close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

1-ая ч. курса УГФС Кадры 6

код для вставкиСкачать
Цепи согласования ГВВ
Основной задачей цепи согласования любого ГВВ является
 н к расчетной
трансформация оконечного сопротивления нагрузки Z
величине RЭ по цепи выходного электрода во всем диапазоне
рабочих частот (fр min  fр max ) .
Кроме основной задачи ЦС ГВВ может решать дополнительные
задачи: фильтрацию побочных продуктов, которые могут иметь место
на выходе ГВВ, например, гармоник основной частоты в ВУМ,
комбинационных частот в блоках переноса, гармоник и субгармоник
в умножителях частоты.
Классификация цепей согласования
Цепи согласования можно классифицировать по ряду признаков.
Мы остановимся на наиболее важных признаках и чаще всего
используемых на практике.
По месту размещения Ц С.
1. Цепи согласования ВУМ. Они обеспечиваю трансформацию
оконечной нагрузки передатчика к расчетной величине. Такой
нагрузкой может выступать антенна, входное сопротивление
фидерной линии связи. В промышленных и медицинских установках
ОВЧ, УВЧ, СВЧ диапазонов нагрузкой являются физические
объекты. ЦС ВУМ наиболее ответственные цепи, поскольку от их
работы зависят многие количественные,
качественные и
эксплуатационные показатели передатчика и других генераторных
устройств.
2. Цепи согласования промежуточных усилителей.
3. Цепи согласования умножителей частоты.
4. Цепи согласования блоков переноса.
5. Цепи согласования автогенераторов и буферных усилителей.
6. Цепи согласования различных типов модуляторов:
амплитудных
частотных
фазовых,
блоков
формирования
однополосного сигнала, модуляторов, использующих принцип
накопления энергии и ряда других устройств.
Как видно из сделанного перечисления мест размещения ЦС,
дополнительные требования определяются спецификой задач,
которые решают конкретные устройства.
По диапазону рабочих частот.
1. Цепи согласования диапазонов ДВ, СВ, КВ.
2. Цепи согласования диапазона ОВЧ.
3. Цепи согласования УВЧ и СВЧ диапазонов.
Специфика построения ЦС указанных диапазонов очевидна,
поскольку существенно меняется элементная база ГВВ и способы
реализации пассивных элементов.
По коэффициенту перекрытия рабочего диапазона частот.
Под коэффициентом перекрытия по частоте ГВВ понимают
kf 
fp max
.
fp min
Величина коэффициента перекрытия по частоте и способ
перехода с одной рабочей частоты на другую оказывают
существенное влияние на выбор метода построения ЦС.
а) Различают цепи согласования для работы на фиксированной
частоте ( k f  1) или узком диапазоне частот, если k f  1.1. Такие
цепи согласования чаще всего выполняются на основе резонансных
контуров. При переходе с одной рабочей частоты на другую они не
перестраиваются и работают в пределах полосы пропускания, которая
обычно больше рабочей полосы. Одновременно резонансные ЦС
выполняют подавление побочных продуктов, которые могут иметь
место на выходе ГВВ.
б) При k f  1.1 различают ЦС с полосой меньше октавы
( k f  2 ) и ЦС с полосой больше октавы ( k f  2 ).
Реализация таких ЦС весьма разнообразна. Они могут
выполняться на основе перестраиваемых резонансных контуров. Для
их перестройки ЦС должны иметь в схеме переменные реактивные
элементы, величины которых при переходе с одной частоты на
другую должны меняться либо в ручную, либо автоматически.
Одновременно в схеме ГВВ должны быть предусмотрено включение
контролирующих приборов при ручной перестройке, или датчиков
состояния настройки. Необходимо также предусмотреть блок
обработки информации датчиков и блок выработки команд, которые
запускают электронно управляемые исполнительные механизмы,
выполняющие перестройку. Состояние настройки является
состоянием повышенной опасности для ГВВ, поэтому в передатчиках
предусматриваются
специальные
режимы
настройки,
обеспечивающие требуемую надежность изделия.
К достоинствам перестраиваемых ЦС следует отнести
возможность фильтрации побочных продуктов и обеспечение
высокой точности согласования ГВВ с нагрузкой.
Недостатками следует считать большие временные затраты при
переходе с одной рабочей частоты на другую, снижение надежности
устройства из-за наличия подвижных элементов, необходимость
специальной подготовки обслуживающего персонала и ряд других.
Цепи согласования с 1.1  k f  2 можно выполнить без
перестройки на основе полосовых фильтров. Такие фильтры
получили название октавных фильтров.
Решение задачи
согласования в этом случае решается либо включением в состав
фильтра широкополосных трансформаторов либо использования в
