книги / Трансформаторы в цепях согласования и сложение мощностей радиочастотных генераторов

Дополнительные 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

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

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

Согласно принятым на рис. П.5.3 обозначениям ток через нагрузку /дн = / 10 + 1\о, где согласно (П.5.47) с учетом (2.102)

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 =

Последние выражения позволяют определить составляющие вход­ ного сопротивления моста без балластного резистора со стороны генератора. В частности, составляющие входного сопротивления со стороны генератора Г|:

Аналогично определяются составляющие входного сопротивления со стороны генератора Г2 (выражения отличаются только заменой 4 на Е\ и наоборот).

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).

В случае идентичных генераторов (Е\ = Е2):

■йвх) = Ли (1 + соз2 Р^) = Д^(1 + соз2 Р^);

= - 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 •

б

Рис. 2.59

Результирующее сопротивление нагрузки генератора:

Чтобы получить Лвх = Кн, необходимо обеспечить - ^?н = 20 /у[2

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:

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.

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