Штл с дробным коэффициентом трансформации

Создать ШТЛ с дробным коэффициентом трансформации (рис. 10.20) можно, включив последовательно ШТЛ с коэффициентами трансформации 1 : n₁ и

n₂ : 1. Коэффициент трансформации такого трансформатора будет n₁ : n₂, количество линий будет равно сумме (n₁ + n₂) и для его изготовления потребуются два ферритовых кольца. АЧХ в области нижних частот у такого ШТЛ будет хуже, чем у составляющих.

Более экономный способ создания ШТЛ с дробным коэффициентом трансформации описан в работе [7]. На рис. 10.21 показан ШТЛ с коэффициентом трансформации 1 : 1,5.

Рис. 10.21

Интересно отметить, что средняя и верхняя линии находятся под одинаковыми продольными напряжениями U/2, поэтому они могут быть намотаны на одном кольце и содержать одинаковое число витков.

Во всех рассмотренных выше ШТЛ присутствуют ФЛ.

ШТЛ без ФЛ

Рис.10.22

На рис. 10.22 показан ШТЛ с коэффициентом трансформации 1 : 2, полученный из схемы рис.10.17 путем исключения ФЛ. На выходных зажимах ШТЛ (рис. 10.22) суммируются два напряжения U и U e ^jkl. Второе слагаемое – это напряжение на выходе отрезка линии. Оно имеет задержку по фазе  = =kl, определяемую временем прохождения сигнала по линии. При длине линии l = /2, фазовый сдвиг составит ^ = 180 и напряжение на выходе ШТЛ станет равным нулю.

Для частот, на которых  < 20, векторная сумма двух напряжений почти не отличается от суммы модулей и АЧХ ШТЛ сохраняется почти плоской. Этот вариант трансформатора можно рекомендовать к применению до 100 МГц.

Контрольные вопросы

1. Каково назначение устройств согласования выходных ступеней передатчика с нагрузкой?

2. Что понимается под коэффициентом полезного действия согласующего устройства?

3. На каких свойствах цепей основывается эффект трансформации сопротивлений?

4. Каким образом следует включать индуктивности и конденсаторы в устройства согласования, чтобы получить максимальное подавление гармоник основной частоты на выходе передатчика?

5. Рассчитайте параметры Г-образной цепи согласования, если сопротивление нагрузки R_н = 50 Ом, а коллекторная нагрузка транзистора R_к = 10 Ом. Рабочая частота передатчика – 25 МГц.

6. Почему коэффициент перекрытия по частоте фильтров в широкополосных согласующих устройствах выбирается меньше двух?

7. Чем ограничивается верхняя рабочая частота трансформатора с общим магнитным потоком?

8. Амплитуда переменного напряжения U в схеме рис.10.16 равна 10 В. Каково продольное напряжение на средней линии?

9. Как следует выбирать длину линий в ТДЛ?

Глава 11 межкаскадные согласующие устройства

Согласование входных цепей ГВВ с выходом предыдущей ступени в узкой полосе частот (f_МАКС/f_МИН < 1,1 ) можно осуществить с помощью резонансных цепей, реактивных четырехполюсников различной конфигурации. При работе в более широком диапазоне частот эти цепи необходимо перестраивать, что усложняет конструкцию и эксплуатацию радиопередающего устройства.В широкополосных усилителях входные и выходные цепи согласования должны обеспечивать работу в заданной полосе частот без перестройки.

Необходимо учитывать и то обстоятельство, что при работе транзистора в диапазоне f > 3__О с ростом частоты модуль коэффициента передачи тока базы || уменьшается обратно пропорционально частоте. При постоянном по амплитуде входном токе снижается уровень первой гармоники коллекторного тока и, соответственно, мощность в нагрузке генератора.

Для поддержания выходной мощности на постоянном уровне входной ток нужно увеличивать с ростом рабочей частоты. С этой целью на входе ГВВ включают специальные компенсирующие цепи.

Эквивалентная схема входной цепи генератора на высоких частотах приведена на рис.11.1. Активная составляющая входного сопротивления R_ВХ при изменении частоты на октаву практически постоянна, а реактивная составляющая имеет индуктивный характер [3].