фильтрах преобразования Нортона, сущность которого будет
пояснена позднее. ЦС такого вида могут решать задачу фильтрации
высших гармоник при надлежащем выборе числа звеньев фильтра.
Фильтрацию других побочных продуктов такие октавные фильтры не
выполняют. Для перекрытия более широкого диапазона можно
рекомендовать переключаемые октавные фильтры.
К достоинствам ЦС на основе трансформирующих октавных
фильтров можно отнести практически мгновенную готовность к
работе на любой частоте рабочего диапазона, повышенную
надежность, хорошие эксплуатационные показатели. К недостаткам
можно отнести большее число элементов, используемых в ЦС,
наличие остаточной ошибки при решении вопроса согласования.
Цепи согласования с k f  2 можно реализовать на основе
широкополосных трансформаторов или ФНЧ с цепями коррекции.
Задачу фильтрации побочных продуктов такие цепи не решают.
Подавление высших гармоник обеспечивается в выходных
усилителях с помощью переключаемых октавных фильтров без
трансформации нагрузки. В промежуточных усилителях для
ослабления влияния высших гармоник широко используются
линейный класс работы. Широкое применение в промежуточных
усилителях находят такие мало фильтрующие ЦС, как ФНЧтрансформаторы. В маломощных каскадах передатчиков широко
используются резистивные цепи с отрицательной обратной связью по
току и напряжению. Минимизация гармоник достигается
использованием линейного класса работы АЭ, т. е. класса «А».
Основные параметры цепей согласования мощных ГВВ
К мощным ГВВ следует отнести ВУМ и возбуждающий ВУМ
усилительный каскад. Все остальные предшествующие усилители на
один – два порядка менее мощные устройства и о построении ЦС
таких усилителей разговор пойдет позднее.
Основным энергетическим показателем ЦС ВУМ является
коэффициент передачи мощности в оконечную нагрузку. Чаще
коэффициент передачи именуют коэффициентом полезного действия
ЦС. Математически КПД ЦС выражается формулой
~ 
P~ н
,
P~
где P~ - колебательная мощность, которую отдает АЭ ВУМ в
нагрузку по цепи выходного электрода, P~ н - мощность, которая
поступила в оконечную нагрузку ВУМ.
Часть колебательной мощности теряется в виде тепла на
элементах ЦС при протекании по ним ВЧ токов. Поэтому вторая
форма записи КПД ЦС имеет вид
~  1 
P~пот
.
P~
Совершенно очевидно, что чем больше элементов имеет ЦС при
прочих равных условиях, тем больше будет она иметь потерь и ниже
КПД.
При оценке КПД ВУМ принимают во внимание его
электронный КПД и КПД цепи согласования
ВУМ  0  ~ .
Вторым важным показателем ЦС ВУМ степень подавления
гармоник основной рабочей частоты в оконечной нагрузке.
Математически степень подавления определяется следующим
соотношением
P~ н(n)
,
NдБ  10lg
Р~ н
где P~н(n) - мощность n-ой гармоники в оконечной нагрузке. Обычно
расчет ведется для самой сильной гармоники, которая достигает
нагрузки. Чаще всего это вторая гармоника, но иногда бывает третья
гармоника. Степень подавления гармоник всегда определена по
величине требованиями ГОСТ и других нормативных документов.
Если подавление высших гармоник возлагается на ЦС ВУМ, то в
этом случае говорят о фильтрующей способности ЦС, которая
количественно характеризуется коэффициентом фильтрации
Imn
( АЭ)
Im1
Ф
.
Imn
(н)
Im1
В числителе имеет место отношение гармоник тока на выходе АЭ, в
знаменателе – отношение тех же гармоник в оконечной нагрузке.
Коэффициент Ф всегда значительно больше единицы и составляет
величину сотни и тысячи единиц. Коэффициент фильтрации ЦС
рассчитывается исходя из заданной степени подавления. Расчетная
формула для Ф при равенстве величины активной составляющей
оконечной нагрузки для тока первой гармоники и токов высших
гармоник имеет вид
 ()
Ф  n  10
1 ()
N дБ
10
.
Например, для подавления второй гармоники на (-60) дБ
коэффициент фильтрации ЦС должен составлять величину Ф = 500.
Как уже упоминалось ранее, задача фильтрации возлагается на
цепи согласования, выполненные на основе резонансных контуров,
либо на ЦС с коэффициентом перекрытия по частоте меньше октавы.
Рассмотрим подробнее резонансные цепи согласования.
Резонансные цепи согласования ВУМ
Резонансные ЦС ВУМ получили название «схемы выхода».
Различают простую и сложную схему выхода. Простой считается
схема, которая содержит один резонансный контур. Оконечная
нагрузка может полностью либо частично входить в состав
резонансного контура. Обобщенный вид и вариант конкретной
реализации простой схемы выхода показан на рисунке.
L2
X2
Rэ
X1
X3

