«Радиопередающие и радиоприемные устройства». 1 Лекция. Основное назначение радиопередающих устройств (рпду), терминология и требования. Основные этапы
 Скачать 1.79 Mb.
|
|
5 Лекция. Гармонический анализ импульсов выходного тока генератора Цель занятия: 1) Составляющие косинусоидального импульса. 2) Энергетические показатели основных режимов работы ГВВ. Для анализа тока, протекающего в виде периодической последовательности импульсов косинусоидальной формы, пользуются теоремой Фурье. Согласно теореме Фурье, периодическая последовательность косинусоидальных импульсов тока может быть представлена в виде суммы ряда гармонических составляющих и постоянной составляющей  , (5.1)где – постоянная составляющая; , – гармонические составляющие, часто называемые просто гармониками. Первая гармоническая составляющая является основной. Постоянная составляющая , а также амплитуды всех гармоник зависят от угла отсечки и от амплитуды импульса ,  . (5.2)где – коэффициенты пропорциональности, которые называют коэффициентами разложения. Они зависят от угла нижней отсечки и показывают, какую часть амплитуды импульса составляет каждая составляющая.
Коэффициенты разложения вычислены и приведены в таблицах А.И. Берга. По этим данным построены зависимости (см. рисунок 5.1). Пользуясь ими, можно проследить зависимость энергетических показателей генератора от угла отсечки . Так, коэффициент с увеличением увеличивается, достигая максимума при = 120°. Амплитуда первой гармоники тока имеет наибольшее значение при = 120°. При этом колебательная мощность будет наибольшая. При = 90° амплитуда первой гармоники меньше, чем при = 120°, и составляет половину амплитуды импульса. Значение с увеличением отсечки увеличивается. Зависимость коэффициентов разложения других гармоник можно проследить по их кривым. Для примера на Рисунке 5.2 приведены кривые составляющих тока косинусоидального импульса при = 90°.
Коэффициент полезного действия. Учитывая соотношения токов и напряжений, определим максимально возможный КПД при колебаниях первого рода:  (5.3)Но реально при колебаниях первого рода составляет 35...40%, так как и . Для мощных генераторов это очень низкий КПД. Колебания первого рода используются в маломощных усилителях и в тех случаях, когда низкий КПД не ухудшает энергетических показателей устройства в целом. Энергетические показатели выходной цепи генератора при режиме работы колебаниями второго рода.Коэффициент полезного действия выходной цепи генератора при колебаниях второго рода:  . (5.4)Подставив в это выражение значения и , получим  . (5.5)Отношение амплитуды переменной составляющей напряжения к значению постоянной составляющей называется коэффициентом использования напряжения источника питания и обозначается буквой (кси). Этот коэффициент показывает, какую часть напряжения источника питания составляет выходное напряжение. В генераторах с независимым возбуждением значение коэффициента выбирают в пределах 0,8...0,95. Тогда КПД:  . (5.6)В качестве примера определим значения КПД при = 90° и при = 120°:  ,  .Если принять = 1, то  ,  . Сравнивая значение КПД при колебаниях второго рода со значением его при колебаниях первого рода, замечаем, что КПД выходной цепи генератора в режиме колебаний второго рода намного больше, чем в режиме колебаний первого рода.Высокий КПД – важное преимущество генератора, работающего в режиме колебаний второго рода. Рассматривая зависимость  , видим, что при колебаниях второго рода КПД можно увеличить, уменьшив угол отсечки . Но при уменьшении , как видно из кривой зависимости , уменьшается мощность колебаний. Максимальная мощность генератора будет при =120°. Но КПД при этом не будет максимальным, так как при =120° имеет большое значение. Выбирают угол отсечки таким, чтобы на выходе генератора была достаточная мощность при высоком КПД, а – в пределах 60...90°.
