книги / Трансформаторы в цепях согласования и сложение мощностей радиочастотных генераторов

метрическая длина отрезков линий мостов определяется с учетом укорочения за счет диэлектрика (в-у/ё^ раз меньше, чем при воз­

душном заполнении). Наличие перемычек П в конструкции не­ сколько усложняет технологию изготовления и, главное, несколько ухудшает частотные характеристики и параметры моста. Поэтому мосты конструкции «тандем» выполняют на частотах до 5... 10 ГГц. Некоторые сведения о конструктивных параметрах таких мостов и их свойствах можно найти в [9].

Мы уже отмечали, что любое МУ для сложения мощностей двух генераторов в одной нагрузке может быть использовано для распределения (деления) мощности одного генератора между двумя нагрузками. Для этого в устройстве сложения на место нагрузки надо включить генератор, а на место генераторов включить нагруз­ ки. Подобные устройства известны как делители мощности, а также как направленные ответвители мощности. В частности, квадратур­ ный мост на одиночных линиях по схеме рис. 2.62 в режиме деле­ ния мощности генератора в технике СВЧ называют двухшлей­ фовым направленным ответвителем [5], а также квадратным мостом [13]. Квадратурный мост на четвертьволновых отрезках двух свя­ занных линий по схеме рис. 2.74 при обеспечении коэффициента

связи линий кп = 7 ^ 5 * 0,70710 в режиме деления мощности гене­ ратора называют трехдецибельным направленным ответвителем [5, 13] (мощность генератора делится на две равные части: 10 1§2 = = 3 дБ, где 2 - определяет отношение мощности генератора к мощ­ ности, отводимой в одно плечо, т. е. подводимой к одной из нагру­ зок ответвителя). Конструкция «тандем» также является трехдеци­ бельным направленным ответвителем в режиме деления мощности одного генератора. При этом каждый из образующих конструкцию мостов рассматривается как ответвитель с переходным затуханием 8,34 дБ.

На рис. 2.78 показана схема мостового устройства из отрезков двух связанных линий, предназначенная для распределения мощно­ сти генератора с амплитудой выходного напряжения Е между двумя нагрузками: 7?н) и Т?н2. Обычно выполняют Ян] = Ян2 = Я^ = Я, где Я определяет волновое сопротивление 20подводящих линий.

Схема рис. 2.78 описывается подобной системой уравнений как схема рис. 2.74, поэтому для анализа ее можно воспользоваться

В[9] представлены другие варианты встречно-стержневой кон­ струкции квадратурных мостов и сведения об их размерах.

Вквадратурных мостах на четвертьволновых отрезках линий

слицевой связью (см. рис. 2.15,б,г) достижима рабочая полоса час­ тот до 60 % и более от средней частоты [5, 9]. В мостах Ланге дос­ тижима рабочая полоса частот до 50%, а в мостах тандемной конструкции до 45 % от средней частоты.

Как уже отмечалось, при сложении мощностей двух генерато­ ров с помощью квадратурного моста выходные напряжения генера­

торов должны иметь относительно друг друга фазовый сдвиг 90°. Так как генераторы обычно идентичные, то на входе одного из них необходимо включать фазовращатель на 90° Однако, как правило, поступают по-другому [5]: на входе обоих генераторов включают квадратурный мост для деления мощности, который обеспечивает возбуждение генераторов сигналами от общего источника, но со сдвигом по фазе на 90°. Выходы генераторов объединяются с по­ мощью аналогичного квадратурного моста. Схема подобного уст­ ройства показана на рис. 2.80. Габариты мостов (МУ) на входе и выходе генераторов с внешним возбуждением (ГВВ) могут быть разными в зависимости от проходящей через них мощности.

По схеме рис. 2.80 строятся мощные транзисторные усилители и выходные каскады телевизионных радиопередатчиков и передат­ чиков вещания в диапазоне УКВ с использованием частотной модуляции (УКВ ЧМ вещание).

Рис. 2.80

Широкое применение квадратурных мостов с переходным за­ туханием между плечами 3 дБ при построении транзисторных уси­ лителей мощности обусловлено следующими особенностями таких мостов.

1. Если в режиме деления мощности выходные плечи моста нагружены на одинаковые сопротивления, даже реактивные, а бал­ ластный резистор удовлетворяет соотношению Кб = 2о)2 = IV,2, то входное сопротивление моста на средней частоте* оказывается ре­ зистивным и равным Кб, как и при нагрузке плеч моста на одинако­ вые резистивные сопротивления: Кн= Кб = Ках = 2оп=

2. Выходное сопротивление моста со стороны подключе­ ния нагрузки Ки в режиме сложения мощностей генераторов при Кб = /?н = 2”о12 = ^12 остается на средней рабочей частоте* резистив­ ным и равным Кп при любых, даже реактивных, но обязательно одинаковых, выходных сопротивлениях генераторов.

Следовательно, при одинаковом изменении входных и/или вы­ ходных сопротивлений ГВВ в устройстве по схеме рис. 2.80 будут оставаться без изменения на средней частоте нагрузка общего источ­ ника возбуждения и согласование выходного моста с нагрузкой Кн.