Z
н
Rэ
C1
C2
C3
Элементом связи АЭ со схемой выхода служит элемент X1.
Элементом связи схемы выхода с оконечной нагрузкой служит
элемент X3. Если оконечная нагрузка является величиной
комплексной, то элемент X3 должен выбираться того же знака, что и
реактивность нагрузки. Нарушение этого правила переводит схему
выхода в разряд сложной схемы.
Сложной схемой выхода считается та, которая содержит два и
более резонансных контуров. На рисунке представлена обобщенная
сложная схема выхода и приведен возможный вариант ее конкретной
реализации.
Rн
X2
Rэ
X3
C1

АК Z
н
ПК
X1
L2
Rэ
X4
C2
C3
C4
X5

Z
н
L4
C5
Rн
Кроме элементов связи ЦС с АЭ и оконечной нагрузкой появляются
элементы связи между отдельными контурами. В частности
элементом связи между контурами выступает X3. Такой вид связи
получил название внутриконтурной. Однако кроме внутриконтурной
связи можно выполнить внешне контурную связь, либо
комбинированную связь. Пример использования внешне контурной
связи показан на рисунке. Элементом связи служит конденсатор С3.
C3
L2
Rэ
L4
C2
C1
C4
Rн
C5
Элементы С2,С4,С4 в этой схеме образуют треугольник. Из курса
ОТЦ известно, что элементы, соединенные по схеме «треугольник»,
можно преобразовать в соединение по схеме «звезда».
1
2
С2
С3
2
1
С2 
С4
С3 
С4 
3
3
3
3
Формулы пересчета имеют вид:
C2  C2  C3 
C2  C3
C C
C C
; C3  C3  C4  3 4 ; C4  C2  C4  2 4
C4
C2
C3
После пересчета вторая сложная схема ЦС преобразуется в первую
сложную схему.
Меняя тип элемента связи с АЭ и оконечной нагрузкой, применяя
разнообразные способы связи между контурами, можно получить
большое разнообразие сложных схем выхода ВУМ.
Определяющими условиями выбора конкретной схемы являются
следующие обстоятельства:
1. Способность ЦС выполнить трансформацию оконечной
нагрузки к расчетной величине во всем рабочем диапазоне частот.
2. Обеспечить постоянство нагрузки с требуемым качеством.
3. Обеспечить требуемый коэффициент фильтрации высших
гармоник.
4. Обеспечить максимальную простоту управления ЦС.
Все эти требования часто противоречат друг другу, и задачей
разработчика является отыскание наиболее оптимального варианта.
Анализ простой схемы выхода
При анализе необходимо помнить, что все элементы ЦС имеют
конечную добротность и, следовательно, обладают потерями. На
рисунке представлена обобщенная простая схема выхода,
учитывающая потери в элементах схемы. Для всех элементов схемы,
кроме нагрузки, справедливо следующее неравенство
ri  Xi .
Нагрузка этому неравенству не подчиняется. Наиболее удобно
нагрузку представить в виде параллельного соединения активной Rн
и реактивной Xн составляющих. В конкретной нагрузке соотношение
между Xн и Rн может быть любым, т.е.
Rн  Xн; Rн  Xн .
X2
X1
r2
X3
Rн
Xн
Rэ
r1
r3
Поскольку X3 и Xн имеют одинаковый знак реактивности, то
приведенную схему целесообразно привести к виду, изображенному
ниже
r2
X2
X3
X1
Rэ
Imk
rн
r1
В этой схеме
X3  X3  Xн ; rн