Ключевой режим работы транзисторного и лампового генератора с независимым возбуждением.Ключевой режим работы генератора применяют для повышения КПД его выходной цепи. Чтобы понять, при каких условиях повышается КПД, вспомним процесс преобразования энергии источника постоянного тока в энергию тока высокой частоты. Перемещение энергии от источника питания в контур осуществляется носителями электрических зарядов – электронами. Движущиеся в ускоряющем электрическом поле электроны отбирают энергию от источника, а движущиеся в тормозящем поле, создаваемом напряжением контура, отдают ему энергию. Так происходит процесс преобразования энергии. Но в данном случае ставится задача выяснить эффективность процесса преобразования, т. е. определить, какая часть энергии источника питания преобразуется в энергию тока высокой частоты, иначе определить КПД выходной цепи генератора. Рассмотрим кривые, приведенные на рисунке 5.3, которые отображают работу генератора колебаниями второго рода при синусоидальной форме колебаний. Передача энергии в контур движущимися в тормозящем поле электронами происходит во время первого полупериода – в промежутке времени t1–t4. Для увеличения КПД напряжение на выходном электроде должно иметь форму, показанную линией 2(см. рисунок 5.3). Получение такого режима достигается подачей на вход генератора напряжения возбуждения, прерываемого ключом. Если возбуждать генератор импульсным напряжением, то в цепи выходного электрода ток будет протекать в виде периодической последовательности прямоугольных импульсов. Включенный в выходную цепь, резонансный контур создает активное сопротивление нагрузки только для первой гармоники. Поэтому при любой форме тока напряжение на контуре (и на аноде или коллекторе) будет изменяться по гармоническому закону. Литература: [6, стр.41 – 47]. 6 Лекция. Схемы питания генератора Цель занятия: 1) Питание выходных цепей ГВВ. 2) Питание входных цепей ГВВ. 3) Особенности схем питания ГВВ в зависимости от рабочей частоты. Выходная цепь генератора состоит из следующих трех элементов: источника питания, усилительного прибора и нагрузки (колебательного контура). Эти три элемента могут быть соединены между собой любым способом, но так, чтобы, образованная этими элементами выходная цепь удовлетворяла следующим требованиям: - переменная составляющая выходного тока должна проходить через нагрузку (колебательный контур), выделяя в нем мощность; - потери мощности, выделяемой переменной составляющей на других элементах выходной цепи, должны быть по возможности исключены; - потерь энергии радиочастоты в цепи постоянного тока быть не должно; - измерительные приборы должны быть включены в участки цепи, где нулевой потенциал, чтобы не увеличивать начальной емкости контура и не создавать путей утечки высокочастотного тока. Различают параллельную и последовательную схемы питания выходной цепи генератора.
Емкость разделительного конденсатора СР выбирают такой, чтобы падение напряжения на нем не превышало 5% падения напряжения на контуре. Это достигается выполнением условия  , где , откуда  .Сопротивление дросселя постоянному току r незначительно. Учитывая все это, индуктивность дросселя высокой частоты выбирают такой, чтобы через него ответвлялось не больше 0,01 переменной составляющей выходного тока рабочей частоты. Чаще всего . Схема параллельного питания выходной цепи имеет два преимущества: - безопасность в эксплуатации, так как на контуре нет высокого постоянного напряжения; - уменьшение влияния руки оператора на настройку контура, так как заземлен ротор конденсатора: при этом можно объединить роторы конденсаторов нескольких каскадов передатчика на одной оси. Входной цепью в транзисторном генераторе по схеме с общим эмиттером является цепь база – эмиттер транзистора, в ламповом – цепь управляющей сетки лампы. Входная цепь состоит из трех элементов: источника напряжения смещения, напряжения возбуждения и участка внутри усилительного прибора. Таким участком в лампе является промежуток сетка – катод, а в транзисторе – участок база – эмиттер. Напряжение смещения служит для установления исходного положения рабочей точки на статической характеристике усилительного прибора ( ). Напряжение возбуждения – для управления электронным потоком с целью создания колебательной мощности.