Отмеченные особенности квадратурных мостов обусловлены обратимостью процессов деления и сложения мощности в них и пол­ ной симметрией мостов при переходном затухании 3 дБ независимо от конструкции моста.

Например, если обратиться к схеме моста для деления мощно­ сти (см. рис. 2.78) и заменить /?„|, К,а на 2Н, то из (2.141), (2.142)

получим, учитывая в процессе преобразований Кб = у120пЖи =

=^0 \2 ^\2

~ кпУо (2ц —Ко)/2и.

Подставляя последнее выражение в (2.139), находим:

1/0 =-Я Е2н/2ои) [1 +кл2 (2„-Кб)/Кб]-,

Согласно (2.140) получаем:

2,(1-*,г)+ * „ ч

* Утверждение о постоянстве и резистивном характере входного сопротивле­ ния квадратурного моста в режиме деления мощности и выходного сопротивления в режиме сложения мощностей при одинаковых нагрузках и одинаковых выходных сопротивлениях генераторов [5, с. 199] следует относить только к средней рабочей частоте, соответствующей (. = АУ4 (см. приложение 6).

Входное сопротивление моста:

Лб(Ч(1-*,2)+*,22,,]

2вх-Е/1=

2„(1-*,2)+*,2*б

У моста с переходным затуханием 3 дБ кл =л/о,5 * 0,70710

{к1 = 0,5), соответственно оказывается 2йх =Я$ = 2оп = ^\2 незави­

симо от 2 Н. При к„ *-у/о^5 и 2Н* Кб входное сопротивление моста

2ВХф Кб и при комплексной нагрузке носит комплексный характер. Постоянство входного и выходного сопротивлений квадратур­

ного моста с переходным затуханием 3 дБ при указанных условиях физически объясняется следующим.

Сигнал возбуждения входного моста от источника Г (рис. 2.80) распределяется поровну между плечами, идущими к ГВВ] и ГВВ2. При этом сигнал к ГВВ2 поступает с отставанием по фазе на 90° [см. (2.143), (2.144)]. При равных, но отличных от К$, входных со­ противлениях ГВВ появляются отраженные от их входов сигналы, равные по величине, но также отличающиеся по фазе на 90° При этом отраженный сигнал от входа ГВВ| опережает по фазе сигнал, отраженный от входа ГВВ2. В итоге отраженные сигналы склады­ ваются в 7?б и вычитаются в плече включения источника возбужде­ ния Г (отраженные сигналы соответствуют Г], Г2 на схеме рис. 2.74, где на месте КИнаходится источник Г).

У выходного моста при рассогласовании его с нагрузкой от последней появляется отраженный сигнал, проходящий через плечи моста к выходам ГВВ) и ГВВ2. При этом сигнал, доходящий до вы­ хода ГВВ], отстает по фазе на 90° от сигнала, доходящего до выхода ГВВ2. Уровни сигналов одинаковые. При одинаковых, но не равных Кб, выходных сопротивлениях ГВВ от выходов генераторов отра­ жаются одинаковые по величине сигналы. При этом сигнал, отра­ женный от выхода генератора ГВВ2, опережает по фазе сигнал, отраженный от выхода ГВВЬ на 90°. В итоге отраженные от выхо­ дов ГВВ сигналы (переотраженные сигналы) складываются в Кб и вычитаются в Кн. Отсутствие отраженного от выходов ГВВ сигнала в нагрузке Кн при использовании в качестве последней антенны ис­ ключает повторное излучение сигнала, происходящее с некоторой задержкой после излучения первичного сигнала. Отсутствие переизлучения особенно важно для телевизионных передатчиков сигна­

лов изображения, так как переизлучение сигнала обусловливает многоконтурность принимаемого изображения. Современные теле­ визионные передатчики сигналов изображения содержат системы подавления отраженных сигналов на основе квадратурных мостов [5] и строятся с применением схемы рис. 2.80.

Итак, мы рассмотрели общие положения мостовых схем сло­ жения мощностей двух, а в отдельных случаях и большего числа генераторов и основные принципы построения мостов разных диа­ пазонов. Представленные сведения позволят читателю принци­ пиально разобраться с работой и особенностями не только рассмот­ ренных выше мостовых устройств, но и различных их вариантов и модификаций, которые не нашли отражения в настоящей работе и которые будут предложены в будущем, возможно, и кем-то из чи­ тающих эти строки.