X3 2
.

Rн
Формулы получены в предположении, что влияние сопротивления
потерь r3 элемента X3 на связь нагрузки с контуром ничтожно мало.
Понятие полного сопротивления контура.
Полным сопротивлением контура является сопротивление,
полученное при последовательном обходе контура путем
суммированием сопротивлений всех элементов
n
 к  Z
 j  (r1  r2  rн )  j(X1 X2  X3 ) .
Z
j1
Обозначим
rпот  r1  r2 ,
Xк  X1  X2  X3 .
Наличие в контуре сопротивления rн говорит о том, что контур
нагружен. Если добротность нагруженного контура
Qн 
к
 10,
rпот  rн
то входное сопротивление контура в точках подключения АЭ можно
рассчитать по формуле
 12
Z
Э   .
Z
к
Z
После подстановки в формулу соответствующих значений, получим
2
2
X
X
1
1
Э 
Z
(r  rн ) - j
X .
2
2 пот
2
2 к
(rпот  rн )  Xк
(rпот  rн )  Xк
Для нормальной работы ЦС контур простой схемы выхода
необходимо настроить в резонанс.
Если контур настроить в резонанс, обеспечив равенство
m
Xк   Xn  0,
n 1
то входное сопротивление контура будет чисто активной величиной
X12
R
RЭ 
 Эхх ,
rпот  rн 1  nсв
X12
где RЭхх 
входное сопротивление контура при холостом ходе.
rпот
rн
( X3 )2

Коэффициент nсв 
получил название степень связи
rпот rпот  Rн
нагрузки с контуром.
КПД простой схемы выхода при условии ее работы на резонансе
рассчитывается по формуле
2
0.5Imk
 rн
nсв
.
~ 

2
0.5Imk  (rпотrн ) 1  nсв
На ниже приведенном рисунке представлены графики изменения
сопротивления нагрузки на АЭ ГВВ и КПД ЦС при изменении
степени связи с нагрузкой и при условии сохранения в контуре
резонанса
RЭ
R Эхх

