротивление линии 2о = 2ЯН, то ощущаемое генератором сопротивление на средней частоте также оказывается резистивным, но равным по величине 20= 2Ян. Напом ним, что в последней реализации (20= 2ЯН) в номинальном режиме при идентичных генераторах мост проявляет свойства ТЛ. Однако при любой реализации моста полная развязка генераторов обеспе чивается только на средней частоте.
Для суммирования в нагрузке токов, соответственно и мощнос тей, двух симметричных (двухтактных) генераторов можно приме нить мост на отрезках двухпроводной линии, показанный на рис. 2.61. Все отрезки имеют одинаковую длину I —Х1А на средней частоте.
Благодаря перекрещиванию прово дов у одного из отрезков, соеди няющих балластный резистор с од ним из генераторов, обеспечивается развязка генераторов и токи, созда ваемые ими в Кб, взаимно компен сируются. Отрезок длиной У А с пе рекрещенными проводами заменяет отрезок длиной ЪУА.
Так как длина всех отрезков оди накова, то мост по схеме рис. 2.61 сохраняет симметрию на любой час тоте. Более того, при идентичных генераторах, в отличие от МУ по
схеме рис. 2.57 и гибридного кольца рис. 2.58, ток в балластном ре зисторе рассматриваемого моста отсутствует на любой частоте бла годаря перевороту фазы сигнала одного из генераторов за счет перекрещивания проводов у одного из отрезков. Следовательно, мост по схеме рис. 2.61 является более широкополосным, чем все ранее рассмотренные мосты на отрезках линий (рис. 2.54 - 2.58). Волно вое сопротивление двухпроводной линии выбирается из условия 20= V2 Кн, а балластный резистор К$ = Кн. Ощущаемое генерато ром сопротивление на средней частоте оказывается резистивным и равным Кн. Рассматриваемый мост, в частности, используется для сложения мощностей коротковолновых передатчиков, причем в ка честве Кб и Кн включаются две антенны [5]. Меняя фазу выходных высокочастотных колебаний одного передатчика на 180°, осущест вляют перевод работы передатчиков с одной антенны на другую. Если использовать двухпроводную линию с волновым сопротивле нием 2о = 2КН, Кб = Ки, то ощущаемое каждым генератором сопро тивление будет резистивным и равным 20 = 2Кн на средней частоте. При отклонении рабочей частоты от среднего значения входное со противление моста будет комплексным, однако резистивная состав ляющая в параллельной схеме представления входного сопротив ления будет сохранять значение, равное 2о = 2КН, а реактивная со ставляющая входного сопротивления при работе двух идентичных генераторов будету‘2о Р^, где Р^ - электрическая длина отрезка на интересующей частоте. Мост в этом режиме проявляет свойства ТЛ.
Широко используются так называемые квадратурные мосты на отрезках коаксиальных или микрополосковых линий для сложения