Входные характеристики генераторных ламп и биполярных транзисторов расположены веерообразно (см. рисунок 6.2, а, б).Для упрощения анализа и расчета входной цепи генератора реальные входные характеристики заменяют идеализированными прямолинейными (см. рисунок 6.2, в). В генераторах с внешним возбуждением на электронных лампах и полевых транзисторах напряжение смещения чаще всего отрицательное. В генераторах на биполярных транзисторах напряжение смещения бывает или открывающим, или равным нулю, поскольку характеристики этих приборов имеют более правое расположение. Если в цепи управляющего электрода (сетки, базы) действует только постоянное напряжение смещения ЕС, то во входной цепи ток не протекает. Для лампового генератора такое состояние схемы, приведенной на рисунке 2.2, определяется положением исходной рабочей точки А на рисунке 6.2, в: еС =ЕС , iC = 0. В транзисторном генераторе, схема входной цепи которого приведена на рисунке 3.4, полярность напряжения смещения и его значение зависят от требуемого положения исходной рабочей точки, типа транзистора и режима работы. Оно может быть запирающим, отпирающим и нулевым, поскольку характеристики транзистора имеют правое расположение. На рисунке 6.2 в показано возможное положение исходных рабочих точек А, В и С соответственно. В диапазоне СВЧ транзисторы обычно работают с нулевым смещением на эмиттерном переходе, так как введение запирающего смещения уменьшает усиление транзистора. При включении напряжения возбуждения в цепи управляющего электрода будет действовать результирующее напряжение  . (6.1)В транзисторных генераторах на высоких частотах из-за инерционности транзистора при переходе из состояния отсечки в активное и обратно импульсы тока коллектора iK и напряженияuЭ становятся несимметричными. Однако это незначительно изменяет результаты расчета входной и выходной цепей генератора. Литература: [6, стр.16 – 28, 50-55]. 7 Лекция. Режимы работы генератора по напряженности Цель занятия: 1) Нагрузочные характеристики ГВВ. 2) Динамические характеристики ГВВ. 3) Недонапряженный, критический и перенапряженный режимы. Основной задачей генератора с внешним возбуждением является создание возможно большей мощности колебаний на заданной частоте при достаточно высоком КПД. Полезная колебательная мощность определяется соотношением сопротивлений электронного прибора и нагрузки, а при выбранном электронном приборе – только эквивалентным сопротивлением нагрузки, роль которой выполняет колебательный контур. Изменение сопротивления вызывает изменение токов, напряжений и мощностей в цепях электронного прибора, т. е изменение режима работы генератора по напряженности. Зависимость какого-либо параметра генератора от сопротивления нагрузки называют нагрузочной характеристикой генератора. Основными параметрами генератора являются: колебательная мощность , КПД ( ), подводимая мощность ,анодные (коллекторные) токи и выходное напряжение. Динамической характеристикой генератора называется зависимость мгновенных значений тока в цепи любого электрода электронного прибора от напряжений на всех электродах при одновременном изменении их и наличии сопротивления нагрузки в выходной цепи. Динамические характеристики генератора строятся на статических характеристиках электронного прибора. Динамические характеристики генератора при различных сопротивлениях нагрузки в выходной цепи ее приведены на рисунке 7.1. При = 0 динамическая характеристика представляет собой прямую линию, проходящую перпендикулярно оси абсцисс через точку с координатами , .
 Рисунок 7.2 – Нагрузочные характеристики ГВВ При увеличении сопротивления нагрузки колебательная мощность сначала возрастает, достигая некоторого максимального значения , а затем уменьшается. Сопротивление нагрузки , при котором создаваемая генератором колебательная мощность максимальна, называется оптимальным и обозначается . В зависимости от сопротивления нагрузки различают режимы работы генератора по напряженности: оптимальный, недонапряженный и перенапряженный. Режим работы генератора при оптимальном значении сопротивления нагрузки называется оптимальным, критическим или граничным. Динамическая характеристика, соответствующая оптимальному режиму, пересекает статическую в точке ее верхнего излома, т. е. в точке перехода от вертикального участка характеристики к горизонтальному при заданном или выбранном максимальном напряжении на управляющем электроде (точка Бна рисунке 7.1) или . Эта точка (Б)называется точкой критического режима. На рисунке 7.1 видно, что при различных значениях выбранного максимального значения на управляющем электроде ( ) положение точки критического режима изменяется (Б, Б'). Геометрическое место точек критического режима называется линией критического режима. Поскольку динамическая характеристика – прямая линия, то выходной (анодный или коллекторный) ток повторяет по форме напряжение возбуждения. В оптимальном режиме импульс анодного тока синусоидальный с немного притуплённой верхушкой за счет появления небольшого сеточного тока. Режим работы генератора при сопротивлении, меньшем, чем оптимальное, называется недонапряженным. В недонапряженном режиме падение напряжения на нагрузке меньше, чем в оптимальном. Характерными признаками недонапряженного режима являются: - малое падение напряжения на нагрузке ; - большое остаточное напряжение на выходном электроде ; - большой ток выходного электрода ( или ) и выделение большой мощности ( или ) на выходном электроде; - малый ток управляющего электрода ( или ); недонагруженность управляющего электрода, отсюда и название – недонапряженный режим; - синусоидальный, остроконечный импульс выходного тока; - небольшие колебательная мощность и КПД выходной цепи генератора, что ограничивает применение недонапряженного режима в каскадах умножения частоты и при сеточной модуляции. Режим работы генератора при сопротивлении нагрузки, большем оптимального, называется перенапряженным. В транзисторных генераторах он называется режимом насыщения. В этом режиме: - большое падение напряжения на нагрузке, так как большое ; - малое остаточное напряжение на выходном электроде ( или ); - небольшой выходной ток ( или ); - большой ток управляющего электрода ( или ); управляющий электрод перегружен, отсюда и название режима – перенапряженный. В перенапряженном режиме происходит значительное перераспределение тока выходного и управляющего электродов (катодного тока между сеткой и анодом, эмиттерного – между базой и коллектором). Пользуясь динамическими характеристиками, строят нагрузочные характеристики, приведенные на рисунке 7.2. Рассматривая нагрузочную характеристику колебательной мощности , видим, что значение колебательной мощности сначала возрастает, достигая максимума, а затем уменьшается. Максимум колебательной мощности совпадает с переломом в графиках зависимостей и . Режим, соответствующий максимуму полезной колебательной мощности, называется граничным. Из нагрузочной характеристики КПД видно, что максимального значения КПД выходной цепи генератора достигает в слегка перенапряженном режиме. Выходное напряжение в недонапряженном режиме возрастает до области критического режима, так как увеличивается, а уменьшается незначительно. В перенапряженном режиме это произведение меняется в небольших пределах, так как резкое уменьшение тока компенсируется увеличением . Нагрузочная характеристика подводимой мощности повторяет форму кривой для , так как ,а значение напряжения питания постоянное. Мощность, рассеиваемая на выходном электроде, с увеличением уменьшается (см. рисунок 7.2). Из анализа нагрузочных характеристик можно сделать следующие выводы: а) для получения максимальной мощности и достаточно большого значения КПД оптимальным является критический или слабо перенапряженный режим. Из графиков рисунка 7.2 для и видно, что максимумы точек 1 и 2 их не совпадают. Максимальная колебательная мощность создается генератором в критическом режиме, но КПД при этом несколько ниже максимального; б) в недонапряженном режиме небольшая и низкий ,а тепловые потери на выходном электроде электронного прибора большие, что может вызвать перегрев его и разрушение; в) важным достоинством слабо перенапряженного режима является незначительное изменение выходного напряжения при изменении сопротивления нагрузки; г) в сильно перенапряженном режиме значения основных энергетических показателей генератора ( и ) небольшие, а потери на управляющем электроде сильно возрастают. В лампе это приводит к перегреву сетки и разрушению ее. Для транзистора перенапряженный режим менее опасен. Литература: [6, стр.58 – 64]. 8 Лекция. Сложение мощностей генераторов Цель занятия: 1) Необходимость сложения мощностей. 2) Требования к схемам сложения. 3) Различные способы сложения мощностей. 