~
 ~ 1

~
R Экр
n свкр
0
Обл. ПНР
n св
Обл. ННР
Из графиков и приведенных формул следует, что, подбирая связь с
нагрузкой, можно добиться требуемого согласования ГВВ с
оконечной нагрузкой и обеспечить передачу мощности в нагрузку с
высоким КПД. Причем КПД ЦС будет тем выше, чем больше будет
нагрузочная
способность контура
ЦС.
Под
нагрузочной
способностью контура ЦС понимают отношение
а
RЭхх
.
RЭкр
График зависимости КПД ЦС от степени связи показан на выше
приведенном рисунке.
Фильтрующая способность простой схемы выхода
Схемотехническая реализация простой схемы выхода ограничена
6-ю возможными вариантами, из которых 3 схемы используются при
емкостном характере нагрузки и 3 схемы – при индуктивном
характере нагрузки. Чтобы оценить фильтрующие возможности
простой схемы выхода целесообразно остановиться на схеме с
наиболее хорошей фильтрующей способностью. Такая схема
приведена на рисунке.
L2
Rэ
C1
C2
C3
Rн
Коэффициент фильтрации такой схемы выхода оценивается по
формуле
1
Ф  n  (n - )  Qхх(1  ~ ) ,
n
где n – номер гармоники, подлежащий фильтрации, Qхх –
добротность ненагруженного контура ( Rн   ). В зависимости от
рабочей частоты Qхх принимает значения от 50 до 350 единиц.
Рассмотрим пример. Пусть Qхх= 200, n = 2, ~  0.85. Коэффициент
фильтрации в этом случае будет равен Ф  3  200 0.15  90. Это
соответствует ослаблению второй гармоники всего на 38 дБ при
требовании ГОСТ не менее 60 дБ. Следовательно, простая схема
выхода с лучшими фильтрующими способностями не в состоянии
обеспечить высоких требований по подавлению гармоник в
оконечной нагрузке. По этой причине применение простой схемы
выхода в ВУМ весьма ограничено. Чаще одноконтурная резонансная
ЦС находит применение в ПУМ, но ее не именуют схемой выхода.
Сложная схема выхода
Как говорилось выше, сложная схема выхода содержит два и
более связанных между собой резонансных контуров. На практике
чаще всего применяют два (гораздо реже три) связанных контура.
X2
Rэ
X4
X3
X1

Z
н
X5

Z
н
Вид АЧХ связанных контуров различен и зависит от величины
фактора связи.
Прежде чем перейти к рассмотрению конкретных схем
напомним некоторые понятия, которые используются при анализе
связанных контуров.
Элемент связи Zсв. Элемент связи между контурами - это
элемент, через который осуществляется передача энергии из одного
контура в другой. Элементами связи могут быть конденсаторы Ссв,
катушки индуктивности Lсв, взаимоиндуктивность Mсв, а также
некоторые комбинации перечисленных элементов.
Сопротивление связи Xсв. Сопротивление связи это реактивная
 св  rсв  jXсв . Активной
часть сопротивления элемента связи Z
составляющей элемента связи rсв обычно пренебрегают из-за малости
ее влияния на погрешность в расчетах.
Коэффициент связи между контурами kсв. Исходная формула для
расчета коэффициента связи имеет вид
k св 
Xс в
пк   Ак
,
где пк ,  Ак  волновые сопротивления промежуточного и антенного
контуров соответственно. Они определяется при нулевой связи между
собой;
При необходимости коэффициент связи можно также
представить иначе
k св 
Xс в
 Ак
k св пк,k св Aк коэффициенты

Xс в
пк
  k свпк  k св Ак ,
связи промежуточного контура с
антенным контуром и антенного контура с промежуточным.
Фактор связи между контурами Асв. Исходная формула для
расчета фактора связи имеет вид
Aс в  k св  Qн пк  Qн Ак  k свпкQн пк  k св АкQн Ак ,
где Qн пк , Qн Ак  нагруженные добротности промежуточного и
антенного контуров соответственно.
В зависимости от фактора связи «Асв» АЧХ цепи согласования
может быть одногорбовой (Асв<1), уплощенной (Асв=1), двугорбовой
(Асв>1). Ширина полосы пропускания ЦС по уровню 0.7 при разных
величинах фактора связи будет различной. Например, при Асв=1 и
одинаковой добротности контуров полоса пропускания по уровню 0.7
составляет
2f 0.7  2 
f0
.
Q
При Асв=2.42 провал в двугорбовой характеристики достигает
0.7, а полоса по уровню 0.7 и одинаковой добротности контуров
становится равной
2f 0.7  3 
f0
.
Q
На рисунке представлен график АЧХ входного сопротивления
ЦС при факторе связи Асв>1.
В системах связи полоса пропускания ЦС по уровню 0.7 и
полоса, занимаемая ВЧ сигналом имеют следующее соотношение
П0.7 Пс .
Это дает право не учитывать влияние неравномерности АЧХ на
передаваемое сообщение. Однако неравномерность АЧХ может
привести к изменению режима работы ГВВ.