Если последовательно с этой цепью включить емкость C1и на верхней рабочей частоте получить последовательный резонанс (рис.11.2), то при правильно выбранной добротности ток первой гармоники в коллекторной цепи при перестройке на октаву будет изменяться не более чем на 10%.

Рис.11.1 Рис.11.2

Полагая, что на верхней частоте диапазона _В входной ток должен быть в два раза больше, чем на нижней, добротность цепи Q = _ВL2/R вх

получается равной 1,15.

Покажем, что это действительно так. На верхней частоте диапазона входной ток равен: I_ВХ(_В) = U_Г / R_ВХ .

Амплитуда входного тока на нижней частоте:

I_ВХ(_Н) = U_Г/ [ R_ВХ + j(_BL2/2 - 2/_BC2)] ;

Модуль входного тока:

=

где  = _В L2 = 1/_ВС2 ;

Приравнивая ток I_ВХ(_Н) к 0,5 I_ВХ(_В) , получим:

После преобразований добротность цепи:

Q = _ВL2/R_ВХ = 1,15.

Параметры корректирующей цепи определяются так:

– по известной величине R_ВХ найдем требуемое сопротивление индуктивности L2: X_L2 = _В L2 ;

X_L2 = Q R_ВХ ;

Далее из условия резонанса на частоте _В находится емкость С2.

У рассчитанной корректирующей цепи есть недостатки. Дело в том, что входное сопротивление усилителя мощности получается активным только на верхней частоте диапазона - _В. На всех других частотах это сопротивление комплексное. Характер сопротивления коллекторной нагрузки предыдущей ступени передатчика будет таким же. По этой причине снижается КПД предварительного усилителя и устойчивость его работы.

Необходимо, чтобы входное сопротивление ГВВ во всем диапазоне рабочих частот было активным и постоянным по величине. Это достигается включением на входе усилителя реактивного четырехполюсника со структурой, изображенной на рис.11.3.

Параметры цепи С2, L2 рассчитываются так, как было показано выше, то есть С2 и L2 известны.

Резистор r₁ выбирается равным R_вх.

r₁ = r₂ = r;

Входное сопротивление в общем случае равно:

(11.1)

Здесь x₂ = jL2 + 1/jC2 и эти элементы известны из расчета корректирующей цепи.

Активным входное сопротивление четырехполюсника получается только в том случае, когда вещественные и мнимые части числителя и знаменателя соотношения (1) пропорциональны, то есть:

(11.2)

Рис.11.3 Рис.11.4

Следовательно: x₁x₂ = - r²;

Подставляя сюда вместо х₂ его значение, получим:

; (11.3)

Такая зависимость реактивного сопротивления от частоты реализуется параллельным колебательным контуром. Действительно, реактивное сопротивление параллельного контура (рис. 11.4) определяется выражением:

(11.4)

Сравнивая числители (3) и (4), получим:

Из сравнения знаменателей выражений (11.3) и (11.4) следует:

Емкость параллельного контура С1 = L2/r²;

Рассчитанная таким образом цепь изображена на рис. 11.4. Она на любой частоте в диапазоне ω_Н - ω_В имеет сопротивление активное, равное R_ВХ, и осуществляет коррекцию базового тока.

Это сопротивление с помощью трансформаторов с общим магнитным потоком или ТДЛ трансформируется к нужной величине сопротивления нагрузки предыдущего каскада.

Строгий вывод:

Так как первая гармоника тока коллектора пропорциональна напряжению на переходе I_к1 = S_пU_п, для анализа частотной зависимости тока коллектора достаточно записать частотную зависимость напряжения на емкости С (рис. 11.2).

Вводя обозначения: ; ; ,

запишем квадрат модуля функции передачи (мощностную характеристику):

Дифференцируя квадрат модуля функции передачи, получим частоту экстремума: ;

Квадрат модуля функции передачи на частоте экстремума:

Нормируя квадрат модуля функции передачи к максимальному значению:

получим функцию, изображенную на рис. 11.2

Рис. 11.2

Приравнивая значения функции на нулевой частоте и частоте среза, получим

Если приравнять значения функции на частоте и частоте , получим , что совпадает с . Для характеристики во всей полосе частот это соответствует неравномерности .