2.3.2. СЛОЖЕНИЕ МОЩНОСТЕЙ ПРОИЗВОЛЬНОГО ЧИСЛА ГЕНЕРАТОРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОСТОВЫХ УСТРОЙСТВ.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СООТНОШЕНИЯ В МНОГОПОЛЮСНЫХ МОСТОВЫХ УСТРОЙСТВАХ

Выше мы рассмотрели общие положения мостового метода сложения мощностей генераторов, а также возможные схемы и кон­ струкции мостов разного назначения и разных диапазонов частот. Большинство мостовых схем предназначено для сложения мощно­ стей двух генераторов. При этом возможно построение схем для сложения без потерь мощности в балластном резисторе как генера­ торов с одинаковыми, так и с разными выходными мощностями. При использовании трансформаторов на линиях (ТЛ) возможно сложение мощностей не только двух, но и большего числа генера­ торов. Однако трудности изготовления ТЛ при большом числе ге­ нераторов, связанные в основном с подбором соответствующего магнитопровода, практически не позволяют складывать с помощью МУ на ТЛ мощности более трех-четырех генераторов.

В то же время, используя системы мостов для сложения мощ­ ностей двух генераторов, можно обеспечить сложение мощностей произвольного числа генераторов и таким образом получить прак­ тически любую мощность в нагрузке.

Широко применяется метод так называемого попарного сум­ мирования [6], структурная схема которого показана на рис. 2.81. Используются мосты М для сложения мощностей двух идентичных генераторов.

Согласно представленной структурной схеме (рис. 2.81) мощ­ ности Рг генераторов суммируются с помощью мостов М|, М2, М3, М4, на выходах которых получают мощность 2Рг. Мощности 2РГ суммируются с помощью мостов М5, М6, на выходах которых полу­ чается мощность 4Рг. Мощности 4Рг суммируются с помощью мос­ та М7, на выходе которого получается мощность 8РГ.

Метод попарного суммирования позволяет складывать без по­ терь в балластных резисторах Кб мощности И - 2 к генераторов, где к = 1, 2,3 и т.д. - число рядов мостов в системе (рис. 2.81).

ВЫХОД

Рис. 2.81

На рис. 2.82 показана структурная схема так называемого це­ почечного метода суммирования [6].

С помощью моста М] суммируются равные мощности Рг. На выходе моста обеспечивается мощность 2Рг. Мосты М2, Мз, М4 предназначены для суммирования без потерь в балластных резисто­ рах Кб неравных мощностей. Чем ближе к выходу, тем сильнее не­ равенство суммируемых мощностей: мост М2 суммирует мощности Рг и 2Рг, мост М3 суммирует мощности Рг и ЗРГ, мост М4 суммиру­ ет мощности Рг и 4Рр Этим методом, в принципе, молено суммиро­ вать мощности любого числа генераторов, причем не обязательно одинаковой мощности. Однако если суммируемые с помощью мос­ та мощности сильно различаются, то появляются трудности в реа­

В случае идентичных генераторов мосты М|, М?, Мз суммиру­ ют одинаковые мощности Рг, обеспечивая на выходах мощности 2Рг. Мост М5 суммирует одинаковые мощности 2РГ, обеспечивая на выходе мощность 4РгМост М4 суммирует неравные мощности: 2РГ и Рг, обеспечивая на выходе мощность 3Рг. Мост Мб также сумми­ рует неравные мощности: 4РГ и ЗРг, обеспечивая на выходе мощ­ ность 7Рг.

Нетрудно видеть, что при всех рассмотренных выше методах суммирования У генераторов требуется (Л7 —1) мостов и (У - 1) балластных резисторов Кб. Полезная нагрузка подключается к вы­ ходу системы мостов.

При подключении к системе мостов одного генератора его мощность неравномерно распределяется между полезной нагрузкой и балластными резисторами, причем большая часть мощности вы­ деляется в балластном резисторе моста, к которому подключен ге­ нератор, независимо от метода суммирования. При выходе из строя одного генератора большая часть мощности работающих генерато­ ров выделяется в полезной нагрузке, а мощность, выделяемая в бал­ ластных резисторах, распределяется между ними неравномерно: больше мощность выделяется в балластном резисторе моста, к ко­ торому подключен неработающий генератор. Величина этой мощ­ ности зависит от метода суммирования. Подробнее этот вопрос рассматривается ниже.

Сложение мощностей одинаковых генераторов при числе N > 2 можно также осуществить путем построения единого МУ на основе мостов с поворотной (радиальной) симметрией [6], прототипами которых служат мосты для У = 2 с симметричными относительно нагрузки входами. Примерами таких мостов являются Т-мосты на сосредоточенных элементах и Т- или 7/-мосты на четвертьволновых отрезках одиночных длинных линий.

На рис. 2.84 представлено МУ на основе Т-моста по схеме рис. 2.30,а для сложения мощностей трех генераторов (У = 3). Бал­ ластные резисторы Рб и конденсаторы Сб могут быть соединены по схеме У-угольника (рис. 2.84,а) или У-лучевой звезды (рис. 2.84,6). Возможно также соединение балластных резисторов по схеме пол­ ного многоугольника. Выбор схемы соединения балластных рези­ сторов определяется удобством реализации конструкции и возмож­ ностью сокращения длин соединений. Напомним, что параметры элементов Рб, Сб зависят от схемы их соединения.

МУ на основе Т- или {/-мостов из четвертьволновых отрезков линий представлено на рис. 2.56 для сложения мощностей четырех