Z
Э

Z
Эmax
1
0.7
Асв>1
 р1
0

р 2
П 0.7
Двухконтурная резонансная цепь согласования имеет три
резонансной частоты, на которых входное сопротивление цепи
становится чисто активной величиной.
1. Частота полного резонанса. Она соответствует настройке на
частоту возбуждающего сигнала в резонанс каждого из контуров. Эта
частота настройки занимает центральное положение на АЧХ.
2. Частоты частичного резонанса. Их две. Это частоты fр1 и fр2 .
Они соответствуют экстремальным значениям АЧХ ЦС. На этих
частотах каждый контур немного расстроен относительно частоты
возбуждения, но так, что расстройка одного контура компенсируется
противоположной расстройкой второго контура.
ВУМ может работать на любой из этих резонансных частот.
КПД цепи согласования ~ЦС. Он определяется отношением
мощности Р ~н , поступающей в оконечную нагрузку, к мощности P~ ,
подводимой к цепи согласования со стороны АЭ
P~ н
~ ЦС 
.
P~
КПД цепи согласования можно выразить через произведение КПД
промежуточного и антенного контуров цепи согласования,
рассматриваемых как самостоятельные устройства.
P~ АК P~ н
~ ЦС 

 ~ ПК  ~ АК.
P~ P~ АК
Эта формула может быть выражена через потери в связанных
контурах
~ ЦС  ~ ПК  ~ АК  (1 
Pпот.пк
P
)  (1  пот.Ак ) .
P~
P~ АК
Мощность P~ АК - это колебательная мощность, которая
поступает в антенный контур. Часть мощности теряется в
промежуточном контуре Pпот.пк , другая часть в антенном контуре
Pпот.Ак . Мощности потерь в основном преобразуются в тепловую
мощность, которая
разогревает элементы контуров. Эти потери
обязаны своим появлением омическому сопротивлению элементов
ЦС.
Коэффициент фильтрации сложной схемы выхода
Фильтрующая способность сложной схемы выхода определяется
двумя связанными резонансными контурами и достигает своего
максимума при работе ЦС на частоте полного резонанса. Если
антенный и промежуточный контуры настроены на частоту внешнего
возбуждения, то появляется состояние, когда входное сопротивление
антенного контура чисто активно и является нагрузкой
промежуточного контура. В этом случае коэффициент фильтрации
можно представить в следующем виде
Imn
I
( АЭ ) mn (Rэпр )
I
I
Ф  m1
 m1
 Фпк  ФАк .
Imn
Imn
(Rэпр )
(н )
Im1
Im1
При использовании частичных резонансов фильтрующая
способность цепи согласования снижается на (10-20)%.
Рассмотрим конкретный пример сложной схемы выхода
L2
Rэ
C1
C4
C2
C3
C3
L4
C5
Rэ пр
С3  С3  С3
Применительно к приведенной схеме коэффициент фильтрации
можно записать в виде
1
Ф  n2  (n - )2  Qххпк (1  ~ пк )  Qхх Ак (1  ~ Ак ) .
n
Если положить Qххпк  QххАк и ~ пк  ~ Ак , то КПД сложной схемы
выхода при заданной степени подавления высших гармоник можно
оценить по формуле
Rн
2


Ф
 .
~   1  2
 (n  1)Qхх 
Если NдБ 60дБ, Qхх  200, максимально возможное значение КПД
сложной схемы выхода составит
2

500 
  0.927,
~ max   1  2
 (2  1)200
(92.7%).
Как видно из полученного результата сложная схема выхода способна
обеспечить требуемую фильтрацию высших гармоник при высоком
значении КПД цепи согласования. Такой результат совершенно не по
плечу простой схеме выхода. Полученный результат принадлежит
лучшей фильтрующей схеме. Однако и другие схемы дают
приемлемые результаты. Приемлемым считается КПД цепи
согласования ВУМ с величиной не менее 0.7 (70%).
Документ
Категория
Радиоэлектроника
Просмотров
132
Размер файла
988 Кб
Теги
угфс, кадры, курсач
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа