книги / Трансформаторы в цепях согласования и сложение мощностей радиочастотных генераторов

Так как при полной симметрии двухтактной схемы ощущаемые лампами сопротивления одинаковы и при двух лампах каждое рав­ но (1/2) Кое, где /?ое - сопротивление контура нагрузки, то, очевид­ но, заменяя лампы плеча одной эквивалентной лампой, необходимо обеспечить Лое = 2Коепл = 4Яое1/Ы.

Если N = 2, то необходимое сопротивление контура нагрузки Яое = 2/?0еь т. е. в два раза превышает требуемое сопротивление на­ грузки для одной лампы.

После расчета режима одной лампы результирующие токи и напряжения в цепях ГВВ находятся путем умножения на N12 и удвоения соответствующих величин исходя из представленных вы­ ше и в п. 2.1 соотношений.

Мощные лампы всегда работают с сеточными токами.

В однотактном ламповом ГВВ импульс сеточного тока появля­ ется один раз за период Т сигнала возбуждения на время

со я

где 0Сугол отсечки сеточного тока, вследствие чего резистивная составляющая входного сопротивления, нагружающая источник возбуждения, изменяется в бесконечное число раз в течение перио­ да возбуждения*. Источник сигнала возбуждения работает при этом на сугубо нелинейную нагрузку, что заставляет делать его сущест­ венно мощнее, чем требуется из энергетического расчета входной цепи, чтобы уменьшить нелинейные искажения.

В двухтактном генераторе, в отличие от однотактного, импуль­ сы сеточного тока появляются дважды за период Т сигнала возбуж­ дения (по импульсу от каждой лампы), что способствует выравни­ ванию (линеаризации) нагрузки источника возбуждения, улучшая

* Имеется в виду генератор с общим катодом. В генераторе с общей сеткой нагружающий источник возбуждения ток является суммой анодного и сеточного токов [2] (катодный ток). Этот ток также носит импульсный характер и появляется в однотактном генераторе на время I = (9!%) Т, где 9 - нижний угол отсечки анод­ ного тока лампы (9 и 90° в генераторе с общей сеткой). В двухтактном генераторе с включением ламп с общей сеткой время существования импульсов входного тока в два раза больше (по импульсу от каждой лампы) и составляет 1= (29/тс) Т. Если 9 = 90°, т. е. л/2, то импульсы тока через источник возбуждения будут прохо­ дить в течение всего периода, обусловливая постоянство нагрузки.

этим его характеристики. Время существования импульсов сеточно­ го тока в двухтактном генераторе

я

Необходимая мощность возбуждения двухтактного ГВВ при включении ламп с общим катодом: Рв03$ = 2РВОЗб1 = Имеюсь где Люзб1= (1/2) С/М0/с1мощность возбуждения одной лампы; 1С\ - ам­ плитуда первой гармоники сеточного тока одной лампы.

При использовании N ламп Рв03б = ЛРВОзб I •

Обратим внимание, что при выходе из строя одной из ламп в двухтактном генераторе остальные переходят в менее напряжен­ ный режим, так как уменьшается ощущаемое каждой из оставшихся ламп сопротивление нагрузки. Уменьшение напряженности режима снижает КПД по аноду.

Уменьшение вносимой в контур нагрузки лампами емкости в два раза не рассматривается как преимущество двухтактного включения по реализации контура нагрузки с большим ненагруженным сопротивлением /?оео и соответственно с возможностью по­ лучения большего КПД контура [3]: г|к = 1 - Кое^оео •

Дело в том, что в двухтактном генераторе требуется контур с 7?ое = 2/?ое|, т. е. требуемое сопротивление контура оказывается в два раза больше, чем в однотактном генераторе на одной такой же лампе и в таком же режиме. Если принять при реализации одно­ тактного генератора на одной лампе

В двухтактном генераторе на двух таких лее лампах

где @н - нагруженная добротность контура, определяемая необхо­ димой полосой пропускания.

Как видим, необходимое соотношение между требуемыми со­ противлениями контуров в однотактном и двухтактном генераторах выполняется автоматически, и получить какие-либо преимущества в двухтактной схеме по обеспечению большего Роеи КПД не удастся.

Втех случаях, когда выходная емкость лампы пренебрежимо мала либо составляет небольшую часть от требуемой емкости кон­ тура Ск, что возможно только в относительно низкочастотных гене­ раторах, проблем с реализацией параллельного колебательного контура с любым требуемым эквивалентным сопротивлением не существует. Следовательно, затронутый вопрос в этом случае неак­ туален.

Впоследние 25...30 лет в технике радиопередающих устройств наметился отказ в ряде случаев от двухтактной схемы лампового генератора в пользу однотактной. Объясняется это тем, что посте­ пенно изменяются требования к радиопередатчикам. Одними из основных требований становятся максимальная надежность и уп­ рощение настройки и эксплуатации. В этих условиях отмеченные достоинства двухтактных генераторов становятся малосуществен­ ными при использовании мощных ламп, а недостатки выдвигаются на первый план. Заслуживают внимания также и следующие сооб­ ражения [21]. Двухтактная схема ГВВ ослабляет только четные гармоники, поэтому при ее применении на выходе радиопередатчи­ ка все равно приходится ставить фильтр, препятствующий прохож­ дению высших гармоник в фидер и антенну. Фильтр для двухтакт­ ной схемы в конструктивном отношении получается более слож­ ным, чем для однотактной. На крупных автоматизированных ра­ диоцентрах целесообразно применять несимметричные коаксиаль­ ные фидеры, которые легче защитить от несанкционированного доступа и которые обладают меньшими потерями, особенно на из­ лучение. При использовании коаксиального фидера однотактная схема мощного ГВВ удобнее двухтактной.

Втранзисторной технике, наоборот, двухтактное построение

ГВВ в настоящее время широко используется на частотах от десят­ ков килогерц до 1 ГГц [5], позволяя строить относительно мощные и довольно широкополосные (с шириной полосы в несколько октав) устройства.

Все изложенное выше, касающееся принципа работы, особен­ ностей, достоинств и недостатков ГВВ с двухтактным включением ламп, включая приведенные соотношения для них, распространяет­ ся и на ГВВ с двухтактным включением транзисторов. Как и в од­ нотактных схемах, в двухтактных ГВВ широко используется включение биполярных транзисторов с общим эмиттером [2, 13].

На частотах до 1... 10 МГц при уровнях колебательной мощно­ сти в единицы-десятки ватт двухтактные генераторы на транзисто­ рах выполняют с использованием трансформаторов обмоточного типа [5].

Принципиальная схема двухтактного ГВВ на биполярных тран­ зисторах с общим эмиттером с использованием трансформаторов обмоточного типа показана на рис. 2.10.

{ = }

Рис. 2.10

Противофазное возбуждение транзисторов УТи РТ2 обеспечи­ вается с помощью трансформатора Тр1 со стороны вторичной об­ мотки, концы которой присоединены к базам транзисторов. Если среднюю точку вторичной обмотки Тр1 соединить напрямую либо через блокировочный конденсатор емкостью Сбп\ с землею (корпу­ сом), то на входы транзисторов будут подаваться противофазные напряжения: ЩуП = 11мбсоз со/; щт = - С/Мб соз а>1и можно считать, что транзисторы возбуждаются от источника напряжения. Если та­ кого соединения нет, то ток, проходящий через вторичную обмотку Трь является током, проходящим через входы (переходы базаэмитгер) транзисторов и можно считать, что транзисторы возбуж­ даются от источника тока [2]. При возбуждении от любого источ­ ника коллекторные токи транзисторов /к т , /кИП описываются подобными (2.12) выражениями.

В отличие от двухтактного ГВВ на лампах с нагрузкой в виде параллельного колебательного контура Ск, Ск, 1к (см. рис. 2.5) при-

менение в выходной цепи транзисторного двухтактного ГВВ транс­ форматора Тр2 при полной симметрии схемы обеспечивает полное отсутствие (подавление) токов и напряжений четных гармоник кол­ лекторных токов на полезной нагрузке Кн. Дело в том, что четные гармоники коллекторных токов транзисторов, находясь в фазе в об­ щем проводе, протекают по половинам первичной обмотки Тр2 в противоположных направлениях, создавая в общем магнитопроводе трансформатора взаимно компенсирующиеся магнитные пото­ ки. При равенстве токов четных гармоник результирующий магнит­ ный поток от них равен нулю и никакой трансформации (передачи) их во вторичную обмотку Тр2 в сторону нагрузки К„ не происхо­ дит. Индуктивность намагничивания Тр2 по токам четных гармо­ ник оказывается равной нулю и, следовательно, трансформатор Тр2 для токов четных гармоник представляет короткое замыкание. Полезная первая и высшие нечетные гармоники коллекторных то­ ков транзисторов, как и четные гармоники, протекают по полови­ нам первичной обмотки Тр2 в противоположных направлениях, но входят они в обмотку, будучи в противофазе. В итоге магнитные потоки, создаваемые первой и высшими нечетными гармониками коллекторных токов транзисторов, складываются в общем магнитопроводе и происходит их передача (трансформация) во вторичную обмотку Тр2 в сторону полезной нагрузки. Для нечетных гармоник индуктивность намагничивания трансформатора Тр2 не равна нулю. Если реализовать резким работы транзисторов УТ\, УТ2 с косину­ соидальными импульсами коллекторных токов, имеющими нижний угол отсечки 0 = 90°, то в составе коллекторных токов не будет выс­ ших нечетных гармоник (при 0 = 90° коэффициенты разложения ко­ синусоидальных импульсов аз = а$ = = 0). Таким образом, использование трансформатора в качестве нагрузки и реализация режима работы транзисторов с углом отсечки коллекторного тока 0 = 90° позволяют при обеспечении симметрии схемы полностью исключить присутствие в нагрузке каких-либо высших гармоник*. Если имеется асимметрия, то высшие гармоники будут при­ сутствовать в нагрузке с учетом отмеченных выше особенностей.

Цепи смещения из резисторов К\, Я2позволяют обеспечить не­ обходимый режим работы транзисторов.

*

Сказанное справедливо при косинусоидальной форме импульсов токбв транзисторов. За счет переходных процессов в трансформаторе при работе с 0 < 180° форма импульсов токов искажается и высшие гармоники определенного

уровня появляются.

новится более актуальным с повышением рабочей частоты генера­ тора, когда эта связь усиливается. Усиление емкостной связи между обмотками трансформатора с повышением частоты сказывается не только на фильтрации гармоник, но и на обеспечении симметрии схемы. Так, в схеме рис. 2.10 за счет емкостной связи между обмот­ ками входного трансформатора Тр] конец вторичной обмотки, при­ соединяемый к базе транзистора УТг, имеет утечку на землю (кор­ пус) в месте заземленного конца у первичной обмотки Тр). Конец вторичной обмотки Тр|, присоединяемый к базе транзистора УТ\, подобной утечки на землю (корпус) не имеет. У него проявляется связь с верхним концом первичной обмотки Тр] в месте присоеди­ нения источника возбуждения. Из-за указанных связей не удается обеспечить симметричное противофазное возбуждение транзисто­ ров. Наличие емкостных связей между обмотками выходного транс­ форматора Тр2 в схеме (рис. 2.10) нарушает симметрию выходной цепи генератора. Конец обмотки трансформатора Тр2, присоеди­ няемый к коллектору РТ2, имеет утечку на землю (корпус) через заземленный конец выходной обмотки в месте присоединения со­ противления полезной нагрузки К„. Конец обмотки Тр2, присоеди­ няемый к коллектору транзистора УТи такой утечки на землю (кор­ пус) не имеет, но у него проявляется связь с верхним концом вы­ ходной обмотки в месте присоединения К„. В итоге транзисторы УТ\, УТг нагружаются несимметрично со всеми вытекающими из этого последствиями.

На частотах выше 10 МГц и при больших уровнях мощности двухтактные транзисторные генераторы строят на трансформаторах из отрезков длинных линий (ТЛ) [4, 5, 13], которые вносят меньшие паразитные индуктивности и емкости.

2.2.2. ДВУХТАКТНЫЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ ГЕНЕРАТОР НА ТРАНСФОРМАТОРАХ ИЗ ОТРЕЗКОВ ДЛИННЫХ ЛИНИЙ

Возможная схема двухтактного ГВВ на биполярных транзисто­ рах, включенных с общим эмиттером, с использованием ТЛ во входной и выходной цепях показана на рис. 2.12.

Во входной цепи используется трансформатор Трь выполнен­ ный по схеме симметрирующего ТЛ (см. рис. 1.31). Нагрузкой трансформатора является входное сопротивление последовательно включенных транзисторов УТи УТг, равное 2Г/мб//б1, где 1/иб - ам­ плитуда напряжения возбуждения на входе одного транзистора; /б1амплитуда первой гармоники тока базы транзистора.

В схеме рис. 2.12 имеет место режим возбуждения от источни­ ка тока. Возбуждение транзисторов осуществляется противофазной составляющей токов в проводах 1, 2 отрезка линии, образующей Тр1 и равной /б]. Линия (провод) 3 необходима для обеспечения полной симметрии ТЛ (см. п. 1.2.2). Трансформатор Тр] целесооб­ разно изготовить из двух отрезков коаксиальной линии с волновым сопротивлением 20 = 2^/м6//б1. Режимы транзисторов устанавлива­ ются с помощью делителей напряжения из резисторов Я\, Яг.

Рис. 2.12

В выходной цепи транзисторов для связи с полезной нагруз­ кой Я„ используется трансформатор Тр3, выполненный по схеме симметрирующего ТЛ (см. рис. 1.34, б). Волновое сопротивление коаксиальной линии, из которой изготавливается отрезок, соответ­ ствующий проводам 1, 2 Трз, должно быть равно сопротивлению нагрузки Яи, т. е. 2о = Яи. В качестве провода 3 Тр3 используется оп­ летка второго отрезка такой же коаксиальной линии (см. п. 1.2.2). Напомним, что схемы Трь Тр3 абсолютно идентичны и отличаются только переменой мест присоединения источника сигнала и нагрузки.

Электрические длины отрезков линий Трь Тр3 выбираются с учетом рекомендаций п. 1.2.6. Обратим внимание, что как на вхо­ де генератора перед разделительными конденсаторами СР|, так и на выходе после разделительных конденсаторов СР2 могут при необхо­ димости быть включены повышающие или понижающие ТЛ соот­ ветствующей конструкции. Во входной цепи могут быть также

включены цепи коррекции изменения коэффициента передачи по току транзисторов с частотой [2]. При наличии во входной цепи по­ нижающего (повышающего) ТЛ или цепи коррекции волновое со­ противление коаксиальной линии для изготовления Тр| выбирается равным входному сопротивлению понижающего (повышающего) ТЛ или цепи коррекции.

На вход трансформатора Тр3 со стороны транзисторов посту­ пают сигналы как нечетных, так и четных гармоник коллекторных токов. Проведенный в п. 1.2.2 анализ подобного ТЛ распространя­ ется при полной симметрии схемы на нечетные гармоники, по от­ ношению к которым выходы транзисторов служат источниками противофазных сигналов. По отношению к четным гармоникам вы­ ходы транзисторов являются источниками синфазных сигналов. Поэтому необходимо провести дополнительный анализ Симметри­ рующего ТЛ, используемого в качестве трансформатора Тр3 для связи с полезной нагрузкой в двухтактном ГВВ.

Для анализа воспользуемся схемой рис. 2.13.

На основании уравнений связанных линий (1.8) с учетом обо­ значений на схеме рис. 2.13 и соответствующих граничных условий имеем:

КЩ\

и

При реализации трансформатора из отрезка коаксиальной ли­ нии с использованием в качестве провода 1 центрального провод­ ника: 2о)2= ^022= 2с2. В этом случае

Согласно (2.21) при полной симметрии плеч ГВВ:

-для четных гармоник (Е\ =Е2 =Е): 11цн= 0;

-для нечетных гармоник (Е{ =- Е 2 =Е):

Так как при указанном подключении проводов отрезка коакси­ альной линии И'и = 2о, то Яи= 20 и ток через нагрузку:

Как видим, при полной симметрии схемы результирующее на­ пряжение четных гармоник на полезной нагрузке двухтактного ге-