4) Влияние частотного диапазона на способы сложения мощностей. Требуемая мощность передатчика во многих случаях не может быть обеспечена одной лампой или транзистором. А параллельное и двухтактное включение усилительных приборов (ламп, транзисторов) имеет ряд недостатков. Основные из них следующие: - отказ одного из усилительных приборов может вызвать выход из строя остальных приборов. При отказе одного напряжение на нагрузке уменьшается вдвое, что эквивалентно уменьшению вдвое сопротивления нагрузки для оставшегося целым усилительного прибора. Генератор переходит из граничного режима в недонапряженный. Мощность, рассеиваемая на выходном электроде, повысится; он может перегреться и перегореть; - низкая устойчивость к паразитным генерациям из-за увеличения числа паразитных реактивностей и усложнения схемы; - неравномерность распределения токов усилительных приборов из-за разброса их параметров усугубляется связью через общую нагрузку. При разбросе параметров ламп одна из них (с меньшим сопротивлением) будет работать в режиме потребления мощности, а другая – в режиме генерации. Все это приводит к резкому снижению надежности передатчика. Поэтому получение большой мощности достигается методом сложения (суммирования) мощностей отдельных сравнительно маломощных генераторов. Различают три метода сложения мощностей: - сложение мощностей нескольких блоков в общем контуре; - сложение высокочастотных полей в пространстве; - сложение мощностей с помощью мостовых схем. Схемы сложения мощностей должны удовлетворять следующим требованиям: - каждый генератор должен быть согласован с нагрузкой так, чтобы он отдавал в нагрузку номинальную мощность ; - общая мощность, выделяемая в нагрузке, должна быть равна сумме номинальных мощностей отдельных генераторов ; - входы суммирующего устройства должны быть взаимно независимыми; - при появлении неисправности в одном генераторе мощность в нагрузке не должна уменьшаться больше чем на величину мощности одного генератора. Имеется еще ряд дополнительных требований, например компактность суммирующего устройства, удобство подключения генераторов к нему и др. Сложение мощностей в общем контуре.Вэтом случае оконечный каскад передатчика выполняется в виде нескольких однотипных блоков, возбуждаемых синфазно от одного общего возбудителя. В этих схемах необходимо обеспечить синфазность напряжений возбуждения выходных каскадов блоков, которые иначе будут работать как бы на расстроенную нагрузку.  Рисунок 8.1 – Схема сложения мощностей в одном контуре Схема передатчика, в котором сложение мощностей производится в общем контуре, приведена на рисунке 8.1. Достоинство этой схемы – возможность включения и выключения отдельных блоков без перерыва работы всего передатчика, недостаток схемы – взаимная связь между блоками через общий контур нагрузки, что сильно усложняет настройку передатчика, особенно на КВ. Поэтому схему применяют в мощных передатчиках ДВ и СВ, в которых не требуется быстрая смена волны. Сложение мощностей в пространстве.Метод сложения мощностей в пространстве используют в тех случаях, когда требуется увеличить напряженность электромагнитного поля, создаваемого антенной передатчика в заданном направлении. Сущность метода в том, что несколько автономных передатчиков работают на одной частоте от одного общего возбудителя. Каждый передатчик имеет свою отдельную антенну направленного действия. Для примера на рисунке 8.2 показана схема сложения мощностей двух передатчиков. Для ослабления связи между выходными каскадами передатчиков их антенны располагают на расстоянии . Антенны питаются синфазными токами. В пространстве формируется общая диаграмма направленности, так что в месте приема происходит сложение электромагнитных полей, создаваемых антеннами, и результирующая напряженность поля соответствует суммарной мощности отдельных передатчиков. Если же токи, питающие антенны, сдвинуть по фазе, то результирующая диаграмма направленности изменит свое положение. Это используется для быстрого поворота диаграммы направленности (излучения) электрическим способом.
Рисунок 8.2 – Схема сложения мощностей в пространстве Совокупность отдельных симметричных полуволновых вибраторов называют фазированной антенной решеткой. Комбинированием числа вибраторов в вертикальном и горизонтальном рядах можно сформировать требуемую диаграмму направленности. Таким образом, обеспечивается возможность электронного управления направлением излучения в вертикальной и горизонтальной плоскостях без механического перемещения решетки вибраторов. Сложение мощностей с помощью мостовых схем. Идеальная схема сумматора должна удовлетворять следующим требованиям: - сложение мощностей. Общая мощность , выделяемая в нагрузке всеми генераторами, должна быть равна сумме мощностей отдельных генераторов. Для достижения этого необходимо согласовать выход каждого генератора с нагрузкой так, чтобы он отдавал в нагрузку номинальную мощность; - независимость входов. Означает, что выходы генераторов или входы сумматора должны быть взаимно развязаны. Это необходимо для того, чтобы изменения режима одного из генераторов не влияли на работу других генераторов; - уменьшение мощности. При неисправности одного генератора общая мощность в нагрузке должна уменьшиться только на величину мощности одного генератора; - широкополосность. Сумматоры должны пропускать заданную полосу частот. Их применяют как в узкополосных, так и в широкополосных передатчиках. В последнем случае для расширения полосы пропускания часто используют широкополосные трансформаторы; - обратимость сумматоров. Сумматоры являются взаимообратимыми устройствами. Они могут осуществлять как суммирование, так и деление мощностей. Для использования сумматора в качестве делителя нужно генератор и нагрузку поменять местами. Деление мощности бывает необходимо для возбуждения нескольких последующих генераторов. Мостовым устройством называется многополюсник, с помощью которого обеспечивается совместная взаимонезависимая работа нескольких отдельных генераторов радиочастотных колебаний на одну общую нагрузку. Схемы мостовых устройств классифицируются по следующим показателям: - фазовым соотношениям суммируемых сигналов на синфазные, противофазные и квадратурные; - частотным свойствам на узкополосные (  ) и широкополосные;- элементной базе устройства на R–, L–, C элементах, трансформаторные и др.; - способу сложения по току или напряжению. Принцип работы мостовой схемы сложения мощностей двух генераторов Г1 и Г2рассмотрим на примере обычного четырехплечего квадратного моста Уитстона, схема которого приведена на рисунке 7.3. Мост состоит из двух активных сопротивлений ( и )и двух реактивных (X1 и Х2).При равенстве произведений сопротивлений противоположных плеч мост будет сбалансирован и генераторы Г1 и Г2, подключенные к разным его диагоналям, не будут влиять один на другой. Если напряжения генераторов действуют, как показано Рисунке 8.3, то токи в плечах моста будут протекать в направлениях, указанных на Рисунке стрелками. При равенстве амплитуд и синфазности напряжений генераторов Г1 и Г2 токи в нагрузке будут складываться, а на балластном сопротивлении – вычитаться. Если в реактивных сопротивлениях X1 и Х2потерь нет, то при равенстве амплитуд и фаз токов в нагрузке вся суммарная мощность обоих генераторов полностью выделяется в нагрузке  . При неисправности одного из генераторов мощность другого делится пополам между сопротивлениями нагрузки и балластным . Поэтому выход из строя одного генератора приводит к уменьшению мощности в нагрузке в 4 раза.
Рисунок 7.3 – Мостовая схема сложения мощностей Схема Т-образного моста с сосредоточенными параметрами приведена на рисунке 8.4. Мост составлен из параллельного колебательного контура LС1С2,нагрузки и балластного резистора . Контур, настроенный на рабочую частоту, обладает сопротивлением . При синфазной работе обоих генераторов токи в нагрузке и складываются, а в балласте и направлены встречно. При полной симметрии схемы взаимное влияние генераторов исключается, но мост имеет узкую полосу пропускания. Этот недостаток устраняется в схемах на широкополосных трансформаторах (см. рисунок 8.5). Мощности генераторов Г1 и Г2суммируются на сопротивлении нагрузки . Взаимная развязка генераторов обеспечивается балластным резистором . При соответствующем выборе элементов схемы нагрузка и режим одного из генераторов не зависят от состояния другого.
Квадратурные мосты применяют в диапазоне метровых и более коротких волн. В них равноамплитудные колебания генераторов взаимно сдвинуты по фазе на . Этот начальный сдвиг создается в фазовращателе ФВ (см. рисунок 8.6). Четыре отрезка четвертьволновых линий образуют кольцо. При этом к нагрузке токи генераторов подходят синфазно и суммируются, а к балластному резистору – противофазно и вычитаются.
Квадратурные мосты применяют в тех случаях, когда необходимо устранить в нагрузке явление фидерного «эха», возникающего при неточном согласовании фидера и антенны. В квадратурном мостовом устройстве (см. рисунок 8.6) появившийся в сумматоре отраженный сигнал поступает на выходы генераторов и, отразившись, вторично попадает в нагрузку и балластный резистор. В нагрузке отраженные сигналы противофазны, взаимно компенсируются и антенной не излучаются. В балластном сопротивлении отраженные сигналы синфазны, они суммируются. Мостовые схемы сложения мощностей генераторов по напряжению и току (см. рисунки 8.7 и 8.8) этих недостатков лишены.  Рисунок 8.7 - Схема широкополосной мостовой схемы сложения мощностей генераторов по напряжению  Рисунок 8.8 - Схема широкополосной мостовой схемы сложения мощностей генераторов по току Литература: [6, стр.176 – 198]. |
